光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高調(diào)整研究

王宏彬

五家渠愛康電力開發(fā)有限公司，新疆 昌吉 831100

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)電力供應(yīng)的需求逐漸增加，在環(huán)境污染問題持續(xù)惡化的背景下，必須加大對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究力度。在我國光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的背景下，我國面臨的能源威脅有所緩解，但實(shí)際運(yùn)行過程中仍存在問題。為了解決光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓上升的問題，需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[1]。

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)容量會(huì)逐漸增加，這對(duì)電力系統(tǒng)的要求較高[2]。在電力系統(tǒng)中，現(xiàn)階段常用的轉(zhuǎn)換接口是變頻器。PCC為大型光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在并網(wǎng)型光伏電站中，匯集線路依次連接光伏陣列、逆變器、升壓變壓器至并網(wǎng)點(diǎn)（POI），再經(jīng)送出線路連接至PCC。并網(wǎng)后電壓測(cè)量點(diǎn)可選擇POI或PCC。PCC可看作工業(yè)可編程模塊，類似PLC，PCC電壓可看作電網(wǎng)電壓。當(dāng)依靠傳統(tǒng)的功率控制模式控制PCC電壓時(shí)，存在電壓上升的問題。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)聯(lián)系當(dāng)前的實(shí)際需要，根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)，促進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展和普及[3]。

1 研究背景

1.1 光伏發(fā)電概述

太陽能可以通過光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電能，光伏發(fā)電系統(tǒng)比其他傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)更安全可靠。只要有太陽能存在，就可以發(fā)電，因此得到了廣泛使用。太陽能是平臺(tái)、島嶼和其他偏遠(yuǎn)地區(qū)的發(fā)電解決方案[4]。

1.1.1 光伏發(fā)電的應(yīng)用

光伏發(fā)電已逐漸應(yīng)用于高科技產(chǎn)業(yè)，如太陽能衛(wèi)星和太陽能汽車。與此同時(shí)，科學(xué)家也利用太陽能建造房屋等。太陽能是高科技和新技術(shù)的代名詞，是人們生活中不可或缺的一部分，光伏發(fā)電技術(shù)也是一種很有前途的新能源發(fā)電技術(shù)。

1.1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)

長期以來，中國電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一直采用單向配電和高低壓輸電的方式，不允許出現(xiàn)過流的問題[5]。因此，配電系統(tǒng)中的高壓插頭配有自動(dòng)電壓控制軸頭，可以調(diào)節(jié)負(fù)載電壓，并將高壓插頭的輸出端連接到電網(wǎng)的輸出端。

為了保證輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，輸電系統(tǒng)的大多數(shù)導(dǎo)線連接到隔離升壓變壓器，以實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。

通常假設(shè)配電網(wǎng)是一個(gè)具有恒定電壓幅值的無限系統(tǒng)，假設(shè)所需的所有無效功率均由電網(wǎng)提供，本地?zé)o效功為0，且連接到電網(wǎng)的逆變器的單位功率為0，則本地負(fù)載容量必須小于光伏系統(tǒng)的容量。由于輸電線路存在電阻，通過光伏發(fā)電系統(tǒng)的垂直配電網(wǎng)傳輸?shù)碾娔艽笮】梢杂肞CC電壓表示[6]。

1.2 研究意義

供電質(zhì)量是人們生活質(zhì)量的保證。光伏發(fā)電系統(tǒng)作為電源領(lǐng)域的新興系統(tǒng)，因其污染小、使用壽命長而得到廣泛應(yīng)用。其中，分散式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常接入中低壓電網(wǎng)。大規(guī)模使用分散光伏發(fā)電系統(tǒng)意味著配電網(wǎng)從一個(gè)輻射源切換到多個(gè)電網(wǎng)，電流從變壓器母線流向負(fù)載方向。這影響了配電網(wǎng)和原調(diào)壓裝置的調(diào)壓效果，現(xiàn)有的調(diào)壓設(shè)備達(dá)不到想要的效果，不能滿足現(xiàn)階段對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求[7]。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)導(dǎo)致PCC產(chǎn)生逆流，電壓會(huì)發(fā)生變化，則當(dāng)前系統(tǒng)處于輕負(fù)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)高電壓問題。電壓升高不僅影響供電質(zhì)量，還會(huì)導(dǎo)致輸電網(wǎng)變壓器等設(shè)備的損耗以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體磁導(dǎo)率受影響。因此，有必要采取有效措施解決光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的電壓升高問題[8]。

21世紀(jì)對(duì)能源的要求更高。傳統(tǒng)的火力發(fā)電不僅生產(chǎn)能力低，而且使環(huán)境惡化。為了追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，太陽能已經(jīng)成為解決能源短缺問題的關(guān)鍵，光伏發(fā)電技術(shù)是我國迫切需要的新技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)點(diǎn)的電壓升高是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的常見問題，為了更好地發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)在電源中的作用，需要通過研究解決這一問題[9]。

2 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

光伏發(fā)電模塊通過串聯(lián)和并聯(lián)形成光伏發(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)生的直流電電壓可以滿足正常運(yùn)行的要求。

直流逆變器可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，將光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能供給電力系統(tǒng)[10]。

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、功率轉(zhuǎn)換連接少等優(yōu)點(diǎn)。但是這種并網(wǎng)系統(tǒng)也有不足，其對(duì)直流逆變器要求很高，需要直流逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率和并網(wǎng)功能的追蹤，其控制策略復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)[11]。

2.1 電流的變化導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化

如果系統(tǒng)過載，光伏輸出功率大于當(dāng)?shù)刎?fù)載消耗的功率，光伏電源的有功功率和無功功率將處于過載狀態(tài)[12]。由于線路阻抗的存在，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓會(huì)增加，并可能超過特定電壓偏差的上限。

通過限制光伏電源的有功功率和無功功率，可以抑制并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高[13]。

2.2 受氣候的影響

受氣候條件的影響，光伏發(fā)電變化迅速。

因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓并聯(lián)，在電網(wǎng)短路或容量不足的情況下，光伏輸出的有功功率會(huì)有很大的變化。在光伏輸出的有功功率和網(wǎng)絡(luò)阻抗角變化相同的情況下，網(wǎng)絡(luò)阻抗角較大，并網(wǎng)點(diǎn)的短路容量較大，電壓變化較?。划?dāng)光伏輸出的功率發(fā)生變化，且負(fù)電荷強(qiáng)度保持不變時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓變化值會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)負(fù)載與光伏運(yùn)行發(fā)生碰撞時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)更嚴(yán)重。

在多云天氣及天氣發(fā)生變化時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)發(fā)生巨大變化，容易出現(xiàn)電壓問題，強(qiáng)烈的電壓下降會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 逆變器的運(yùn)行特點(diǎn)

大容量逆變器主要用于向電網(wǎng)注入額定功率，如果實(shí)際有功功率低于逆變器的額定循環(huán)功率，在逆變器注入功率的過程中，剩余功率將無法滿足功率注入需求。研究光伏發(fā)電的高壓現(xiàn)象可知，如果逆變器不能很好地解決高壓問題，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng)。在逆變器的正常運(yùn)行中，其控制電網(wǎng)電壓的能力受到變壓器和線路容量兩個(gè)因素的限制。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高調(diào)整方法

3.1 應(yīng)用變壓器

從電壓范圍來看，大型光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后的電壓越來越高，有必要適當(dāng)?shù)乜刂齐妷?。需要在響?yīng)速度不可調(diào)的情況下，依靠變壓器穩(wěn)定電能等電壓控制方法高速、準(zhǔn)確地穩(wěn)定電路電壓。

我國傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)是單向的高壓-低壓輸配電系統(tǒng)，由高壓輸配電至低壓，不允許逆流情況的發(fā)生。高中壓變壓器一般有自動(dòng)調(diào)壓閥，而中低壓變壓器可調(diào)節(jié)負(fù)荷電壓，一般不設(shè)自動(dòng)調(diào)壓閥，以保證電廠安全。

通常，電網(wǎng)運(yùn)營商需要通過隔離升壓變壓器，將光伏發(fā)電系統(tǒng)連接到低壓和中壓配電網(wǎng)中，這樣才可以確保電網(wǎng)的正常運(yùn)行；或者，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)連接到電介質(zhì)輸出低壓配電網(wǎng)的等效連接電路中。

3.2 改進(jìn)傳輸電路阻抗

PCC電壓受電源電壓、輸出線阻抗、傳輸線路功率等因素的限制，可以采用改進(jìn)傳輸電路阻抗的方法控制光伏發(fā)電系統(tǒng)中的有功功率和無功功率。

除此之外，還應(yīng)當(dāng)使用儲(chǔ)能裝置。在建設(shè)新的輸電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要確保光伏發(fā)電系統(tǒng)可以在有用功和無用功之間進(jìn)行切換，改善輸電線路的阻抗，既可以加強(qiáng)輸電線路的功能，又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；使用儲(chǔ)能裝置可以滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)的需要，但由于初始投資大，無法大規(guī)模應(yīng)用。

3.3 使用負(fù)載調(diào)壓器和電容器

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)之前，傳統(tǒng)配電網(wǎng)主要利用負(fù)載調(diào)壓器和電容器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。負(fù)載調(diào)壓器和電容器可以將網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的電壓控制在一定范圍內(nèi)。

當(dāng)配電網(wǎng)連接多臺(tái)分布式光伏發(fā)電機(jī)時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓會(huì)升高，并且可能超過電壓上限，使電網(wǎng)處于危險(xiǎn)的環(huán)境。電網(wǎng)的電流雙向流動(dòng)，電網(wǎng)的模糊功率分布不規(guī)則。在此情況下，可以測(cè)量本地信息，然后根據(jù)本地測(cè)量的信息進(jìn)行操作，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)現(xiàn)有電壓，使電網(wǎng)電壓不超過上限或下限。

3.4 使用光伏逆變器

為了使連接的多個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電源電壓保持在一定范圍內(nèi)，通常使用光伏逆變器調(diào)節(jié)電源電壓。光伏逆變器的無功功率主要受光伏逆變器的效率和額定功率的影響。當(dāng)光伏逆變器以單位功率因數(shù)接入電網(wǎng)時(shí)，其最大無功功率增加，光伏逆變器的輸出功率也會(huì)大于本地負(fù)載的功率。如果電網(wǎng)連接點(diǎn)處的電壓超過一定值，不僅會(huì)影響配電網(wǎng)的安全性和可靠性，還會(huì)導(dǎo)致光伏逆變器因電網(wǎng)短路而產(chǎn)生過電壓，限制電網(wǎng)的連接容量。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)整策略

4.1 有用功電流電源調(diào)整策略

如果采用有用功電流電源調(diào)整策略，有必要先了解瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)波形。在運(yùn)行過程中，如果PCC部分出現(xiàn)的情況為負(fù)分離，PCC可以在短時(shí)間內(nèi)增加電壓。電壓調(diào)節(jié)器必須同時(shí)控制PCC的電壓狀態(tài)和提高PCC的控制力，雖然要求較高，但是可以更有效地控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。電壓控制模式為恒波形穩(wěn)定動(dòng)作模式，隨著時(shí)間的推移，輸出功率逐漸降低，總電壓偏差回到零，使系統(tǒng)相關(guān)性能參數(shù)在合理范圍內(nèi)。

4.2 無用功電流電源調(diào)整策略

當(dāng)逆變器不能吸收能量時(shí)，PCC的本地負(fù)載被中斷。如果出現(xiàn)電壓指數(shù)為零的情況，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，并且體現(xiàn)為單位功率因數(shù)落后于總功率因數(shù)。在使用無用功電流電源調(diào)整策略時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)定PCC的電壓狀態(tài)，并在設(shè)定過程中顯示暫態(tài)穩(wěn)定波形。

4.3 自動(dòng)投切電容器調(diào)整策略

為了降低電網(wǎng)線路吸收的無功功率，需要實(shí)現(xiàn)無功功率的局部均衡，可將電容器并聯(lián)到并聯(lián)站進(jìn)行無功補(bǔ)償，電路電容器采用無效功率控制的模式。無功功率計(jì)可以測(cè)量流經(jīng)變壓器二次側(cè)的無功功率，如果流經(jīng)變壓器的無效功率的時(shí)間超過單個(gè)電容器組的組開關(guān)設(shè)置的延遲時(shí)間，控制器需要通過觸發(fā)內(nèi)部定義的事件參數(shù)來切換所需要的電容器。

5 結(jié)束語

太陽能已成為我國主要能源，而光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的調(diào)整問題是太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)容量會(huì)逐漸增加，這對(duì)電力系統(tǒng)的要求較高。依靠傳統(tǒng)的功率控制模式控制PCC電壓時(shí)，存在電壓上升的問題。

對(duì)此，應(yīng)聯(lián)系根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，PCC推力是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。研究人員應(yīng)該基于能量轉(zhuǎn)移理論分析影響PCC電壓上升的因素，提出瞬時(shí)電壓和動(dòng)態(tài)電壓的綜合調(diào)節(jié)策略。同時(shí)，需要從經(jīng)濟(jì)角度分析有功電流和無效電流的調(diào)節(jié)能力，促進(jìn)太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。