光伏發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整策略研究

光伏發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整策略研究

0光伏發(fā)電系統(tǒng)隨著大型輸送設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，發(fā)電能力占系統(tǒng)總?cè)萘康脑黾?，?duì)能源系統(tǒng)的影響日益明顯。光伏發(fā)電系統(tǒng)(photovoltaicgenerationsystem,PVGS)通常都要通過(guò)電力電子接口———逆變器,經(jīng)低壓或中壓配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行［１］。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)設(shè)計(jì)為從發(fā)電單元到負(fù)荷的單向輸配電系統(tǒng),大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行,有可能引起潮流逆流的問(wèn)題,導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)公共連接點(diǎn)(pointofcommoncoupling,PCC)電壓升高或過(guò)電壓［２－３］。電壓升高不僅影響當(dāng)?shù)刎?fù)荷的供電質(zhì)量,同時(shí)增大了線路和變壓器等輸配電設(shè)備損耗,造成系統(tǒng)過(guò)載,而且限制了PCC接入更多的光伏發(fā)電系統(tǒng),影響光伏發(fā)電系統(tǒng)滲透率［４］。因此有必要對(duì)PCC電壓進(jìn)行控制。然而單純依靠傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整方式,并不能完全有效、經(jīng)濟(jì)地解決PCC電壓升高問(wèn)題,需要借助于光伏發(fā)電系統(tǒng)本身來(lái)解決。目前,微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)的提出,需要光伏發(fā)電設(shè)備及系統(tǒng)智能化、多功能化,由此,智能逆變器、多功能逆變器等概念越來(lái)越被接受,希望能夠通過(guò)光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到一定的支撐作用［５－６］。光伏發(fā)電系統(tǒng)的先行者如德國(guó)、日本等國(guó)家,推出了新的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)范,允許光伏發(fā)電系統(tǒng)具有一定的靈活性和主動(dòng)性,要求光伏并網(wǎng)系統(tǒng)支撐電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行,特別是允許光伏發(fā)電系統(tǒng)可以調(diào)整其輸出的有功功率和無(wú)功功率,參與系統(tǒng)的電壓和頻率調(diào)整［７］。中國(guó)也推出了新的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)范,允許并要求大中型光伏電站具有一定的有功功率與無(wú)功功率控制能力,參與電力系統(tǒng)局部電壓和頻率調(diào)整［８－９］。本文通過(guò)電力系統(tǒng)功率傳輸理論,分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)引起的PCC電壓升高原因,并分析了相應(yīng)的電壓調(diào)整原理及策略,針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)基于有功功率及無(wú)功功率的電壓升高調(diào)整策略作了研究,提出了基于瞬時(shí)電壓—電流的電壓調(diào)整策略,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1配電網(wǎng)母線電壓及ue309中國(guó)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)配置為由高壓到低壓的單向輸配電系統(tǒng),不允許潮流逆流。通常高壓/中壓變壓器帶有自動(dòng)調(diào)壓抽頭,可以實(shí)現(xiàn)帶載調(diào)壓;而中壓/低壓變壓器通常不帶有自動(dòng)調(diào)壓抽頭,不具有帶載調(diào)壓能力。為了系統(tǒng)安全,電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商通常要求光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)隔離升壓變壓器接入低壓/中壓配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行［１０］。對(duì)接入中壓/低壓配電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng),其戴維南等效電路如圖1所示。圖1中:ue309Ｓ為配電網(wǎng)母線電壓,通?？梢哉J(rèn)為配電系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)窮大系統(tǒng),其電壓幅值基本恒定不變;Z=R+jX為配電網(wǎng)線路阻抗,其中R為電阻分量,X為電抗分量;P與Q分別為配電母線向負(fù)載方向傳輸?shù)挠泄β逝c無(wú)功功率;ue309ＰＣＣ為PCC的電壓;PＬ與QＬ分別為PCC本地負(fù)載有功功率與無(wú)功功率;PＧ和QＧ分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)向PCC輸送的有功功率和無(wú)功功率,QＧ為正表示光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出感性無(wú)功功率,為負(fù)表示發(fā)出容性(吸收感性)無(wú)功功率;QＣ表示PCC安裝的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的無(wú)功功率,QＣ為正表示發(fā)出感性無(wú)功功率,為負(fù)表示發(fā)出容性無(wú)功功率。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)戴維南等效電路,配電網(wǎng)向PCC方向傳輸?shù)墓β蕿?由此,可以得到配電網(wǎng)母線電壓ue309Ｓ與PCC電壓ue309ＰＣＣ之間的電壓差為:式中:*表示取共軛。設(shè)UＰＣＣ為參考電壓,即ue309ＰＣＣ=UＰＣＣ∠0°,那么式(2)可以寫為:式中:P=-PＧ+PＬ;Q=-QＧ-QＣ+QＬ。由于遠(yuǎn)距離架空線線路阻抗電阻分量與電抗分量相當(dāng),式(3)中虛部與實(shí)部相比很小,可以忽略,由此可以得到下式:假定本地負(fù)載所需無(wú)功功率全部由電網(wǎng)提供,本地?zé)o功補(bǔ)償裝置的QＣ=0;并網(wǎng)逆變器通常工作于單位功率因數(shù),即QＧ=0;通常情況下PCC本地負(fù)載容量相對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)容量較小,光伏發(fā)電系統(tǒng)輕載額定并網(wǎng)運(yùn)行。則由式(4)可以看出,由于線路阻抗的存在,光伏發(fā)電系統(tǒng)向配電網(wǎng)輸送有功功率會(huì)引起PCC電壓的變化,當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)造成PCC潮流逆流時(shí),將導(dǎo)致PCC出現(xiàn)電壓升高并可能超過(guò)電壓規(guī)范要求,系統(tǒng)輕載時(shí)電壓升高問(wèn)題尤為嚴(yán)重［１０］。2光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓調(diào)整策略由第1節(jié)分析可知,大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后,有可能造成PCC電壓升高,因此必須要對(duì)PCC電壓升高進(jìn)行限制。德國(guó)VDE-AR-4105標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,中壓并網(wǎng)光伏系統(tǒng)引起的PCC電壓升高不允許超過(guò)2%,低壓并網(wǎng)光伏系統(tǒng)引起的PCC電壓升高不允許超過(guò)3%［１１］;GB12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》也對(duì)不同電壓等級(jí)電壓偏差的限制作了明確規(guī)定［１２］:135kV及以上,正負(fù)電壓偏差絕對(duì)值之和不超過(guò)10%;210kV及以下三相供電,電壓偏差在-7%~7%之間;3220V單相供電,電壓偏差在-10%~7%之間。由式(4)可知,PCC電壓受電網(wǎng)電壓、輸電線路阻抗參數(shù)、線路傳輸有功功率及無(wú)功功率、本地負(fù)載功率以及光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的影響。針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用及自身特點(diǎn),可以采用的電壓調(diào)整策略有:改善輸電線路阻抗參數(shù)、配置儲(chǔ)能裝置、控制光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率及無(wú)功功率輸出等,但改善輸電線路阻抗參數(shù)及加強(qiáng)電網(wǎng)投資建設(shè)需要的前期投資成本巨大,不經(jīng)濟(jì),配置儲(chǔ)能裝置這種方式符合光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展需求,但前期投資較大,目前不能規(guī)?；瘧?yīng)用［１３－１４］。由于新電網(wǎng)規(guī)范允許光伏系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功與無(wú)功功率,可行的方法就是控制光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率與無(wú)功功率,通過(guò)光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率限制策略與無(wú)功功率吸收策略對(duì)PCC電壓升高進(jìn)行控制。由于功率控制的本質(zhì)也是控制電流,因此文中直接采用電流控制代替功率控制。光伏發(fā)電系統(tǒng)中所采用的三相電壓源并網(wǎng)逆變器拓?fù)湟妶D2。圖中:Uｄｃ為光伏輸入直流電壓,Lｆ為濾波電感,Cｆ為濾波電容,Rｌｏａｄ為PCC本地負(fù)載電阻;iｘｌｏａｄ(x=a,b,c)為PCC負(fù)載電流;Uｘ(x=a,b,c)為逆變器三相輸出電壓,iｉu3000ｘ(x=a,b,c)為逆變器輸出電感電流,iｘ(x=a,b,c)為逆變器輸出LC濾波后電流,iox(x=a,b,c)為逆變器并網(wǎng)電流。2.1無(wú)功電流電壓調(diào)整控制光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行PCC電壓升高的直接導(dǎo)致原因是大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)輸入大量的有功功率,因此最直接的解決辦法就是限制或減少光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率,以保證輸出電壓在電壓偏差限制以內(nèi)。有功電流電壓調(diào)整控制框圖如圖3所示。圖3中:i*d與i*q分別為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的無(wú)功電流分量與有功電流分量參考值,id與iq分別為相應(yīng)的光伏逆變器輸出電流,U*ref與Uamp分別為PCC電壓設(shè)定參考值及實(shí)際測(cè)量值,I*comp為電壓調(diào)整補(bǔ)償電流,Uampe為電壓偏差?？梢钥闯?采用雙二階通用積分器同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)實(shí)時(shí)檢測(cè)PCC電壓相位與幅值,電壓瞬時(shí)幅值與所設(shè)定的電壓參考幅值作比較,誤差經(jīng)電壓PI調(diào)節(jié)器后得到電壓調(diào)整有功電流,與所設(shè)定的有功電流參考值疊加作為新的有功電流參考值對(duì)光伏逆變器進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)PCC電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整。2.2無(wú)功電流電壓調(diào)整為了提高電壓調(diào)整精度與調(diào)整速度,本文提出了基于瞬時(shí)電壓幅值—無(wú)功電流的IＱ(U)電壓控制方式,當(dāng)PCC電壓升高時(shí),可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)工作于滯后功率因數(shù),使其相當(dāng)于電感特性,吸收一定容量的電網(wǎng)無(wú)功功率來(lái)調(diào)整PCC電壓［１６］。電壓升高與無(wú)功電流電壓調(diào)整相量圖如圖4所示。由圖4(a)可看出,PCC電壓升高前電壓為ue309PCC0,當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)向PCC輸送有功電流ue1edG時(shí),PCC電壓將升高為ue309PCC;由圖4(b)可看出,當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器吸收無(wú)功電流ue1edcomp后,PCC電壓調(diào)整為ue309PCC0。無(wú)功電流電壓調(diào)整系統(tǒng)控制框圖見圖5。由圖5可以看出,采用雙二階通用積分器同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)實(shí)時(shí)檢測(cè)PCC電壓相位與幅值,電壓瞬時(shí)幅值與所設(shè)定的電壓參考幅值作比較,誤差經(jīng)電壓PI調(diào)節(jié)器后得到電壓調(diào)整無(wú)功補(bǔ)償電流,與所設(shè)定的無(wú)功電流參考值疊加作為新的無(wú)功電流參考值對(duì)逆變器進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)PCC電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整。3光伏發(fā)電系統(tǒng)模型上一節(jié)對(duì)PCC電壓調(diào)整原理與策略進(jìn)行了分析,本節(jié)對(duì)提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器瞬時(shí)電壓幅值—電流控制的IＱ(U)電壓調(diào)整策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)定并網(wǎng)逆變器額定運(yùn)行,PCC接有本地負(fù)載,通過(guò)切除PCC本地負(fù)載,引起并網(wǎng)電流增加造成PCC電壓升高來(lái)模擬由于大量光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)引起的PCC電壓升高問(wèn)題。搭建了3kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái),系統(tǒng)主電路及控制電路參數(shù)如下:Uｄｃ=120V,光伏發(fā)電系統(tǒng)PCC電壓三相均為50V,規(guī)定為PCC電壓上限;光伏發(fā)電系統(tǒng)額定輸出電流IＧ為8A;等效線路電阻R為1Ω,等效線路電感L為3mH;逆變器濾波電感Lｆ為5mH,濾波電容Cｆ為9.4μF;負(fù)載電阻Rｌｏａｄ為7Ω;電壓PI控制器比例參數(shù)kｐｖ與積分參數(shù)kｉｖ分別為0.1和20;電流PI控制器比例參數(shù)kｐｉ與積分參數(shù)kｉｉ分別為1和20。系統(tǒng)中斷子程序控制流程如圖6所示。圖7是光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的波形?？梢钥闯?PCC電壓幅值為50V,電壓偏差Uａｍｐｅ為0,系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運(yùn)行,輸出額定電流為8A,PCC負(fù)載電流為7A,并網(wǎng)電流很小。當(dāng)PCC本地負(fù)載切除后,PCC電壓升高的暫態(tài)波形如圖8所示,其中iｃｏｍｐ為補(bǔ)償電流?？梢钥闯?當(dāng)PCC負(fù)載突然切除后,光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電流增大,線路阻抗壓降隨之增大,由于大電網(wǎng)可以看作一個(gè)無(wú)限大系統(tǒng),其電壓相對(duì)恒定,由戴維南等效電路可知,PCC電壓為電網(wǎng)電壓與線路阻抗壓降之和,這將導(dǎo)致PCC電壓升高。3.1pcc動(dòng)態(tài)響應(yīng)當(dāng)采用有功電流限制的方式對(duì)PCC電壓進(jìn)行控制時(shí),實(shí)驗(yàn)暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)波形如圖9所示。由圖9(a)可以看出,當(dāng)PCC本地負(fù)載切除瞬間PCC電壓升高,由于電壓調(diào)整器的作用,PCC電壓很快得到控制,可以看出控制系統(tǒng)具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng);圖9(b)為其電壓調(diào)整方式穩(wěn)態(tài)波形,可以看出系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),系統(tǒng)輸出有功電流減小,電壓偏差為零,系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運(yùn)行。3.2無(wú)功電流電壓調(diào)整后光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖10是當(dāng)采用光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器無(wú)功電流吸收方式對(duì)PCC電壓進(jìn)行調(diào)整時(shí)的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形。由圖可以看出,PCC本地負(fù)載切除瞬間,逆變器通過(guò)吸收無(wú)功功率對(duì)PCC電壓進(jìn)行調(diào)整,電壓偏差為零。但系統(tǒng)不再工作于單位功率因數(shù),而是工作于滯后功率因數(shù)。通過(guò)對(duì)比圖9與圖10可以看出,有功電流電壓調(diào)整具有比無(wú)功電流電壓調(diào)整更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng);有功電流電壓調(diào)整后光伏發(fā)電系統(tǒng)仍然工作在單位功率因數(shù),而無(wú)功電流電壓調(diào)整后光伏發(fā)電系統(tǒng)工作于滯后功率因數(shù);在電壓控制精度方面,有功電流電壓控制策略和無(wú)功電流電壓控制策略都具有良好的穩(wěn)態(tài)精度;從經(jīng)濟(jì)性的角度,無(wú)功電流電壓調(diào)整策略比有功電流電壓調(diào)整策略具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。4流控制的電壓調(diào)整策略驗(yàn)證光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)有