基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)光伏電站PCC電壓補(bǔ)償

雷永強(qiáng)

（內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)有限公司電力工程技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

引言

光伏發(fā)電是典型的可再生能源發(fā)電形式。 由于其受光照強(qiáng)度、外界溫度等環(huán)境條件的影響，光伏電池的輸出功率、電壓具有隨機(jī)波動(dòng)、難以預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。 光伏發(fā)電系統(tǒng)通常通過電力電子變換裝置即逆變器并網(wǎng)運(yùn)行。 隨著大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行，其對(duì)電網(wǎng)的影響越來越明顯，其中PCC 電壓跌落是光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)影響之一[1-3]。

目前已有專家學(xué)者提出了很多方法用于減輕或補(bǔ)償電壓跌落問題，如無功功率補(bǔ)償器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、交流柔性輸電裝置、靜止無功發(fā)生器等[4-5]。 然而，由于安裝了大量的附加設(shè)備，系統(tǒng)投資成本大為增加，同時(shí)控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜。 隨著新能源并網(wǎng)規(guī)范的不斷推出和國(guó)家對(duì)分布式光伏發(fā)電的大力支持， 并網(wǎng)光伏電站在規(guī)模和數(shù)量上都體現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)， 而儲(chǔ)能系統(tǒng)成為光伏電站中必不可少的部分[6]。 此外，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)可以吸收和釋放功率，可以調(diào)整有功無功功率的輸出，其在光伏發(fā)電中將充當(dāng)越來越重要的角色。

本文將針對(duì)光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)逆變器的控制策略，提出基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的短時(shí)電壓幅值動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)提供一定容量的無功支持， 解決光伏電站PCC 的電壓跌落問題。 并建立仿真模型，對(duì)所提出的補(bǔ)償方案及其控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 電壓補(bǔ)償原理

在光伏電站中，環(huán)境條件的短時(shí)變化、大容量的負(fù)載切入或切出，會(huì)引起系統(tǒng)輸出功率的突變，從而引起PCC電壓的波動(dòng)或暫時(shí)性跌落。 按照國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電的并網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，PCC 點(diǎn)電壓需要維持在規(guī)定的范圍內(nèi)[7-8]。

如圖1 所示，是光伏電站接入配電網(wǎng)的等效電路。 US是配電網(wǎng)母線電壓，本文中將配電網(wǎng)容量視為足夠大，母線電壓幅值恒定。 光伏電站并網(wǎng)PCC 與配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線阻抗為Z=R+jX， 配電網(wǎng)母線向負(fù)載方向傳輸?shù)挠泄?、無功功率為P，Q；PL，QL是PCC 本地負(fù)載的有功、無功功率；PG，QG，分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)向PCC 輸送的有功、無功功率。 一般光伏系統(tǒng)采用最大功率跟蹤策略[9]QG=0。QG為光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的感性無功功率 （正負(fù)表示發(fā)出或吸收感性無功功率）。

圖1 光伏電站并網(wǎng)等效電路圖

配電網(wǎng)向PCC 輸送的功率為：

由式（1） 可得，PCC 點(diǎn)與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線電流可表示為：

配電網(wǎng)母線電壓與PCC 點(diǎn)電壓差值可表示為：

以UPCC作為電壓參考值，即式（3）可表示為：

其中：

對(duì)于低壓架空線路，電阻分量與電抗接近，故線路首末端電壓相位偏差較小，電壓差值的橫分量可以忽略。 儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償無功為正，即發(fā)出感性無功功率。 光伏系統(tǒng)不發(fā)感性無功功率[10]。

因此，可得PCC 電壓：

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中， 光伏電池板受到短時(shí)的云層遮擋等環(huán)境影響時(shí)，輸出的有功功率將急劇減小，此時(shí)將引起PCC 的電壓跌落， 需要采用無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償感性無功功率，控制PCC 的電壓。 在實(shí)際光伏電站中，均配置一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)（多為蓄電池組），作為檢修等緊急情況下的有功或無功備用。 因此， 可以設(shè)計(jì)有效的控制策略，將儲(chǔ)能系統(tǒng)這部分容量利用起來，提供無功功率將會(huì)大大減少配置無功補(bǔ)償設(shè)備容量，降低工程投資費(fèi)用[11]。

2 儲(chǔ)能裝置補(bǔ)償方案

光伏電站中儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 中，儲(chǔ)能可以是光伏電站備用儲(chǔ)能裝置，或光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)。在PCC 電壓跌落時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)采取電壓幅值-無功電流IQ（U）的控制方式，通過控制使得儲(chǔ)能系統(tǒng)逆變器工作于超前功率因數(shù)狀態(tài)， 在容量限制范圍內(nèi)發(fā)出一定容量的無功功率補(bǔ)償PCC 電壓跌落。 功率控制本質(zhì)是控制電流，因此本文采用電流控制代替功率控制[12-13]。 無功電流電壓調(diào)整系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖3 無功電流電壓控制框圖

如圖3 所示，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d，q 坐標(biāo)系下，通過控制并網(wǎng)逆變器，實(shí)現(xiàn)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出。 控制系統(tǒng)中，采用鎖相環(huán)（PLL）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PCC 電壓幅值和相位，采用電流環(huán)節(jié)控制PCC 電壓， 將檢測(cè)所得電壓瞬時(shí)幅值與設(shè)定的電壓參考值作比較，偏差信號(hào)經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)，作為無功補(bǔ)償電流的參考值， 與設(shè)定的無功電流參考值疊加作為新的無功電流參考值經(jīng)PI 調(diào)節(jié)， 得到PWM 脈沖信號(hào)， 控制逆變器的輸出無功功率， 從而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整PCC 電壓。

3 仿真分析

本文基于MATLAB/Simulink 仿真軟件， 搭建含有儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)光伏電站仿真模型，如圖4 所示。 用電壓源等效代替光伏電池，采用蓄電池模型模擬儲(chǔ)能系統(tǒng)。 逆變器輸出380V 交流電壓通過PCC 接入交流配電網(wǎng)。 有功負(fù)荷Load1 10kW，Load2 （可控制投切）5kW。 仿真時(shí)間取0.5s。 圖5 為系統(tǒng)仿真結(jié)果。

圖4 含儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)光伏電站仿真模型

在未采用補(bǔ)償策略的情況下，在0.3s 時(shí)刻，切入負(fù)荷Load2，PCC 電流及有功功率輸出波形如圖5（b）（a）所示，此時(shí)， 由于系統(tǒng)缺少無功支撐，PCC 電壓開始跌落到約0.9UN（UN為額定電壓，用標(biāo)幺值表示），如圖5（c）所示。采取本文儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償策略后， 在0.3s 時(shí)刻切入負(fù)荷Load2，PCC 電壓在0.31～0.32s 期間稍有跌落；此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)迅速補(bǔ)充無功功率并自動(dòng)調(diào)整輸出無功容量，PCC電壓逐漸回升到額定電壓UN。 在0.35～0.5s 時(shí)間段，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放的無功功率相應(yīng)減少，為了維持PCC 電壓穩(wěn)定， 在逆變器控制下，儲(chǔ)能系統(tǒng)繼續(xù)提供少量的無功功率，如圖6（b）所示。結(jié)果表明，基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的無功補(bǔ)償策略可以補(bǔ)償光伏電站PCC 電壓跌落，且具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和補(bǔ)償效果。

4 結(jié)論

針對(duì)并網(wǎng)型光伏電站PCC 點(diǎn)的電壓跌落問題，通過分析電力系統(tǒng)電壓跌落的補(bǔ)償原理，提出了基于儲(chǔ)能裝置的無功補(bǔ)償方案以及逆變器的控制策略。搭建了仿真模型，驗(yàn)證了所提出補(bǔ)償方案的有效性。 結(jié)果表明，采用基于儲(chǔ)能裝置的無功補(bǔ)償方案， 既可以有效利用工作電站所配置的儲(chǔ)能裝置，同時(shí)可以解決PCC 的電壓跌落問題，為并網(wǎng)光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)參考。

圖5 補(bǔ)償前負(fù)荷切入仿真結(jié)果

圖6 補(bǔ)償后切入負(fù)荷仿真結(jié)果

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