農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式研究

邱 實，王國英，金 賡，馬玉峰

（國網(wǎng)錦州供電公司，遼寧 錦州 121001）

農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式研究

邱 實，王國英，金 賡，馬玉峰

（國網(wǎng)錦州供電公司，遼寧 錦州 121001）

通過對農(nóng)村用電特點及農(nóng)村配電系統(tǒng)存在的問題進行分析，給出了適合于農(nóng)村配電系統(tǒng)的3種光伏發(fā)電系統(tǒng)控制模式。最大功率跟蹤模式可緩解農(nóng)村電網(wǎng)供電能力薄弱狀況，電壓調(diào)節(jié)模式可改善農(nóng)村電網(wǎng)電壓偏低問題，無功補償模式可降低農(nóng)村電網(wǎng)電能損耗。

光伏發(fā)電系統(tǒng)；農(nóng)村配電系統(tǒng)；電能質(zhì)量；電能損耗

我國農(nóng)村用電不同于城鎮(zhèn)居民用電，與一般工業(yè)用電也不同，具有其自身特點。一般來講，可以分為居民生活用電、農(nóng)副產(chǎn)品加工和農(nóng)業(yè)排灌用電等，其晝夜、氣候、季節(jié)等用電變化較大，且不均衡。隨著經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)村居民生活水平日益提高，家用電器不斷增加，其用電量日益增多。在這種情況下，網(wǎng)絡供電能力愈顯不足，電壓水平偏低，電能損耗嚴重，盡管進行多次改造，當前的電力設備仍然無法滿足居民不斷攀升的用電需求。

隨著新能源的不斷開發(fā)應用，風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、地熱發(fā)電等新能源發(fā)電方式逐漸進入農(nóng)村，我國太陽能資源較為豐富，尤其是農(nóng)村地區(qū)有著十分遼闊的太陽能光照面積，為光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)的應用提供了便利條件，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入農(nóng)村配電網(wǎng)將是未來農(nóng)村配電系統(tǒng)的發(fā)展方向，同時能帶動廣大農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展［1］。

本文在深入分析我國農(nóng)村配電系統(tǒng)的供電特點基礎上，指出當前存在的主要問題，利用光伏發(fā)電系統(tǒng)控制靈活的特點，給出了農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)3種控制模式，對解決農(nóng)村電網(wǎng)的問題進行有益探索。

1 農(nóng)村配電系統(tǒng)存在的主要問題

1.1 供電能力比較薄弱

農(nóng)村地廣人稀，用電負荷比較分散，直接導致配電網(wǎng)覆蓋面積較大，又考慮到設備利用率，所以變電站較少，造成配線距離較長，農(nóng)村10 kV線路供電半徑超過15km是非常常見的，且導線截面過小，線路老化，嚴重影響農(nóng)村地區(qū)的電能供應。我國農(nóng)村配電線路大多建設于農(nóng)網(wǎng)改造時期，由于當時技術與經(jīng)濟條件的制約，線路選型標準較低（很多地區(qū)為單相供電），導致部分農(nóng)村線路經(jīng)過長期過載運行，老化嚴重。隨著用電負荷增加，供電區(qū)域面積不斷外擴，但原有變壓器位置大多沒有改變，致使電力變壓器遠離負荷中心［2］；我國的農(nóng)網(wǎng)改造工程盡管在一定程度上提高了農(nóng)村配電系統(tǒng)的供電能力，但仍然無法滿足日益增長的負荷需求和越來越高的電壓質(zhì)量要求。

1.2 電能質(zhì)量較差

由于配電線路和設備等技術原因，造成電壓質(zhì)量較差，低電壓現(xiàn)象時有發(fā)生。電力負荷分散、線路長、線徑小，這些因素直接導致線路電壓損失增加，使得用戶的電壓水平偏低；變壓器的供電范圍大，造成負荷距離變壓器的距離有遠有近，變壓器的電壓調(diào)整無法滿足不同距離的負荷需求；隨著電冰箱、空調(diào)等大量單相用電設備的普及應用，農(nóng)村單相用電負荷急劇增加，三相負荷的不平衡引起三相電壓的不平衡，重負荷相的電壓損失較大，低壓電網(wǎng)三相負荷嚴重不平衡，最終導致客戶端電壓質(zhì)量下降［3－4］；變壓器布置不合理問題也導致三相負荷的嚴重不平衡；無功補償裝置建設嚴重滯后，普遍存在無功補償容量不足或不合理等問題，直接影響用戶的電壓質(zhì)量。

1.3 電能損耗較大

線路與變壓器的電能損耗與其流過電流的平方成正比，與其電阻成正比。農(nóng)村供電系統(tǒng)電能損耗大的原因主要有：當三相負荷平衡時，系統(tǒng)的損耗最小，大量單相負荷的接入，直接導致三相系統(tǒng)不平衡；地廣人稀，負荷分散，導致電力線路較長，變壓器供電距離較遠；無功補償不足和不合理投切，使大量無功功率在線路中流動等。以上諸多因素直接導致農(nóng)村地區(qū)的電能損耗較大。

2 農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式

本文將農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式分為最大功率跟蹤模式、電壓調(diào)節(jié)模式和無功補償模式3種，其中最大功率跟蹤模式屬于有功控制模式，電壓調(diào)節(jié)模式和無功補償模式屬于無功控制模式。

2.1 最大功率跟蹤模式

有功最大功率跟蹤模式指光伏發(fā)電系統(tǒng)以跟蹤光伏電池的最大輸出功率為目的的工作模式，此時逆變器按照最大功率輸出進行控制，輸出功率的利用效率實現(xiàn)最大化［5－6］。該模式的光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用擾動觀察法進行最大功率點跟蹤，進而控制能量轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。太陽能光伏電池在外界條件不變情況下的I－U特性曲線如圖1所示。圖1中Pm為光伏電池的最大功率點，通過控制光伏電池的電壓及輸出電流，使其工作在該點處，即可實現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出。

目前，對于實現(xiàn)最大功率跟蹤，應用最廣泛的方法是擾動觀察法。該方法根據(jù)其自適應性的閉環(huán)控制原理，通過調(diào)整功率開關來控制光伏電池的輸出電壓，使輸出功率達到最大。擾動觀察法實現(xiàn)最大功率跟蹤的流程如圖2所示。

2.2 電壓調(diào)節(jié)模式

圖1 光伏電池的I－U特性曲線

圖2 擾動觀察法流程

對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓和當前時刻的無功功率檢測，可以通過無功功率對配電網(wǎng)上的電壓進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電壓—無功功率的下垂控制［7］。

根據(jù)電網(wǎng)電壓和無功功率的特性曲線，得到V－Q特性方程如下：

式中：Vref為標準參考電壓，V；V為逆變器輸出電壓，V；Kq為V－Q下垂特性系數(shù)；Qref為無功功率參考值，kvar。

通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的檢測，可以同時實現(xiàn)電網(wǎng)頻率和瞬時功率的采樣，有功—無功解耦的2個控制參量設定值均由V－Q特性方程求得。

2.3 無功補償模式

無功補償是保證系統(tǒng)經(jīng)濟運行的一種有效手段，是降低網(wǎng)絡損耗，提高電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要措施之一。在傳統(tǒng)的農(nóng)村電網(wǎng)無功補償中，主要是以電力電容器作為無功補償設備。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電技術的發(fā)展及應用，使其具有一定的無功輸出和調(diào)控能力。農(nóng)村電力網(wǎng)無功補償宜就近設立無功電源供給用戶以補償無功負荷，以減少農(nóng)村電力網(wǎng)輸送的無功功率。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用恒功率因數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)無功補償控制模式。根據(jù)配電網(wǎng)實際無功情況，實現(xiàn)分相檢測三相功率因數(shù)，控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功輸出，為配電系統(tǒng)提供適當?shù)臒o功功率，滿足電網(wǎng)對無功功率的需求，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，有效降低網(wǎng)絡損耗，改善電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

3 控制模式應用

3.1 有功控制模式

光伏發(fā)電系統(tǒng)可作為有功電源，其最大功率跟蹤模式能最大限度地從光伏電池吸取太陽能進行發(fā)電，為用戶就近提供有功電能，減輕電網(wǎng)供電負擔，緩解我國農(nóng)村電網(wǎng)供電能力薄弱的問題。因此，最大功率跟蹤模式應該成為農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的唯一有功控制模式。

3.2 無功控制模式

合理調(diào)整電力系統(tǒng)的無功分布，可以改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量。當電網(wǎng)的電壓水平較低時，需要無功支撐以提高電力系統(tǒng)的電壓，當電壓水平較高時，需要減少系統(tǒng)的無功電源。而光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)模式的下垂特性與電力系統(tǒng)的無功電壓需求相一致，可以合理調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行電壓，有效解決農(nóng)村電網(wǎng)電壓水平偏低的問題。因此，當系統(tǒng)電壓偏低時，農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功控制模式應采用具有無功電壓下垂特性的電壓調(diào)節(jié)模式，以維持系統(tǒng)電壓水平，改善電能質(zhì)量。

當系統(tǒng)電壓水平適當時，合理進行無功補償，減少無功功率的流動，減小線路中流過的電流，可以有效減少網(wǎng)絡損耗。因此，當配電系統(tǒng)電壓滿足需求時，農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功控制模式應采用無功補償模式，實現(xiàn)無功的合理配置，提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)絡損耗。

4 結(jié)束語

通過對農(nóng)村負荷特點及農(nóng)村配電系統(tǒng)現(xiàn)狀分析，給出3種適合農(nóng)村配電系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式。農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)有功控制應采用最大功率跟蹤模式，以提高光伏電源利用率；當系統(tǒng)電壓偏低時，無功控制模式應采用具有無功電壓下垂特性的電壓調(diào)節(jié)模式，以維持系統(tǒng)電壓水平，改善電能質(zhì)量；當系統(tǒng)電壓滿足要求時，無功控制模式應采用無功補償模式，以降低網(wǎng)絡損耗。

［1］張燕妮.淺談光伏發(fā)電的方案設計［J］.東北電力技術，2014，35（2）：34－36.

［2］尚志高.農(nóng)村居民用電負荷分析與預測［J］.河南電力，2015，42（2）：12－15.

［3］杜 宏.關于農(nóng)村新能源微電網(wǎng)建設的研究［J］.電氣技術，2015，16（12）：115－118.

［4］侯樹文，孔衛(wèi)星，賈利嶺，等.基于光伏發(fā)電的農(nóng)村電網(wǎng)末端電壓支撐技術結(jié)構(gòu)［J］.華北水利水電學院學報，2010，31（6）：98－100.

［5］趙 璐，張立穎，李天立，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器的研究［J］.東北電力技術，2014，35（12）：20－23.

［6］李 媛，彭方正.Z源／準Z源逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的電容電壓恒壓控制策略［J］.電工技術學報，2011，26（5）：62－69.

［7］呂 川.單相雙模式逆變器控制及其切換方法研究［D］.武漢：武漢科技大學，2015.

Study on Control Models of Rural Photovoltaic Power Generation System

QIU Shi，WANG Guoying，JIN Geng，MA Yufeng
（State Grid Jinzhou Power Electric Supply Company，Jinzhou，Liaoning 121001，China）

This paper analyzes the characteristics of rural electricity consumption and problems existing in rural power distribution sys?tem.Three control models of photovoltaic system which is fit for rural power distribution system are given.MPPT model can alleviate the weak power supply capacity.Voltage regulation model can improve low voltage.Reactive compensation model can reduce the power loss.

photovoltaic system；rural power distribution system；power quality；power loss

TM615

A

1004－7913（2016）12－0044－03

邱 實（1978），男，學士，變電專業(yè)技師，主要研究方向為電力系統(tǒng)設備維護、光伏發(fā)電。

2016－09－17）