規(guī)模化光伏并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)功率特性及電壓控制

朱 帥，宋仲康

（武漢理工大學(xué) 湖北 武漢 430070）

1 引言

在經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展下，社會的用電量逐年增加，因此為了環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境污染、資源短缺之間日益突出的矛盾，我國開始大力發(fā)展新能源發(fā)電技術(shù)，發(fā)展較快的為風(fēng)電和光伏。規(guī)?；夥l(fā)電系統(tǒng)不但能夠有效的緩解能源危機(jī)、控制環(huán)境污染，而且還更加高效、安全、便利。但是相比于傳統(tǒng)的火電和水電電源，光伏發(fā)電具有差異化的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是注入功率動態(tài)特性方面、二是電氣響應(yīng)特征方面、三是并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)方面。

2 光伏發(fā)電的發(fā)展

由于我國地處北溫帶和亞熱帶，大約有三分之二以上的國土面積全年的日照時間超過2300小時，因此太陽能資源十分豐富。所以對太陽能進(jìn)行開發(fā)和利用能夠有效緩解我國能源緊缺的現(xiàn)狀，對于我國社會的可持續(xù)發(fā)展有重要的促進(jìn)作用。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為三種，一是獨(dú)立光伏發(fā)電、二是并網(wǎng)光伏發(fā)電、三是分布式光伏發(fā)電。所謂獨(dú)立光伏發(fā)電也成為離網(wǎng)光伏發(fā)電，主要是通過太陽能電池組件、控制器、蓄電池實(shí)現(xiàn)的；分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)也稱為分散式發(fā)電系統(tǒng)，通常是在用電現(xiàn)場配置小型的光伏發(fā)電系統(tǒng)來滿足用戶的希求，在太陽能的輻射下通過太陽能電池組件陣列將其轉(zhuǎn)換為電能；并網(wǎng)光伏發(fā)電是通過將太陽能組件產(chǎn)生的直流在并網(wǎng)逆變器的轉(zhuǎn)換下，變成符合要求的交流電接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以分為帶蓄電池和不帶蓄電池兩種，對于帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來說，具有可調(diào)度性，還有緊急備用電源的功能，通常被應(yīng)用在民用建筑中，對于不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來說，則不具備備用電源以及可調(diào)度的功能，通常在大型系統(tǒng)中使用[1]。

3 光伏發(fā)電電源和匯集支路的暫態(tài)功率特性

規(guī)模化光伏并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)功率特性包括光伏發(fā)電單元的暫態(tài)功率特性和匯集支路的暫態(tài)功率特性。對于光伏發(fā)電單元的暫態(tài)功率特性，在受到干擾之后，光伏發(fā)電單元的動態(tài)行為是由交流母線電壓這一交流輸入電氣量決定的，由于電壓的跌落，導(dǎo)致VCS的有功輸出受阻，功率隨之減小，而這種功率上的不平衡會導(dǎo)致直流電壓的上升，光伏電池的特性又有助于抑制這種上升。在光伏發(fā)電單元各個電氣暫態(tài)相應(yīng)特征的表現(xiàn)下，能夠看出光伏電池功率能夠隨著直流電壓迅速的進(jìn)行調(diào)整，從而抑制交流受擾過程中的VSC輸出功率的波動，維持有功輸出。對于光伏發(fā)電匯集線路暫態(tài)功率特性來說，為了維持光伏電池功率輸出和VSC交流功率輸出的動態(tài)平衡，將會引起匯集電路出現(xiàn)低電壓大電流的情況，從而產(chǎn)生無功損耗，制約系統(tǒng)電壓的恢復(fù)。

4 暫態(tài)功率特性和改善對策

由于規(guī)模化的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)改變了電網(wǎng)原有的線路傳輸功率、潮流分布和電能質(zhì)量，因此會對電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性造成影響。

4.1 暫態(tài)功率特性

光伏發(fā)電單元和匯集線路功率特性共同決定了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)功率特性，因此在交流電網(wǎng)受到干擾導(dǎo)致電壓降低的時候，主要表現(xiàn)出以下幾個特性。首先，在交流電壓下降的時候，VSC的控制系統(tǒng)能夠在第一時間進(jìn)行相應(yīng)，從而進(jìn)行調(diào)控，增大輸出交流電流，維持光伏電池注入功率和輸出功率的平衡，將直流電壓維持在設(shè)定好的目標(biāo)值上，由此可見，光伏發(fā)電單元具有電流大、電壓低的特點(diǎn)；其次，在交流電壓下降的時候，由于并聯(lián)運(yùn)行的各個光伏發(fā)電單元的輸出電流都會增大，所以導(dǎo)致匯集線路中的電流明顯的增加，會帶來更多的無功損耗，因此匯集線會從匯集站吸收無功，表現(xiàn)出動態(tài)無功負(fù)荷的特點(diǎn)；最后，在電氣距離增加或者是輸送功率增大的影響下，引起電壓降低，從而導(dǎo)致匯集線路吸收的無功會以非線性的形式增加，在接近滿載運(yùn)行的情況下，限幅會影響VSC交流電流的增幅，導(dǎo)致匯集線路吸收的無功凈增量減少，但是增速和峰值持續(xù)的時間都會增大；除此之外，在有多個光伏發(fā)電匯集支路接入到匯集站的時候，由于通過并網(wǎng)線路與交流電網(wǎng)連接，所以會在并網(wǎng)線路上進(jìn)一步放大這種低電壓大電流的特性，并網(wǎng)線路所吸收的無功嚴(yán)重影響了交流電壓的恢復(fù)[2]。

4.2 暫態(tài)無功特性的改善對策

由光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)功率特性可以看出，暫態(tài)無功需求受到匯集線路阻抗、輸送功率水平和無功支撐能力等方面的影響，所以可以從以下幾個方面改善暫態(tài)無功特性：首先，要優(yōu)化光伏并網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在接入主網(wǎng)的時候采取就近原則，或者是通過增加串聯(lián)電容進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?，從而減少匯集線路的電氣距離，除此之外，還可以進(jìn)行均勻分散的接入，以免匯集線負(fù)載過重；其次，要增加靈活調(diào)控的一次設(shè)備，以抑制交流電流增長或者降低送電功率的方式，實(shí)現(xiàn)匯集電路上無功損耗的減少，可以通過SVG的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，提升交流電壓實(shí)現(xiàn)抑制暫態(tài)增幅的目的，也可以在匯集線的發(fā)電側(cè)設(shè)置耗能電阻或者儲能裝置，通過在低壓的時候吸收光伏有功的方式，降低匯集線的送電功率；再次，要對光伏發(fā)電單元的自身控制進(jìn)行改進(jìn)，在VSC定直流電壓控制器中，增加低壓限功率的功能，使其能夠?qū)涣麟妷旱溥M(jìn)行感知，從而通過降低輸出功率來減少匯集線的無功損耗，除此之外，還可以增加VSC的自動切換控制方式的功能，在交流電壓跌落的時候，能夠快速的將無功功率控制切換為定電壓控制，從而增加換流器的無功輸出，實(shí)現(xiàn)一直交流電壓跌落的目的；最后，要對控制策略進(jìn)行完善，當(dāng)無法第一時間恢復(fù)交流電壓的時候，能夠通過拉停少量匯集線路、對低壓脫網(wǎng)保護(hù)參數(shù)進(jìn)行差異設(shè)置的方式，減少匯集線路的輸送功率，從而實(shí)現(xiàn)降低無功需求的目的，確保其他大容量光伏電源能夠穩(wěn)定、安全的運(yùn)行。

5 結(jié)語

總而言之，隨著環(huán)境的不斷惡化和不可再生資源的消耗，推動了太陽能等可再生清潔能源的發(fā)展，利用太陽能進(jìn)行發(fā)電的規(guī)模化光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對于我國來說，不但能夠緩解資源緊張的情況，還能夠提高用電質(zhì)量和發(fā)電效率，但是其暫態(tài)功率特性會影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要不斷的進(jìn)行深入的研究和分析。

[1] 鄭超，林俊杰，趙健，等.規(guī)模化光伏并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)功率特性及電壓控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2015，(5)：1059-1071.

[2] 魯勝清.含光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)電壓控制研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2016.