數(shù)字化主動(dòng)配電網(wǎng)中光伏逆變器并網(wǎng)主動(dòng)支撐方案研究

劉夏宇,王振雄,易 皓,卓 放

(電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué)),陜西 西安 710049)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,能源緊張和環(huán)境污染問題日益突出,逐步改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展可再生能源已成為解決相關(guān)問題的共識(shí)。太陽能由于具有取之不盡、用之不竭、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),相關(guān)的光伏發(fā)電技術(shù)成為目前國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。然而,由于光伏發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性,光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)會(huì)造成并網(wǎng)點(diǎn)電壓、頻率的波動(dòng)[1- 3]。

現(xiàn)有的光伏逆變器主要工作在最大功率跟蹤(maxi mu m power point tracking,MPPT)模式下,該方案能夠增加光伏輸出功率,提高光伏發(fā)電的效率[4-5]。然而,外部環(huán)境變化容易引起光伏電池輸出功率波動(dòng),在功率過剩的情況下,若光伏逆變器仍以最大功率跟蹤模式并網(wǎng),可能會(huì)導(dǎo)致光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓、頻率波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)引起母線電壓嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)、光伏大面積脫網(wǎng)等問題[6]。

針對(duì)光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)的問題,文獻(xiàn)[6-9]提出基于儲(chǔ)能的有功控制對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),文獻(xiàn)[10-11]提出采用無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行電壓調(diào)節(jié),但安裝儲(chǔ)能設(shè)備和無功補(bǔ)償裝置會(huì)大幅提高建設(shè)成本,于是一些研究將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了基于光伏逆變器的功率控制上。目前,基于光伏逆變器功率控制調(diào)壓的方法主要分為2種,一種是通過控制光伏逆變器的無功功率來調(diào)節(jié)電壓;另一種則是通過削減光伏輸出的有功功率來抑制并網(wǎng)點(diǎn)過電壓。

文獻(xiàn)[22-24]提出了基于削減光伏輸出有功功率的電壓控制策略,若并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過允許電壓上限時(shí),通過削減部分光伏輸出有功功率來防止電壓越限。但僅通過削減光伏輸出功率來抑制并網(wǎng)點(diǎn)過電壓,是以減少清潔能源發(fā)電為代價(jià),會(huì)大幅降低光伏的發(fā)電效率及配電網(wǎng)對(duì)光伏發(fā)電的消納能力。

因此,僅通過無功功率控制或有功功率控制來抑制并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng),會(huì)出現(xiàn)調(diào)壓能力較弱或光伏發(fā)電效率低等問題。針對(duì)上述問題,本文通過對(duì)光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓特性分析,提出一種光伏逆變器的電壓自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓處于正常范圍內(nèi)時(shí),光伏始終工作在MPPT狀態(tài);當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)過電壓時(shí),優(yōu)先利用光伏逆變器的剩余容量輸出無功功率,無功功率達(dá)容量限制時(shí)削減一部分有功功率,實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)模式下光伏逆變器對(duì)電壓的主動(dòng)支撐。該方案的實(shí)施需要監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓信息,根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓信息對(duì)逆變器輸出的有功功率、無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié),從而使并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)正常。最后,在MATLAB/SI MULINK平臺(tái)建立數(shù)字化主動(dòng)配電網(wǎng)中的光伏逆變器主動(dòng)支撐仿真模型,驗(yàn)證了光伏逆變器電壓主動(dòng)支撐控制方法的有效性。

1 光伏并網(wǎng)特性分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)的戴維南等效電路如圖1所示。其中,Upcc是光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓;Ppv和Qpv分別是光伏系統(tǒng)發(fā)出的有功功率和無功功率;Pload和Qload分別是負(fù)載有功功率和無功功率;Rg和Xg分別為配電網(wǎng)線路中的電阻和電抗。

圖1 光伏并網(wǎng)戴維南等效電路

為簡(jiǎn)化計(jì)算,忽略線路中的功率損耗,光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓Upcc可表示為

實(shí)際配電網(wǎng)兩節(jié)點(diǎn)間的電壓相位差不大,因此忽略電壓降落的橫分量,式(1)簡(jiǎn)化為

由于負(fù)載通常為阻感性,Pload和Qload均為正值。因此,可以得出當(dāng)滿足式(3)條件,即光伏發(fā)出的功率大于本地負(fù)載所需功率時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓Upcc會(huì)高于系統(tǒng)電壓。且光伏出力較多以及電網(wǎng)輕載的情況下,若不采取調(diào)壓措施,并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)生越限,不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

同時(shí),從式(2)可以看出,通過調(diào)節(jié)光伏發(fā)出的有功功率和無功功率,能夠調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓,抑制電壓越限。

2 逆變器電壓自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制方法

本文將無功功率控制與有功功率削減的調(diào)壓方法相結(jié)合,當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生越限時(shí),逆變器自適應(yīng)調(diào)節(jié)自身輸出的有功功率和無功功率,使并網(wǎng)點(diǎn)電壓回到安全閾值范圍,實(shí)現(xiàn)光伏逆變器對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)支撐。

2.1 無功功率控制策略

逆變器的可調(diào)無功容量與逆變器容量的關(guān)系如式(4)所示。

式中:Qpmvax為逆變器可調(diào)無功容量;Ppv為光伏輸出的有功功率;S為逆變器的容量,約為額定光伏輸出有功功率的1.1倍。由此可知,當(dāng)光伏以額定有功功率輸出時(shí),逆變器的可調(diào)無功容量約為有功功率輸出的46%。因此,可以充分利用逆變器的剩余容量輸出無功功率來調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

本文采用的無功功率控制策略是基于光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓的Q(U)下垂控制,無功功率-電壓下垂控制曲線如圖2所示。圖2中,U1、U4為下垂控制的電壓下限和上限,U2、U3為控制死區(qū)的下限和上限。根據(jù)電壓幅值確定無功出力的分段函數(shù),其表達(dá)式如式(5)所示。

圖2 Q(U)控制策略的無功功率 電壓下垂控制曲線

當(dāng)U2＜Upcc＜U3時(shí),逆變器不輸出無功功率;當(dāng)U1＜Upcc＜U2時(shí),逆變器發(fā)出無功功率;當(dāng)U3＜Upcc＜U4時(shí),逆變器吸收無功功率;當(dāng)Upcc＜U1或Upcc＞U4時(shí),逆變器輸出無功功率達(dá)容量限制。

2.2 有功功率控制策略

當(dāng)光伏逆變器輸出的無功功率達(dá)容量限制卻仍無法將并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低至正常范圍時(shí),需要通過削減光伏輸出的有功功率來降低并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

由于目前常用的光伏MPPT控制的方法是擾動(dòng)觀測(cè)法,為方便光伏MPPT模式和有功功率削減模式之間切換,本文采用基于擾動(dòng)觀測(cè)法的有功功率削減控制。

有功功率削減控制的流程如圖3所示,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓越上限時(shí),使光伏輸出電壓Upv減去一個(gè)步長Ustep,即削減光伏輸出有功功率,直至并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)正常。

圖3 有功功率 電壓控制曲線

2.3 自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)策略

通過2.1節(jié)和2.2節(jié)的分析可知,利用無功功率-電壓控制和有功功率削減控制,均可以調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓。然而,僅通過無功功率調(diào)節(jié),會(huì)出現(xiàn)無功功率達(dá)到容量限制,而并網(wǎng)點(diǎn)電壓仍越限的情況;而僅通過有功功率削減控制,則會(huì)降低光伏的發(fā)電效率,不夠經(jīng)濟(jì)。因此,本文結(jié)合了有功功率削減和無功電壓控制2種方法,提出一種電壓自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制方法。

光伏逆變器有功/無功功率-電壓控制曲線及自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)流程如圖4、圖5所示。首先采樣當(dāng)前光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓,若U2＜Upcc＜U3,則光伏繼續(xù)以MPPT模式運(yùn)行;若U1＜Upcc＜U2時(shí),逆變器根據(jù)式(5)計(jì)算無功功率指令,發(fā)出無功功率,光伏繼續(xù)以MPPT模式發(fā)出最大有功功率;若U3＜Upcc＜U4時(shí),逆變器根據(jù)式(5)吸收無功功率,光伏繼續(xù)以MPPT模式發(fā)出最大有功功率;若Upcc＜U1或Upcc＞U4,逆變器輸出無功功率達(dá)容量限制,則開始削減有功功率,直至并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)正常。

圖4 光伏逆變器有功/無功功率 電壓控制曲線

圖5 光伏逆變器自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)流程

整個(gè)調(diào)節(jié)過程無需上級(jí)指令和通信,通過監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓,自適應(yīng)控制光伏逆變器輸出的有功功率和無功功率即可,能夠?qū)崿F(xiàn)光伏逆變器對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)支撐。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的方法的有效性,在MATLAB/Si mulink中建立如圖6所示的光伏電源并網(wǎng)模型。

圖6 光伏電源并網(wǎng)模型

GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》中規(guī)定,低壓配電網(wǎng)三相供電系統(tǒng)允許的電壓偏差應(yīng)在±7%之間,為了提高安全裕度,本文設(shè)定電壓偏差為±4%,基準(zhǔn)電壓為311 V,即電壓正常范圍如式(6)所示。具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

給定初始光照強(qiáng)度為300 W/m2,0.8 s時(shí)增大到800 W/m2,1.2 s時(shí)增大到1 000 W/m2,最后2 s時(shí)恢復(fù)到300 W/m2。

逆變器不采用并網(wǎng)主動(dòng)支撐控制時(shí),光伏的有功功率以及并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化如圖7、圖8所示。從圖7、8可以看出,當(dāng)光照強(qiáng)度增大到800 W/m2時(shí)電壓開始越上限,若不采用相應(yīng)的控制手段,電壓則會(huì)始終處于越限狀態(tài),不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此,需要采取一定措施抑制并網(wǎng)點(diǎn)過電壓。

圖7 光伏逆變器僅采用MPPT控制時(shí)光伏的有功功率

圖8 光伏逆變器僅采用MPPT控制時(shí)光伏的并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化

采用本文所提出的光伏并網(wǎng)主動(dòng)支撐調(diào)節(jié)的方法對(duì)逆變器進(jìn)行控制,工作模態(tài)切換如圖9所示。

圖9 逆變器工作模態(tài)切換示意

光伏逆變器的有功功率、無功功率以及并網(wǎng)點(diǎn)電壓的情況如圖10-12所示。從圖中可以看出,0～0.8 s光伏逆變器始終以MPPT模式運(yùn)行,輸出最大有功功率,不輸出無功功率;在0.8～1.2 s,光伏逆變器仍輸出最大有功功率,同時(shí)開始吸收6 k Var的無功功率來調(diào)節(jié)電壓;在1.2～2 s,光伏逆變器輸出的無功功率達(dá)6.65 k Var容量限制,有功功率由20.25 k W削減至16.73 k W,電壓經(jīng)過1.2 ms恢復(fù)至允許范圍內(nèi);在2 s以后,光照強(qiáng)度恢復(fù),光伏逆變器退出無功功率調(diào)壓和有功功率削減模式。

圖10 采用所提控制策略時(shí)光伏的有功功率

圖11 采用所提控制策略時(shí)光伏的無功功率指令值

圖12 采用所提控制策略時(shí)光伏逆變器并網(wǎng)點(diǎn)電壓

綜上所述,光伏逆變器并網(wǎng)點(diǎn)電壓能快速調(diào)節(jié)至允許范圍內(nèi)且盡量保證光伏有功輸出的最大化。上述仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的控制策略的有效性。該控制策略僅需檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓信息,通過控制逆變器輸出的有功、無功功率來調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

4 結(jié)論

光伏電源接入配電網(wǎng)可能引起潮流的反向流動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓越限,影響數(shù)字化主動(dòng)配電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。本文針對(duì)光伏并網(wǎng)造成的電壓越限問題,分析了光伏逆變器并網(wǎng)特性、輸出功率與并網(wǎng)點(diǎn)電壓的關(guān)系,提出了一種電壓自適應(yīng)調(diào)節(jié)的光伏逆變器控制方法,并對(duì)調(diào)壓方法進(jìn)行研究與仿真驗(yàn)證。

與傳統(tǒng)逆變器無功功率-電壓控制的調(diào)壓策略相比,本文提出的調(diào)壓控制策略靈活性較高,可調(diào)節(jié)能力較強(qiáng),具有更高的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓越限時(shí),首先充分利用逆變器的可用容量,輸出無功功率調(diào)節(jié)電壓;當(dāng)無功功率達(dá)容量限制時(shí)對(duì)有功功率進(jìn)行削減,在保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下提高了光伏發(fā)電效率。本文提出的調(diào)壓控制策略僅需檢測(cè)本地并網(wǎng)點(diǎn)電壓信息,通過控制逆變器輸出的有功功率、無功功率來恢復(fù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓。該方案無需上級(jí)指令和通信就能實(shí)現(xiàn)光伏逆變器對(duì)數(shù)字化主動(dòng)配電網(wǎng)的主動(dòng)支撐,具有較好的可行性。