基于電力電子變壓器的跨臺區(qū)光伏消納策略

宋金璠，郭新峰，秦佳瓊

（南陽理工學(xué)院數(shù)理學(xué)院，河南南陽，473004）

0 引言

在大規(guī)模光伏接入傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)出現(xiàn)的種種“不適”情況下，引入直流配電技術(shù)建立交直流混合配電系統(tǒng)是解決問題的最佳方法。從2011年起，美國北卡羅來納大學(xué)提出FREEDM型交直流混合配電系統(tǒng)開始，電力電子變壓器便出現(xiàn)在各種電網(wǎng)潮流控制模型中?；陔娏﹄娮幼儔浩骺赏ㄟ^高壓直流電壓實(shí)施多端口功率控制的特點(diǎn)[1]，此類型電網(wǎng)已成為具備信息物流系統(tǒng)特征的成熟人工受控系統(tǒng)，兩者是相互相成的關(guān)系。在此背景下，結(jié)合我國國情特點(diǎn)，如何讓大規(guī)模的分布式光伏在跨越臺區(qū)中達(dá)到高效、充分消納目的是重點(diǎn)研究核心[2]。

1 電力電子變壓器的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用

電力電子變壓器在實(shí)質(zhì)上是一種高頻新型電力電子設(shè)備，除了擁有與傳統(tǒng)工頻交流變壓器相同的電壓等級交換和電氣隔離功能，還擁有超過傳統(tǒng)工頻交流變壓器的可再生能源設(shè)備及其儲能設(shè)備的直接流入功能、故障隔離功能、智能通訊功能等[3]。

它與光伏的關(guān)系是相輔相成的，電力電子變壓器的交直流配電網(wǎng)可促進(jìn)分布式光伏就地消納，同時(shí)通過對結(jié)構(gòu)內(nèi)各個(gè)端口進(jìn)行功率輸入或輸出的控制和調(diào)整，克服了原來光伏接入低配電網(wǎng)的潮流反轉(zhuǎn)和電壓升高等困難，是跨臺區(qū)光伏消納策略的核心理論基礎(chǔ)。

1.1 光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特征和過程

光伏產(chǎn)業(yè)主要是把太陽能源轉(zhuǎn)化成電能后應(yīng)用在電源輸送的技術(shù)。結(jié)合我國的實(shí)際國情，擁有相當(dāng)優(yōu)越的地理位置和光照條件，致使我國五分之四的國土內(nèi)的光照十分充足，光源資源分布得當(dāng)。利用太陽能源往往可以通過轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流或者直接發(fā)電，后者就是光伏發(fā)電的由來和過程[4]。

光伏發(fā)電的特點(diǎn)明顯，一是充足和持久，只要有太陽便有光能可轉(zhuǎn)化為電能；二是利用成本低和開采方法簡單，只需少量人員維護(hù)開采，相對水能、風(fēng)能的設(shè)備操作更有優(yōu)勢；三是無污染和安全度高，是目前新型可再生能源中最清潔環(huán)保的能源。

基于上述特點(diǎn)，我國光伏發(fā)展速度飛快，不僅得到國家六大政策的扶持，甚至頒布了“國六條”的具體指導(dǎo)方案，甚至于2010年6月我國便頒布了首輪太陽能光熱發(fā)電特許招標(biāo)項(xiàng)目，使光伏發(fā)電在一直以化石燃料發(fā)電為主的能源發(fā)電市場中打響了特別的頭一炮，成為新能源市場中不可或缺的熱門角色。

1.2 太陽能發(fā)電中的實(shí)際工程應(yīng)用

太陽能發(fā)電技術(shù)中可以分為太陽能熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電。第一種是需要發(fā)電設(shè)備把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能才能進(jìn)行發(fā)電，第二種是發(fā)電設(shè)備直接可把太陽能轉(zhuǎn)換成電能。

要論世界上最早把太陽能發(fā)電運(yùn)用在工程中的例子，應(yīng)該就是18世紀(jì)70年代巴黎第一個(gè)通過太陽能熱能交換的小型蒸汽機(jī)，當(dāng)時(shí)引起了全世界的熱烈關(guān)注。從此以后，人們對太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展近乎癡狂。在上個(gè)世紀(jì)80-90年代間，世界各地紛紛建造了各式各樣的太陽能熱發(fā)電試驗(yàn)電站數(shù)十個(gè)；在近些年，更是出現(xiàn)了中國山西大同熊貓電站、美國佛羅里達(dá)的迪士尼太陽農(nóng)場、西班牙普朗特太陽能發(fā)電廠（PS20、PS10）、美國內(nèi)華達(dá)州托諾帕新月沙丘太陽能項(xiàng)目、韓國春川電站等巨型太陽能發(fā)電站。

在這些發(fā)電站的基礎(chǔ)上，太陽能發(fā)電便可充分利用到通信工程、機(jī)電工程等各種工程中。比如，在通信工程中主要把轉(zhuǎn)換好的電能以電磁形式進(jìn)行保存釋放，建設(shè)電能傳輸通道，提高蓄電池功率；在機(jī)電工程中需要結(jié)合工程所在環(huán)境因素，對日照情況、溫度變化等都有一定的要求，確保太陽能發(fā)電的實(shí)際運(yùn)用與工程需求相符合。正因?yàn)樘柲馨l(fā)電技術(shù)有所發(fā)展提升，各行各業(yè)都不同程度地依賴著太陽能發(fā)電設(shè)備，經(jīng)濟(jì)效益也隨之得到了一定提升。

2 電力電子變壓器模型的建立

2.1 模型基礎(chǔ)

為了解決分布式光伏收納問題，電力電子變壓器采取的是多端口的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將此結(jié)構(gòu)接入電網(wǎng)中，交直流配電網(wǎng)便由此形成。電力電子變壓器的交直流端口同時(shí)連接著光伏能源和電網(wǎng)負(fù)荷，控制著兩邊的功率調(diào)配。而每個(gè)電力電子變壓器、配電系統(tǒng)交直流負(fù)荷、分布式光伏可形成一個(gè)獨(dú)立的臺區(qū)，當(dāng)各臺區(qū)通過各端口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)后[5]，最終便可形成多臺區(qū)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

臺區(qū)之間是互相配合卻又相互獨(dú)立的關(guān)系，當(dāng)大規(guī)模的分布式光伏功率從各臺區(qū)的互聯(lián)端口輸入后便可根據(jù)實(shí)際情況互聯(lián)，能源低的臺區(qū)可讓能源高的臺區(qū)幫忙輸送多余的光伏電量，能源高的臺區(qū)光伏消納充分達(dá)到能源不浪費(fèi)的目的。所有臺區(qū)彼此之間不排斥，基本上不影響互聯(lián)配電網(wǎng)的整體運(yùn)作?？梢哉f，這種光伏功率輸送模式是具有針對性、需求性的特征，達(dá)到按需分配的目的，真正利用跨臺區(qū)的方式解決了光伏消納從前的難題。

2.2 模型數(shù)據(jù)分析

按照上述分析情況，首先建立單個(gè)基礎(chǔ)物理臺區(qū)的模型。根據(jù)原理，單個(gè)臺區(qū)至少需要3個(gè)端口才能形成交直流配電網(wǎng)，分別是臺區(qū)的直流端口和交流端口，以及電力電子變壓器的互聯(lián)端口。

把公式左右數(shù)據(jù)調(diào)轉(zhuǎn)替換，公式最終變形如下：

根據(jù)公式，我們可知當(dāng)Pi>0時(shí)，臺區(qū)i內(nèi)的光伏功率有盈余剩余；當(dāng)Pi<0時(shí)，臺區(qū)i內(nèi)的光伏功率短缺。

由此類推，設(shè)n為電網(wǎng)中臺區(qū)的數(shù)量，那么n個(gè)臺區(qū)的互聯(lián)模型可從上述公式變形如下：

3 跨臺區(qū)光伏消納算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 跨臺區(qū)光伏消納算法設(shè)計(jì)

跨臺區(qū)光伏消納算法簡單來說就是消除和納入兩個(gè)模式。在基于電力電子變壓器的交直流配電網(wǎng)中，消除指的是在互聯(lián)的所有臺區(qū)中光伏功率高且有盈余的部分可轉(zhuǎn)移到別的臺區(qū)里，即盈余的光伏功率被消除了；而納入指的是在互聯(lián)的所有臺區(qū)中光伏功率低且短缺的部分可吸納別的臺區(qū)轉(zhuǎn)移過來的盈余部分，即短缺的光伏功率部分由吸納盈余解決了。

但對于互聯(lián)的所有臺區(qū)來說，直流配電網(wǎng)內(nèi)的總電壓沒有任何改變，臺區(qū)的整體和個(gè)體之間互不干涉卻又同為一體[6]。該算法其實(shí)是通過跨越臺區(qū)重新按照實(shí)際情況分配電壓功率，達(dá)到光伏功率的資源最優(yōu)化。

3.2 跨臺區(qū)光伏消納策略實(shí)現(xiàn)

在傳統(tǒng)模式中，直流輸電系統(tǒng)的直流電壓在其狀態(tài)穩(wěn)定下，一般會把傳統(tǒng)下垂控制用于電力電子變壓器的互聯(lián)端口。假設(shè)Udc為互聯(lián)臺的高壓直流側(cè)電壓；Udcref為互聯(lián)臺區(qū)高壓直流側(cè)電壓的額定值；Pout為互聯(lián)臺區(qū)功率，正數(shù)值；K為下垂特性系數(shù)[7]，那么傳統(tǒng)下垂控制的P-V特性曲線為：

在此基礎(chǔ)上，為了達(dá)到臺區(qū)之間光伏功率可按照實(shí)際需求跨越流動(dòng)，傳統(tǒng)下垂控制的方法需要進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)互聯(lián)臺區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)分成兩種情況區(qū)別分析：

當(dāng)互聯(lián)臺區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)處于輸出功率狀態(tài)，即Pout>0，可引入傳輸因子ΔP和補(bǔ)償因子ε，P -V特性曲線可以改寫為：

公式表明當(dāng)電力電子變壓器直交流確模式下該臺區(qū)的功率盈余，可增加補(bǔ)償因子ε和補(bǔ)償因子ε進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)下垂曲線的效果，最終實(shí)現(xiàn)了盈余光伏功率的輸出。

當(dāng)互聯(lián)臺區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)處于吸收功率狀態(tài)，即Pout<0，可引入接受臺區(qū)本地不平衡因子β，設(shè)Pn為臺區(qū)互聯(lián)端口的額定容量，P-V 特性曲線可以改寫為：

公式表明，當(dāng)處在同一直流電壓下，臺區(qū)內(nèi)吸收光伏功率可按不平衡功率比例合理分配，實(shí)現(xiàn)短缺光伏功率的吸納。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，基于電力電子變壓器的交直流配電網(wǎng)中分布式光伏在于多臺區(qū)互聯(lián)的情況下，可以大規(guī)模地在單個(gè)臺區(qū)接入分布式光伏，而不影響整體互聯(lián)臺區(qū)?；ヂ?lián)臺區(qū)之間彼此既是一個(gè)整體卻又是相互獨(dú)立的個(gè)體；當(dāng)其運(yùn)行狀態(tài)處于輸出或者吸收功率狀態(tài)時(shí)，可引入傳輸因子或不平衡因子，實(shí)現(xiàn)跨越臺區(qū)間光伏功率進(jìn)行對盈余功率的消除和納入，達(dá)到多臺區(qū)內(nèi)資源共享，穩(wěn)定整體電壓，是新型再生能源的一個(gè)新嘗試。