基于小交流信號的低壓配電網(wǎng)中分布式光伏輔助調(diào)壓控制策略

顏湘武，王晨光，賈焦心，馬宏斌

(華北電力大學(xué) 河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點實驗室，河北 保定 071003)

0 引言

人類步入工業(yè)社會以來化石能源被大量開發(fā)，化石能源是不可再生能源而且在燃燒時會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此各個國家都大力發(fā)展新能源以減小對化石能源的依賴[1]。中國的光伏產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速，截至2019年年末，中國的光伏發(fā)電裝機總?cè)萘窟_(dá)到204.3 GW，位居全球第一。2019年新增裝機容量30.1 GW，其中新增分布式光伏裝機容量12.19 GW，占2019年新增裝機容量的40.5%[2]。分布式光伏多為屋頂光伏或小規(guī)模建筑光伏，經(jīng)過低壓線路接入電網(wǎng)且不受電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度。隨著光伏裝機容量不斷提高，低壓配電網(wǎng)中開始出現(xiàn)過電壓問題。低壓配電網(wǎng)中R/X值較大，電網(wǎng)電壓除了受無功分布的影響還受有功分布的影響[3-4]。在光照充足光伏電源出力較大時，配電網(wǎng)中會出現(xiàn)功率倒送的情況，導(dǎo)致線路末端電壓升高。線路電壓過高會降低電網(wǎng)的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致過電壓節(jié)點附近的用戶負(fù)荷不能正常工作最終造成經(jīng)濟(jì)損失[5-7]。

文獻(xiàn)[8-11]針對配電網(wǎng)中的過電壓問題，提出了不同的利用無功功率調(diào)節(jié)電壓(RPC)的方法。無功功率對配電網(wǎng)電壓的影響有限，因此只利用無功功率調(diào)節(jié)電壓的效果并不理想。文獻(xiàn)[12]提出了通過削減有功出力來調(diào)節(jié)電壓(APC)，但削減有功功率會影響光伏電源的經(jīng)濟(jì)效益。而低壓配電網(wǎng)中的光伏發(fā)電主要形式是小型的分布式光伏發(fā)電，大幅度削減光伏出力會給光伏發(fā)電用戶造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。文獻(xiàn)[13-16]中提出了不同的利用有功和無功共同調(diào)節(jié)電壓的控制策略。配電網(wǎng)中過電壓的線路上往往有多臺光伏電源接入，其中線路末端出現(xiàn)過電壓的情況也最嚴(yán)重。文獻(xiàn)[13]中的策略通過削減有功保證了并網(wǎng)點處電壓不會越限，但對于線路末端的光伏電源有功出力削減最多，損害了線路末端光伏用戶的經(jīng)濟(jì)利益。文獻(xiàn)[14]和[15]考慮到了多臺光伏電源間的配合問題，提出了利用其余光伏電源的無功容量來配合調(diào)節(jié)電壓的宏觀控制方法，但沒有給出具體的多臺光伏電源間配合的控制策略實現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[16]的策略同樣僅針對單臺光伏電源接入的情況，不適用于一條饋線上含有多臺光伏電源的情況。

本文提出一種光伏逆變器間相互配合的輔助調(diào)壓控制策略。電網(wǎng)電壓處于正常狀態(tài)時，光伏電源以單位功率因數(shù)運行在最大功率點處。隨著電壓升高光伏電源開始吸收無功功率，來抑制電網(wǎng)電壓升高。當(dāng)電網(wǎng)電壓繼續(xù)升高超過設(shè)定值時，光伏電源通過削減有功功率來防止電壓進(jìn)一步升高。一旦光伏電源達(dá)到調(diào)節(jié)極限，便會向上一級光伏電源發(fā)出一個信號。上一級光伏電源收到該信號后會更新調(diào)壓策略中的設(shè)定電壓為當(dāng)前并網(wǎng)點電壓，以此類推直到全部光伏電源都達(dá)到調(diào)節(jié)極限。該控制策略讓每臺光伏逆變器都參與到電網(wǎng)的調(diào)壓過程中，同時盡可能地保證每個光伏電源的經(jīng)濟(jì)效益。本文利用一個4節(jié)點含光伏電源的輻射型拓?fù)鋵μ岢龅目刂撇呗赃M(jìn)行了驗證。

1 光伏接入導(dǎo)致配電網(wǎng)過電壓原因

低壓配電網(wǎng)含有分布式光伏電源的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含光伏電源的配電網(wǎng)拓?fù)銯ig. 1 Distribution network with photovoltaic sources

圖1中，Uk為節(jié)點k處的電壓值；Pk和Qk分別為流入節(jié)點k的有功功率和無功功率；Ppv,k和Qpv,k分別為第k臺光伏電源發(fā)出的有功和無功功率；Pload,k和Qload,k表示節(jié)點k處的當(dāng)?shù)刎?fù)荷。電壓降落的橫分量、縱分量與電壓間的關(guān)系為

節(jié)點電壓與電壓降落的橫分量、縱分量關(guān)系相量圖如圖2所示。

圖2 電壓降落相量圖Fig. 2 Voltage drop phasor diagram

在低壓配電網(wǎng)中，兩節(jié)點電壓間的相角差較小，電壓幅值的差主要受電壓降落的縱分量影響，橫分量影響可以忽略。因此節(jié)點間的電壓差為

低壓配電網(wǎng)中R?X，因此電壓的幅值主要受有功分布影響。忽略線路上的損耗時，流入k節(jié)點的有功功率為

當(dāng)光照充足時，光伏的發(fā)電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)刎?fù)荷，即PPV?Pload，此時從線路末端向電網(wǎng)輸送有功功率，即

忽略線路損耗后，各個節(jié)點電壓降公式為

由式（5）可知，當(dāng)光照幅度較大時，光伏電源發(fā)出的有功功率會遠(yuǎn)超出當(dāng)?shù)刎?fù)荷，配電網(wǎng)的線路末端電壓會遠(yuǎn)高于首端電壓，并且末端電壓會隨著光伏電源出力的增加而升高，最后導(dǎo)致線路末端的電壓嚴(yán)重越限。

2 輔助調(diào)壓控制策略

在低壓配電網(wǎng)中R/X值較大，改變無功功率對電壓調(diào)節(jié)的作用有限，因此有必要利用有功功率來調(diào)節(jié)電壓，但削減有功功率會影響光伏的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)式（5）可知在光照特別充足的時候，線路末端的過電壓情況最嚴(yán)重。如果只依照并網(wǎng)點電壓削減有功功率來控制電壓，會大量削減線路末端光伏電源的有功輸出而很小削減線路前部分光伏電源的有功功率，這種方法損害了線路末端光伏用戶的利益。因此必須讓光伏電源間相互配合，才能在保證各個用戶經(jīng)濟(jì)效益的同時，更好地發(fā)揮每臺光伏逆變器的調(diào)壓能力。

所提出的策略利用無功和有功功率共同調(diào)節(jié)電壓，通過最大功率估計實時計算最大功率來保證每臺光伏電源利用10%的有功功率參與調(diào)壓，通過向系統(tǒng)注入小交流信號來進(jìn)行光伏電源間的通信以保證光伏電源間相互配合調(diào)節(jié)電壓。具體步驟如下。

（1）當(dāng)并網(wǎng)點電壓處于電壓調(diào)節(jié)死區(qū)內(nèi)時，每臺光伏電源以單位功率工作模式運行。

（2）隨著并網(wǎng)點電壓繼續(xù)升高而超出電壓死區(qū)范圍時，光伏電源開始吸收與并網(wǎng)點電壓相對應(yīng)的無功功率。

（3）當(dāng)并網(wǎng)點電壓升高達(dá)到電壓限值后，光伏電源開始削減有功，每臺光伏電源最多削減10%的有功功率來參與系統(tǒng)調(diào)壓。

（4）當(dāng)光伏電源達(dá)到調(diào)節(jié)極限后，若電壓繼續(xù)升高，會向前一臺逆變器發(fā)出達(dá)到調(diào)節(jié)極限的信號。前一臺光伏電源接收到此信號時，會把此時刻的并網(wǎng)點電壓作為自己電壓控制策略的電壓設(shè)定值來參與系統(tǒng)調(diào)壓。

2.1 無功功率控制策略

無功控制策略采用Q-U下垂控制，電壓為并網(wǎng)點處電壓幅值，根據(jù)并網(wǎng)點處的電壓決定光伏逆變器輸出的無功功率。其中無功與并網(wǎng)點電壓的關(guān)系為

無功功率會引起更多的損耗，所以考慮到經(jīng)濟(jì)效益設(shè)置Q-U控制的電壓死區(qū)。并網(wǎng)點電壓在死區(qū)范圍內(nèi)時，光伏逆變器以單位功率運行。當(dāng)電壓超過Ulimit時，光伏逆變器輸出最大無功功率。本文選擇的死區(qū)電壓和Ulimit分別為1.02和1.05，無功調(diào)節(jié)的Q-U曲線如圖3所示。

圖3 光伏電源發(fā)出無功與電壓關(guān)系Fig. 3 The relationship between reactive power and voltage emitted by photovoltaic source

無功調(diào)節(jié)的上限受系統(tǒng)的最小功率因數(shù)和光伏逆變器的最大容量限制，本文的控制策略選取0.7作為最小功率因數(shù)。

式中：Fmin為最小功率因數(shù)；P為當(dāng)前光伏發(fā)出的有功功率；S為光伏逆變器的額定容量。

2.2 有功功率控制策略

當(dāng)并網(wǎng)點處電壓升高到Uset并繼續(xù)升高時，就需要削減有功輸出來控制電壓的升高。一天中光照和溫度不斷變化，光伏電源輸出的功率也隨著時間變化，在任一時刻光伏電源都具有一個最大輸出功率Pmax。以某時刻的有功功率控制策略為例：檢測并網(wǎng)處電壓，當(dāng)電壓超過Uset時，光伏電源就會削減輸出功率。當(dāng)有功功率削減到0.9Pmax后，光伏逆變器達(dá)到有功功率的調(diào)節(jié)極限，對應(yīng)圖4中陰影區(qū)域的左邊界。

圖4 電壓調(diào)節(jié)時光伏電源工作范圍Fig. 4 PV source operating range when voltage control

圖4中的陰影區(qū)域即為本文控制策略下光伏電源的運行區(qū)域。當(dāng)?shù)接泄β实恼{(diào)節(jié)極限后，若電壓繼續(xù)升高超過Uset，光伏電源就會向上一級光伏逆變器發(fā)出一個信號。以圖1中4節(jié)點為例

一旦檢測到下一級傳來的信號，說明下一級的光伏電源已經(jīng)達(dá)到有功功率調(diào)節(jié)極限且并網(wǎng)點電壓已經(jīng)越限。檢測到信號后，光伏電源把當(dāng)前并網(wǎng)點處電壓作為新的Uset，即

光伏電池可以通過調(diào)整光伏電池的工作電壓來調(diào)節(jié)輸出功率。當(dāng)要削減光伏電池輸出功率時，需提高工作電壓；當(dāng)要增加光伏電池輸出功率時，需降低光伏電池工作電壓。本文的有功功率調(diào)節(jié)策略總流程如圖5所示。

圖5 有功功率控制流程Fig. 5 Active power control process

2.3 光伏電池最大功率估計

正常運行時為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，光伏電源應(yīng)該工作在區(qū)域Ⅱ內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)電壓正常時，光伏電源處于最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）工作狀態(tài)運行在圖6中的M點。當(dāng)電壓超過Uset時開始不斷削減有功功率直到有功功率達(dá)到0.9Pmax，即從圖6中M點運行到A點，當(dāng)運行到A點時系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)極限。

圖6 光伏電池P-V曲線Fig. 6 Photovoltaic cell P-V curve

工作點A處dP/dU值較大，為了防止功率波動較大，可以在削減功率和MPPT時采用兩種步長（見圖5）。讓光伏電池可以工作在A點，需要對光伏電池的最大功率進(jìn)行實時計算。光伏電池的模型如圖7所示，該模型相對簡單同時具有較高的精度。

圖7 光伏電池等效電路Fig. 7 Equivalent circuit of photovoltaic cell

式中：I和U分別為光伏電池的輸出電流和電壓；Iph為光生電流；I0為二極管反向飽和電流；n為二極管理想因子；Uth為溫度電勢；Rs為串聯(lián)內(nèi)阻；Rsh為并聯(lián)內(nèi)阻。從式(11)可以看出直接求取最大功率公式復(fù)雜且計算量大，難以在小型控制器上直接求解。為了簡化計算，可以采用關(guān)于光照和溫度的二次多項式來計算光伏最大功率[17-19]。

式中：Pmax為光伏電池對應(yīng)溫度和光照條件下的最大輸出功率；T和G分別為溫度和光照度。式中的系數(shù)可以通過光伏電池的Pmax、G和T數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析得出。一個光伏模塊由許多串聯(lián)和并聯(lián)的單元組成，假設(shè)陣列沒有被遮擋，整個模塊可以用同樣的方法進(jìn)行估計而且總功率等于小單元功率的總和。本文使用SPR-305 E-WHTD型的光伏電池，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得出其最大功率估計的參數(shù)如表1所示。

表1 光伏最大功率估計公式參數(shù)Table 1 Parameters of PV maximum power estimation

把表1中的參數(shù)代入式（12）中，將式（12）計算出的最大功率估計值與光伏電池實際最大功率對比，結(jié)果如表2所示。圖8為不同光照和溫度下的功率估計值組成的曲面, 圖中紫色的點為回歸計算采用的16個光伏電池的數(shù)據(jù)。從圖8和表2中可見式（12）對于最大功率的計算有較高的準(zhǔn)確性。

表2 最大功率估計值與實際值Table 2 Maximum power estimate and actual value

圖8 最大功率估計值曲面Fig. 8 Surface of maximum power estimate

2.4 基于小交流信號的逆變器間通信

本文提出的輔助調(diào)壓策略利用電力線作為通信的傳輸線，通過向系統(tǒng)中注入一個小交流信號實現(xiàn)光伏逆變器間的通信。

通信過程如圖9所示，以第k臺光伏電源為例，當(dāng)達(dá)到調(diào)節(jié)極限后電壓越限，光伏電源k會在短時間內(nèi)注入k次小交流信號。當(dāng)檢測到短時間內(nèi)有k次的小交流信號，第k–1臺光伏電源就會依照調(diào)壓措施將Uset,k–1設(shè)置為當(dāng)前并網(wǎng)點電壓值Uk–1。

圖9 光伏電源間信息傳遞過程Fig. 9 Information transmission process between PV sources

通信策略通過在原有的調(diào)制波上疊加一個小交流信號將信號注入系統(tǒng)中，且同一時間內(nèi)只有一臺光伏電源會輸出小交流信號。由圖10可以看出，任意一臺光伏電源輸出小交流信號時，其他電源在并網(wǎng)點處都可以檢測到信號。檢測到的信號幅值為小交流信號濾波環(huán)節(jié)衰減后再經(jīng)阻抗分壓得到的幅值，因此設(shè)置閾值時要根據(jù)濾波器以及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來綜合考慮。

圖10 含小交流信號的系統(tǒng)簡化圖Fig. 10 System simplification diagram

為了避免檢測時提取算法精度不夠?qū)е抡`判、誤動作，小交流信號的頻率選取時要避開系統(tǒng)基波附近的頻率。由于光伏電源并網(wǎng)點靠近負(fù)荷，選取頻率時要避免一些民用和工業(yè)負(fù)荷易產(chǎn)生的諧波頻率。另外光伏逆變器交流側(cè)有濾波器，選擇的小信號頻率不能過高。信號頻率必須要低于逆變器交流側(cè)濾波器整定時的截止頻率，防止信號通過濾波器時衰減過大。本文小交流信號頻率選取基波二倍頻100 Hz，同時小交流信號的幅值選取要考慮系統(tǒng)的總諧波含量。一般要求逆變器的并網(wǎng)總諧波含量不超過5%，單個諧波含量不超過3%[20-21]。本文仿真中選取的配電網(wǎng)電壓幅值為311 V，小交流信號的幅值選取為5 V。

3 仿真分析

為了驗證本文的控制策略，對圖1中的拓?fù)湓贛atlab上進(jìn)行仿真，仿真中用的參數(shù)如表3所示。pv1～4為參數(shù)相同的光伏電源，每個光伏電源的Uset初始值均為1.05。

表3 仿真系統(tǒng)參數(shù)Table 3 Parameters of simulation system

隨著光照強度不斷增強，光伏電源輸出的有功功率不斷增加。根據(jù)式（5）當(dāng)光伏電源輸出功率增加時，電網(wǎng)中各節(jié)點電壓不斷升高（見圖11）。利用本文的控制策略進(jìn)行調(diào)壓，pv4和pv3的輸出如圖12、13所示。光伏電源隨著并網(wǎng)點電壓U不斷升高，依照式（6）從電網(wǎng)中吸收無功功率。Pmax是利用最大功率估計方法估計的最大功率值，當(dāng)系統(tǒng)沒到達(dá)調(diào)節(jié)極限時光伏電源始終處于MPPT狀態(tài)。從圖11、12可以看出，當(dāng)U4電壓超過Uset,4時，pv4開始削減有功功率，此時無功功率受系統(tǒng)最小功率因數(shù)限制同樣開始削減。當(dāng)Ppv,4等于0.9Pmax時，pv4達(dá)到調(diào)節(jié)極限向，系統(tǒng)中注入一個小交流信號。如圖14所示，當(dāng)pv3檢測到pv4發(fā)來的小交流信號時，將Uset,3設(shè)置為當(dāng)前U3值1.046，當(dāng)電壓繼續(xù)升高時，pv3開始削減有功功率。

圖11 pv4和pv3的并網(wǎng)點電壓和UsetFig. 11 The voltage of grid-connection point andUsetof pv4 and pv3

圖12 pv4的有功和無功功率Fig. 12 The active and reactive power of pv4

圖13 pv3的有功和無功功率Fig. 13 The active and reactive power of pv3

每臺光伏電源實時對并網(wǎng)點電壓進(jìn)行傅立葉分析，提取并網(wǎng)點電壓中頻率100 Hz的信號。如圖14所示，短時間內(nèi)共有4次小交流信號，此時可以判斷pv4已經(jīng)達(dá)到調(diào)節(jié)極限，pv3檢測到該信號后，開始響應(yīng)將此刻的電壓設(shè)為新的Uset,3。

圖14 pv3處檢測到的小交流信號Fig. 14 Small AC signal detected at pv3

將本文有功無功協(xié)調(diào)配合的控制策略與傳統(tǒng)RPC控制策略對調(diào)壓效果進(jìn)行對比。在相同工況下，2種不同策略控制下各節(jié)點在不同時刻下的電 壓如圖15所示。

圖15 2種控制策略下各節(jié)點電壓Fig. 15 Node voltage under two control strategies

由圖15可見，無功功率調(diào)節(jié)在一定程度上可以起到調(diào)節(jié)電壓的作用，但當(dāng)光伏電源功率較高時電壓還是會很快越限。中午12:00時各節(jié)點電壓如表4所示。以表4中的U4為例可見，無控制的情況下電網(wǎng)電壓為1.069，再加入無功功率控制后電網(wǎng)電壓下降到了1.059，利用本文的控制策略在削減10%有功功率后節(jié)點電壓降到了1.054，在電壓越限后，光伏電源削減10%有功功率對電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)作用十分明顯。

表4 中午12:00時各節(jié)點電壓Table 4 The voltage of each node at 12:00 o'clock

4 結(jié)論

本文針對低壓配電網(wǎng)中R/X比值較大的特點，同時考慮到一條饋線上多臺光伏電源間的配合以及各臺光伏電源的經(jīng)濟(jì)效益，提出了改進(jìn)的分布式光伏輔助調(diào)壓控制策略。利用仿真驗證了所提策略的可行性，并將所提控制策略與傳統(tǒng)的無功調(diào)壓(RPC)策略進(jìn)行對比。仿真結(jié)果表明，本文方法在光照幅度較大時比RPC策略具有更好的調(diào)壓效果。雖然與RPC控制策略相比，采用所提策略時光伏電源減少了輸出的有功功率以至降低了光伏利用率，但本文策略平衡了多臺光伏電源間的有功功率削減量，盡可能地保證了各臺光伏電源的經(jīng)濟(jì)效益。