基于改進下垂的光伏發(fā)電并網(wǎng)自適應控制策略

郭偉棟

（中國長江三峽集團股份有限公司山西分公司，山西 太原 030000）

光伏發(fā)電并網(wǎng)是指將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，從而為當?shù)仉娏τ脩艄╇姷囊环N方式[1]。在并網(wǎng)過程中，需要考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性，如輸出功率的不穩(wěn)定性、電源位置的分布[2]以及大量分布式電源會導致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)，發(fā)生越限現(xiàn)象等，會影響電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性[3]。為有效解決上述問題，確保光伏并網(wǎng)后電壓穩(wěn)定，本文提出基于改進下垂的光伏并網(wǎng)自適應控制策略，通過下垂控制保證光伏并網(wǎng)后電壓穩(wěn)定。

1 光伏發(fā)電并網(wǎng)自適應控制策略

1.1 光伏發(fā)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)指的是將大量光伏陣列接入大電網(wǎng)中，光伏發(fā)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光伏發(fā)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括3個部分，分別為直流電網(wǎng)、交流電網(wǎng)以及大電網(wǎng)。其中，直流電網(wǎng)和交流電網(wǎng)中均接入大量光伏陣列，并通過雙向AC/DC整流器和大電網(wǎng)相連接。在并網(wǎng)模式下，上級配電網(wǎng)直接控制交流母線頻率，雙向AC/DC整流器的主要作用是控制直流電網(wǎng)的功率和電壓，保證功率平衡和電壓穩(wěn)定[4]。但是在實際應用過程中，如果光伏并網(wǎng)后光伏出力不穩(wěn)定，會發(fā)生功率突變等擾動，對并網(wǎng)后的交直流電網(wǎng)的影響較大[5]。

1.2 光伏并網(wǎng)暫態(tài)過電壓的形成機理

光伏并網(wǎng)會導致送端電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)過電壓現(xiàn)象，該現(xiàn)象對電網(wǎng)的整體運行穩(wěn)定性有較大影響[6]，因此，為實現(xiàn)光伏并網(wǎng)的自適應控制，需要精準掌握暫態(tài)過電壓的形成機理。電壓的變化情況主要受無功功率的流向和變化影響，光伏并網(wǎng)后整流站的無功功率流向情況如圖2所示。

圖2 光伏并網(wǎng)后整流站的無功功率流向

根據(jù)圖2可知，整流站包括濾波器和調(diào)相機，光伏并網(wǎng)后送端電網(wǎng)電能經(jīng)由整流站整流后，再通過直流輸電母線傳送至受端電網(wǎng)。此時整流站的無功功率Qd如公式（1）所示。

式中：Qph為送端電網(wǎng)和光伏發(fā)電輸出；Qc為濾波器和調(diào)相機輸出。Qph和Qc均表示無功功率總和。

整流站側(cè)直流電網(wǎng)側(cè)的無功功率用Qd表示，如公式（2）所示。

式中：Pd為有功功率，對應直流外送系統(tǒng)的母線；μ、α分別為換流器的換向角和觸發(fā)角。

直流外送系統(tǒng)發(fā)生異常后，整流站直流電網(wǎng)側(cè)的無功功率Q'dc會快速降低。同時結(jié)合公式（1）可知，無功功率快速降低時，其總和也相應降低。并且無功補償裝置和濾波器響應均存在一定延，從而導致大量的無功功率流向整流站交流母線處。這些無功功率無法被消耗，此時直流電網(wǎng)側(cè)發(fā)生不同程度的負載，光伏電源飽和，送端電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)過電壓現(xiàn)象[7]。

1.3 光伏并網(wǎng)自適應控制策略

1.3.1 自適應分段下垂控制策略原理

為實現(xiàn)光伏并網(wǎng)自適應控制，本文根據(jù)暫態(tài)過電壓的形成機理，采用下垂控制策略進行光伏側(cè)整流器交流母線輸出功率控制，以此降低無功功率對電壓的影響，避免發(fā)生暫態(tài)過電壓現(xiàn)象。由于下垂控制系數(shù)會影響控制結(jié)果，因此在控制過程中采用非線性函數(shù)對下垂控制的下垂系數(shù)進行優(yōu)化，形成改進的自適應分段下垂控制策略。

改進的自適應分段下垂控制策略的主要目的是使光伏側(cè)整流器控制交流母線電壓，該控制策略是以給定電壓參考值、標況下功率參考值和功率最大值為基礎(chǔ)，結(jié)合光伏出力次數(shù)，獲取光伏側(cè)實時輸出功率Poi和最大輸出功率Pmax，從而判斷直流電網(wǎng)側(cè)的負載程度。然后通過下垂系數(shù)整定器確定下垂系數(shù)，保證光伏側(cè)整流器和相應的下垂特性曲線相匹配。在此基礎(chǔ)上，利用電流電壓的雙閉環(huán)控制輸出完成控制的電壓值。

1.3.2 自適應分段下垂控制實現(xiàn)

進行自適應分段下垂控制時，需要先判斷直流電網(wǎng)側(cè)的負載程度，設(shè)給定的電壓參考值為Poierf，標況下功率參考值為功率最大值為表示，結(jié)合光伏出力次數(shù)計算光伏側(cè)實時輸出功率Poi和最大輸出功率Pmax。如果并網(wǎng)后每個光伏出力系數(shù)存在差異，為解決功率分配過程中的光伏電源飽和現(xiàn)象，根據(jù)光伏的出力系數(shù)調(diào)整下垂系數(shù)和輸出功率參考值，以此確保光伏電源能夠可靠地判定負載程度。

由于溫度、光照強度會影響光伏電源出力，因此在光伏出力系數(shù)發(fā)生變化的情況下，輸出功率參考值也隨之變化，如公式（3）所示。

式中：ξi為減載運行比例常數(shù)。

為實現(xiàn)功率合理分配，本文以3個光伏電源并網(wǎng)為例，如果其額定容量與標況下的輸出功率參考值一致，就需要保證每個并網(wǎng)光伏側(cè)的整流器輸出功率參考值和下垂系數(shù)滿足公式（4）。

式中：Ki表示光伏側(cè)整流器的下垂系數(shù)，i=1，2，3。

結(jié)合上述分析可知，光伏出力系數(shù)發(fā)生變化后，光伏側(cè)整流器的輸出功率最大值、參考值以及下垂次數(shù)也隨之發(fā)生變化，此時下垂系數(shù)如公式（5）所示。

式中：Uoimax、Uoimin以及Uoiref分別表示輸入直流母線的電壓最大值、最小值以及參考值；表示標況下光伏電源的最大輸出功率。

基于上述內(nèi)容獲取分段下垂控制特性曲線，如圖3所示。

圖3 分段下垂控制特性曲線

圖3中，Ki1和Ki2分別表示輕載和重載條件下的下垂系數(shù)；Ai表示額定工作點；ΔU表示輸入直流母線的電壓Uoi和Uoiref間的差值；ΔP表示Poi和間的差值。如果ΔU保持不變，|ΔP|會隨著Ki的試驗而降低，由此可知，下垂系數(shù)Ki值越小，對于電壓的穩(wěn)定性控制效果越佳，功率分配的效果越好。在輕載和重載兩種條件下進行對應下垂系數(shù)的設(shè)定，令其滿足光伏并網(wǎng)后電力系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下的控制需求。因此，也可理解為下垂系數(shù)對于ΔU和ΔP間的關(guān)系具有直接影響；光伏并網(wǎng)后，電力系統(tǒng)在輕載和重載狀態(tài)下進行切換時會引發(fā)下垂系數(shù)突變，從而直接增加電壓偏移和功率表偏移比例。

1.3.3 下垂系數(shù)優(yōu)化

為保證光伏并網(wǎng)自適應控制效果，采用非線性函數(shù)優(yōu)化下垂控制的系數(shù)，避免下垂系數(shù)突變，保證其平穩(wěn)過渡。優(yōu)化后形成改進自適應分段下垂控制策略，如公式（6）所示。

根據(jù)公式（6）的計算結(jié)果即可獲取改進自適應分段下垂控制后的光伏并網(wǎng)后電力系統(tǒng)的電壓輸出結(jié)果，以此實現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)的自適應控制。

2 試驗結(jié)果分析

為驗證本文策略在光伏發(fā)電并網(wǎng)自適應控制中的應用效果，采用MATLAB/Simu-linnk軟件構(gòu)建光伏發(fā)電并網(wǎng)的仿真模型并進行對應測試。該光伏發(fā)電接入送端系統(tǒng)的接入數(shù)量為3，容量分別為4×100MW、4×105MW和4×110MW，整流站中共設(shè)置6臺調(diào)相機。光伏發(fā)電并網(wǎng)仿真模型的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 光伏發(fā)電并網(wǎng)的仿真模型相關(guān)參數(shù)

為驗證本文策略在光伏發(fā)電并網(wǎng)自適應控制中的應用效果，以光伏整流器輸出的無功功率輸出結(jié)果為例，獲取本文策略控制前、后的無功功率變化情況，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 控制前后的無功功率變化情況

分析圖4測試結(jié)果可知，采用本文策略進行光伏發(fā)電并網(wǎng)自適應控制后，光伏整流器能夠更快地完成控制策略響應，調(diào)節(jié)效果更好，可在最大程度上發(fā)揮光伏整流器的無功調(diào)節(jié)能力，協(xié)助實現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)時的暫態(tài)過電壓控制。

為進一步驗證本文策略對光伏發(fā)電并網(wǎng)自適應控制的效果，獲取本文策略控制前、后的送端母線電壓變化結(jié)果，如圖5所示。

圖5 控制前、后送端母線電壓的變化結(jié)果

分析圖5測試結(jié)果可知，采用本文策略進行光伏發(fā)電并網(wǎng)控制前，送端母線電壓的峰值為1.38p.u.，并且暫態(tài)電壓波動較明顯；采用本文策略對其進行控制后，送端母線電壓的峰值僅為1.15p.u.，并且暫態(tài)電壓的波動幅度變小。因此，本文策略能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)的有效控制，并保證電壓穩(wěn)定。

3 結(jié)論

為保證光伏發(fā)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，避免發(fā)生暫態(tài)電壓越限現(xiàn)象，本文基于改進下垂的光伏發(fā)電并網(wǎng)自適應控制策略，并對該策略的應用效果進行相關(guān)測試。測試結(jié)果顯示，該策略具有較好的應用效果，可調(diào)節(jié)光伏整流器的無功功率，以此實現(xiàn)暫態(tài)電壓控制，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性，確保光伏發(fā)電并網(wǎng)后能夠安全運行。