集中式光伏電站智能柔性控制技術(shù)研究

摘要：主要探究集中式光伏電站智能柔性控制技術(shù)，以助力減少內(nèi)外部因素影響，提高光伏電站運(yùn)行穩(wěn)定性。研究過程中，以某集中式光伏電站項(xiàng)目為例，構(gòu)建光伏電站數(shù)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)，立足智能柔性控制的基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的多端直流輸電系統(tǒng)，選擇下垂控制方式，提出了附加功率閉環(huán)、附加電壓閉環(huán)控制策略，并開展仿真驗(yàn)證，以期為相關(guān)工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：集中式光伏電站" 智能控制" 柔性控制技術(shù)" 仿真驗(yàn)證

Research on Intelligent Flexible Control Technology of Centralized Photovoltaic Power Station

LIU Junhong

Guodian Investment （Guangdong） Power Operation Co.， Ltd.，[A1]" Guangzhou， Guangdong Province， 510710 China

Abstract： This paper mainly explores the intelligent flexible control technology of centralized photovoltaic power stations to help reduce the influence of internal and external factors and improve the operation stability of photovoltaic power stations. In the research process， a centralized photovoltaic power station project is taken as an example to build a mathematical model of photovoltaic power station. Based on this， based on intelligent flexible control and modular multilevel converter （MMC） multi-terminal DC transmission system was developed. The droop control method is selected， additional power closed-loop and additional voltage closed-loop control strategies are proposed， and simulation verification is carried out， in order to provide reference for relevant workers.

Key Words： Centralized photovoltaic power station; Intelligent control; Flexible control technology; Simulation verification

隨著集中式光伏電站建設(shè)規(guī)模快速增長，需要對(duì)能源并網(wǎng)的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、輸送、分配等環(huán)節(jié)進(jìn)行合理控制，以提高能源利用率，減少系統(tǒng)成本及故障。因此，集中式光伏電站可以根據(jù)有功出力波動(dòng)大、受環(huán)境影響等情況，采取智能柔性控制技術(shù)，為光伏并網(wǎng)提供可靠的支持。

1集中式光伏電站數(shù)學(xué)模型

集中式光伏電站電源側(cè)由串并聯(lián)光伏電池、交流母線、逆變器構(gòu)成，通過電子器件連接交流電網(wǎng)與光伏電池，將電能傳遞至電網(wǎng)側(cè)[1]。以某光伏電站為例，額定系統(tǒng)參數(shù)為20 MVA/10 kV，內(nèi)部有光伏發(fā)電單元（PV Power Unit，PVGU）20個(gè)（1個(gè)PVGU包括2個(gè)500 kW的光伏逆變器），可提供有功輸出20 MW。集中式光伏電站結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光伏陣列輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度影響：溫度越低，電壓輸出強(qiáng)度越高；光照越強(qiáng)，電流輸出越大。以此構(gòu)建相應(yīng)數(shù)學(xué)模[A2] 型，由理想電流源、并聯(lián)二極管構(gòu)成，且串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等效，輸出電壓與電流為非線性關(guān)系。數(shù)學(xué)模型如下：

式（1）中：為光生電流；為電子電荷量；為光伏陣列飽和電流；為波爾茲曼常數(shù)；為二極管理想常數(shù)；為環(huán)境溫度值；為串聯(lián)光伏單元數(shù)。

光伏電站匯集送出能源時(shí)，由于送端系統(tǒng)負(fù)荷小，受端電壓波動(dòng)，特別是電網(wǎng)故障將對(duì)光伏電站穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，需要采取智能柔性控制方法，穩(wěn)定電壓達(dá)到額定值[2]。

2 集中式光伏電站智能柔性控制技術(shù)應(yīng)用

2.1 選擇控制模式

光伏電站采取智能柔性控制方法，模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）是其典型裝備。基于MMC的多端直流輸電系統(tǒng)（Multi-Terminal DC Transmission System，MTDC）采取并聯(lián)方式，通過換流站進(jìn)行協(xié)調(diào)配合[3]。現(xiàn)階段，主要控制方式包括主從控制、電壓裕度控制、下垂控制。（1）主從控制從兩端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)展而成，與換流站采取定電流/功率與定直流電壓控制方法，指定系統(tǒng)各換流站對(duì)直流電壓控制，其余換流站對(duì)輸出電流、公路控制[4]。（3）電壓裕度控制是預(yù)先設(shè)置各換流站電壓參數(shù)，確保光伏電站對(duì)各種場景均能有相應(yīng)換流站處于一定電壓范圍，以免失控。（3）下垂控制是多點(diǎn)直流電壓控制方法，輸出功率與直流側(cè)電壓呈線性關(guān)系，能夠讓多個(gè)換流站參與電壓調(diào)節(jié)與功率分配，實(shí)現(xiàn)參數(shù)動(dòng)態(tài)分配，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力與可靠性。集中式光伏電站考慮電壓、電流波動(dòng)，容易受外界影響，需要合理分配參數(shù)，采取下垂控制方式。

2.2 柔性控制方案

直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)存在類比性。頻率是控制系統(tǒng)對(duì)功率進(jìn)行平衡評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，由于發(fā)電機(jī)頻率、功率輸出存在下垂型，每當(dāng)減少輸出頻率，均會(huì)由發(fā)電機(jī)適當(dāng)增加功率，使其保持平衡，見圖2。但是，在光伏電站的實(shí)際運(yùn)行中，換流站存在線路阻抗，線路傳輸功率后，各換流站將出現(xiàn)電壓差，導(dǎo)致直流電壓偏離，生成電壓誤差，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1附加功率閉環(huán)控制

交流發(fā)電系統(tǒng)中，以二次調(diào)頻能夠無差調(diào)節(jié)頻率。下垂控制也可以在附加功率閉環(huán)上無差調(diào)節(jié)功率[5]。功率閉環(huán)輸入功率誤差，輸出修正參考電壓，將與相加，獲得修正后電壓數(shù)值。為確保換流站下垂特性，限制功率閉環(huán)輸出±。并且，考慮換流站功率輸出范圍、功率閉環(huán)影響，可以將其分為2段，確定不同斜率的下垂特性，公式如下：

式（2）中：、為系統(tǒng)最小、最大直流電壓；、換流站最小、最大輸出功率；功率閉環(huán)飽和值；由與關(guān)系決定下垂系數(shù)，，誤差系數(shù)為、；，誤差系數(shù)、。

附加功率閉環(huán)，可以將控制系統(tǒng)分為2段：1段是下垂控制區(qū)，1段是恒功率區(qū)。光伏電站在直流電壓波動(dòng)階段，功率閉環(huán)尚未飽和，要求換流站直接處于恒功率區(qū)運(yùn)行；反之，根據(jù)電壓修正量修正，使換流站于下垂控制區(qū)運(yùn)行。

2.2.2附加電壓閉環(huán)控制

該控制方案類似于附加功率閉環(huán)，基于傳統(tǒng)下垂控制增加電壓閉環(huán)。該電壓閉環(huán)輸出中，輸出修正參考功率，將與相加，獲得修正后電壓數(shù)值。為確保換流站下垂特性，限制功率閉環(huán)輸出±。并且，考慮換流站功率輸出范圍、功率閉環(huán)影響，可以將其分為2段，確定不同斜率的下垂特性，公式如下：

式（3）中：為電壓閉環(huán)飽和值。由、關(guān)系確定下垂系數(shù)。

附加功率閉環(huán)，可以將控制系統(tǒng)分為2段：1段是下垂控制區(qū)，1段是恒功率區(qū)。光伏電站在直流電壓波動(dòng)階段，電壓閉環(huán)尚未飽和，換流站可以恒定直流電壓；功率閉環(huán)飽和、有功功率偏差高，根據(jù)功率修正量修正，使換流站于下垂控制區(qū)運(yùn)行。

光伏電站整體運(yùn)行中，換流站控制層接收相應(yīng)指令，按照指令計(jì)算下垂參數(shù)。主換流站以附加電壓閉環(huán)進(jìn)行控制，從電流站以附加功率閉環(huán)進(jìn)行控制。對(duì)于運(yùn)行點(diǎn)（，）、電壓閉環(huán)飽和值、功率閉環(huán)飽和值，均采取潮流計(jì)算方式，按照式（2）、式（3）確定下垂控制斜率。此種控制考慮光伏電能波動(dòng)與輸電損耗影響，能夠有效提高換流站穩(wěn)態(tài)性能，對(duì)通信速率無較高要求，結(jié)合項(xiàng)目測量物理量輸入控制器，可靠性較高。

3 集中式光伏電站智能柔性控制仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型

為驗(yàn)證集中式光伏電站智能柔性控制有效性，采取MATLAB/Simulink構(gòu)建仿真模型。交流側(cè)利用環(huán)流變壓器連接交流電網(wǎng)，4個(gè)交流電網(wǎng)利用MMC連接至系統(tǒng)。MMC1是主換流站，采取附加電壓閉環(huán)控制；MMC2、MMC3、MMC4是從換流站，采取附加功率閉環(huán)控制。為驗(yàn)證系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，結(jié)合潮流計(jì)算，明確運(yùn)行參考點(diǎn)、光伏出力波動(dòng)、換流站退出、換流站閉環(huán)等模式開展驗(yàn)證。

模式一：新能源出力恒定，潮流計(jì)算與附加閉環(huán)無；

模式二：新能源出力恒定，附加閉環(huán)無，潮流計(jì)算有；

模式三：新能源出力波動(dòng)，附加閉環(huán)無，潮流計(jì)算有；

模式四：新能源出力波動(dòng)，潮流計(jì)算有，A閉環(huán)飽和值；

模式五：新能源出力波動(dòng)，潮流計(jì)算有，B閉環(huán)飽和值。

3.2 仿真結(jié)果

在仿真驗(yàn)證中，確定光伏出力情況（見表1），可見，通過柔性控制，能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)有功功率穩(wěn)定值，減小超調(diào)量。

根據(jù)上述仿真表明，光伏電站穩(wěn)態(tài)下，定電壓區(qū)運(yùn)行主換流站，恒功率區(qū)運(yùn)行從換流站；暫態(tài)模式下，切換主、從換流站至下垂控制區(qū)，承擔(dān)功率缺額。

4 結(jié)語

綜上所述，集中式光伏電站運(yùn)行中，采取智能柔性控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量、長距離集電輸出。但是，光伏電站與電網(wǎng)系統(tǒng)連接中，將會(huì)造成換流站功率波動(dòng)，輸電損耗。因此，在集中式光伏電站中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，采取附加功率閉環(huán)、附加電壓閉環(huán)控制策略，具有良好穩(wěn)態(tài)性能，能夠共同承擔(dān)功率缺額，提高光伏電站運(yùn)行的可靠性。

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