光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行PCC電壓跌落補償研究

摘要：以光伏發(fā)電系統(tǒng)公共耦合點(PCC)電壓跌落為研究對象，從電力系統(tǒng)功率傳輸理論的角度分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)PCC電壓跌落的電壓補償原理，并網(wǎng)逆變器通過無功功率對PCC電壓跌落進行補償，提出基于瞬時電壓幅值的動態(tài)無功電流電壓跌落補償策略，搭建了3 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺，對提出的補償策略進行驗證，結(jié)果表明該方法改善了光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電電能質(zhì)量，提高了其并網(wǎng)運行的可靠性與穩(wěn)定性。

1 引言

太陽能作為典型的可再生能源，由于受到環(huán)境溫度、光照強度及天氣條件的影響，光伏發(fā)電表現(xiàn)出隨機波動性大、不可預(yù)測的特點，某工程現(xiàn)場測試，最大功率變化率為20%/min。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常都要通過電力電子變換裝置即接口逆變器并網(wǎng)運行。隨著大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行，其對電網(wǎng)的影響越來越大，暴露出越來越多的問題，其中PCC電壓跌落是光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響之一。目前已提出了很多方法用于減輕或補償電壓跌落問題，如無功功率補償器、動態(tài)電壓恢復(fù)器、交流柔性輸電裝置、靜止無功發(fā)生器等，但均需安裝額外設(shè)備，不僅增加了投資成本，而且使系統(tǒng)控制復(fù)雜化。

微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)的提出推動了光伏發(fā)電設(shè)備及系統(tǒng)向智能化、多功能化發(fā)展，智能逆變器、多功能逆變器等概念逐漸被廣泛接受，希望能通過光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行起到一定支撐作用。國內(nèi)外都推出了新的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)范，使其具有一定的靈活性與主動性，允許光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)整其輸出的有功及無功功率，參與電力系統(tǒng)局部電壓和頻率調(diào)整，同時要求系統(tǒng)具有低電壓穿越能力。

這里采用光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器本身，在PCC電壓跌落時，通過向電網(wǎng)注入一定容量的無功功率實現(xiàn)對PCC電壓跌落補償。這種方法不僅可實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)發(fā)電的主要功能，而且可實現(xiàn)對PCC電壓跌落補償?shù)妮o助功能，提高了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的利用率，減少了安裝補償裝置的投入及維護成本，補償性能將更加經(jīng)濟。

2 電壓跌落補償原理

大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率突變與波動造成PCC電壓跌落，影響系統(tǒng)供電電能質(zhì)量，故需對PCC電壓跌落進行補償。德國最新光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)標準VDE-AR-N-4105：2011-08規(guī)定，中壓光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)引起的PCC電壓變化不允許超過2%;低壓光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)引起的PCC電壓變化不允許超過3%;我國對不同電壓等級電壓偏差的限制也有明確規(guī)定，GB12325-2008《電能質(zhì)量——供電電壓允許偏差》對供電電壓允許偏差的限制摘要如下：①35 kV及以上正負電壓偏差絕對值之和不超過10%;②10 kV及以下三相供電，±7%;③220 V單相供電，-10%～7%。

對于接入中/低壓配電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可得其并網(wǎng)運行的戴維南等效電路如圖1所示。us為配電網(wǎng)母線電壓，通常認為配電系統(tǒng)為無窮大系統(tǒng)，其電壓幅值|us|基本恒定不變;Z為配電網(wǎng)線路阻抗，Z=R+jX，R，X為電阻、電抗分量;P，Q為配電網(wǎng)母線向負載方向傳輸?shù)挠泄?、無功功率;uPCC為PCC電壓;PL，QL分別為PCC本地負載有功、無功功率;PG，QG分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)向PCC輸送的有功、無功功率，QG為正表示逆變器發(fā)出感性無功功率，QG為負表示逆變器吸收感性無功功率;QC為PCC安裝設(shè)備補償?shù)臒o功功率，QC為正表示發(fā)出感性無功功率，QC為負表示發(fā)出容性無功功率。

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)戴維南等效電路，配電網(wǎng)向PCC方向傳輸?shù)墓β蕿椋?/p>

由于遠距離架空線線路阻抗的電阻分量與電抗分量相當(dāng)，線路兩端電壓相位偏差較小，式(4)的虛部與實部相比很小，可忽略;考慮允許光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器與當(dāng)?shù)責(zé)o功補償裝置發(fā)出感性無功功率，即QG與QC均為正，由此可得：

uPCC≈us+R(PG-PL)/uPCC+X(QG+QC-QL)/uPCC (5)

由式(5)可見，對于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于其輸出有功功率由光伏電池板決定，受天氣影響較大，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率減小時，就有可能造成PCC電壓跌落。若能控制光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出無功功率，即可控制PCC電壓。由于并網(wǎng)逆變器很多時候都不工作在額定功率，具有一定的無功功率容量，因此，可使并網(wǎng)逆變器在其視在功率容量限制內(nèi)，發(fā)出一定容量的無功功率，即可對PCC電壓跌落實現(xiàn)補償。

3 電壓跌落補償策略

光伏發(fā)電系統(tǒng)中所采用的三相電壓源并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為實時動態(tài)地補償PCC電壓跌落，提出基于瞬時電壓幅值一無功電流的Io(U)電壓控制方式，當(dāng)PCC電壓跌落時，可使光伏發(fā)電系統(tǒng)工作于超前功率因數(shù)，使其相當(dāng)于電容特性，在系統(tǒng)視在功率限制內(nèi)發(fā)出一定容量的無功功率來補償PCC電壓跌落。由于功率控制的本質(zhì)也是控制電流，因此這里直接采用電流控制代替功率控制。無功電流電壓調(diào)整系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

由圖3可見，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)在兩相旋轉(zhuǎn)d，q坐標系下完成，其中控制系統(tǒng)采用雙二階通用積分器同步坐標系鎖相環(huán)(DSOGI SRF-PLL)實時檢測PCC電壓相位與幅值，采用Io(U)方法對PCC電壓進行控制，所檢測電壓瞬時幅值與所設(shè)定電壓參考幅值作比較，誤差經(jīng)電壓PI調(diào)節(jié)器后得到電壓調(diào)整無功補償電流，與所設(shè)定的無功電流參考值疊加作為新的無功電流參考對逆變器進行實時控制，最終實現(xiàn)對PCC電壓的動態(tài)調(diào)整。

4 實驗

上面對PCC電壓調(diào)整原理及策略進行了分析，提出了相應(yīng)的電壓跌落補償策略，下面主要對提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器IQ(U)電壓跌落補償策略進行實驗驗證。設(shè)定并網(wǎng)逆變器正常并網(wǎng)發(fā)電，且具有一定的視在功率容量，通過在PCC切入本地負載來模擬PCC電壓跌落。搭建3 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺。并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)采用三相橋式電路，控制電路基于DSP控制芯片TMS320F2812。并網(wǎng)逆變器主要參數(shù)：Udc= 120 V;Ua=Ub=Uc=50 V;iG=8 A;RL=7 Ω;Lf=5 mH;Cf=9.4μF;R=1 Ω;L=3 mH。電壓PI控制器比例與積分系數(shù)分別為0.1，20;電流PI控制器比例與積分系數(shù)分別為0.5，10。圖4為實驗波形。

圖4a為光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)運行的穩(wěn)態(tài)波形，PCC接入本地負載開關(guān)斷開，并網(wǎng)逆變器輸出電流全部輸出給電網(wǎng)?？梢姡⒕W(wǎng)點電壓幅值為50 V，相對于參考電壓幅值50 V，電壓幅值差為零，逆變器并網(wǎng)電流與其輸出電流均為2 A，負載電流為零。圖4b為PCC切入本地負載后PCC電壓發(fā)生跌落的暫態(tài)波形?？梢?，當(dāng)負載切入后，PCC電壓由50 V跌落至45 V以下，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器不對PCC電壓進行補償，逆變器輸出電流依然為2 A，并網(wǎng)電流反相，即負載電流一部分由逆變器供給，另一部分由電網(wǎng)供給。

圖4c，d為電壓采用無功電流進行電壓調(diào)整的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)實驗波形?？梢?，負載切入瞬間，電壓幅值減小，并網(wǎng)點電壓跌落，由于采用了IQ(U)電壓補償器對并網(wǎng)點電壓進行控制，電壓跌落后，IQ(U)電壓補償器輸出一個無功補償參考電流給并網(wǎng)逆變器，并網(wǎng)逆變器輸出無功補償電流補償并網(wǎng)點電壓跌落，2個周期后達到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)后，電壓幅值偏差為零，電壓跌落得到補償。IQ(U)電壓補償器具有良好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度。

5 結(jié)論

對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓跌落問題進行了研究，提出了基于瞬時電壓幅值的無功電流電壓跌落補償策略，最終通過了實驗驗證，取得了良好的實驗結(jié)果，驗證了所提出的電壓調(diào)整策略的可行性與有效性。實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電與電壓補償?shù)慕y(tǒng)一控制功能，改善了電力系統(tǒng)供電電能質(zhì)量，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行的可靠性與穩(wěn)定性，為大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行提供了技術(shù)支持。