基于UPFC的光伏发电系统主动并网研究

程海军， 鲁宝春， 刘 飞， 姜丕杰， 孙丽颖

(辽宁工业大学电气工程学院，辽宁锦州121001)

基于UPFC的光伏发电系统主动并网研究

程海军， 鲁宝春， 刘 飞， 姜丕杰， 孙丽颖

(辽宁工业大学电气工程学院，辽宁锦州121001)

针对独立光伏发电系统的不足和升级改造的不经济性，提出基于UPFC的独立光伏发电系统主动并网方法。利用UPFC的综合控制功能，主动调节光伏发电系统的并网参数，实现快速、平滑并网。给出了并网控制器模型和并网控制结构。仿真分析表明了该方法的正确性和有效性。

独立光伏发电系统；主动并网；统一潮流控制器；仿真分析

近年来，随着化石能源的枯竭和环境污染的日益加重，光伏发电作为清洁的可再生能源得到快速发展，正处于大规模应用阶段。国家能源局发布的《可再生能源发展“十二五”规划》中明确提出：到2015年，我国将建成30个以智能电网、物联网和储能技术为支撑的新能源微电网示范工程[1]，国内光伏装机容量将达15 GW[2]。因此，光伏发电系统的设计及控制成为研究热点[3-4]。光伏发电系统并入大电网，缩短并网时刻瞬态，实现光伏发电系统与大电网平滑同步是首要考虑的问题，即在并网合闸前，光伏系统母线电压和大电网母线电压的幅值、相角和频率尽量一致。IEEE Std 1547.4-2011给出三类并网方法：停机转换、被动同步和主动同步[5]。停机转换方法比较简单，但会导致负载短时停电。被动同步方法并网时间较长，对系统冲击较大。主动同步方法通过控制策略主动调节光伏系统电压跟踪大电网电压，因此能快速平滑地实现同步。目前，微电网、智能电网技术的提出，都希望能够通过光伏发电系统对整个电网稳定运行起到一定的支撑作用。在国外，如日本、德国等国家，出台了光伏发电系统新的并网规范，要求光伏发电并网系统能够支撑大电网的安全运行，允许光伏系统参与电网的电压、频率调整，允许其调整输出有功和无功功率[6]。在国内，国网公司也推出了新的光伏系统并网规范，允许光伏发电系统具有一定的功率控制能力，来参与电网局部的电压、频率调整[7]。

独立光伏发电系统的能量供应形式单一，灵活性差，可靠性低，如果出现线路故障或者光照不足等情况，负荷的正常供电将无法满足，这就制约了独立光伏发电系统的发展。在此背景下，如果独立光伏发电系统能够具备在自身发电量充足的情况下并网，在发电量不足时从大电网吸收电能，实现能量双向传输，将大大提高其应用的灵活性。如果通过系统改造，如加装光伏并网逆变器，必然要对整个光伏系统的结构进行改造，使得各部分能够匹配，这样会严重影响经济性。如果存在一种能实现“即插即用”并网功能的控制器，将有效解决这一问题。这种控制器必须具备调节系统电压幅值、相角、频率的功能，才能实现并网。在此背景下，本文提出基于统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)的独立光伏发电系统主动并网方法，实现快速、平滑并网要求。

1 控制器的结构及控制功能

1.1 拓扑结构

并网系统结构如图1所示。其中，虚线部分为基于UPFC并网控制器的拓扑结构，主要包括并联变压器、串联变压器、变流器及控制系统。并网的控制目标是利用UPFC的调压功能使光伏系统电压与大电网电压幅值和相位匹配，两个电网实现快速平滑并网。根据并网控制目标，串联侧连接在光伏系统线路末端，并联侧并联在公共连接点(point of common coupling，PCC)，同时装设有断路器，用以投入和切断并网控制器装置。

图1 并网系统结构图

1.2 控制功能

并网控制器的并联侧是一台静止同步补偿器(STATCOM)装置，串联侧则是一台静止同步串联补偿器(SSSC)装置，而能量的传递则通过两台装置中间的直流电容进行。从功能上来看，该装置的并联侧实际上是AC-DC变换，串联侧是DC-AC变换，这种AC-AC结构使得有功功率可以在两个变流器之间任意传输，无功功率则能够在两个交流输出端口传输。并网控制器既有很强的补偿线路电压的能力，又有很强的补偿无功功率的能力。

2 系统建模

2.1 UPFC的数学模型

根据并网系统结构，UPFC两侧的电路分别是三相PWM整流电路和三相PWM逆变电路，与直流电容结合构成STATCOM和SSSC，做出等效电路如图2所示。

图2UPFC电路

2.2 控制器模型

根据并网系统结构可知，控制器并网控制约束条件如式(4)所示。

并网的控制目标是利用UPFC的调压功能使光伏系统电压与大电网电压幅值和相位匹配，满足并网条件，两个电网实现快速平滑并网。控制对象是串联侧补偿电压和并联侧电压，参考对象是大电网电压。基于上述控制思想，控制器采用PI控制，并采用SPWM控制脉冲输出，具有调节迅速、稳定性好的特点。针对式(2)和式(3)存在的交叉耦合现象，解耦的思想是引入测量得到的反馈电流量代替式子的、，从而减小因忽略次要的数学分量带来的误差。

当并网控制器工作在相对稳定的状态时，给予式(5)～(7)所示的扰动信号：

采用小信号分析法，可得出UPFC并联侧控制结构如图3所示。

图3 并联侧控制结构

同理，可得出UPFC串联侧控制结构如图4所示。

图4 串联侧控制结构

3 并网控制

光伏系统并入大电网时，应该满足准同期并网要求。根据IEEE Std 1547-2003标准[8]，需满足的准同期参数限值如表1所示。

表1 IEEE Std 1547-2003准同期参数

如果系统容量在0～500 kVA，由表1可知，两系统并网前相角偏差要小于20°。根据式(9)可计算出最大电压偏差为光伏系统中由于应用大量的电力电子器件，因此通常具有较小的惯性，为保证并网的平滑性，减小对系统的冲击，并网时要求标准更严格。假设要求并网时瞬时电压偏差在以内，根据式(9)可计算出两系统电压相位偏差应该小于2.866°。

综合上述分析，本文采用的准同期判定条件如式 (10)所示。

4 仿真分析

采用Matlab/Simulink软件，构建了基于UPFC的光伏系统主动并网仿真模型，主要包括独立光伏发电系统模型、并网控制器模型以及大电网模型。大电网模型用三相电压源等效代替，参数设置为由于光伏发电系统及并网控制器的综合并网仿真模型过于复杂，仿真运行时间太长，不利于分析。因此选择将独立光伏发电系统用电压源等效，参数设置为变压器变比为0.38/10 kV。基准线电压取10 kV，基准功率取100 MW，线路的单位长度阻抗取并网控制器的直流电容取1 500 μF，仿真中的数据采用标幺值来表示。

根据搭建的仿真模型分别对直接并网和投入并网控制器并网两种方式进行仿真，采用并网控制器并网时，在0.2 s时投入并网控制器。两种并网方式下并网时刻如图5所示。图5 (a)为直接并网方式，在5 s左右的时刻才能找到触发并网，并网等待时间较长。图5(b)为并网控制器并网方式，在0.67 s时就开始触发并网，有效缩短并网等待时间。

图5 并网时刻

图6为两种并网方式下并网时刻冲击电流波形图。图6(a)为直接并网方式，冲击电流最大值超过了2 000 A。图6(b)为控制器并网方式，冲击电流最大值约为400 A，从0.67 s开始跃升，到1.2 s左右降至30 A左右，趋于稳定，有效减小并网冲击电流。

图6 并网时冲击电流波形

由此可知，采用基于UPFC的主动并网方法，缩短并网等待时间，几乎没有电压幅值突变，冲击电流小，实现平滑并网，提高了并网时系统的暂态稳定性。

5 结论

本文提出一种基于UPFC的独立光伏发电系统主动并网方法，即通过UPFC的综合控制功能，主动调节光伏发电系统的运行参数，从而实现快速平滑并网。通过仿真分析表明，该方法具有并网时间短、冲击电流小、系统稳定性高的特点。从经济性的角度考虑，独立运行的光伏发电系统通过升级改造系统架构和逆变器实现并网是不经济的。本文提出的并网方法，无需改动系统架构，在原有系统的基础上安装并网控制器，实现“即插即用”功能，为独立运行的光伏发电系统并入大电网提供了一种技术方案。

[1]王成山，武震，李鹏.微电网关键技术研究[J].电工技术学报，2014,29(2):1-12.

[2]沈欣炜，郑竞宏，朱守真，等.光伏并网逆变器控制参数的dq轴解耦辨识策略[J].电力系统自动化，2014,38(4):38-43.

[3]丁明，王伟胜，王秀丽，等.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报，2014,34(1):1-14.

[4]黄欣科，王环，王一波，等.光伏发电系统并网点电压升高调整原理及对策[J].电力系统自动化，2014,38(3):112-117.

[5]IEEE.IEEE Std 1547.4-2011 IEEE guide for design,operation,and integration of distributed resource island systems with electric power systems[S].New York,NY,USA:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,2011.

[6]STETZ T,MARTEN F,BRAUN M.Improved low voltage grid-integration of photovoltaic systems in Germany[J].IEEE Trans on Sustainable Energy,2013,4(2):534-542.

[7]国家电网公司.Q/GDW 617-2011光伏电站接入电网技术规定[S].北京：中国电力出版社，2011.

[8]IEEE.IEEE Std 1547-2003 IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S].New York,NY, USA:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,2003.

Research on active grid-connected control of stand-alone PV system based on UPFC

Aiming at shortcoming and diseconomy of upgrades and reconstruction of stand-alone PV system,a novel active grid-connected control method of stand-alone PV system was proposed based on UPFC. Then the grid-connected control rapidly and smoothly could be achieved through actively adjust the parameters of photovoltaic power generation system by UPFC.The model and control structure of grid-connected controller were given.The correctness and validity of the control strategies were verified by the simulation result．

stand-alone PV system;active grid-connected;UPFC;simulation analysis

TM 615

A

1002-087 X(2015)10-2157-04

2015-03-05

国家自然科学基金项目(61104070)；辽宁省教育厅项目(L2013246，LR2013028)

程海军(1978—)，男，辽宁省人，硕士，讲师，主要研究方向为电力系统自动化及新能源发电。