含扶贫式光伏农村配电网电能质量综合控制技术研究*

张天卫，袁旭峰，时豪，唐圣辉

(贵州大学 电气工程学院， 贵阳 550025)

0 引 言

贫困户和贫困村在政府支持下，安装分布式光伏电源后，可实现一次性投入、多年受益、稳定增收的扶贫效果。从电力系统角度看，这也为长久以来的农村配电网电能质量问题带来了机遇和挑战。传统农村配电网负荷分散、配电线路长、线径偏小，且在低压配电网中电能质量治理装置功能单一，效果不明显。有的农村配电网甚至没有配备相应的电能质量治理装置，这使得农网在负荷高峰时电能质量问题更加严重[1]。安装分布式光伏后，在对光伏电源本身进行控制的基础上，还需要综合有效的控制策略，解决农村配电网在分布式光伏并网后引起的电能质量问题。

1 含扶贫式光伏的农网电能质量问题分析

1.1 农村配电网结构及用户负荷特点

农村配电网低压线路通常采用三相四线制的供电方式，大部分以单相二线的方式进行供电，存在少部分三相动力负荷。这就意味着农村配电网运行时出现的三相不平衡问题不可忽视，负荷不平衡所产生的零序电流可以通过中性线构成回路，且因为叠加关系，中性线的零序电流大小是相线零序电流的三倍。对于农村配电网来说，线路阻抗比较大，因此配电线路的压降主要由有功功率引起。

农村负荷密度低且分散，呈现出一定的季节性和随机性，经常会造成负荷过重从而导致台区线路末端电压过低，甚至影响正常生产。同时，沿线接入的非线性负荷带来的波动性、非线性和阻感性会对农村配电网电能质量产生影响[2]。

1.2 含扶贫式光伏农网电能质量问题

农村配电网一般呈简单的辐射链式结构，用电负荷分散，配电距离长。其本身就存在着一定的电能质量问题[3]。当分布式光伏并入低压配电网后，其对配电网电能质量产生的影响可分为两方面。

1.2.1 正面影响

(1)分布式光伏接入配电网可以实现能量的就地平衡，减少了远距离传输电能的投资和损耗。在季节性负荷较大时，分布式光伏能够迅速提供功率支持，改善系统的稳定性；

(2)通过控制光伏并网逆变器的无功输出能力，可以使分布式光伏参与调节配电网电压[4];

(3)通过合理配置储能装置，实现光储联合发电，可以减少光伏电源的弃光率，并且在没有辐照的夜间能够对配电网提供功率支持。

1.2.2 负面影响

(1)光伏出力的随机性、波动性可能引起电压闪变、骤降问题[5]，变压器等传统调压方式由于响应速度较慢无法对其进行有效调节；

(2)分布式光伏中含有大量的电力电子开关器件，会对配电网产生谐波污染；

(3)当分布式光伏单相接入配电网时，可能会加重系统的三相不平衡问题[6]。

2 光伏逆变器电压/无功控制

2.1 逆变器无功输出原理

对逆变器功率输出进行矢量分析，单相并网等效电路如图1所示。

图1 光伏并网等效电路

可以得到：

Vg=Ig(R+jX)+Es

(1)

式中Vg为逆变器的输出相电压；Es为电网三相相电压；R+jX为并网等效阻抗；Ig为逆变器输出电流。如果以Es的相位为参考，Es和Vg之间的夹角为δ，设：

(2)

(3)

当R很小的时候可以忽略得：

(4)

则逆变器发出的复功率为：

(5)

逆变器向电网输出的有功和无功功率分别为：

(6)

(7)

一般情况下δ较小，可以得到：

(8)

(9)

由以上公式可知通过控制可以改变逆变器的运行状态，如图2所示，es为电网电压，X为交流侧电抗值，R为等效电阻，vg、ig分别为逆变器输出电压和电流。

图2 逆变器运行状态矢量图

2.2智能逆变器控制

在Opendss建模程序中，光伏发电系统由一个或多个太阳能电池面板组成，该模型假设换流器能够快速找到光伏面板的最大功率点，图3显示了从太阳能电池到电网的整个光伏系统的简化框图，其中光伏系统不再此节赘述，图中逆变器控制提供了电压/无功、电压/有功和动态无功电流控制模式，文中选用电压/无功控制[7]。

图3 光伏系统逆变器控制简化框图

文中逆变器控制采用具有迟滞的电压/无功控制，以便无功功率输出保持恒定的“死区”。如图4所示为逆变器的控制曲线(右侧曲线1和左侧曲线2)，当电压开始超过允许上限时，可以通过调用无功功率(感应变量)吸收，相反，如果在光伏系统的端子处存在低于正常电压的情况，例如有功功率输出的突然降低，则可以发出无功功率传送到电网，让电压提高到正常水平[8]。

图4 带迟滞的电压/无功控制图

逆变器设定在0.95 pu至1.05 pu，光伏发电系统通过给定的逆变器控制曲线，使得电压工作在允许范围内，其可用无功功率由式(10)决定：

(10)

式中kvaravailable表示可用无功功率；kva_rating表示额定无功功率；present_kw表示当前有功功率。图4中，若当前潮流计算显示端电压变大，无功功率输出按控制曲线1进行控制；若当前潮流计算显示端电压下降，无功功率输出即转移到滞后曲线2，当电压下降到控制曲线2的边界时，如果电压仍然在负方向，则遵循控制曲线2确定无功功率的输出。类似地，如果利用控制曲线2(由于端电压降低)，与先前相比电压将正向移动，则转向控制曲线1，如前所述，无功功率输出直到端电压达到控制曲线1上的值时才开始遵循控制曲线1对逆变器无功功率输出进行控制。

3 光储联合发电分时控制

3.1 储能系统的并网运行模式

在Opendss程序建模中，储能元件与发出/吸收功率的发电机等效，基本结构如图5所示，当光伏逆变器输出功率高于负载功率或夜间负荷和电价都较低时，该储能系统处于充电模式；当并网点处功率发生波动时，储能系统通过可以快速调节有功功率[9]，同时在电压降低时可以提供一定无功支撑。

图5 储能元件框图

文中储能元件采用Opendss软件中的FOLLOW模式，通过设置loadshape乘子让有功功率和无功功率输出满足要求，当该数为正时储能元件开始放电，反之为负则开始充电。原理如图6所示。

同时加装储能元件控制器对其进行控制，在Opendss程序建模中，储能元件控制器有5种放电控制模式(Peakshave/Follow/Support/Loadshape/Time)和2种充电控制模式(Loadshape/Time)。为了保证储能元件能在负荷高峰时提供相应的功率支撑，在负荷低谷时储能，充放电控制都选择Loadshape模式，即根据台区日负荷曲线制定控制曲线，当值为正时以既定速率放电，值为零时储能元件处于空载状态，值为负时以既定速率充电。

图6 日仿真充放电周期

3.2 光储系统的分时协调控制

因日负荷曲线特性和光伏输出受时间影响，设置储能元件在负荷较轻时充电，而在负荷晚高峰时没有光伏电源输出的时候放电[10]，台区日负荷曲线和辐照如图7所示，其中10:00～12:00的负荷高峰可以通过光伏发电得到缓解，19:00～21:00的负荷高峰则没有光伏发电，此时通过储能提供功率支撑[11]。其余当有光伏发电满足台区负荷需求或负荷较轻的情况下都控制储能元件进行蓄电。

图7 日负荷及辐照曲线

4 仿真分析

4.1 某低压简介

某台区0.4 kV等级配电网系统如图8所示。

图8 含光伏发电馈线系统图

该台区中共有180个节点，62条线路，110个设备，台区主变压器的容量为315 kVA。台区主干线为三相四线制供电，居民负荷为单相二线制供电，部分负荷为动力负荷。共并入8个光伏发电单元，其中包含2个三相光伏发电单元(PV1、PV2)和6个单相光伏发电单元(PV3、PV4、PV5、PV6)，选PV1节点处为监测点。

4.2 光储发电参数配置

在该低压台区中，8个光伏发电单元均安装在负荷侧，最后并入电网。文中选取的光伏发电模型为温度25 ℃，辐射度为1 kW/m2，功率因数为1.0，逆变器工作效率为1。三相光伏发电单元输入功率Pmpp分别为50 kW，40 kW，单相光伏发电单元输入功率Pmpp为4 kW。为保证逆变器能满足最大负荷下设备对功率的要求，每个逆变器额定输出功率分别比Pmpp值大10%。储能系统配合光伏发电选择三相和单相接入，功率分别选择为光伏发电的80%。在光储参数设置完毕后选择日仿真模式对该低压台区进行时序潮流仿真，对提出的综合控制进行研究。

4.3 时序潮流下综合控制仿真研究

文中在该低压台区加入光储发电系统，在保证台区所有设备正常工作的情况下，对含电压/无功智能逆变器控制功能在日仿真模式下进行分析，得出在加入电压/无功控制环节前后监测点电压变化图，如图9、图10所示。

图9 无电压/无功控制电压分布

图10 含电压/无功控制电压分布

从图9、图10可得，在加入智能逆变器电压/无功控制环节后，电压变化范围由0.990 6～1.043 5变到0.983 5～1.037 5，电压质量有所改善，智能逆变器控制起到了很好的效果。

文中采用了日仿真模式对某低压台区进行潮流分析，在加分布式光伏发电后进行了智能逆变器电压/无功控制仿真研究，得出监测点一天电压的变化情况，如图11所示。

图11 电压/无功控制仿真电压对比

由图11得出，加入分布式光伏电源后，在辐照较强的白天电压有一定提升，标幺值变化范围为1.005～1.050，但在负荷晚高峰电压仍基本没有变化。在每个分布式光伏电源处加入电压/无功控制后，标幺值电压变化范围为1.015～1.044，通过调节光伏电源输出的无功功率，电压质量有所改善。

为提高光伏利用率和独立光伏发电的供电可靠性，通常配置一定容量的储能系统，平滑光伏系统出力的波动性。文中在各光伏并网点配置储能系统，构成光储联合系统。配置储能系统后监测点电压变化情况如图12所示。

由图12得出，通过光储联合发电并加入智能逆变器电压/无功控制后，监测点电压变化范围为标幺值0.996～1.040，相对独立光伏发电且无电压/无功电压控制的系统电压有较明显的改善，提高了原有系统的光伏供电可靠性。

图12 含储能协调控制电压变化

5 结束语

通过对含扶贫式光伏低压台区加入电压/无功控制，结果表明电压/无功控制对光伏输出的电压变化提供了一定的电压支持，对电压质量起到了一定的改善作用。由于光伏发电受天气影响，为提高光伏利用率，加入储能系统，对光储联合发电进行协调控制，得出加入智能逆变器电压/无功控制和光储协调控制可以有效改善电压质量，为低压台区接入扶贫光伏电压质量控制提供一定参考。