数字化主动配电网中光伏逆变器并网主动支撑方案研究

刘夏宇,王振雄,易 皓,卓 放

(电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学),陕西 西安 710049)

0 引言

随着全球经济快速发展,能源紧张和环境污染问题日益突出,逐步改变能源消费结构、大力发展可再生能源已成为解决相关问题的共识。太阳能由于具有取之不尽、用之不竭、低碳环保等优点,相关的光伏发电技术成为目前国内外学者的研究重点。然而,由于光伏发电具有间歇性和波动性,光伏系统的并网会造成并网点电压、频率的波动[1- 3]。

现有的光伏逆变器主要工作在最大功率跟踪(maxi mu m power point tracking,MPPT)模式下,该方案能够增加光伏输出功率,提高光伏发电的效率[4-5]。然而,外部环境变化容易引起光伏电池输出功率波动,在功率过剩的情况下,若光伏逆变器仍以最大功率跟踪模式并网,可能会导致光伏并网点电压、频率波动,严重时引起母线电压严重偏离标准、光伏大面积脱网等问题[6]。

针对光伏并网点电压波动的问题,文献[6-9]提出基于储能的有功控制对并网点电压进行调节,文献[10-11]提出采用无功补偿装置进行电压调节,但安装储能设备和无功补偿装置会大幅提高建设成本,于是一些研究将焦点转移到了基于光伏逆变器的功率控制上。目前,基于光伏逆变器功率控制调压的方法主要分为2种,一种是通过控制光伏逆变器的无功功率来调节电压;另一种则是通过削减光伏输出的有功功率来抑制并网点过电压。

文献[22-24]提出了基于削减光伏输出有功功率的电压控制策略,若并网点电压超过允许电压上限时,通过削减部分光伏输出有功功率来防止电压越限。但仅通过削减光伏输出功率来抑制并网点过电压,是以减少清洁能源发电为代价,会大幅降低光伏的发电效率及配电网对光伏发电的消纳能力。

因此,仅通过无功功率控制或有功功率控制来抑制并网点电压波动,会出现调压能力较弱或光伏发电效率低等问题。针对上述问题,本文通过对光伏并网点电压特性分析,提出一种光伏逆变器的电压自适应调节方法。当并网点电压处于正常范围内时,光伏始终工作在MPPT状态;当并网点过电压时,优先利用光伏逆变器的剩余容量输出无功功率,无功功率达容量限制时削减一部分有功功率,实现并网模式下光伏逆变器对电压的主动支撑。该方案的实施需要监测并网点的电压信息,根据并网点电压信息对逆变器输出的有功功率、无功功率进行调节,从而使并网点电压恢复正常。最后,在MATLAB/SI MULINK平台建立数字化主动配电网中的光伏逆变器主动支撑仿真模型,验证了光伏逆变器电压主动支撑控制方法的有效性。

1 光伏并网特性分析

光伏发电系统与电网并联的戴维南等效电路如图1所示。其中,Upcc是光伏系统的并网点电压;Ppv和Qpv分别是光伏系统发出的有功功率和无功功率;Pload和Qload分别是负载有功功率和无功功率;Rg和Xg分别为配电网线路中的电阻和电抗。

图1 光伏并网戴维南等效电路

为简化计算,忽略线路中的功率损耗,光伏系统并网点电压Upcc可表示为

实际配电网两节点间的电压相位差不大,因此忽略电压降落的横分量,式(1)简化为

由于负载通常为阻感性,Pload和Qload均为正值。因此,可以得出当满足式(3)条件,即光伏发出的功率大于本地负载所需功率时,并网点电压Upcc会高于系统电压。且光伏出力较多以及电网轻载的情况下,若不采取调压措施,并网点电压会发生越限,不利于电网的稳定运行。

同时,从式(2)可以看出,通过调节光伏发出的有功功率和无功功率,能够调节并网点电压,抑制电压越限。

2 逆变器电压自适应调节控制方法

本文将无功功率控制与有功功率削减的调压方法相结合,当并网点电压发生越限时,逆变器自适应调节自身输出的有功功率和无功功率,使并网点电压回到安全阈值范围,实现光伏逆变器对电网的主动支撑。

2.1 无功功率控制策略

逆变器的可调无功容量与逆变器容量的关系如式(4)所示。

式中:Qpmvax为逆变器可调无功容量;Ppv为光伏输出的有功功率;S为逆变器的容量,约为额定光伏输出有功功率的1.1倍。由此可知,当光伏以额定有功功率输出时,逆变器的可调无功容量约为有功功率输出的46%。因此,可以充分利用逆变器的剩余容量输出无功功率来调节并网点电压。

本文采用的无功功率控制策略是基于光伏并网点电压的Q(U)下垂控制,无功功率-电压下垂控制曲线如图2所示。图2中,U1、U4为下垂控制的电压下限和上限,U2、U3为控制死区的下限和上限。根据电压幅值确定无功出力的分段函数,其表达式如式(5)所示。

图2 Q(U)控制策略的无功功率 电压下垂控制曲线

当U2＜Upcc＜U3时,逆变器不输出无功功率;当U1＜Upcc＜U2时,逆变器发出无功功率;当U3＜Upcc＜U4时,逆变器吸收无功功率;当Upcc＜U1或Upcc＞U4时,逆变器输出无功功率达容量限制。

2.2 有功功率控制策略

当光伏逆变器输出的无功功率达容量限制却仍无法将并网点电压降低至正常范围时,需要通过削减光伏输出的有功功率来降低并网点电压。

由于目前常用的光伏MPPT控制的方法是扰动观测法,为方便光伏MPPT模式和有功功率削减模式之间切换,本文采用基于扰动观测法的有功功率削减控制。

有功功率削减控制的流程如图3所示,当系统检测到并网点电压越上限时,使光伏输出电压Upv减去一个步长Ustep,即削减光伏输出有功功率,直至并网点电压恢复正常。

图3 有功功率 电压控制曲线

2.3 自适应电压调节策略

通过2.1节和2.2节的分析可知,利用无功功率-电压控制和有功功率削减控制,均可以调节并网点的电压。然而,仅通过无功功率调节,会出现无功功率达到容量限制,而并网点电压仍越限的情况;而仅通过有功功率削减控制,则会降低光伏的发电效率,不够经济。因此,本文结合了有功功率削减和无功电压控制2种方法,提出一种电压自适应调节的控制方法。

光伏逆变器有功/无功功率-电压控制曲线及自适应电压调节流程如图4、图5所示。首先采样当前光伏并网点电压,若U2＜Upcc＜U3,则光伏继续以MPPT模式运行;若U1＜Upcc＜U2时,逆变器根据式(5)计算无功功率指令,发出无功功率,光伏继续以MPPT模式发出最大有功功率;若U3＜Upcc＜U4时,逆变器根据式(5)吸收无功功率,光伏继续以MPPT模式发出最大有功功率;若Upcc＜U1或Upcc＞U4,逆变器输出无功功率达容量限制,则开始削减有功功率,直至并网点电压恢复正常。

图4 光伏逆变器有功/无功功率 电压控制曲线

图5 光伏逆变器自适应电压调节流程

整个调节过程无需上级指令和通信,通过监测并网点电压,自适应控制光伏逆变器输出的有功功率和无功功率即可,能够实现光伏逆变器对电网的主动支撑。

3 仿真验证

为了验证本文提出的方法的有效性,在MATLAB/Si mulink中建立如图6所示的光伏电源并网模型。

图6 光伏电源并网模型

GB/T 12325—2008《电能质量供电电压偏差》中规定,低压配电网三相供电系统允许的电压偏差应在±7%之间,为了提高安全裕度,本文设定电压偏差为±4%,基准电压为311 V,即电压正常范围如式(6)所示。具体参数如表1所示。

表1 仿真参数

给定初始光照强度为300 W/m2,0.8 s时增大到800 W/m2,1.2 s时增大到1 000 W/m2,最后2 s时恢复到300 W/m2。

逆变器不采用并网主动支撑控制时,光伏的有功功率以及并网点电压的变化如图7、图8所示。从图7、8可以看出,当光照强度增大到800 W/m2时电压开始越上限,若不采用相应的控制手段,电压则会始终处于越限状态,不利于电网的稳定运行。因此,需要采取一定措施抑制并网点过电压。

图7 光伏逆变器仅采用MPPT控制时光伏的有功功率

图8 光伏逆变器仅采用MPPT控制时光伏的并网点电压变化

采用本文所提出的光伏并网主动支撑调节的方法对逆变器进行控制,工作模态切换如图9所示。

图9 逆变器工作模态切换示意

光伏逆变器的有功功率、无功功率以及并网点电压的情况如图10-12所示。从图中可以看出,0～0.8 s光伏逆变器始终以MPPT模式运行,输出最大有功功率,不输出无功功率;在0.8～1.2 s,光伏逆变器仍输出最大有功功率,同时开始吸收6 k Var的无功功率来调节电压;在1.2～2 s,光伏逆变器输出的无功功率达6.65 k Var容量限制,有功功率由20.25 k W削减至16.73 k W,电压经过1.2 ms恢复至允许范围内;在2 s以后,光照强度恢复,光伏逆变器退出无功功率调压和有功功率削减模式。

图10 采用所提控制策略时光伏的有功功率

图11 采用所提控制策略时光伏的无功功率指令值

图12 采用所提控制策略时光伏逆变器并网点电压

综上所述,光伏逆变器并网点电压能快速调节至允许范围内且尽量保证光伏有功输出的最大化。上述仿真结果验证了本文提出的控制策略的有效性。该控制策略仅需检测并网点电压信息,通过控制逆变器输出的有功、无功功率来调节并网点电压。

4 结论

光伏电源接入配电网可能引起潮流的反向流动,严重时会造成光伏并网点电压越限,影响数字化主动配电网的安全与稳定。本文针对光伏并网造成的电压越限问题,分析了光伏逆变器并网特性、输出功率与并网点电压的关系,提出了一种电压自适应调节的光伏逆变器控制方法,并对调压方法进行研究与仿真验证。

与传统逆变器无功功率-电压控制的调压策略相比,本文提出的调压控制策略灵活性较高,可调节能力较强,具有更高的经济性。当并网点电压越限时,首先充分利用逆变器的可用容量,输出无功功率调节电压;当无功功率达容量限制时对有功功率进行削减,在保证电网稳定运行的前提下提高了光伏发电效率。本文提出的调压控制策略仅需检测本地并网点电压信息,通过控制逆变器输出的有功功率、无功功率来恢复并网点电压。该方案无需上级指令和通信就能实现光伏逆变器对数字化主动配电网的主动支撑,具有较好的可行性。