基于电力电子变压器的跨台区光伏消纳策略

宋金璠，郭新峰，秦佳琼

（南阳理工学院数理学院，河南南阳，473004）

0 引言

在大规模光伏接入传统低压配电网出现的种种“不适”情况下，引入直流配电技术建立交直流混合配电系统是解决问题的最佳方法。从2011年起，美国北卡罗来纳大学提出FREEDM型交直流混合配电系统开始，电力电子变压器便出现在各种电网潮流控制模型中。基于电力电子变压器可通过高压直流电压实施多端口功率控制的特点[1]，此类型电网已成为具备信息物流系统特征的成熟人工受控系统，两者是相互相成的关系。在此背景下，结合我国国情特点，如何让大规模的分布式光伏在跨越台区中达到高效、充分消纳目的是重点研究核心[2]。

1 电力电子变压器的理论基础和实际应用

电力电子变压器在实质上是一种高频新型电力电子设备，除了拥有与传统工频交流变压器相同的电压等级交换和电气隔离功能，还拥有超过传统工频交流变压器的可再生能源设备及其储能设备的直接流入功能、故障隔离功能、智能通讯功能等[3]。

它与光伏的关系是相辅相成的，电力电子变压器的交直流配电网可促进分布式光伏就地消纳，同时通过对结构内各个端口进行功率输入或输出的控制和调整，克服了原来光伏接入低配电网的潮流反转和电压升高等困难，是跨台区光伏消纳策略的核心理论基础。

1.1 光伏产业发展的特征和过程

光伏产业主要是把太阳能源转化成电能后应用在电源输送的技术。结合我国的实际国情，拥有相当优越的地理位置和光照条件，致使我国五分之四的国土内的光照十分充足，光源资源分布得当。利用太阳能源往往可以通过转换产生电流或者直接发电，后者就是光伏发电的由来和过程[4]。

光伏发电的特点明显，一是充足和持久，只要有太阳便有光能可转化为电能；二是利用成本低和开采方法简单，只需少量人员维护开采，相对水能、风能的设备操作更有优势；三是无污染和安全度高，是目前新型可再生能源中最清洁环保的能源。

基于上述特点，我国光伏发展速度飞快，不仅得到国家六大政策的扶持，甚至颁布了“国六条”的具体指导方案，甚至于2010年6月我国便颁布了首轮太阳能光热发电特许招标项目，使光伏发电在一直以化石燃料发电为主的能源发电市场中打响了特别的头一炮，成为新能源市场中不可或缺的热门角色。

1.2 太阳能发电中的实际工程应用

太阳能发电技术中可以分为太阳能热发电和太阳能光伏发电。第一种是需要发电设备把太阳能转换成热能才能进行发电，第二种是发电设备直接可把太阳能转换成电能。

要论世界上最早把太阳能发电运用在工程中的例子，应该就是18世纪70年代巴黎第一个通过太阳能热能交换的小型蒸汽机，当时引起了全世界的热烈关注。从此以后，人们对太阳能发电技术的发展近乎痴狂。在上个世纪80-90年代间，世界各地纷纷建造了各式各样的太阳能热发电试验电站数十个；在近些年，更是出现了中国山西大同熊猫电站、美国佛罗里达的迪士尼太阳农场、西班牙普朗特太阳能发电厂（PS20、PS10）、美国内华达州托诺帕新月沙丘太阳能项目、韩国春川电站等巨型太阳能发电站。

在这些发电站的基础上，太阳能发电便可充分利用到通信工程、机电工程等各种工程中。比如，在通信工程中主要把转换好的电能以电磁形式进行保存释放，建设电能传输通道，提高蓄电池功率；在机电工程中需要结合工程所在环境因素，对日照情况、温度变化等都有一定的要求，确保太阳能发电的实际运用与工程需求相符合。正因为太阳能发电技术有所发展提升，各行各业都不同程度地依赖着太阳能发电设备，经济效益也随之得到了一定提升。

2 电力电子变压器模型的建立

2.1 模型基础

为了解决分布式光伏收纳问题，电力电子变压器采取的是多端口的拓扑结构。将此结构接入电网中，交直流配电网便由此形成。电力电子变压器的交直流端口同时连接着光伏能源和电网负荷，控制着两边的功率调配。而每个电力电子变压器、配电系统交直流负荷、分布式光伏可形成一个独立的台区，当各台区通过各端口实现互联后[5]，最终便可形成多台区的拓扑结构。

台区之间是互相配合却又相互独立的关系，当大规模的分布式光伏功率从各台区的互联端口输入后便可根据实际情况互联，能源低的台区可让能源高的台区帮忙输送多余的光伏电量，能源高的台区光伏消纳充分达到能源不浪费的目的。所有台区彼此之间不排斥，基本上不影响互联配电网的整体运作。可以说，这种光伏功率输送模式是具有针对性、需求性的特征，达到按需分配的目的，真正利用跨台区的方式解决了光伏消纳从前的难题。

2.2 模型数据分析

按照上述分析情况，首先建立单个基础物理台区的模型。根据原理，单个台区至少需要3个端口才能形成交直流配电网，分别是台区的直流端口和交流端口，以及电力电子变压器的互联端口。

把公式左右数据调转替换，公式最终变形如下：

根据公式，我们可知当Pi>0时，台区i内的光伏功率有盈余剩余；当Pi<0时，台区i内的光伏功率短缺。

由此类推，设n为电网中台区的数量，那么n个台区的互联模型可从上述公式变形如下：

3 跨台区光伏消纳算法设计与实现

3.1 跨台区光伏消纳算法设计

跨台区光伏消纳算法简单来说就是消除和纳入两个模式。在基于电力电子变压器的交直流配电网中，消除指的是在互联的所有台区中光伏功率高且有盈余的部分可转移到别的台区里，即盈余的光伏功率被消除了；而纳入指的是在互联的所有台区中光伏功率低且短缺的部分可吸纳别的台区转移过来的盈余部分，即短缺的光伏功率部分由吸纳盈余解决了。

但对于互联的所有台区来说，直流配电网内的总电压没有任何改变，台区的整体和个体之间互不干涉却又同为一体[6]。该算法其实是通过跨越台区重新按照实际情况分配电压功率，达到光伏功率的资源最优化。

3.2 跨台区光伏消纳策略实现

在传统模式中，直流输电系统的直流电压在其状态稳定下，一般会把传统下垂控制用于电力电子变压器的互联端口。假设Udc为互联台的高压直流侧电压；Udcref为互联台区高压直流侧电压的额定值；Pout为互联台区功率，正数值；K为下垂特性系数[7]，那么传统下垂控制的P-V特性曲线为：

在此基础上，为了达到台区之间光伏功率可按照实际需求跨越流动，传统下垂控制的方法需要进行改进，根据互联台区的运行状态分成两种情况区别分析：

当互联台区的运行状态处于输出功率状态，即Pout>0，可引入传输因子ΔP和补偿因子ε，P -V特性曲线可以改写为：

公式表明当电力电子变压器直交流确模式下该台区的功率盈余，可增加补偿因子ε和补偿因子ε进行误差调节，从而达到自动调节下垂曲线的效果，最终实现了盈余光伏功率的输出。

当互联台区的运行状态处于吸收功率状态，即Pout<0，可引入接受台区本地不平衡因子β，设Pn为台区互联端口的额定容量，P-V 特性曲线可以改写为：

公式表明，当处在同一直流电压下，台区内吸收光伏功率可按不平衡功率比例合理分配，实现短缺光伏功率的吸纳。

4 结论与展望

综上所述，基于电力电子变压器的交直流配电网中分布式光伏在于多台区互联的情况下，可以大规模地在单个台区接入分布式光伏，而不影响整体互联台区。互联台区之间彼此既是一个整体却又是相互独立的个体；当其运行状态处于输出或者吸收功率状态时，可引入传输因子或不平衡因子，实现跨越台区间光伏功率进行对盈余功率的消除和纳入，达到多台区内资源共享，稳定整体电压，是新型再生能源的一个新尝试。