基于改进下垂的光伏发电并网自适应控制策略

郭伟栋

（中国长江三峡集团股份有限公司山西分公司，山西 太原 030000）

光伏发电并网是指将光伏发电系统接入电网，从而为当地电力用户供电的一种方式[1]。在并网过程中，需要考虑光伏发电系统的特性，如输出功率的不稳定性、电源位置的分布[2]以及大量分布式电源会导致电网电压不稳，发生越限现象等，会影响电网的整体稳定性[3]。为有效解决上述问题，确保光伏并网后电压稳定，本文提出基于改进下垂的光伏并网自适应控制策略，通过下垂控制保证光伏并网后电压稳定。

1 光伏发电并网自适应控制策略

1.1 光伏发电并网结构

光伏并网指的是将大量光伏阵列接入大电网中，光伏发电并网结构如图1所示。

光伏发电并网结构包括3个部分，分别为直流电网、交流电网以及大电网。其中，直流电网和交流电网中均接入大量光伏阵列，并通过双向AC/DC整流器和大电网相连接。在并网模式下，上级配电网直接控制交流母线频率，双向AC/DC整流器的主要作用是控制直流电网的功率和电压，保证功率平衡和电压稳定[4]。但是在实际应用过程中，如果光伏并网后光伏出力不稳定，会发生功率突变等扰动，对并网后的交直流电网的影响较大[5]。

1.2 光伏并网暂态过电压的形成机理

光伏并网会导致送端电网发生暂态过电压现象，该现象对电网的整体运行稳定性有较大影响[6]，因此，为实现光伏并网的自适应控制，需要精准掌握暂态过电压的形成机理。电压的变化情况主要受无功功率的流向和变化影响，光伏并网后整流站的无功功率流向情况如图2所示。

图2 光伏并网后整流站的无功功率流向

根据图2可知，整流站包括滤波器和调相机，光伏并网后送端电网电能经由整流站整流后，再通过直流输电母线传送至受端电网。此时整流站的无功功率Qd如公式（1）所示。

式中：Qph为送端电网和光伏发电输出；Qc为滤波器和调相机输出。Qph和Qc均表示无功功率总和。

整流站侧直流电网侧的无功功率用Qd表示，如公式（2）所示。

式中：Pd为有功功率，对应直流外送系统的母线；μ、α分别为换流器的换向角和触发角。

直流外送系统发生异常后，整流站直流电网侧的无功功率Q'dc会快速降低。同时结合公式（1）可知，无功功率快速降低时，其总和也相应降低。并且无功补偿装置和滤波器响应均存在一定延，从而导致大量的无功功率流向整流站交流母线处。这些无功功率无法被消耗，此时直流电网侧发生不同程度的负载，光伏电源饱和，送端电网发生暂态过电压现象[7]。

1.3 光伏并网自适应控制策略

1.3.1 自适应分段下垂控制策略原理

为实现光伏并网自适应控制，本文根据暂态过电压的形成机理，采用下垂控制策略进行光伏侧整流器交流母线输出功率控制，以此降低无功功率对电压的影响，避免发生暂态过电压现象。由于下垂控制系数会影响控制结果，因此在控制过程中采用非线性函数对下垂控制的下垂系数进行优化，形成改进的自适应分段下垂控制策略。

改进的自适应分段下垂控制策略的主要目的是使光伏侧整流器控制交流母线电压，该控制策略是以给定电压参考值、标况下功率参考值和功率最大值为基础，结合光伏出力次数，获取光伏侧实时输出功率Poi和最大输出功率Pmax，从而判断直流电网侧的负载程度。然后通过下垂系数整定器确定下垂系数，保证光伏侧整流器和相应的下垂特性曲线相匹配。在此基础上，利用电流电压的双闭环控制输出完成控制的电压值。

1.3.2 自适应分段下垂控制实现

进行自适应分段下垂控制时，需要先判断直流电网侧的负载程度，设给定的电压参考值为Poierf，标况下功率参考值为功率最大值为表示，结合光伏出力次数计算光伏侧实时输出功率Poi和最大输出功率Pmax。如果并网后每个光伏出力系数存在差异，为解决功率分配过程中的光伏电源饱和现象，根据光伏的出力系数调整下垂系数和输出功率参考值，以此确保光伏电源能够可靠地判定负载程度。

由于温度、光照强度会影响光伏电源出力，因此在光伏出力系数发生变化的情况下，输出功率参考值也随之变化，如公式（3）所示。

式中：ξi为减载运行比例常数。

为实现功率合理分配，本文以3个光伏电源并网为例，如果其额定容量与标况下的输出功率参考值一致，就需要保证每个并网光伏侧的整流器输出功率参考值和下垂系数满足公式（4）。

式中：Ki表示光伏侧整流器的下垂系数，i=1，2，3。

结合上述分析可知，光伏出力系数发生变化后，光伏侧整流器的输出功率最大值、参考值以及下垂次数也随之发生变化，此时下垂系数如公式（5）所示。

式中：Uoimax、Uoimin以及Uoiref分别表示输入直流母线的电压最大值、最小值以及参考值；表示标况下光伏电源的最大输出功率。

基于上述内容获取分段下垂控制特性曲线，如图3所示。

图3 分段下垂控制特性曲线

图3中，Ki1和Ki2分别表示轻载和重载条件下的下垂系数；Ai表示额定工作点；ΔU表示输入直流母线的电压Uoi和Uoiref间的差值；ΔP表示Poi和间的差值。如果ΔU保持不变，|ΔP|会随着Ki的试验而降低，由此可知，下垂系数Ki值越小，对于电压的稳定性控制效果越佳，功率分配的效果越好。在轻载和重载两种条件下进行对应下垂系数的设定，令其满足光伏并网后电力系统在不同运行状态下的控制需求。因此，也可理解为下垂系数对于ΔU和ΔP间的关系具有直接影响；光伏并网后，电力系统在轻载和重载状态下进行切换时会引发下垂系数突变，从而直接增加电压偏移和功率表偏移比例。

1.3.3 下垂系数优化

为保证光伏并网自适应控制效果，采用非线性函数优化下垂控制的系数，避免下垂系数突变，保证其平稳过渡。优化后形成改进自适应分段下垂控制策略，如公式（6）所示。

根据公式（6）的计算结果即可获取改进自适应分段下垂控制后的光伏并网后电力系统的电压输出结果，以此实现光伏发电并网的自适应控制。

2 试验结果分析

为验证本文策略在光伏发电并网自适应控制中的应用效果，采用MATLAB/Simu-linnk软件构建光伏发电并网的仿真模型并进行对应测试。该光伏发电接入送端系统的接入数量为3，容量分别为4×100MW、4×105MW和4×110MW，整流站中共设置6台调相机。光伏发电并网仿真模型的相关参数见表1。

表1 光伏发电并网的仿真模型相关参数

为验证本文策略在光伏发电并网自适应控制中的应用效果，以光伏整流器输出的无功功率输出结果为例，获取本文策略控制前、后的无功功率变化情况，测试结果如图4所示。

图4 控制前后的无功功率变化情况

分析图4测试结果可知，采用本文策略进行光伏发电并网自适应控制后，光伏整流器能够更快地完成控制策略响应，调节效果更好，可在最大程度上发挥光伏整流器的无功调节能力，协助实现光伏发电并网时的暂态过电压控制。

为进一步验证本文策略对光伏发电并网自适应控制的效果，获取本文策略控制前、后的送端母线电压变化结果，如图5所示。

图5 控制前、后送端母线电压的变化结果

分析图5测试结果可知，采用本文策略进行光伏发电并网控制前，送端母线电压的峰值为1.38p.u.，并且暂态电压波动较明显；采用本文策略对其进行控制后，送端母线电压的峰值仅为1.15p.u.，并且暂态电压的波动幅度变小。因此，本文策略能够实现光伏发电并网的有效控制，并保证电压稳定。

3 结论

为保证光伏发电并网后电力系统的稳定运行，避免发生暂态电压越限现象，本文基于改进下垂的光伏发电并网自适应控制策略，并对该策略的应用效果进行相关测试。测试结果显示，该策略具有较好的应用效果，可调节光伏整流器的无功功率，以此实现暂态电压控制，提升电网稳定性，确保光伏发电并网后能够安全运行。