光伏发电系统动态电压调整策略研究

光伏发电系统动态电压调整策略研究

0光伏发电系统随着大型输送设备的网络建设，发电能力占系统总容量的增加，对能源系统的影响日益明显。光伏发电系统(photovoltaicgenerationsystem,PVGS)通常都要通过电力电子接口———逆变器,经低压或中压配电网实现并网运行［１］。传统的电力系统输配电网设计为从发电单元到负荷的单向输配电系统,大规模光伏发电系统并网运行,有可能引起潮流逆流的问题,导致光伏发电系统公共连接点(pointofcommoncoupling,PCC)电压升高或过电压［２－３］。电压升高不仅影响当地负荷的供电质量,同时增大了线路和变压器等输配电设备损耗,造成系统过载,而且限制了PCC接入更多的光伏发电系统,影响光伏发电系统渗透率［４］。因此有必要对PCC电压进行控制。然而单纯依靠传统电力系统的电压调整方式,并不能完全有效、经济地解决PCC电压升高问题,需要借助于光伏发电系统本身来解决。目前,微电网、智能电网技术的提出,需要光伏发电设备及系统智能化、多功能化,由此,智能逆变器、多功能逆变器等概念越来越被接受,希望能够通过光伏发电系统对电网安全稳定运行起到一定的支撑作用［５－６］。光伏发电系统的先行者如德国、日本等国家,推出了新的光伏发电系统并网规范,允许光伏发电系统具有一定的灵活性和主动性,要求光伏并网系统支撑电网的安全可靠运行,特别是允许光伏发电系统可以调整其输出的有功功率和无功功率,参与系统的电压和频率调整［７］。中国也推出了新的光伏发电系统并网规范,允许并要求大中型光伏电站具有一定的有功功率与无功功率控制能力,参与电力系统局部电压和频率调整［８－９］。本文通过电力系统功率传输理论,分析了光伏发电系统并网引起的PCC电压升高原因,并分析了相应的电压调整原理及策略,针对光伏发电系统基于有功功率及无功功率的电压升高调整策略作了研究,提出了基于瞬时电压—电流的电压调整策略,并进行了实验验证。1配电网母线电压及ue309中国传统电力系统配置为由高压到低压的单向输配电系统,不允许潮流逆流。通常高压/中压变压器带有自动调压抽头,可以实现带载调压;而中压/低压变压器通常不带有自动调压抽头,不具有带载调压能力。为了系统安全,电网运营商通常要求光伏发电系统通过隔离升压变压器接入低压/中压配电网实现并网运行［１０］。对接入中压/低压配电网的光伏发电系统,其戴维南等效电路如图1所示。图1中:ue309Ｓ为配电网母线电压,通常可以认为配电系统是一个无穷大系统,其电压幅值基本恒定不变;Z=R+jX为配电网线路阻抗,其中R为电阻分量,X为电抗分量;P与Q分别为配电母线向负载方向传输的有功功率与无功功率;ue309ＰＣＣ为PCC的电压;PＬ与QＬ分别为PCC本地负载有功功率与无功功率;PＧ和QＧ分别为光伏发电系统向PCC输送的有功功率和无功功率,QＧ为正表示光伏发电系统发出感性无功功率,为负表示发出容性(吸收感性)无功功率;QＣ表示PCC安装的无功补偿设备的无功功率,QＣ为正表示发出感性无功功率,为负表示发出容性无功功率。根据光伏发电系统并网戴维南等效电路,配电网向PCC方向传输的功率为:由此,可以得到配电网母线电压ue309Ｓ与PCC电压ue309ＰＣＣ之间的电压差为:式中:*表示取共轭。设UＰＣＣ为参考电压,即ue309ＰＣＣ=UＰＣＣ∠0°,那么式(2)可以写为:式中:P=-PＧ+PＬ;Q=-QＧ-QＣ+QＬ。由于远距离架空线线路阻抗电阻分量与电抗分量相当,式(3)中虚部与实部相比很小,可以忽略,由此可以得到下式:假定本地负载所需无功功率全部由电网提供,本地无功补偿装置的QＣ=0;并网逆变器通常工作于单位功率因数,即QＧ=0;通常情况下PCC本地负载容量相对于光伏发电系统容量较小,光伏发电系统轻载额定并网运行。则由式(4)可以看出,由于线路阻抗的存在,光伏发电系统向配电网输送有功功率会引起PCC电压的变化,当光伏发电系统造成PCC潮流逆流时,将导致PCC出现电压升高并可能超过电压规范要求,系统轻载时电压升高问题尤为严重［１０］。2光伏发电系统电压调整策略由第1节分析可知,大规模光伏发电系统并网后,有可能造成PCC电压升高,因此必须要对PCC电压升高进行限制。德国VDE-AR-4105标准规定,中压并网光伏系统引起的PCC电压升高不允许超过2%,低压并网光伏系统引起的PCC电压升高不允许超过3%［１１］;GB12325—2008《电能质量供电电压允许偏差》也对不同电压等级电压偏差的限制作了明确规定［１２］:135kV及以上,正负电压偏差绝对值之和不超过10%;210kV及以下三相供电,电压偏差在-7%~7%之间;3220V单相供电,电压偏差在-10%~7%之间。由式(4)可知,PCC电压受电网电压、输电线路阻抗参数、线路传输有功功率及无功功率、本地负载功率以及光伏发电系统输出功率的影响。针对光伏发电系统的大规模应用及自身特点,可以采用的电压调整策略有:改善输电线路阻抗参数、配置储能装置、控制光伏发电系统有功功率及无功功率输出等,但改善输电线路阻抗参数及加强电网投资建设需要的前期投资成本巨大,不经济,配置储能装置这种方式符合光伏发电系统的发展需求,但前期投资较大,目前不能规模化应用［１３－１４］。由于新电网规范允许光伏系统调节有功与无功功率,可行的方法就是控制光伏发电系统输出的有功功率与无功功率,通过光伏发电系统有功功率限制策略与无功功率吸收策略对PCC电压升高进行控制。由于功率控制的本质也是控制电流,因此文中直接采用电流控制代替功率控制。光伏发电系统中所采用的三相电压源并网逆变器拓扑见图2。图中:Uｄｃ为光伏输入直流电压,Lｆ为滤波电感,Cｆ为滤波电容,Rｌｏａｄ为PCC本地负载电阻;iｘｌｏａｄ(x=a,b,c)为PCC负载电流;Uｘ(x=a,b,c)为逆变器三相输出电压,iｉu3000ｘ(x=a,b,c)为逆变器输出电感电流,iｘ(x=a,b,c)为逆变器输出LC滤波后电流,iox(x=a,b,c)为逆变器并网电流。2.1无功电流电压调整控制光伏发电系统并网运行PCC电压升高的直接导致原因是大容量的光伏发电系统并网输入大量的有功功率,因此最直接的解决办法就是限制或减少光伏发电系统输出的有功功率,以保证输出电压在电压偏差限制以内。有功电流电压调整控制框图如图3所示。图3中:i*d与i*q分别为两相旋转坐标系下的无功电流分量与有功电流分量参考值,id与iq分别为相应的光伏逆变器输出电流,U*ref与Uamp分别为PCC电压设定参考值及实际测量值,I*comp为电压调整补偿电流,Uampe为电压偏差。可以看出,采用双二阶通用积分器同步坐标系锁相环实时检测PCC电压相位与幅值,电压瞬时幅值与所设定的电压参考幅值作比较,误差经电压PI调节器后得到电压调整有功电流,与所设定的有功电流参考值叠加作为新的有功电流参考值对光伏逆变器进行控制,实现对PCC电压的动态调整。2.2无功电流电压调整为了提高电压调整精度与调整速度,本文提出了基于瞬时电压幅值—无功电流的IＱ(U)电压控制方式,当PCC电压升高时,可以使光伏发电系统工作于滞后功率因数,使其相当于电感特性,吸收一定容量的电网无功功率来调整PCC电压［１６］。电压升高与无功电流电压调整相量图如图4所示。由图4(a)可看出,PCC电压升高前电压为ue309PCC0,当光伏并网系统向PCC输送有功电流ue1edG时,PCC电压将升高为ue309PCC;由图4(b)可看出,当光伏并网逆变器吸收无功电流ue1edcomp后,PCC电压调整为ue309PCC0。无功电流电压调整系统控制框图见图5。由图5可以看出,采用双二阶通用积分器同步坐标系锁相环实时检测PCC电压相位与幅值,电压瞬时幅值与所设定的电压参考幅值作比较,误差经电压PI调节器后得到电压调整无功补偿电流,与所设定的无功电流参考值叠加作为新的无功电流参考值对逆变器进行控制,实现对PCC电压的动态调整。3光伏发电系统模型上一节对PCC电压调整原理与策略进行了分析,本节对提出的光伏发电系统并网逆变器瞬时电压幅值—电流控制的IＱ(U)电压调整策略进行了实验验证。设定并网逆变器额定运行,PCC接有本地负载,通过切除PCC本地负载,引起并网电流增加造成PCC电压升高来模拟由于大量光伏发电系统并网引起的PCC电压升高问题。搭建了3kW实验平台,系统主电路及控制电路参数如下:Uｄｃ=120V,光伏发电系统PCC电压三相均为50V,规定为PCC电压上限;光伏发电系统额定输出电流IＧ为8A;等效线路电阻R为1Ω,等效线路电感L为3mH;逆变器滤波电感Lｆ为5mH,滤波电容Cｆ为9.4μF;负载电阻Rｌｏａｄ为7Ω;电压PI控制器比例参数kｐｖ与积分参数kｉｖ分别为0.1和20;电流PI控制器比例参数kｐｉ与积分参数kｉｉ分别为1和20。系统中断子程序控制流程如图6所示。图7是光伏发电系统并网逆变器稳态运行时的波形。可以看出,PCC电压幅值为50V,电压偏差Uａｍｐｅ为0,系统以单位功率因数运行,输出额定电流为8A,PCC负载电流为7A,并网电流很小。当PCC本地负载切除后,PCC电压升高的暂态波形如图8所示,其中iｃｏｍｐ为补偿电流。可以看出,当PCC负载突然切除后,光伏发电系统并网电流增大,线路阻抗压降随之增大,由于大电网可以看作一个无限大系统,其电压相对恒定,由戴维南等效电路可知,PCC电压为电网电压与线路阻抗压降之和,这将导致PCC电压升高。3.1pcc动态响应当采用有功电流限制的方式对PCC电压进行控制时,实验暂态与稳态波形如图9所示。由图9(a)可以看出,当PCC本地负载切除瞬间PCC电压升高,由于电压调整器的作用,PCC电压很快得到控制,可以看出控制系统具有很快的动态响应;图9(b)为其电压调整方式稳态波形,可以看出系统达到稳态时,系统输出有功电流减小,电压偏差为零,系统以单位功率因数运行。3.2无功电流电压调整后光伏发电系统工作原理图10是当采用光伏发电系统并网逆变器无功电流吸收方式对PCC电压进行调整时的暂态与稳态实验波形。由图可以看出,PCC本地负载切除瞬间,逆变器通过吸收无功功率对PCC电压进行调整,电压偏差为零。但系统不再工作于单位功率因数,而是工作于滞后功率因数。通过对比图9与图10可以看出,有功电流电压调整具有比无功电流电压调整更快的动态响应;有功电流电压调整后光伏发电系统仍然工作在单位功率因数,而无功电流电压调整后光伏发电系统工作于滞后功率因数;在电压控制精度方面,有功电流电压控制策略和无功电流电压控制策略都具有良好的稳态精度;从经济性的角度,无功电流电压调整策略比有功电流电压调整策略具有更好的经济效益。4流控制的电压调整策略验证光伏发电系统并网有