淺談光伏發電系統電壓升高調整原理及策略

摘要：近年來光伏發電逐漸受到廣泛的關注，光資源的波動性和間歇性特性使得準確評估其可靠性十分重要。本文主要對光伏發電系統基于有功功率和無功功率的電壓調整原理及調整策略進行了研究，提出了基于瞬時電壓—電流控制的動態電壓調整策略。

關鍵詞：光伏發電系統;原理分析;策略

引言

在能源形勢日益嚴峻的今天，光伏發電作為可再生能源的作用與應用前景正日益得到社會的普遍認同。目前，微電網、智能電網技術的提出，需要光伏發電設備及系統智能化、多功能化，由此，智能逆變器、多功能逆變器等概念越來越被接受，希望能夠通過光伏發電系統對電網安全穩定運行起到一定的支撐作用。光伏發電系統的先行者如德國、日本等國家，推出了新的光伏發電系統并網規范，允許光伏發電系統具有一定的靈活性和主動性，要求光伏并網系統支撐電網的安全可靠運行，特別是允許光伏發電系統可以調整其輸出的有功功率和無功功率，參與系統的電壓和頻率調整。中國也推出了新的光伏發電系統并網規范，允許并要求大中型光伏電站具有一定的有功功率與無功功率控制能力，參與電力系統局部電壓和頻率調整。

1 電壓升高原理分析

中國傳統電力系統配置中國傳統電力系統配置為由高壓到低壓的單向輸配電系統，不允許潮流逆流。通常高壓/中壓變壓器帶有自動調壓抽頭，可以實現帶載調壓;而中壓/低壓變壓器通常不帶有自動調壓抽頭，不具有帶載調壓能力。為了系統安全，電網運營商通常要求光伏發電系統通過隔離升壓變壓器接入低壓/中壓配電網實現并網運行。對接入中壓/低壓配電網的光伏發電系統，其戴維南等效電路如圖1所示。

圖1 光伏發電系統并網戴維南等效電路

圖1中：US為配電網母線電壓，通?？梢哉J為配電系統是一個無窮大系統，其電壓幅值基本恒定不變;Z=R+j X 為配電網線路阻抗，其中R 為電阻分量，X 為電抗分量;P 與Q 分別為配電母線向負載方向傳輸的有功功率與無功功率;U·PCC為PCC的電壓;PL與QL分別為PCC本地負載有功功率與無功功率;PG和QG分別為光伏發電系統向PCC輸送的有功功率和無功功率，QG為正表示光伏發電系統發出感性無功功率，為負表示發出容性（吸收感性）無功功率;QC表示PCC安裝的無功補償設備的無功功率，QC為正表示發出感性無功功率，為負表示發出容性無功功率。根據光伏發電系統并網戴維南等效電路，配電網向PCC方向傳輸的功率為：

由此，可以得到配電網母線電壓U·S與PCC電壓U·PCC之間的電壓差為：

式中：*表示取共軛。設UPCC為參考電壓，即U·PCC=UPCC∠0°，那么式（2）可以寫為：

式中：P=-PG+PL;Q=-QG-QC+QL。由于遠距離架空線線路阻抗電阻分量與電抗分

量相當，式（3）中虛部與實部相比很小，可以忽略，由此可以得到下式：

假定本地負載所需無功功率全部由電網提供，本地無功補償裝置的QC=0;并網逆變器通常工作于單位功率因數，即QG=0;通常情況下PCC本地負載容量相對于光伏發電系統容量較小，光伏發電系統輕載額定并網運行。則由式（4）可以看出，由于線路阻抗的存在，光伏發電系統向配電網輸送有功功率會引起PCC電壓的變化，當光伏發電系統造成PCC潮流逆流時，將導致PCC出現電壓升高并可能超過電壓規范要求，系統輕載時電壓升高問題尤為嚴[10]。

2電壓升高調整原理與策略分析

由第1節分析可知，大規模光伏發電系統并網后，有可能造成PCC電壓升高，因此必須要對PCC電壓升高進行限制。德國VDE-AR-4105標準規定，中壓并網光伏系統引起的PCC電壓升高不允許超過2%，低壓并網光伏系統引起的PCC電壓升高不允許超過3%（11）;GB 12325—2008《電能質量供電電壓允許偏差》也對不同電壓等級電壓偏差的限制作了明確規定：①35kV 及以上，正負電壓偏差絕對值之和不超過10%;②10kV及以下三相供電，電壓偏差在-7%～7%之間;③220V單相供電，電壓偏差在-10%～7%之間。

，電壓偏差在-10%～7%之間。

由式（4）可知，PCC電壓受電網電壓、輸電線路阻抗參數、線路傳輸有功功率及無功功率、本地負載功率以及光伏發電系統輸出功率的影響。針對光伏發電系統的大規模應用及自身特點，可以采用的電壓調整策略有：改善輸電線路阻抗參數、配置儲能裝置、控制光伏發電系統有功功率及無功功率輸出等，但改善輸電線路阻抗參數及加強電網投資建設需要的前期投資成本巨大，不經濟，配置儲能裝置這種方式符合光伏發電系統的發展需求，但前期投資較大，目前不能規?；瘧?。由于新電網規范允許光伏系統調節有功與無功功率，可行的方法就是控制光伏發電系統輸出的有功功率與無功功率，通過光伏發電系統有功功率限制策略與無功功率吸收策略對PCC電壓升高進行控制。由于功率控制的本質也是控制電流，因此文中直接采用電流控制代替功率控制。

2.1有功電流電壓調整原理與策略

光伏發電系統并網運行PCC電壓升高的直接導致原因是大容量的光伏發電系統并網輸入大量的有功功率，因此最直接的解決辦法就是限制或減少光伏發電系統輸出的有功功率，以保證輸出電壓在電壓偏差限制以內。有功電流電壓調整控制框圖如圖2所示。

圖2 有功電流電壓調整控制框圖

圖2中：i*d與i*q分別為兩相旋轉坐標系下的無功電流分量與有功電流分量參考值，id與iq分別為相應的光伏逆變器輸出電流，U*ref與Uamp分別為PCC電壓設定參考值及實際測量值，*comp為電壓調整補償電流，Uampe為電壓偏差?？梢钥闯?，采用雙二階通用積分器同步坐標系鎖相環實時檢測PCC電壓相位與幅值，電壓瞬時幅值與所設定的電壓參考幅值作比較，誤差經電壓PI調節器后得到電壓調整有功電流，與所設定的有功電流參考值疊加作為新的有功電流參考值對光伏逆變器進行控制，實現對PCC電壓的動態調整。

2.2IQ（U）無功電流電壓調整原理與策略

為了提高電壓調整精度與調整速度，本文提出了基于瞬時電壓幅值—無功電流的IQ（U）電壓控制方式，當PCC電壓升高時，可以使光伏發電系統工作于滯后功率因數，使其相當于電感特性，吸收一定容量的電網無功功率來調整PCC電壓。電壓升高與無功電流電壓調整相量圖如圖3所示。

圖3 電壓升高及電壓調整相量圖

由圖3（a）可看出，PCC 電壓升高前電壓為U ·PCC0，當光伏并網系統向PCC 輸送有功電I·G時，PCC電壓將升高為U· PCC;由圖3（b）可看出，當光伏并網逆變器吸收無功電流I·comp后，PCC電壓調整為U·PCC0。無功電流電壓調整系統控制框圖見圖4

圖4無功電流電壓調整控制框圖

由圖4可以看出，采用雙二階通用積分器同步坐標系鎖相環實時檢測PCC電壓相位與幅值，電壓瞬時幅值與所設定的電壓參考幅值作比較，誤差經電壓PI調節器后得到電壓調整無功補償電流，與所設定的無功電流參考值疊加作為新的無功電流參考值對逆變器進行控制，實現對PCC 電壓的動態調整。

3 結束語

從經濟性的角度考慮，有功電流電壓調整策略會影響發電容量，而無功電流電壓調整策略不僅不會影響發電容量，而且可實現電壓調整，提高了系統的利用率，為大規模光伏發電系統并網運行提供了技術支持。