農村光伏發電系統的控制模式研究

邱 實，王國英，金 賡，馬玉峰

（國網錦州供電公司，遼寧 錦州 121001）

農村光伏發電系統的控制模式研究

邱 實，王國英，金 賡，馬玉峰

（國網錦州供電公司，遼寧 錦州 121001）

通過對農村用電特點及農村配電系統存在的問題進行分析，給出了適合于農村配電系統的3種光伏發電系統控制模式。最大功率跟蹤模式可緩解農村電網供電能力薄弱狀況，電壓調節模式可改善農村電網電壓偏低問題，無功補償模式可降低農村電網電能損耗。

光伏發電系統；農村配電系統；電能質量；電能損耗

我國農村用電不同于城鎮居民用電，與一般工業用電也不同，具有其自身特點。一般來講，可以分為居民生活用電、農副產品加工和農業排灌用電等，其晝夜、氣候、季節等用電變化較大，且不均衡。隨著經濟發展和農村居民生活水平日益提高，家用電器不斷增加，其用電量日益增多。在這種情況下，網絡供電能力愈顯不足，電壓水平偏低，電能損耗嚴重，盡管進行多次改造，當前的電力設備仍然無法滿足居民不斷攀升的用電需求。

隨著新能源的不斷開發應用，風力發電、太陽能發電、地熱發電等新能源發電方式逐漸進入農村，我國太陽能資源較為豐富，尤其是農村地區有著十分遼闊的太陽能光照面積，為光伏發電系統在農村地區的應用提供了便利條件，光伏發電系統接入農村配電網將是未來農村配電系統的發展方向，同時能帶動廣大農村地區的經濟發展［1］。

本文在深入分析我國農村配電系統的供電特點基礎上，指出當前存在的主要問題，利用光伏發電系統控制靈活的特點，給出了農村光伏發電系統3種控制模式，對解決農村電網的問題進行有益探索。

1 農村配電系統存在的主要問題

1.1 供電能力比較薄弱

農村地廣人稀，用電負荷比較分散，直接導致配電網覆蓋面積較大，又考慮到設備利用率，所以變電站較少，造成配線距離較長，農村10 kV線路供電半徑超過15km是非常常見的，且導線截面過小，線路老化，嚴重影響農村地區的電能供應。我國農村配電線路大多建設于農網改造時期，由于當時技術與經濟條件的制約，線路選型標準較低（很多地區為單相供電），導致部分農村線路經過長期過載運行，老化嚴重。隨著用電負荷增加，供電區域面積不斷外擴，但原有變壓器位置大多沒有改變，致使電力變壓器遠離負荷中心［2］；我國的農網改造工程盡管在一定程度上提高了農村配電系統的供電能力，但仍然無法滿足日益增長的負荷需求和越來越高的電壓質量要求。

1.2 電能質量較差

由于配電線路和設備等技術原因，造成電壓質量較差，低電壓現象時有發生。電力負荷分散、線路長、線徑小，這些因素直接導致線路電壓損失增加，使得用戶的電壓水平偏低；變壓器的供電范圍大，造成負荷距離變壓器的距離有遠有近，變壓器的電壓調整無法滿足不同距離的負荷需求；隨著電冰箱、空調等大量單相用電設備的普及應用，農村單相用電負荷急劇增加，三相負荷的不平衡引起三相電壓的不平衡，重負荷相的電壓損失較大，低壓電網三相負荷嚴重不平衡，最終導致客戶端電壓質量下降［3－4］；變壓器布置不合理問題也導致三相負荷的嚴重不平衡；無功補償裝置建設嚴重滯后，普遍存在無功補償容量不足或不合理等問題，直接影響用戶的電壓質量。

1.3 電能損耗較大

線路與變壓器的電能損耗與其流過電流的平方成正比，與其電阻成正比。農村供電系統電能損耗大的原因主要有：當三相負荷平衡時，系統的損耗最小，大量單相負荷的接入，直接導致三相系統不平衡；地廣人稀，負荷分散，導致電力線路較長，變壓器供電距離較遠；無功補償不足和不合理投切，使大量無功功率在線路中流動等。以上諸多因素直接導致農村地區的電能損耗較大。

2 農村光伏發電系統的控制模式

本文將農村光伏發電系統的控制模式分為最大功率跟蹤模式、電壓調節模式和無功補償模式3種，其中最大功率跟蹤模式屬于有功控制模式，電壓調節模式和無功補償模式屬于無功控制模式。

2.1 最大功率跟蹤模式

有功最大功率跟蹤模式指光伏發電系統以跟蹤光伏電池的最大輸出功率為目的的工作模式，此時逆變器按照最大功率輸出進行控制，輸出功率的利用效率實現最大化［5－6］。該模式的光伏發電系統可采用擾動觀察法進行最大功率點跟蹤，進而控制能量轉換裝置實現電能轉換。太陽能光伏電池在外界條件不變情況下的I－U特性曲線如圖1所示。圖1中Pm為光伏電池的最大功率點，通過控制光伏電池的電壓及輸出電流，使其工作在該點處，即可實現光伏電池的最大功率輸出。

目前，對于實現最大功率跟蹤，應用最廣泛的方法是擾動觀察法。該方法根據其自適應性的閉環控制原理，通過調整功率開關來控制光伏電池的輸出電壓，使輸出功率達到最大。擾動觀察法實現最大功率跟蹤的流程如圖2所示。

2.2 電壓調節模式

圖1 光伏電池的I－U特性曲線

圖2 擾動觀察法流程

對并網光伏發電系統并網點電壓和當前時刻的無功功率檢測，可以通過無功功率對配電網上的電壓進行調節，實現電壓—無功功率的下垂控制［7］。

根據電網電壓和無功功率的特性曲線，得到V－Q特性方程如下：

式中：Vref為標準參考電壓，V；V為逆變器輸出電壓，V；Kq為V－Q下垂特性系數；Qref為無功功率參考值，kvar。

通過對光伏發電系統并網電壓和并網電流的檢測，可以同時實現電網頻率和瞬時功率的采樣，有功—無功解耦的2個控制參量設定值均由V－Q特性方程求得。

2.3 無功補償模式

無功補償是保證系統經濟運行的一種有效手段，是降低網絡損耗，提高電力系統電能質量的重要措施之一。在傳統的農村電網無功補償中，主要是以電力電容器作為無功補償設備。隨著光伏并網發電技術的發展及應用，使其具有一定的無功輸出和調控能力。農村電力網無功補償宜就近設立無功電源供給用戶以補償無功負荷，以減少農村電力網輸送的無功功率。光伏發電系統采用恒功率因數閉環控制系統，實現無功補償控制模式。根據配電網實際無功情況，實現分相檢測三相功率因數，控制光伏發電系統的無功輸出，為配電系統提供適當的無功功率，滿足電網對無功功率的需求，提高系統的功率因數，有效降低網絡損耗，改善電能質量，提高系統運行經濟性。

3 控制模式應用

3.1 有功控制模式

光伏發電系統可作為有功電源，其最大功率跟蹤模式能最大限度地從光伏電池吸取太陽能進行發電，為用戶就近提供有功電能，減輕電網供電負擔，緩解我國農村電網供電能力薄弱的問題。因此，最大功率跟蹤模式應該成為農村光伏發電系統的唯一有功控制模式。

3.2 無功控制模式

合理調整電力系統的無功分布，可以改善系統的電能質量。當電網的電壓水平較低時，需要無功支撐以提高電力系統的電壓，當電壓水平較高時，需要減少系統的無功電源。而光伏發電系統電壓調節模式的下垂特性與電力系統的無功電壓需求相一致，可以合理調節系統運行電壓，有效解決農村電網電壓水平偏低的問題。因此，當系統電壓偏低時，農村光伏發電系統的無功控制模式應采用具有無功電壓下垂特性的電壓調節模式，以維持系統電壓水平，改善電能質量。

當系統電壓水平適當時，合理進行無功補償，減少無功功率的流動，減小線路中流過的電流，可以有效減少網絡損耗。因此，當配電系統電壓滿足需求時，農村光伏發電系統的無功控制模式應采用無功補償模式，實現無功的合理配置，提高功率因數，降低網絡損耗。

4 結束語

通過對農村負荷特點及農村配電系統現狀分析，給出3種適合農村配電系統的光伏發電系統的控制模式。農村光伏發電系統有功控制應采用最大功率跟蹤模式，以提高光伏電源利用率；當系統電壓偏低時，無功控制模式應采用具有無功電壓下垂特性的電壓調節模式，以維持系統電壓水平，改善電能質量；當系統電壓滿足要求時，無功控制模式應采用無功補償模式，以降低網絡損耗。

［1］張燕妮.淺談光伏發電的方案設計［J］.東北電力技術，2014，35（2）：34－36.

［2］尚志高.農村居民用電負荷分析與預測［J］.河南電力，2015，42（2）：12－15.

［3］杜 宏.關于農村新能源微電網建設的研究［J］.電氣技術，2015，16（12）：115－118.

［4］侯樹文，孔衛星，賈利嶺，等.基于光伏發電的農村電網末端電壓支撐技術結構［J］.華北水利水電學院學報，2010，31（6）：98－100.

［5］趙 璐，張立穎，李天立，等.光伏并網發電系統逆變器的研究［J］.東北電力技術，2014，35（12）：20－23.

［6］李 媛，彭方正.Z源／準Z源逆變器在光伏并網系統中的電容電壓恒壓控制策略［J］.電工技術學報，2011，26（5）：62－69.

［7］呂 川.單相雙模式逆變器控制及其切換方法研究［D］.武漢：武漢科技大學，2015.

Study on Control Models of Rural Photovoltaic Power Generation System

QIU Shi，WANG Guoying，JIN Geng，MA Yufeng
（State Grid Jinzhou Power Electric Supply Company，Jinzhou，Liaoning 121001，China）

This paper analyzes the characteristics of rural electricity consumption and problems existing in rural power distribution sys?tem.Three control models of photovoltaic system which is fit for rural power distribution system are given.MPPT model can alleviate the weak power supply capacity.Voltage regulation model can improve low voltage.Reactive compensation model can reduce the power loss.

photovoltaic system；rural power distribution system；power quality；power loss

TM615

A

1004－7913（2016）12－0044－03

邱 實（1978），男，學士，變電專業技師，主要研究方向為電力系統設備維護、光伏發電。

2016－09－17）