電網友好型分布式光伏發電系統

付天宇

（山東建筑大學，山東 濟南 250101）

0 引 言

近年來，我國社會經濟快速發展，全國能源消費結構的合理性受到越來越多的關注。當前，廣泛應用的傳統能源大多屬于不可再生資源，且燃燒利用過程中往往伴隨有氣體、煙塵微粒的排放。為響應黨提出建設可持續發展社會的構想，我國正在建設一批大規模集中式光伏發電站。但是，僅靠集中式光伏發電站并不能使太陽能的利用率達到最大。我國光照資源最豐富的地區在農村，我國也正在農村積極推行分布式太陽能光伏發電系統。分布式光伏發電系統具有對電網供電依賴小、線路損耗少、運行靈活、適當條件下可以進行脫網、獨立運行等優點。但是，在廣饒縣實地調研中發現，分布式光伏發電系統還存在配電網中逆向潮流增加線路額外損耗、農村電網系統薄弱、大容量的光伏介入后功率因數難控制等問題[1]。而傳統的電力系統已經無法解決這些問題，因為傳統的微電網不具備反饋調節與調度功能，加上區域內光照時間與強度具有一致性，所以在微電網內會造成潮流逆流問題，導致光伏發電系統公共連接點電壓升高或過電壓，進而引起輸配電設備損耗和系統過載。此外，現有的光伏發電系統沒有辦法實現一種智能化的調控功能，同時沒有設備可以同時實現對下級光伏發電系統指令傳遞和對上級電網的及時信息反饋。

受現在的科技水平和設備條件掣肘，當光伏發電系統大規模并網運行時，將導致光伏發電系統公共連接點電壓升高或過電壓，引發潮流逆流現象。由于傳統的電網系統是從發電設備到用電設備的單向供配電系統，所以只能使設備停止發電并脫網來避免問題。本文主要提出基于有功與無功功率的電壓調整原理，對光伏發電系統采用基于瞬時電壓幅值——無功電流的IQ(U)電壓調整策略，通過反饋調節電網的動態特性，搭建電網友好型分布式光伏發電系統，以解決光伏發電并入微電網存在潮流逆流的問題。為了更好地說明研究成果，下面將從原理和組成兩大方面，系統闡述電網友好型分布式光伏發電系統。

1 電網友好型分布式光伏發電系統原理

影響公共連接點電壓高低的因素包括電網電壓、輸電線路有功和無功功率、線路阻抗、發電系統輸出功率等。這些因素的作用，使得電路在大量光伏發電系統并網后出現公共連接點（PCC）電壓升高問題。因此，必須要從這些因素入手，整改電網。

1.1 電壓升高調整原理與策略分析

現有科技條件下，針對公共控制點電壓某時間出現過高的問題，理論上的處理方法包括配備電網儲能、建設相稱阻抗值電網系統、控制光伏發電體系功率因數等。但是，電網儲能設備雖然可以很大程度上減少了電能流失，但其經濟費用、儲能設施要求高，難以得到大規模應用；而建設相應阻抗值輸電線路所需的工作量更大，經濟投資量更高，同樣不適用現有發電系統環境。我國電網系統允許光伏發電體系的有功和無功功率調節，所以光伏發電體系用戶可以通過控制光伏發電系統功率因數控制PCC電壓[2]。

1.2 有功電流電壓調整原理與策略

光伏發電體系并網運行PCC電壓的升高，會導致光伏發電體系輸入大量的有功功率。因此，最簡單的處理方法是限制或減少光伏發電體系輸出的有功功率，以確保輸出電壓在允許的電壓偏差幅度中。

1.3 無功電流電壓調整原理與策略

為了提升調節電壓的精度和速度，采用基于瞬時電壓幅值—無功電流的IQ(U)電壓調整策略。當PCC電壓升高時，光伏發電系統工作時功率因數處于滯后狀態，使其發揮出電感的作用，削弱電網的一部分無功功率來調節PCC電壓[3]。

2 電網友好型分布式光伏發電系統組成

電網友好型分布式光伏發電系統由電網友好型遙測設備和智能逆變器組成。

2.1 電網友好型遙測設備

電網友好型遙測設備由數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊三大部分組成。遙測設備具有遠程收集逆變器電壓數值、對電路運行情況做出應答、傳送功率調控指令的能力。

2.1.1 數據采集模塊

該部分通過CS5460芯片和傳感器采集原始信號，并采用互感器與變送器相配合的方式，將所需信號傳送到數據采集端，進而將電信號轉變為數字信號傳遞給數據處理模塊。需要采集的信號包括智能逆變器的輸出電壓、電流，遙測設備電路節點的輸出電壓、電流。在電力系統中，選擇互感器測量交流電壓和電流。互感器的選擇要根據監測點的電壓等級合理選擇，并要求其一次側額定工作電壓等級與實際電網電壓等級相匹配。該設備選用中壓互感器測量遙測設備節點處的輸出電壓、電流即可。電壓互感器的副邊接WBV系列霍爾電壓變送器，電流互感器的副邊接WBI系列霍爾電流變送器[4]。這兩種型號的變送器都能輸出標準信號，能夠滿足測量范圍和絕緣要求。

2.1.2 數據處理模塊

該部分將數據采集模塊采集的數據傳送到本模塊內部的工業控制計算機，進而對逆變器的電壓、電流與遙測設備處節點的輸出電壓、電流進行分析處理。在工業控制計算機上有信號監測系統軟件，可以采集信號分析計算和存儲管理，并在工業控制計算機上進行系統綜合評估運算，同時向智能逆變器下達指令。

當逆變器的電壓與遙測設備處節點的輸出電壓相差幅度在-10%～4%時，給智能逆變器下達滿功率發電指令。當逆變器的電壓超過遙測設備處節點的輸出電壓6%時，給智能逆變器下達減少無功功率指令。如果無功功率為零后仍超出安全范圍，再下達減少有功功率的指令。當微電網某處電路處于維修或故障時，給智能逆變器下達停止發電并脫網的指令。

2.1.3 無線通信模塊

通信模塊中，利用PTR8000芯片實現數據接收和發送功能。數據經A/D轉換后，將數據處理模塊的指令準確傳到智能逆變器的工業控制計算機，利用工業控制計算機中的程序對逆變器的輸出功率進行調控。在芯片配置模式下,采用模式控制，即在SPI接口上實現數據轉移，并通過檢測DR此時的輸出狀態，判斷數據和發射情況[5]。

通信模塊是電網友好型遙測設備連接智能逆變器的必要部分。它通過PTR8000芯片來完成對逆變器的指令傳遞。

2.2 智能逆變器

智能逆變器由監測模塊、無線通信模塊、信息執行模塊三大部分組成。智能逆變器直接作用于光伏發電系統，具有監測微電網參數、上傳電路數據、接收遙測控制設備并執行其指令的能力。

2.2.1 監測模塊

監測模塊需要測量光伏發電并網系統輸電線路接入處的電壓、電流。監測模塊配置有電能計量芯片CS5460，具有測量電流、電壓、功率等實時電路參數的功能，并將采集的參數信息整合為數字信號并發送給通信模塊部分

2.2.2 信息執行模塊

信息執行模塊主要為工業控制計算機，內部構造為計算機和輸入輸出通道兩大部分，并擁有計算機CPU、硬盤、內存、外設、接口以及實時操作系統等，以完成相應的計算特征。工業控制計算機接到通信模塊傳回的遙測設備數字信號后，準確輸出一系列控制命令。隨后，控制計算機通過邏輯控制電路驅動逆變器改變并聯電容值，從而適當調整電路的有功與無功功率，并將信息通過通信模塊反饋給遙測設備[6]。

2.2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用PTR8000芯片，原理與功能同電網友好型遙測設備中的無線通信模塊。無線通信模塊是整個系統的設備連接部分。該系統通過無線數據終端完成對整個系統的信號傳遞，并將來自電網友好型遙測設備發出的信息傳輸至智能逆變器的信息執行模塊，同時將信息執行模塊產生的信息上傳或反饋給電網友好型遙測設備[7]。

3 結 論

分布式光伏發電并網系統作為一種低成本、靈活的發電方式，具有良好的發展前景。本文以調控有功與無功功率的輸出為基礎，以監控微電網系統反饋調節為核心，針對出現的光伏發電并入微電網存在潮流逆流現象提出解決方案，并設計出電網友好型分布式光伏發電系統，進一步提高微電網系統的穩定性。此外，此方案也適用于分布式風力發電并網系統等類似的發電方式；也可以以此解決方案為基礎，調控更高一級和范圍更大的電網。

參考文獻：

[1] 李英姿.太陽能光伏并網發電系統設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2] 羅 多，班廣生.光伏建筑設計與實踐[M].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[3] 車孝軒.太陽能光伏發電及智能系統[M].武昌：武漢大學出版社，2013.

[4] 張家澄，肖立業.電力系統短路試驗用實時數據采集和控制系統的研制[J].測控技術，2002，21（3）：7-9.

[5] 張作宇，王景燕，李燕青.光伏發電的現狀和展望[J].科技信息，2010，2（17）：352.

[6] 王常貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[7] 張 興，曹仁賢.太陽能光伏并網發電及其逆變控制[M].北京：機械工業出版社，2010.