基于電力電子變壓器的跨臺區光伏消納策略

宋金璠，郭新峰，秦佳瓊

（南陽理工學院數理學院，河南南陽，473004）

0 引言

在大規模光伏接入傳統低壓配電網出現的種種“不適”情況下，引入直流配電技術建立交直流混合配電系統是解決問題的最佳方法。從2011年起，美國北卡羅來納大學提出FREEDM型交直流混合配電系統開始，電力電子變壓器便出現在各種電網潮流控制模型中。基于電力電子變壓器可通過高壓直流電壓實施多端口功率控制的特點[1]，此類型電網已成為具備信息物流系統特征的成熟人工受控系統，兩者是相互相成的關系。在此背景下，結合我國國情特點，如何讓大規模的分布式光伏在跨越臺區中達到高效、充分消納目的是重點研究核心[2]。

1 電力電子變壓器的理論基礎和實際應用

電力電子變壓器在實質上是一種高頻新型電力電子設備，除了擁有與傳統工頻交流變壓器相同的電壓等級交換和電氣隔離功能，還擁有超過傳統工頻交流變壓器的可再生能源設備及其儲能設備的直接流入功能、故障隔離功能、智能通訊功能等[3]。

它與光伏的關系是相輔相成的，電力電子變壓器的交直流配電網可促進分布式光伏就地消納，同時通過對結構內各個端口進行功率輸入或輸出的控制和調整，克服了原來光伏接入低配電網的潮流反轉和電壓升高等困難，是跨臺區光伏消納策略的核心理論基礎。

1.1 光伏產業發展的特征和過程

光伏產業主要是把太陽能源轉化成電能后應用在電源輸送的技術。結合我國的實際國情，擁有相當優越的地理位置和光照條件，致使我國五分之四的國土內的光照十分充足，光源資源分布得當。利用太陽能源往往可以通過轉換產生電流或者直接發電，后者就是光伏發電的由來和過程[4]。

光伏發電的特點明顯，一是充足和持久，只要有太陽便有光能可轉化為電能；二是利用成本低和開采方法簡單，只需少量人員維護開采，相對水能、風能的設備操作更有優勢；三是無污染和安全度高，是目前新型可再生能源中最清潔環保的能源。

基于上述特點，我國光伏發展速度飛快，不僅得到國家六大政策的扶持，甚至頒布了“國六條”的具體指導方案，甚至于2010年6月我國便頒布了首輪太陽能光熱發電特許招標項目，使光伏發電在一直以化石燃料發電為主的能源發電市場中打響了特別的頭一炮，成為新能源市場中不可或缺的熱門角色。

1.2 太陽能發電中的實際工程應用

太陽能發電技術中可以分為太陽能熱發電和太陽能光伏發電。第一種是需要發電設備把太陽能轉換成熱能才能進行發電，第二種是發電設備直接可把太陽能轉換成電能。

要論世界上最早把太陽能發電運用在工程中的例子，應該就是18世紀70年代巴黎第一個通過太陽能熱能交換的小型蒸汽機，當時引起了全世界的熱烈關注。從此以后，人們對太陽能發電技術的發展近乎癡狂。在上個世紀80-90年代間，世界各地紛紛建造了各式各樣的太陽能熱發電試驗電站數十個；在近些年，更是出現了中國山西大同熊貓電站、美國佛羅里達的迪士尼太陽農場、西班牙普朗特太陽能發電廠（PS20、PS10）、美國內華達州托諾帕新月沙丘太陽能項目、韓國春川電站等巨型太陽能發電站。

在這些發電站的基礎上，太陽能發電便可充分利用到通信工程、機電工程等各種工程中。比如，在通信工程中主要把轉換好的電能以電磁形式進行保存釋放，建設電能傳輸通道，提高蓄電池功率；在機電工程中需要結合工程所在環境因素，對日照情況、溫度變化等都有一定的要求，確保太陽能發電的實際運用與工程需求相符合。正因為太陽能發電技術有所發展提升，各行各業都不同程度地依賴著太陽能發電設備，經濟效益也隨之得到了一定提升。

2 電力電子變壓器模型的建立

2.1 模型基礎

為了解決分布式光伏收納問題，電力電子變壓器采取的是多端口的拓撲結構。將此結構接入電網中，交直流配電網便由此形成。電力電子變壓器的交直流端口同時連接著光伏能源和電網負荷，控制著兩邊的功率調配。而每個電力電子變壓器、配電系統交直流負荷、分布式光伏可形成一個獨立的臺區，當各臺區通過各端口實現互聯后[5]，最終便可形成多臺區的拓撲結構。

臺區之間是互相配合卻又相互獨立的關系，當大規模的分布式光伏功率從各臺區的互聯端口輸入后便可根據實際情況互聯，能源低的臺區可讓能源高的臺區幫忙輸送多余的光伏電量，能源高的臺區光伏消納充分達到能源不浪費的目的。所有臺區彼此之間不排斥，基本上不影響互聯配電網的整體運作。可以說，這種光伏功率輸送模式是具有針對性、需求性的特征，達到按需分配的目的，真正利用跨臺區的方式解決了光伏消納從前的難題。

2.2 模型數據分析

按照上述分析情況，首先建立單個基礎物理臺區的模型。根據原理，單個臺區至少需要3個端口才能形成交直流配電網，分別是臺區的直流端口和交流端口，以及電力電子變壓器的互聯端口。

把公式左右數據調轉替換，公式最終變形如下：

根據公式，我們可知當Pi>0時，臺區i內的光伏功率有盈余剩余；當Pi<0時，臺區i內的光伏功率短缺。

由此類推，設n為電網中臺區的數量，那么n個臺區的互聯模型可從上述公式變形如下：

3 跨臺區光伏消納算法設計與實現

3.1 跨臺區光伏消納算法設計

跨臺區光伏消納算法簡單來說就是消除和納入兩個模式。在基于電力電子變壓器的交直流配電網中，消除指的是在互聯的所有臺區中光伏功率高且有盈余的部分可轉移到別的臺區里，即盈余的光伏功率被消除了；而納入指的是在互聯的所有臺區中光伏功率低且短缺的部分可吸納別的臺區轉移過來的盈余部分，即短缺的光伏功率部分由吸納盈余解決了。

但對于互聯的所有臺區來說，直流配電網內的總電壓沒有任何改變，臺區的整體和個體之間互不干涉卻又同為一體[6]。該算法其實是通過跨越臺區重新按照實際情況分配電壓功率，達到光伏功率的資源最優化。

3.2 跨臺區光伏消納策略實現

在傳統模式中，直流輸電系統的直流電壓在其狀態穩定下，一般會把傳統下垂控制用于電力電子變壓器的互聯端口。假設Udc為互聯臺的高壓直流側電壓；Udcref為互聯臺區高壓直流側電壓的額定值；Pout為互聯臺區功率，正數值；K為下垂特性系數[7]，那么傳統下垂控制的P-V特性曲線為：

在此基礎上，為了達到臺區之間光伏功率可按照實際需求跨越流動，傳統下垂控制的方法需要進行改進，根據互聯臺區的運行狀態分成兩種情況區別分析：

當互聯臺區的運行狀態處于輸出功率狀態，即Pout>0，可引入傳輸因子ΔP和補償因子ε，P -V特性曲線可以改寫為：

公式表明當電力電子變壓器直交流確模式下該臺區的功率盈余，可增加補償因子ε和補償因子ε進行誤差調節，從而達到自動調節下垂曲線的效果，最終實現了盈余光伏功率的輸出。

當互聯臺區的運行狀態處于吸收功率狀態，即Pout<0，可引入接受臺區本地不平衡因子β，設Pn為臺區互聯端口的額定容量，P-V 特性曲線可以改寫為：

公式表明，當處在同一直流電壓下，臺區內吸收光伏功率可按不平衡功率比例合理分配，實現短缺光伏功率的吸納。

4 結論與展望

綜上所述，基于電力電子變壓器的交直流配電網中分布式光伏在于多臺區互聯的情況下，可以大規模地在單個臺區接入分布式光伏，而不影響整體互聯臺區。互聯臺區之間彼此既是一個整體卻又是相互獨立的個體；當其運行狀態處于輸出或者吸收功率狀態時，可引入傳輸因子或不平衡因子，實現跨越臺區間光伏功率進行對盈余功率的消除和納入，達到多臺區內資源共享，穩定整體電壓，是新型再生能源的一個新嘗試。