光伏發電系統并網點電壓升高調整研究

王宏彬

五家渠愛康電力開發有限公司，新疆 昌吉 831100

0 引言

隨著經濟的發展和生活水平的提高，人們對電力供應的需求逐漸增加，在環境污染問題持續惡化的背景下，必須加大對光伏發電系統的研究力度。在我國光伏發電系統規模持續擴大的背景下，我國面臨的能源威脅有所緩解，但實際運行過程中仍存在問題。為了解決光伏發電系統并網點電壓上升的問題，需要進行適當調整[1]。

當光伏發電系統接入電網時，電網容量會逐漸增加，這對電力系統的要求較高[2]。在電力系統中，現階段常用的轉換接口是變頻器。PCC為大型光伏電站并網系統結構，在并網型光伏電站中，匯集線路依次連接光伏陣列、逆變器、升壓變壓器至并網點（POI），再經送出線路連接至PCC。并網后電壓測量點可選擇POI或PCC。PCC可看作工業可編程模塊，類似PLC，PCC電壓可看作電網電壓。當依靠傳統的功率控制模式控制PCC電壓時，存在電壓上升的問題。對此，應當聯系當前的實際需要，根據光伏發電系統的特點，優化光伏發電系統，促進光伏發電系統的發展和普及[3]。

1 研究背景

1.1 光伏發電概述

太陽能可以通過光伏發電系統轉換為電能，光伏發電系統比其他傳統發電系統更安全可靠。只要有太陽能存在，就可以發電，因此得到了廣泛使用。太陽能是平臺、島嶼和其他偏遠地區的發電解決方案[4]。

1.1.1 光伏發電的應用

光伏發電已逐漸應用于高科技產業，如太陽能衛星和太陽能汽車。與此同時，科學家也利用太陽能建造房屋等。太陽能是高科技和新技術的代名詞，是人們生活中不可或缺的一部分，光伏發電技術也是一種很有前途的新能源發電技術。

1.1.2 光伏發電系統并網

長期以來，中國電力系統的結構一直采用單向配電和高低壓輸電的方式，不允許出現過流的問題[5]。因此，配電系統中的高壓插頭配有自動電壓控制軸頭，可以調節負載電壓，并將高壓插頭的輸出端連接到電網的輸出端。

為了保證輸電系統的安全運行，輸電系統的大多數導線連接到隔離升壓變壓器，以實現輸電系統的并網運行。

通常假設配電網是一個具有恒定電壓幅值的無限系統，假設所需的所有無效功率均由電網提供，本地無效功為0，且連接到電網的逆變器的單位功率為0，則本地負載容量必須小于光伏系統的容量。由于輸電線路存在電阻，通過光伏發電系統的垂直配電網傳輸的電能大小可以用PCC電壓表示[6]。

1.2 研究意義

供電質量是人們生活質量的保證。光伏發電系統作為電源領域的新興系統，因其污染小、使用壽命長而得到廣泛應用。其中，分散式光伏發電系統通常接入中低壓電網。大規模使用分散光伏發電系統意味著配電網從一個輻射源切換到多個電網，電流從變壓器母線流向負載方向。這影響了配電網和原調壓裝置的調壓效果，現有的調壓設備達不到想要的效果，不能滿足現階段對電網安全運行的要求[7]。如果光伏發電系統導致PCC產生逆流，電壓會發生變化，則當前系統處于輕負載時會出現高電壓問題。電壓升高不僅影響供電質量，還會導致輸電網變壓器等設備的損耗以及光伏發電系統的整體磁導率受影響。因此，有必要采取有效措施解決光伏發電系統和電網的電壓升高問題[8]。

21世紀對能源的要求更高。傳統的火力發電不僅生產能力低，而且使環境惡化。為了追求經濟發展和環境保護，太陽能已經成為解決能源短缺問題的關鍵，光伏發電技術是我國迫切需要的新技術。光伏發電系統中并網點的電壓升高是光伏發電系統中的常見問題，為了更好地發揮光伏發電系統在電源中的作用，需要通過研究解決這一問題[9]。

2 光伏發電并網系統的特點

光伏發電模塊通過串聯和并聯形成光伏發電系統，產生的直流電電壓可以滿足正常運行的要求。

直流逆變器可以將光伏發電系統產生的直流電轉換為交流電，將光伏發電系統產生的電能供給電力系統[10]。

光伏發電并網系統具有能量轉換效率高、結構簡單、功率轉換連接少等優點。但是這種并網系統也有不足，其對直流逆變器要求很高，需要直流逆變器實現對最大功率和并網功能的追蹤，其控制策略復雜，很難實現[11]。

2.1 電流的變化導致并網點電壓變化

如果系統過載，光伏輸出功率大于當地負載消耗的功率，光伏電源的有功功率和無功功率將處于過載狀態[12]。由于線路阻抗的存在，并網點的電壓會增加，并可能超過特定電壓偏差的上限。

通過限制光伏電源的有功功率和無功功率，可以抑制并網點電壓升高[13]。

2.2 受氣候的影響

受氣候條件的影響，光伏發電變化迅速。

因為電網電壓并聯，在電網短路或容量不足的情況下，光伏輸出的有功功率會有很大的變化。在光伏輸出的有功功率和網絡阻抗角變化相同的情況下，網絡阻抗角較大，并網點的短路容量較大，電壓變化較小；當光伏輸出的功率發生變化，且負電荷強度保持不變時，并網點處的電壓變化值會發生變化，當負載與光伏運行發生碰撞時，節點電壓波動更嚴重。

在多云天氣及天氣發生變化時，光伏發電系統會發生巨大變化，容易出現電壓問題，強烈的電壓下降會影響系統的穩定性。

2.3 逆變器的運行特點

大容量逆變器主要用于向電網注入額定功率，如果實際有功功率低于逆變器的額定循環功率，在逆變器注入功率的過程中，剩余功率將無法滿足功率注入需求。研究光伏發電的高壓現象可知，如果逆變器不能很好地解決高壓問題，電網的經濟效益會出現嚴重波動。在逆變器的正常運行中，其控制電網電壓的能力受到變壓器和線路容量兩個因素的限制。

3 光伏發電系統并網點電壓升高調整方法

3.1 應用變壓器

從電壓范圍來看，大型光伏發電系統接入電網后的電壓越來越高，有必要適當地控制電壓。需要在響應速度不可調的情況下，依靠變壓器穩定電能等電壓控制方法高速、準確地穩定電路電壓。

我國傳統的電力系統是單向的高壓-低壓輸配電系統，由高壓輸配電至低壓，不允許逆流情況的發生。高中壓變壓器一般有自動調壓閥，而中低壓變壓器可調節負荷電壓，一般不設自動調壓閥，以保證電廠安全。

通常，電網運營商需要通過隔離升壓變壓器，將光伏發電系統連接到低壓和中壓配電網中，這樣才可以確保電網的正常運行；或者，可以將光伏發電系統連接到電介質輸出低壓配電網的等效連接電路中。

3.2 改進傳輸電路阻抗

PCC電壓受電源電壓、輸出線阻抗、傳輸線路功率等因素的限制，可以采用改進傳輸電路阻抗的方法控制光伏發電系統中的有功功率和無功功率。

除此之外，還應當使用儲能裝置。在建設新的輸電網絡時，要確保光伏發電系統可以在有用功和無用功之間進行切換，改善輸電線路的阻抗，既可以加強輸電線路的功能，又經濟實惠；使用儲能裝置可以滿足光伏發電系統的需要，但由于初始投資大，無法大規模應用。

3.3 使用負載調壓器和電容器

在分布式光伏發電系統接入配電網之前，傳統配電網主要利用負載調壓器和電容器進行電壓調節。負載調壓器和電容器可以將網絡中各節點的電壓控制在一定范圍內。

當配電網連接多臺分布式光伏發電機時，并網點的電壓會升高，并且可能超過電壓上限，使電網處于危險的環境。電網的電流雙向流動，電網的模糊功率分布不規則。在此情況下，可以測量本地信息，然后根據本地測量的信息進行操作，通過調節器調節現有電壓，使電網電壓不超過上限或下限。

3.4 使用光伏逆變器

為了使連接的多個光伏發電系統的電源電壓保持在一定范圍內，通常使用光伏逆變器調節電源電壓。光伏逆變器的無功功率主要受光伏逆變器的效率和額定功率的影響。當光伏逆變器以單位功率因數接入電網時，其最大無功功率增加，光伏逆變器的輸出功率也會大于本地負載的功率。如果電網連接點處的電壓超過一定值，不僅會影響配電網的安全性和可靠性，還會導致光伏逆變器因電網短路而產生過電壓，限制電網的連接容量。

4 光伏發電系統并網點電壓調整策略

4.1 有用功電流電源調整策略

如果采用有用功電流電源調整策略，有必要先了解瞬態和穩態波形。在運行過程中，如果PCC部分出現的情況為負分離，PCC可以在短時間內增加電壓。電壓調節器必須同時控制PCC的電壓狀態和提高PCC的控制力，雖然要求較高，但是可以更有效地控制系統的動態變化。電壓控制模式為恒波形穩定動作模式，隨著時間的推移，輸出功率逐漸降低，總電壓偏差回到零，使系統相關性能參數在合理范圍內。

4.2 無用功電流電源調整策略

當逆變器不能吸收能量時，PCC的本地負載被中斷。如果出現電壓指數為零的情況，會導致系統無法正常運行，并且體現為單位功率因數落后于總功率因數。在使用無用功電流電源調整策略時，應當設定PCC的電壓狀態，并在設定過程中顯示暫態穩定波形。

4.3 自動投切電容器調整策略

為了降低電網線路吸收的無功功率，需要實現無功功率的局部均衡，可將電容器并聯到并聯站進行無功補償，電路電容器采用無效功率控制的模式。無功功率計可以測量流經變壓器二次側的無功功率，如果流經變壓器的無效功率的時間超過單個電容器組的組開關設置的延遲時間，控制器需要通過觸發內部定義的事件參數來切換所需要的電容器。

5 結束語

太陽能已成為我國主要能源，而光伏發電系統并網點電壓的調整問題是太陽能產業發展的障礙。當光伏發電系統接入電網時，電網容量會逐漸增加，這對電力系統的要求較高。依靠傳統的功率控制模式控制PCC電壓時，存在電壓上升的問題。

對此，應聯系根據光伏發電系統的特點，優化光伏發電系統。在光伏發電系統中，PCC推力是光伏發電系統的關鍵元件。研究人員應該基于能量轉移理論分析影響PCC電壓上升的因素，提出瞬時電壓和動態電壓的綜合調節策略。同時，需要從經濟角度分析有功電流和無效電流的調節能力，促進太陽能產業的快速發展。