新能源配網發電功率自適應控制策略研究

王 珣,董寒宇,沈 瑋

(1.浙江泰侖電力集團有限責任公司,浙江 湖州 313000;2.國網湖州供電公司,浙江 湖州 313000)

0 引言

近年來,光伏新能源并網作為成熟的發電技術,被廣泛應用于電力系統建設[1]。但電力系統所處環境復雜,需要通過控制配網發電功率來預防事故發生。因此,光伏新能源并網接入的配網發電功率控制策略研究一直是我國研究人員關注的重點。目前,我國光伏新能源并網產業主要集中在電氣化光伏產品的研發階段[2],而國外的光伏新能源并網產業已發展并具備完整的產業鏈。

楊佳濤等[3]利用變換器實現光伏新能源并網-配網的最大功率分配,采用通信與閉環控制器,完成各功率的自動調控。但該方法沒有考慮有功功率與無功功率的環境。劉賀等[4]提出在滿足電源系統負載的前提下,利用帆板能量作為動態調節工作模塊的中樞,以提高光伏新能源并網的功率跟蹤能力。但該方法沒有尋找出配網的最大功率。顏晨煜等[5]針對光伏新能源并網的多個場景,結合配網的限制要求,利用閾值補償算法調節需求功率。但該方法沒有考慮并網中正、負電流的分布影響。上述方法在控制過程中均存在輸出功率波動較大的問題。

為了解決上述方法存在的問題,本文提出光伏新能源并網接入的配網發電功率自適應控制策略。

1 配網無功規劃與最大功率點搜索

1.1 無功規劃

本文根據光伏新能源并網的有功功率與無功功率之間的輸出特點,完成配網的無功規劃,為配網發電功率的自適應控制奠定基礎。

①光伏新能源并網的輸出功率分為有功功率與無功功率。其中,有功功率與光伏組件受到的太陽光照強度成正比關系,所以有功功率具有間歇性與時序性[6]。光伏新能源并網的輸出具備一定的等效利用率。無功功率為:

(1)

式中:R為無功功率;t為時刻;Tmax為理想功率;Q為有功功率。

②本文根據某光伏電站發電數據統計,得到出力概率分布情況[7]。出力概率分布情況如表1所示。

表1 出力概率分布情況

在光伏新能源并網的正常運行中,無功功率出力具有較高的置信概率,可根據無功功率計算配網的有功損耗ΔQloss。

(2)

③配網的無功規劃是在滿足光伏新能源并網節點電壓無功出力無限大的條件下,將無功補償點作為確定補償容量,使配網達到有功損耗最小化的狀態。

④配網無功規劃中的分量由狀態分量與控制分量構成。本文將光伏新能源并網中的節點電壓視為狀態分量,則調整的電壓為控制分量。兩者之間的不等式約束關系[8]為:

Rmin≤Rj≤Rmax,j=1,2,…,m

(3)

式中:Rj為補償點j的無功功率;m為補償點總數量。

1.2 搜索最大功率點

在完成配網的無功規劃后,光伏新能源并網接入的配網發電功率自適應控制策略采用二次插值法搜索配網的最大功率點。具體步驟如下。

①光伏新能源并網中存在固定的光伏陣列[9]。其在特定光照與溫度下的總功率為:

(4)

式中:U為開路電壓值;I為飽和電流;S為總電阻;p為電子電荷;β為引入的玻爾茲曼常數,β≠0。

②配網發電功率自適應控制策略在光伏陣列總功率的功率-電壓(power-voltage,P-V)特性曲線中,隨機插入三個樣本點[10]后利用二次插值算法,得出三個樣本點對應的函數表達式。

(5)

式中:n為樣本點的順序;k為函數表達式;a為插入的樣本點。

③根據樣本點與其對應的函數表達式,計算出二次插值算法的插值多項式k2,以及光伏陣列對應的二次函數k2(a)[11]。

(6)

式中:x、y、z均為二次函數的一般系數。

④在光伏新能源并網的P-V曲線擬合過程中[12],需要將三個樣本點代入式(6),以得到二次函數的一般系數x、y、z的解,并求出擬合曲線的最大值Pmax。Pmax即光伏新能源并網接入的配網最大功率點。

(7)

2 自適應控制

光伏新能源并網接入的配網發電功率自適應控制策略將變換器-漸波器結合,以實時跟蹤最大功率點。具體步驟如下。

①通過調節并網變換器的功率標準值,實現配網的最大功率跟蹤。通過功率變換器得到的并網調制電流標準值I0為:

(8)

式中:P0為功率標準值;PL為變換器額定功率;IL為變換器額定電流;r為特定的電壓抗模值。

②電流標準值與高壓漸波器的固定電流比較后得到反饋控制量,以達到電流對其標準值的實時跟蹤。為了抑制漸波器終端電壓波動給功率控制過程帶來的干擾,本文引入前饋控制量。本文將前饋控制量與反饋控制量相結合,得到升壓漸波器比值。

(9)

式中:e0、e′、e分別為反饋控制量、前饋控制量與漸波器;U0、U′分別為標準電壓值與實際電壓值。

③當配網電壓不平衡時,光伏新能源并網的Q與R的構成為:

(10)

式中:M、N分別為電流的正、負分量。

(11)

(12)

式中:σ為單位電流因數。

(13)

⑦將平均有功功率與最大功率點相比較。當配網處于正常狀態下,即并網的平均有功功率小于最大功率時,變換器-漸波器結合的自適應控制策略將多余的電能存儲在并網中;當并網的平均有功功率大于最大功率時,存儲的電能被釋放出,為配網提供功率支撐,以實現光伏新能源并網接入的配網發電功率自適應控制。

3 試驗與分析

為了驗證光伏新能源并網接入的配網發電功率自適應控制策略的整體有效性,需要對其進行以下測試。

本文將控制前與控制后的電流響應、跟蹤誤差、輸出功率作為指標,驗證所提方法的自適應控制效果。本文在Matlab-Simulink環境中構建發電系統模型。發電系統模型如圖1所示。

圖1 發電系統模型

①電流響應。

電流響應曲線如圖2所示。

圖2 電流響應曲線

由圖2可知,在發電功率自適應控制前,光伏新能源并網的電流波動幅度明顯,而自適應控制后的電流波動較小。在相同的頻段下,自適應控制后的電流可以實現對電流期望值的有效跟蹤,且沒有發生相位延遲情況。

②跟蹤誤差。

跟蹤誤差指發電系統中的電流實際值與期望值之間的差距。本文對控制前與控制后的跟蹤誤差結果進行統計。電流跟蹤誤差如表2所示。

表2 電流跟蹤誤差

由表2可知,控制前的跟蹤誤差值最大可達24.8 A,并且不同試驗序號下的誤差波動較大,說明電流抖動現象嚴重;而自適應控制后的電流跟蹤誤差值小于1 A,并且抖動現象得到了較好的抑制。

③輸出功率。

輸出功率曲線如圖3所示。

圖3 輸出功率曲線

由圖3可知,控制前的電流抖動與相位延遲現象導致發電系統瞬時輸出功率波動明顯,不利于系統的穩定。而自適應控制后的系統輸出功率更平滑、波動更小。

④平均輸出功率。

平均輸出功率曲線如圖4所示。

圖4 平均輸出功率曲線

由圖4可知,控制后的發電系統平均輸出功率比控制前增加了180 W左右,并且波浪的捕獲效果更佳。

4 結論

經測試發現,目前光伏新能源并網接入的配網發電功率存在電流響應不平滑、電流跟蹤誤差大的問題。為此,本文提出光伏新能源并網接入的配網發電功率自適應控制策略。該策略首先制定配網的無功規劃,然后尋找出其中的功率最大點,最后采用變換器-漸波器結合的自適應控制策略完成發電功率的控制。該策略在提高電流響應平滑度的同時,降低了電流跟蹤誤差、減緩了輸出功率與平均輸出功率的波動。