程海軍， 魯寶春， 劉 飛， 姜丕杰， 孫麗穎

(遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧錦州121001)

基于UPFC的光伏發(fā)電系統(tǒng)主動并網(wǎng)研究

程海軍， 魯寶春， 劉 飛， 姜丕杰， 孫麗穎

(遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧錦州121001)

針對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足和升級改造的不經(jīng)濟(jì)性，提出基于UPFC的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主動并網(wǎng)方法。利用UPFC的綜合控制功能，主動調(diào)節(jié)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)參數(shù)，實現(xiàn)快速、平滑并網(wǎng)。給出了并網(wǎng)控制器模型和并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)。仿真分析表明了該方法的正確性和有效性。

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)；主動并網(wǎng)；統(tǒng)一潮流控制器；仿真分析

近年來，隨著化石能源的枯竭和環(huán)境污染的日益加重，光伏發(fā)電作為清潔的可再生能源得到快速發(fā)展，正處于大規(guī)模應(yīng)用階段。國家能源局發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中明確提出：到2015年，我國將建成30個以智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和儲能技術(shù)為支撐的新能源微電網(wǎng)示范工程[1]，國內(nèi)光伏裝機(jī)容量將達(dá)15 GW[2]。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計及控制成為研究熱點[3-4]。光伏發(fā)電系統(tǒng)并入大電網(wǎng)，縮短并網(wǎng)時刻瞬態(tài)，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)平滑同步是首要考慮的問題，即在并網(wǎng)合閘前，光伏系統(tǒng)母線電壓和大電網(wǎng)母線電壓的幅值、相角和頻率盡量一致。IEEE Std 1547.4-2011給出三類并網(wǎng)方法：停機(jī)轉(zhuǎn)換、被動同步和主動同步[5]。停機(jī)轉(zhuǎn)換方法比較簡單，但會導(dǎo)致負(fù)載短時停電。被動同步方法并網(wǎng)時間較長，對系統(tǒng)沖擊較大。主動同步方法通過控制策略主動調(diào)節(jié)光伏系統(tǒng)電壓跟蹤大電網(wǎng)電壓，因此能快速平滑地實現(xiàn)同步。目前，微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)的提出，都希望能夠通過光伏發(fā)電系統(tǒng)對整個電網(wǎng)穩(wěn)定運行起到一定的支撐作用。在國外，如日本、德國等國家，出臺了光伏發(fā)電系統(tǒng)新的并網(wǎng)規(guī)范，要求光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)能夠支撐大電網(wǎng)的安全運行，允許光伏系統(tǒng)參與電網(wǎng)的電壓、頻率調(diào)整，允許其調(diào)整輸出有功和無功功率[6]。在國內(nèi)，國網(wǎng)公司也推出了新的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)范，允許光伏發(fā)電系統(tǒng)具有一定的功率控制能力，來參與電網(wǎng)局部的電壓、頻率調(diào)整[7]。

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量供應(yīng)形式單一，靈活性差，可靠性低，如果出現(xiàn)線路故障或者光照不足等情況，負(fù)荷的正常供電將無法滿足，這就制約了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。在此背景下，如果獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠具備在自身發(fā)電量充足的情況下并網(wǎng)，在發(fā)電量不足時從大電網(wǎng)吸收電能，實現(xiàn)能量雙向傳輸，將大大提高其應(yīng)用的靈活性。如果通過系統(tǒng)改造，如加裝光伏并網(wǎng)逆變器，必然要對整個光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使得各部分能夠匹配，這樣會嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)性。如果存在一種能實現(xiàn)“即插即用”并網(wǎng)功能的控制器，將有效解決這一問題。這種控制器必須具備調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓幅值、相角、頻率的功能，才能實現(xiàn)并網(wǎng)。在此背景下，本文提出基于統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主動并網(wǎng)方法，實現(xiàn)快速、平滑并網(wǎng)要求。

1 控制器的結(jié)構(gòu)及控制功能

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，虛線部分為基于UPFC并網(wǎng)控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括并聯(lián)變壓器、串聯(lián)變壓器、變流器及控制系統(tǒng)。并網(wǎng)的控制目標(biāo)是利用UPFC的調(diào)壓功能使光伏系統(tǒng)電壓與大電網(wǎng)電壓幅值和相位匹配，兩個電網(wǎng)實現(xiàn)快速平滑并網(wǎng)。根據(jù)并網(wǎng)控制目標(biāo)，串聯(lián)側(cè)連接在光伏系統(tǒng)線路末端，并聯(lián)側(cè)并聯(lián)在公共連接點(point of common coupling，PCC)，同時裝設(shè)有斷路器，用以投入和切斷并網(wǎng)控制器裝置。

圖1 并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制功能

并網(wǎng)控制器的并聯(lián)側(cè)是一臺靜止同步補償器(STATCOM)裝置，串聯(lián)側(cè)則是一臺靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC)裝置，而能量的傳遞則通過兩臺裝置中間的直流電容進(jìn)行。從功能上來看，該裝置的并聯(lián)側(cè)實際上是AC-DC變換，串聯(lián)側(cè)是DC-AC變換，這種AC-AC結(jié)構(gòu)使得有功功率可以在兩個變流器之間任意傳輸，無功功率則能夠在兩個交流輸出端口傳輸。并網(wǎng)控制器既有很強的補償線路電壓的能力，又有很強的補償無功功率的能力。

2 系統(tǒng)建模

2.1 UPFC的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，UPFC兩側(cè)的電路分別是三相PWM整流電路和三相PWM逆變電路，與直流電容結(jié)合構(gòu)成STATCOM和SSSC，做出等效電路如圖2所示。

圖2UPFC電路

2.2 控制器模型

根據(jù)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，控制器并網(wǎng)控制約束條件如式(4)所示。

并網(wǎng)的控制目標(biāo)是利用UPFC的調(diào)壓功能使光伏系統(tǒng)電壓與大電網(wǎng)電壓幅值和相位匹配，滿足并網(wǎng)條件，兩個電網(wǎng)實現(xiàn)快速平滑并網(wǎng)。控制對象是串聯(lián)側(cè)補償電壓和并聯(lián)側(cè)電壓，參考對象是大電網(wǎng)電壓?；谏鲜隹刂扑枷耄刂破鞑捎肞I控制，并采用SPWM控制脈沖輸出，具有調(diào)節(jié)迅速、穩(wěn)定性好的特點。針對式(2)和式(3)存在的交叉耦合現(xiàn)象，解耦的思想是引入測量得到的反饋電流量代替式子的、，從而減小因忽略次要的數(shù)學(xué)分量帶來的誤差。

當(dāng)并網(wǎng)控制器工作在相對穩(wěn)定的狀態(tài)時，給予式(5)～(7)所示的擾動信號：

采用小信號分析法，可得出UPFC并聯(lián)側(cè)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 并聯(lián)側(cè)控制結(jié)構(gòu)

同理，可得出UPFC串聯(lián)側(cè)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 串聯(lián)側(cè)控制結(jié)構(gòu)

3 并網(wǎng)控制

光伏系統(tǒng)并入大電網(wǎng)時，應(yīng)該滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)要求。根據(jù)IEEE Std 1547-2003標(biāo)準(zhǔn)[8]，需滿足的準(zhǔn)同期參數(shù)限值如表1所示。

表1 IEEE Std 1547-2003準(zhǔn)同期參數(shù)

如果系統(tǒng)容量在0～500 kVA，由表1可知，兩系統(tǒng)并網(wǎng)前相角偏差要小于20°。根據(jù)式(9)可計算出最大電壓偏差為光伏系統(tǒng)中由于應(yīng)用大量的電力電子器件，因此通常具有較小的慣性，為保證并網(wǎng)的平滑性，減小對系統(tǒng)的沖擊，并網(wǎng)時要求標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。假設(shè)要求并網(wǎng)時瞬時電壓偏差在以內(nèi)，根據(jù)式(9)可計算出兩系統(tǒng)電壓相位偏差應(yīng)該小于2.866°。

綜合上述分析，本文采用的準(zhǔn)同期判定條件如式 (10)所示。

4 仿真分析

采用Matlab/Simulink軟件，構(gòu)建了基于UPFC的光伏系統(tǒng)主動并網(wǎng)仿真模型，主要包括獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)模型、并網(wǎng)控制器模型以及大電網(wǎng)模型。大電網(wǎng)模型用三相電壓源等效代替，參數(shù)設(shè)置為由于光伏發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)控制器的綜合并網(wǎng)仿真模型過于復(fù)雜，仿真運行時間太長，不利于分析。因此選擇將獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用電壓源等效，參數(shù)設(shè)置為變壓器變比為0.38/10 kV。基準(zhǔn)線電壓取10 kV，基準(zhǔn)功率取100 MW，線路的單位長度阻抗取并網(wǎng)控制器的直流電容取1 500 μF，仿真中的數(shù)據(jù)采用標(biāo)幺值來表示。

根據(jù)搭建的仿真模型分別對直接并網(wǎng)和投入并網(wǎng)控制器并網(wǎng)兩種方式進(jìn)行仿真，采用并網(wǎng)控制器并網(wǎng)時，在0.2 s時投入并網(wǎng)控制器。兩種并網(wǎng)方式下并網(wǎng)時刻如圖5所示。圖5 (a)為直接并網(wǎng)方式，在5 s左右的時刻才能找到觸發(fā)并網(wǎng)，并網(wǎng)等待時間較長。圖5(b)為并網(wǎng)控制器并網(wǎng)方式，在0.67 s時就開始觸發(fā)并網(wǎng)，有效縮短并網(wǎng)等待時間。

圖5 并網(wǎng)時刻

圖6為兩種并網(wǎng)方式下并網(wǎng)時刻沖擊電流波形圖。圖6(a)為直接并網(wǎng)方式，沖擊電流最大值超過了2 000 A。圖6(b)為控制器并網(wǎng)方式，沖擊電流最大值約為400 A，從0.67 s開始躍升，到1.2 s左右降至30 A左右，趨于穩(wěn)定，有效減小并網(wǎng)沖擊電流。

圖6 并網(wǎng)時沖擊電流波形

由此可知，采用基于UPFC的主動并網(wǎng)方法，縮短并網(wǎng)等待時間，幾乎沒有電壓幅值突變，沖擊電流小，實現(xiàn)平滑并網(wǎng)，提高了并網(wǎng)時系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文提出一種基于UPFC的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主動并網(wǎng)方法，即通過UPFC的綜合控制功能，主動調(diào)節(jié)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行參數(shù)，從而實現(xiàn)快速平滑并網(wǎng)。通過仿真分析表明，該方法具有并網(wǎng)時間短、沖擊電流小、系統(tǒng)穩(wěn)定性高的特點。從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)通過升級改造系統(tǒng)架構(gòu)和逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)是不經(jīng)濟(jì)的。本文提出的并網(wǎng)方法，無需改動系統(tǒng)架構(gòu)，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上安裝并網(wǎng)控制器，實現(xiàn)“即插即用”功能，為獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)并入大電網(wǎng)提供了一種技術(shù)方案。

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Research on active grid-connected control of stand-alone PV system based on UPFC

Aiming at shortcoming and diseconomy of upgrades and reconstruction of stand-alone PV system,a novel active grid-connected control method of stand-alone PV system was proposed based on UPFC. Then the grid-connected control rapidly and smoothly could be achieved through actively adjust the parameters of photovoltaic power generation system by UPFC.The model and control structure of grid-connected controller were given.The correctness and validity of the control strategies were verified by the simulation result．

stand-alone PV system;active grid-connected;UPFC;simulation analysis

TM 615

A

1002-087 X(2015)10-2157-04

2015-03-05

國家自然科學(xué)基金項目(61104070)；遼寧省教育廳項目(L2013246，LR2013028)

程海軍(1978—)，男，遼寧省人，碩士，講師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化及新能源發(fā)電。