級(jí)聯(lián)式光伏電站直流并網(wǎng)拓?fù)浼捌淇刂撇呗?/h1>
2016-04-11 07:16:13羅宇強(qiáng)譚建成董國(guó)慶
電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 2016年13期
羅宇強(qiáng)，譚建成，董國(guó)慶
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級(jí)聯(lián)式光伏電站直流并網(wǎng)拓?fù)浼捌淇刂撇呗?/p>
羅宇強(qiáng)1,2，譚建成1，董國(guó)慶3
(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 廣西 南寧 530004；3.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)
為解決光伏電站遠(yuǎn)距離輸送并網(wǎng)問(wèn)題，同時(shí)提高光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，將光伏電站與電壓源型高壓直流(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)輸電系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨?。研究了光伏發(fā)電模塊均壓特性，分析了光伏發(fā)電模塊控制策略和VSC換流站直流電壓控制策略，提出了改進(jìn)的直流電壓-功率偏差斜率控制策略。在PSCAD/EMDTC電磁暫態(tài)軟件下進(jìn)行了不同光照強(qiáng)度仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)可行性，表明了所提出控制策略有效保持光伏電站系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。
光伏電站；電壓源型高壓直流輸電系統(tǒng)；直流并網(wǎng)；直流電壓偏差；直流電壓斜率
0 引言
隨著能源危機(jī)問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源的開(kāi)發(fā)與利用越來(lái)越受到各國(guó)的重視，在新能源研發(fā)上的投入逐漸加大，目前我國(guó)在政策上仍對(duì)太陽(yáng)能光伏電站保持鼓勵(lì)推動(dòng)建設(shè)趨勢(shì)，各地集中型和分布式光伏電站不斷建立起來(lái)[1]。對(duì)于集中型光伏電站而言，其選址通常在人跡罕至之地，尤以西北偏遠(yuǎn)地區(qū)為集中型光伏電站開(kāi)發(fā)區(qū)，然而，本地負(fù)荷并不能消納大規(guī)模光伏電站集中建設(shè)，光伏電站往往需通過(guò)遠(yuǎn)距離輸送至負(fù)荷中心消納。而大規(guī)模光伏電站接入電網(wǎng)，因其不同的特性對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行與規(guī)劃產(chǎn)生影響[2-3]。
高壓直流輸電(High Voltage Direct Current, HVDC)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，尤其是電壓源型高壓直流(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)輸電技術(shù)在分布式電源輸電方面的應(yīng)用，為新能源發(fā)電站的開(kāi)發(fā)、外送及消納提供了新的通道。VSC-HVDC系統(tǒng)具有輸電經(jīng)濟(jì)性好、中間無(wú)落點(diǎn)、可控性好、具有動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償特性等優(yōu)點(diǎn)[4]，在風(fēng)電場(chǎng)輸電上得到了較為廣泛的應(yīng)用。VSC-HVDC優(yōu)越的可控性體現(xiàn)在其電壓協(xié)調(diào)控制上，目前具有典型的電壓協(xié)調(diào)控制為直流電壓偏差控制[5]和直流電壓斜率控制[6]，可考慮將其電壓協(xié)調(diào)控制優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于光伏電站電能輸送方面。
文獻(xiàn)[7]提出光伏電站串聯(lián)組成直流模塊組拓?fù)浞桨冈诠夥ㄖ惑w化應(yīng)用，此方案在光伏建筑一體化應(yīng)用中不斷改進(jìn)優(yōu)化[8]；文獻(xiàn)[9]提出一種模塊化多電平換流器的大型光伏電站并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，直流側(cè)電壓為子模塊經(jīng)DC/DC變換后電容串聯(lián)組成，有效提高直流側(cè)電壓等級(jí)；文獻(xiàn)[10]采用簡(jiǎn)單直流變換器組成光伏發(fā)電單元級(jí)聯(lián)提高直流電壓等級(jí)方法，但光伏發(fā)電單元端電壓隨輸出功率而變化，穩(wěn)定性不高，隨著光伏發(fā)電單元輸出功率波動(dòng)變化易導(dǎo)致部分光伏發(fā)電單元端電壓過(guò)高，從而損壞該部分光伏發(fā)電單元，其級(jí)聯(lián)式提高直流電壓等級(jí)思想可作為參考建立光伏電站組建直流并網(wǎng)系統(tǒng)。
本文設(shè)計(jì)了光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨?，將光伏電站?jīng)Boost-全橋變換電路輸出級(jí)聯(lián)，解決電壓升高問(wèn)題，然后并入VSC-HVDC輸電系統(tǒng)，在VSC換流站采用改進(jìn)電壓協(xié)調(diào)控制策略，保證光伏電站穩(wěn)定功率輸出和均壓一致。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的控制特性，光伏電站均壓穩(wěn)定性較好。
1 光伏電站直流并網(wǎng)拓?fù)浞桨?/h2>
1.1 系統(tǒng)架構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨溉鐖D1所示。其中，光伏發(fā)電模塊由串聯(lián)光伏電池組件、Boost型升壓電路、隔離型全橋直流變換器構(gòu)成，如圖2所示。光伏發(fā)電模塊組成結(jié)構(gòu)完全一致，具有相同的電氣特性，且在輸出端形成輸出串聯(lián)結(jié)構(gòu)，以均分直流線路電壓。通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器后的光伏電站可輸出電壓等級(jí)較高的直流電壓，連接至電壓源型變換器高壓直流輸電線路，經(jīng)過(guò)受端換流站逆變換后送入電網(wǎng)。
圖1 光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)拓?fù)?/p>
圖2 光伏發(fā)電模塊電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.2 級(jí)聯(lián)式光伏發(fā)電模塊
1.2.1 光伏電池組件串聯(lián)
為能夠最大傳輸光伏電站功率，同時(shí)提高輸入電壓，光伏發(fā)電模塊的光伏電池采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，考慮到光伏組件最大1 000 V耐壓值，故將串聯(lián)光伏電池組件電壓控制600~800 V之間，再對(duì)串聯(lián)光伏電池組件進(jìn)行最大功率跟蹤控制，以保證其最大功率輸出，提高發(fā)電效率。
1.2.2 Boost型變換電路
光伏發(fā)電模塊的最大功率跟蹤控制由Boost型變換電路完成[11]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一次升壓變換，Boost型變換電路輸入輸出電壓關(guān)系為
其中：i_bot為Boost型電路輸入電壓；o_bot為Boost型電路輸出電壓；bot為Boost型電路占空比。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，即可改變輸出電壓值，也是實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制的參考量。
1.2.3 隔離型DC/DC全橋變換電路
隔離型DC/DC全橋變換器可以應(yīng)用于大功率傳輸場(chǎng)合，且電壓增益較高，其電壓增益為
其中：i_fl為全橋電路輸入電壓；o_fl為全橋電路輸出電壓；fl為全橋占空比。通過(guò)調(diào)節(jié)合適的變比和占空比，改變輸出電壓與功率傳輸。占空比bot、fl取值在0~0.5之間，預(yù)留一定電壓增益裕度。
1.2.4 均壓特性分析
光伏發(fā)電模塊的輸出端采用串聯(lián)拓?fù)?，隔離型DC/DC全橋變換電路為光伏發(fā)電模塊級(jí)聯(lián)終端，起到了電壓轉(zhuǎn)換和電氣隔離作用，有效保護(hù)光伏電池組件。全橋變換器的輸出端器件為二極管整流結(jié)構(gòu)，形成多二級(jí)管串聯(lián)電路，如圖3所示。
圖3 光伏發(fā)電模塊輸出端級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)
從VSC-HVDC側(cè)方向看，多二級(jí)管串聯(lián)電路為高阻抗、耐壓特性相同模塊，每個(gè)模塊電壓又均分至模塊串聯(lián)二極管上，形成穩(wěn)定均壓結(jié)構(gòu)。由于VSC-HVDC采用電壓源型變換控制方案，直流電壓線路極性保持不變，且受端換流站采用單功率控制策略，功率潮流向單個(gè)方向傳輸，電流傳輸方向與串聯(lián)二級(jí)管方向一致。
假設(shè)直流電壓為dc，各個(gè)均壓光伏發(fā)電模塊電壓為U，下標(biāo)、表示位于第個(gè)串組的第個(gè)光伏發(fā)電模塊，根據(jù)前述分析，各個(gè)光伏發(fā)電模塊電壓為
其中：out為每個(gè)串組光伏發(fā)電模塊數(shù)目；in為每個(gè)光伏發(fā)電模塊輸出端串聯(lián)二級(jí)管個(gè)數(shù)；n為第個(gè)串組的第個(gè)光伏發(fā)電模塊輸出端串聯(lián)二級(jí)管個(gè)數(shù)。
2 直流并網(wǎng)控制策略
本文設(shè)計(jì)的光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨干婕暗降目刂苾?nèi)容有光伏電池最大功率跟蹤控制、光伏模塊直流電壓控制、VSC-HVDC輸電線路直流電壓-功率控制。
2.1 光伏發(fā)電模塊控制策略
光伏發(fā)電模塊最大功率跟蹤控制由Boost型變換電路完成，其控制策略采用電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制策略，電壓參考值為最大功率點(diǎn)跟蹤算法輸出電壓。最大功率點(diǎn)跟蹤算法常用方法為擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法[12]，考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)功率波性動(dòng)較大，這里采用電導(dǎo)增量法。
光伏發(fā)電模塊直流電壓輸出端全橋電路采用開(kāi)環(huán)控制，優(yōu)點(diǎn)是不受外部影響，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。
2.2 VSC-HVDC控制策略
VSC-HVDC系統(tǒng)常用的控制技術(shù)為矢量控制，即將VSC輸出的三相交流電壓和電流分別用正交同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的兩個(gè)分量表示和控制[13]。在矢量控制方法中，采用直流電壓-功率控制策略是近幾年VSC-HVDC控制系統(tǒng)研究熱點(diǎn)。
2.2.1 直流電壓-功率控制策略
(1) 直流電壓-功率斜率控制策略
直流電壓-功率斜率控制策略也稱為直流電壓下垂控制，最初應(yīng)用于多端電流源型直流輸電系統(tǒng)，因其控制的獨(dú)立性與下垂斜率的動(dòng)態(tài)性等優(yōu)勢(shì)，隨后逐漸研究并應(yīng)用至電壓源型直流輸電系統(tǒng)。雙向功率直流電壓-功率斜率控制特性如圖4所示。
斜率控制可使換流站工作在兩種運(yùn)行模式：① 斜率控制模式：也是斜率控制運(yùn)行主模式，實(shí)現(xiàn)直流電壓的有差控制，在不同功率流向階段，無(wú)論換流站處于逆變還是整流工作狀態(tài)，斜率控制可以按照一定的斜率dc的下降方式運(yùn)行。② 限流模式：當(dāng)功率超過(guò)最高限值或最低限值時(shí)，換流站立即進(jìn)入限流工作狀態(tài)，此狀態(tài)也非正常工作狀態(tài)。
通過(guò)改變斜率dc的設(shè)定值，以直流電壓、功率、電流等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)斜率控制策略，也可在功率轉(zhuǎn)向點(diǎn)處或分階段設(shè)定不同斜率值，實(shí)現(xiàn)多段斜率控制方式，使得斜率控制策略更多樣化、更具適應(yīng)性。
(2) 直流電壓-功率偏差控制策略
直流電壓-功率偏差控制策略最初在雙端VSC-HVDC控制系統(tǒng)使用，圖5為VSC直流電壓-功率控制特性，在電流源變換控制系統(tǒng)中，基本控制對(duì)象為直流電流，功率的反轉(zhuǎn)是通過(guò)改變直流電壓方向?qū)崿F(xiàn)；而在電壓源變換控制系統(tǒng)中，基本控制對(duì)象為直流電壓，功率的反轉(zhuǎn)是通過(guò)改變直流電流流向?qū)崿F(xiàn)。
圖5 VSC換流站直流電壓-功率偏差控制特性
圖5(a)中，1為VSC換流站直流側(cè)功率，2為直流線路側(cè)功率，max為功率控制最高限值，min為功率控制最低限值，dcref為直流電壓設(shè)定值。在VSC-HVDC控制系統(tǒng)中，直流電壓控制器目的是保持直流電壓穩(wěn)定在設(shè)定的參考值，直流電壓的調(diào)整是通過(guò)改變功率1實(shí)現(xiàn)，直至功率達(dá)到最高限值max和最低限值min。若直流電壓較低時(shí)，通過(guò)直流電壓控制器提高功率1，直至最高限值max，以保持直流電壓穩(wěn)定，然而，當(dāng)功率2高于最高限值max時(shí)，直流電壓進(jìn)一步下降。反之，若直流電壓高于參考值dcref時(shí)，通過(guò)直流電壓控制器，控制功率1進(jìn)一步降低，以降低直流電壓至參考值，然而，當(dāng)功率2低于最低限值min時(shí)，直流電壓進(jìn)一步上升。
當(dāng)雙端換流站共同運(yùn)行時(shí)，如圖5(b)所示，兩個(gè)換流站的參考電壓差值Δ即為電壓偏差。此時(shí)，兩個(gè)換流站的參考電壓交匯點(diǎn)為系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)，一個(gè)換流站工作在逆變狀態(tài)，另一個(gè)換流站工作在整流工作狀態(tài)，通過(guò)在不同換流站設(shè)定不同的電壓參考值，可調(diào)整換流站運(yùn)行工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換與準(zhǔn)確調(diào)節(jié)功率的特點(diǎn)，此方法可拓展至多個(gè)換流站共同運(yùn)行，即多端直流輸電系統(tǒng)中使用。
2.2.2 改進(jìn)直流電壓-功率偏差斜率控制策略
本文結(jié)合偏差控制與斜率控制策略，即直流電壓-功率偏差斜率控制策略，并針對(duì)光伏電站輸出功率不穩(wěn)定性特點(diǎn)，引入帶有功率死區(qū)的直流電壓-功率偏差斜率控制策略。對(duì)于單端VSC-HVDC系統(tǒng)，光伏電站功率具有不可反轉(zhuǎn)性，加上本方案光伏發(fā)電模塊終端為二極管串組構(gòu)成，電流具有不可逆性，故在VSC換流站采用單向有功功率的直流電壓-功率偏差控制策略，其運(yùn)行特性如圖6所示。
圖6 單向功率改進(jìn)直流電壓-功率偏差斜率控制特性
圖6中，Δ為有功功率死區(qū)帶，Δ1為直流電壓高限值偏差，Δ1為直流電壓低限值偏差，dc1為高限值斜率，dc2為低限值斜率。對(duì)于各個(gè)串組光伏發(fā)電模塊，部分光伏發(fā)電模塊光照強(qiáng)度降低，或部分光伏組件溫度不均衡導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)，均會(huì)造成該串組光伏發(fā)電模塊總輸出功率發(fā)生變化，有時(shí)影響輸出功率的降低因素是臨時(shí)性的，如烏云、臨時(shí)遮罩等。因此，具有功率死區(qū)直流電壓控制策略可以避免因臨時(shí)性功率變化導(dǎo)致直流電壓反復(fù)波動(dòng)變化，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
有功功率死區(qū)帶Δ可根據(jù)光伏電站最大功率設(shè)定，取值為
Δpvmax(4)
式中：為死區(qū)系數(shù)；為光伏發(fā)電模塊效率；pvmax為光伏組件最大輸出功率。
當(dāng)光伏電站輸出功率逐漸降低時(shí)，超過(guò)了有功功率死區(qū)帶，則系統(tǒng)運(yùn)行在低限值斜率控制模式，直流電壓按照斜率dc2緩慢降低，降低至安全運(yùn)行直流電壓最低值dcmin，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。
考慮光伏電站擴(kuò)容，或投入新增光伏電站，需設(shè)置有功功率最高限值，當(dāng)光伏電站功率增加時(shí)，超過(guò)有功功率死區(qū)帶后，系統(tǒng)進(jìn)入高限值斜率控制模式，直流電壓按照斜率dc1緩慢升高，升高至直流電壓最高限值dcmax，最高電壓限值保證在各個(gè)光伏發(fā)電單元均壓耐壓范圍，同時(shí)保留一定裕度，以防部分光伏發(fā)電模塊短路故障導(dǎo)致電壓偏高。
為保證直流電壓斜率變化安全范圍，尤其是當(dāng)電壓升高控制時(shí)，更須保證在盡可能緩慢的范圍變化，可取高限值斜率dc1為
式中，δ為直流電壓安全裕度系數(shù)，取值為直流電壓參考值的0.5%左右。
低限值斜率控制危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，其值可等于或略高于高限值斜率值。
3 仿真分析
3.1 系統(tǒng)模型搭建
根據(jù)圖1所示光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨?，在PSCAD/ EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件中搭建該方案仿真模型，以驗(yàn)證本設(shè)計(jì)光伏電站直流并網(wǎng)拓?fù)浞桨讣捌淇刂撇呗缘挠行浴?/p>
本方案仿真中，光伏電站設(shè)計(jì)容量為5 MW，光伏發(fā)電模塊為1 MW，VSC換流站直流電壓參考值為30 kV，δ=0.15 kV，dcmin=26 kV，dcmax= 34 kV，=0.15，=0.85，ref=4.6 MW，Δ=0.7 MW，dc1= 0.75 kV/MW。dc2=dc1。
3.2 光伏電站光照強(qiáng)度變化仿真分析
3.2.1 局部光照強(qiáng)度輕微變化仿真分析
初始時(shí)刻，光伏電站溫度為25℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2。光伏發(fā)電模塊1光照強(qiáng)度從1 000 W/m2跌落至800 W/m2，光伏發(fā)電模塊1輸出功率下降20%，光伏發(fā)電模塊溫度保持25℃不變，光伏發(fā)電站整體輸出功率跌落值未超過(guò)死區(qū)功率，VSC控制系統(tǒng)保持直流電壓不變，仿真狀態(tài)如圖7所示。光伏發(fā)電模塊1經(jīng)過(guò)一個(gè)下降過(guò)程，逐漸達(dá)到新的穩(wěn)定值。光伏發(fā)電模塊輸出功率發(fā)生變化，各個(gè)發(fā)電模塊因串組二極管特性使得模塊端電壓保持均壓穩(wěn)定，避免了因串組中個(gè)別光伏發(fā)電模塊輸出功率變化自身電壓降低導(dǎo)致其他光伏發(fā)電模塊端電壓過(guò)高的危險(xiǎn)。
3.2.2 局部光伏強(qiáng)度嚴(yán)重變化仿真分析
初始時(shí)刻，光伏電站溫度為25 ℃，各個(gè)光伏發(fā)電模塊光照強(qiáng)度均為1 000 W/m2。光伏發(fā)電模塊2、3、4、5光照強(qiáng)度從1 000 W/m2跌落至800 W/m2，而光伏發(fā)電模塊1光照強(qiáng)度從1 000 W/m2跌落至700 W/m2，溫度保持25 ℃不變，總串組光伏發(fā)電模塊輸出功率超過(guò)死區(qū)功率，VSC換流站從死區(qū)功率定電壓控制方式進(jìn)入斜率控制運(yùn)行方式，直流側(cè)電壓按照斜率dc2調(diào)節(jié)下降，當(dāng)光伏電站輸出功率穩(wěn)定時(shí)，VSC換流站運(yùn)行工作點(diǎn)在斜率控制曲線對(duì)應(yīng)直流電壓-功率點(diǎn)處，直流電壓保持穩(wěn)定，直流電壓穩(wěn)定在29.2 kV。串組各個(gè)光伏發(fā)電模塊隨著線路直流電壓的變化均壓相應(yīng)下降，且電壓穩(wěn)定較好，呈現(xiàn)較好電壓控制效果。如圖8所示。
圖7 局部光照強(qiáng)度輕微變化光伏電站直流并網(wǎng)方案仿真
圖8 局部光照強(qiáng)度嚴(yán)重變化光伏電站直流并網(wǎng)方案仿真
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨?，并提出了單向功率帶功率死區(qū)直流電壓-功率偏差斜率改進(jìn)控制策略對(duì)VSC換流站控制直流電壓穩(wěn)定，保持了串組光伏發(fā)電模塊均壓穩(wěn)定，并采用了PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)軟件對(duì)本方案控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：
(1) 串組光伏發(fā)電模塊輸出端為二極管組串構(gòu)成，二極管反向高阻抗特性使得光伏發(fā)電模塊均壓保持穩(wěn)定，有效避免了光伏發(fā)電模塊因輸出功率不同導(dǎo)致承受電壓不均，出現(xiàn)過(guò)高耐壓情況。
(2) 本文提出了單向功率帶功率死區(qū)直流電壓-功率偏差斜率改進(jìn)控制策略，既保證了光伏電站因臨時(shí)性遮擋造成輸出功率跌落對(duì)直流電壓影響，又能在光伏電站整體輸出功率跌落后按照斜率控制直流電壓均勻下降，使得光伏發(fā)電模塊保持最大功率輸出，以及均壓特性一致。
(3) 本文提出的改進(jìn)直流電壓-功率偏差斜率控制策略，對(duì)于拓展至多光伏電站組成直流電網(wǎng)系統(tǒng)的多端VSC-HVDC控制系統(tǒng)提供一定的參考。
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(編輯 周金梅)
Topology of direct-current connecting cascaded photo-voltaic power station to power grid and its control strategy
LUO Yuqiang1, 2, TAN Jiancheng1, DONG Guoqing3
(1. College of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. Guangxi College of Water Resources and Electric Power, Nanning 530004, China; 3. State Grid Electric Power Research Institute Co., Ltd., Wuhan NARI, Wuhan 430074, China)
In order to solve long-distance integration of photovoltaic (PV) power station to power grid, and improve the system stability of grid-connected PV power station, the PV power station is integrated with voltage source converter high voltage direct current (VSC-HVDC) system, a topology of direct-current connecting cascaded photovoltaic power station to power grid via VSC-HVDC system is proposed. The voltage characteristics of PV module and the control strategy for PV module and DC voltage control strategy for VSC station are analyzed, thus, an improved control strategy of DC voltage margin & droop is put forward. The system and proposed control strategy are simulated under PSCAD/EMDTC electromagnetic transient software by different irradiation conditions. Simulation results show the feasibility of the system, indicating that the proposed control strategy can effectively maintain the system voltage stability of PV power station.
photovoltaic station; voltage source converter high voltage direct current (VSC-HVDC); DC integration; DC voltage margin; DC voltage droop
10.7667/PSPC151316
2015-07-29；
2015-09-17
羅宇強(qiáng)(1987-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)與智能輸電技術(shù)；E-mail: lyq0129best@163.com譚建成(1963-)，女，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄茌旊娂夹g(shù)、智能變電站技術(shù)等；董國(guó)慶(1987-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)、繼電保護(hù)。
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羅宇強(qiáng)，譚建成，董國(guó)慶
?
級(jí)聯(lián)式光伏電站直流并網(wǎng)拓?fù)浼捌淇刂撇呗?/p>
羅宇強(qiáng)1,2，譚建成1，董國(guó)慶3
(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 廣西 南寧 530004；3.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)
為解決光伏電站遠(yuǎn)距離輸送并網(wǎng)問(wèn)題，同時(shí)提高光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，將光伏電站與電壓源型高壓直流(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)輸電系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨?。研究了光伏發(fā)電模塊均壓特性，分析了光伏發(fā)電模塊控制策略和VSC換流站直流電壓控制策略，提出了改進(jìn)的直流電壓-功率偏差斜率控制策略。在PSCAD/EMDTC電磁暫態(tài)軟件下進(jìn)行了不同光照強(qiáng)度仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)可行性，表明了所提出控制策略有效保持光伏電站系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。
光伏電站；電壓源型高壓直流輸電系統(tǒng)；直流并網(wǎng)；直流電壓偏差；直流電壓斜率
0 引言
隨著能源危機(jī)問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源的開(kāi)發(fā)與利用越來(lái)越受到各國(guó)的重視，在新能源研發(fā)上的投入逐漸加大，目前我國(guó)在政策上仍對(duì)太陽(yáng)能光伏電站保持鼓勵(lì)推動(dòng)建設(shè)趨勢(shì)，各地集中型和分布式光伏電站不斷建立起來(lái)[1]。對(duì)于集中型光伏電站而言，其選址通常在人跡罕至之地，尤以西北偏遠(yuǎn)地區(qū)為集中型光伏電站開(kāi)發(fā)區(qū)，然而，本地負(fù)荷并不能消納大規(guī)模光伏電站集中建設(shè)，光伏電站往往需通過(guò)遠(yuǎn)距離輸送至負(fù)荷中心消納。而大規(guī)模光伏電站接入電網(wǎng)，因其不同的特性對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行與規(guī)劃產(chǎn)生影響[2-3]。
高壓直流輸電(High Voltage Direct Current, HVDC)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，尤其是電壓源型高壓直流(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)輸電技術(shù)在分布式電源輸電方面的應(yīng)用，為新能源發(fā)電站的開(kāi)發(fā)、外送及消納提供了新的通道。VSC-HVDC系統(tǒng)具有輸電經(jīng)濟(jì)性好、中間無(wú)落點(diǎn)、可控性好、具有動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償特性等優(yōu)點(diǎn)[4]，在風(fēng)電場(chǎng)輸電上得到了較為廣泛的應(yīng)用。VSC-HVDC優(yōu)越的可控性體現(xiàn)在其電壓協(xié)調(diào)控制上，目前具有典型的電壓協(xié)調(diào)控制為直流電壓偏差控制[5]和直流電壓斜率控制[6]，可考慮將其電壓協(xié)調(diào)控制優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于光伏電站電能輸送方面。
文獻(xiàn)[7]提出光伏電站串聯(lián)組成直流模塊組拓?fù)浞桨冈诠夥ㄖ惑w化應(yīng)用，此方案在光伏建筑一體化應(yīng)用中不斷改進(jìn)優(yōu)化[8]；文獻(xiàn)[9]提出一種模塊化多電平換流器的大型光伏電站并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，直流側(cè)電壓為子模塊經(jīng)DC/DC變換后電容串聯(lián)組成，有效提高直流側(cè)電壓等級(jí)；文獻(xiàn)[10]采用簡(jiǎn)單直流變換器組成光伏發(fā)電單元級(jí)聯(lián)提高直流電壓等級(jí)方法，但光伏發(fā)電單元端電壓隨輸出功率而變化，穩(wěn)定性不高，隨著光伏發(fā)電單元輸出功率波動(dòng)變化易導(dǎo)致部分光伏發(fā)電單元端電壓過(guò)高，從而損壞該部分光伏發(fā)電單元，其級(jí)聯(lián)式提高直流電壓等級(jí)思想可作為參考建立光伏電站組建直流并網(wǎng)系統(tǒng)。
本文設(shè)計(jì)了光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨?，將光伏電站?jīng)Boost-全橋變換電路輸出級(jí)聯(lián)，解決電壓升高問(wèn)題，然后并入VSC-HVDC輸電系統(tǒng)，在VSC換流站采用改進(jìn)電壓協(xié)調(diào)控制策略，保證光伏電站穩(wěn)定功率輸出和均壓一致。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的控制特性，光伏電站均壓穩(wěn)定性較好。
1 光伏電站直流并網(wǎng)拓?fù)浞桨?/h2>
1.1 系統(tǒng)架構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨溉鐖D1所示。其中，光伏發(fā)電模塊由串聯(lián)光伏電池組件、Boost型升壓電路、隔離型全橋直流變換器構(gòu)成，如圖2所示。光伏發(fā)電模塊組成結(jié)構(gòu)完全一致，具有相同的電氣特性，且在輸出端形成輸出串聯(lián)結(jié)構(gòu)，以均分直流線路電壓。通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器后的光伏電站可輸出電壓等級(jí)較高的直流電壓，連接至電壓源型變換器高壓直流輸電線路，經(jīng)過(guò)受端換流站逆變換后送入電網(wǎng)。
圖1 光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)拓?fù)?/p>
圖2 光伏發(fā)電模塊電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.2 級(jí)聯(lián)式光伏發(fā)電模塊
1.2.1 光伏電池組件串聯(lián)
為能夠最大傳輸光伏電站功率，同時(shí)提高輸入電壓，光伏發(fā)電模塊的光伏電池采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，考慮到光伏組件最大1 000 V耐壓值，故將串聯(lián)光伏電池組件電壓控制600~800 V之間，再對(duì)串聯(lián)光伏電池組件進(jìn)行最大功率跟蹤控制，以保證其最大功率輸出，提高發(fā)電效率。
1.2.2 Boost型變換電路
光伏發(fā)電模塊的最大功率跟蹤控制由Boost型變換電路完成[11]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一次升壓變換，Boost型變換電路輸入輸出電壓關(guān)系為
其中：i_bot為Boost型電路輸入電壓；o_bot為Boost型電路輸出電壓；bot為Boost型電路占空比。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，即可改變輸出電壓值，也是實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制的參考量。
1.2.3 隔離型DC/DC全橋變換電路
隔離型DC/DC全橋變換器可以應(yīng)用于大功率傳輸場(chǎng)合，且電壓增益較高，其電壓增益為
其中：i_fl為全橋電路輸入電壓；o_fl為全橋電路輸出電壓；fl為全橋占空比。通過(guò)調(diào)節(jié)合適的變比和占空比，改變輸出電壓與功率傳輸。占空比bot、fl取值在0~0.5之間，預(yù)留一定電壓增益裕度。
1.2.4 均壓特性分析
光伏發(fā)電模塊的輸出端采用串聯(lián)拓?fù)?，隔離型DC/DC全橋變換電路為光伏發(fā)電模塊級(jí)聯(lián)終端，起到了電壓轉(zhuǎn)換和電氣隔離作用，有效保護(hù)光伏電池組件。全橋變換器的輸出端器件為二極管整流結(jié)構(gòu)，形成多二級(jí)管串聯(lián)電路，如圖3所示。
圖3 光伏發(fā)電模塊輸出端級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)
從VSC-HVDC側(cè)方向看，多二級(jí)管串聯(lián)電路為高阻抗、耐壓特性相同模塊，每個(gè)模塊電壓又均分至模塊串聯(lián)二極管上，形成穩(wěn)定均壓結(jié)構(gòu)。由于VSC-HVDC采用電壓源型變換控制方案，直流電壓線路極性保持不變，且受端換流站采用單功率控制策略，功率潮流向單個(gè)方向傳輸，電流傳輸方向與串聯(lián)二級(jí)管方向一致。
假設(shè)直流電壓為dc，各個(gè)均壓光伏發(fā)電模塊電壓為U，下標(biāo)、表示位于第個(gè)串組的第個(gè)光伏發(fā)電模塊，根據(jù)前述分析，各個(gè)光伏發(fā)電模塊電壓為
其中：out為每個(gè)串組光伏發(fā)電模塊數(shù)目；in為每個(gè)光伏發(fā)電模塊輸出端串聯(lián)二級(jí)管個(gè)數(shù)；n為第個(gè)串組的第個(gè)光伏發(fā)電模塊輸出端串聯(lián)二級(jí)管個(gè)數(shù)。
2 直流并網(wǎng)控制策略
本文設(shè)計(jì)的光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨干婕暗降目刂苾?nèi)容有光伏電池最大功率跟蹤控制、光伏模塊直流電壓控制、VSC-HVDC輸電線路直流電壓-功率控制。
2.1 光伏發(fā)電模塊控制策略
光伏發(fā)電模塊最大功率跟蹤控制由Boost型變換電路完成，其控制策略采用電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制策略，電壓參考值為最大功率點(diǎn)跟蹤算法輸出電壓。最大功率點(diǎn)跟蹤算法常用方法為擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法[12]，考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)功率波性動(dòng)較大，這里采用電導(dǎo)增量法。
光伏發(fā)電模塊直流電壓輸出端全橋電路采用開(kāi)環(huán)控制，優(yōu)點(diǎn)是不受外部影響，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。
2.2 VSC-HVDC控制策略
VSC-HVDC系統(tǒng)常用的控制技術(shù)為矢量控制，即將VSC輸出的三相交流電壓和電流分別用正交同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的兩個(gè)分量表示和控制[13]。在矢量控制方法中，采用直流電壓-功率控制策略是近幾年VSC-HVDC控制系統(tǒng)研究熱點(diǎn)。
2.2.1 直流電壓-功率控制策略
(1) 直流電壓-功率斜率控制策略
直流電壓-功率斜率控制策略也稱為直流電壓下垂控制，最初應(yīng)用于多端電流源型直流輸電系統(tǒng)，因其控制的獨(dú)立性與下垂斜率的動(dòng)態(tài)性等優(yōu)勢(shì)，隨后逐漸研究并應(yīng)用至電壓源型直流輸電系統(tǒng)。雙向功率直流電壓-功率斜率控制特性如圖4所示。
斜率控制可使換流站工作在兩種運(yùn)行模式：① 斜率控制模式：也是斜率控制運(yùn)行主模式，實(shí)現(xiàn)直流電壓的有差控制，在不同功率流向階段，無(wú)論換流站處于逆變還是整流工作狀態(tài)，斜率控制可以按照一定的斜率dc的下降方式運(yùn)行。② 限流模式：當(dāng)功率超過(guò)最高限值或最低限值時(shí)，換流站立即進(jìn)入限流工作狀態(tài)，此狀態(tài)也非正常工作狀態(tài)。
通過(guò)改變斜率dc的設(shè)定值，以直流電壓、功率、電流等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)斜率控制策略，也可在功率轉(zhuǎn)向點(diǎn)處或分階段設(shè)定不同斜率值，實(shí)現(xiàn)多段斜率控制方式，使得斜率控制策略更多樣化、更具適應(yīng)性。
(2) 直流電壓-功率偏差控制策略
直流電壓-功率偏差控制策略最初在雙端VSC-HVDC控制系統(tǒng)使用，圖5為VSC直流電壓-功率控制特性，在電流源變換控制系統(tǒng)中，基本控制對(duì)象為直流電流，功率的反轉(zhuǎn)是通過(guò)改變直流電壓方向?qū)崿F(xiàn)；而在電壓源變換控制系統(tǒng)中，基本控制對(duì)象為直流電壓，功率的反轉(zhuǎn)是通過(guò)改變直流電流流向?qū)崿F(xiàn)。
圖5 VSC換流站直流電壓-功率偏差控制特性
圖5(a)中，1為VSC換流站直流側(cè)功率，2為直流線路側(cè)功率，max為功率控制最高限值，min為功率控制最低限值，dcref為直流電壓設(shè)定值。在VSC-HVDC控制系統(tǒng)中，直流電壓控制器目的是保持直流電壓穩(wěn)定在設(shè)定的參考值，直流電壓的調(diào)整是通過(guò)改變功率1實(shí)現(xiàn)，直至功率達(dá)到最高限值max和最低限值min。若直流電壓較低時(shí)，通過(guò)直流電壓控制器提高功率1，直至最高限值max，以保持直流電壓穩(wěn)定，然而，當(dāng)功率2高于最高限值max時(shí)，直流電壓進(jìn)一步下降。反之，若直流電壓高于參考值dcref時(shí)，通過(guò)直流電壓控制器，控制功率1進(jìn)一步降低，以降低直流電壓至參考值，然而，當(dāng)功率2低于最低限值min時(shí)，直流電壓進(jìn)一步上升。
當(dāng)雙端換流站共同運(yùn)行時(shí)，如圖5(b)所示，兩個(gè)換流站的參考電壓差值Δ即為電壓偏差。此時(shí)，兩個(gè)換流站的參考電壓交匯點(diǎn)為系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)，一個(gè)換流站工作在逆變狀態(tài)，另一個(gè)換流站工作在整流工作狀態(tài)，通過(guò)在不同換流站設(shè)定不同的電壓參考值，可調(diào)整換流站運(yùn)行工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換與準(zhǔn)確調(diào)節(jié)功率的特點(diǎn)，此方法可拓展至多個(gè)換流站共同運(yùn)行，即多端直流輸電系統(tǒng)中使用。
2.2.2 改進(jìn)直流電壓-功率偏差斜率控制策略
本文結(jié)合偏差控制與斜率控制策略，即直流電壓-功率偏差斜率控制策略，并針對(duì)光伏電站輸出功率不穩(wěn)定性特點(diǎn)，引入帶有功率死區(qū)的直流電壓-功率偏差斜率控制策略。對(duì)于單端VSC-HVDC系統(tǒng)，光伏電站功率具有不可反轉(zhuǎn)性，加上本方案光伏發(fā)電模塊終端為二極管串組構(gòu)成，電流具有不可逆性，故在VSC換流站采用單向有功功率的直流電壓-功率偏差控制策略，其運(yùn)行特性如圖6所示。
圖6 單向功率改進(jìn)直流電壓-功率偏差斜率控制特性
圖6中，Δ為有功功率死區(qū)帶，Δ1為直流電壓高限值偏差，Δ1為直流電壓低限值偏差，dc1為高限值斜率，dc2為低限值斜率。對(duì)于各個(gè)串組光伏發(fā)電模塊，部分光伏發(fā)電模塊光照強(qiáng)度降低，或部分光伏組件溫度不均衡導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)，均會(huì)造成該串組光伏發(fā)電模塊總輸出功率發(fā)生變化，有時(shí)影響輸出功率的降低因素是臨時(shí)性的，如烏云、臨時(shí)遮罩等。因此，具有功率死區(qū)直流電壓控制策略可以避免因臨時(shí)性功率變化導(dǎo)致直流電壓反復(fù)波動(dòng)變化，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
有功功率死區(qū)帶Δ可根據(jù)光伏電站最大功率設(shè)定，取值為
Δpvmax(4)
式中：為死區(qū)系數(shù)；為光伏發(fā)電模塊效率；pvmax為光伏組件最大輸出功率。
當(dāng)光伏電站輸出功率逐漸降低時(shí)，超過(guò)了有功功率死區(qū)帶，則系統(tǒng)運(yùn)行在低限值斜率控制模式，直流電壓按照斜率dc2緩慢降低，降低至安全運(yùn)行直流電壓最低值dcmin，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。
考慮光伏電站擴(kuò)容，或投入新增光伏電站，需設(shè)置有功功率最高限值，當(dāng)光伏電站功率增加時(shí)，超過(guò)有功功率死區(qū)帶后，系統(tǒng)進(jìn)入高限值斜率控制模式，直流電壓按照斜率dc1緩慢升高，升高至直流電壓最高限值dcmax，最高電壓限值保證在各個(gè)光伏發(fā)電單元均壓耐壓范圍，同時(shí)保留一定裕度，以防部分光伏發(fā)電模塊短路故障導(dǎo)致電壓偏高。
為保證直流電壓斜率變化安全范圍，尤其是當(dāng)電壓升高控制時(shí)，更須保證在盡可能緩慢的范圍變化，可取高限值斜率dc1為
式中，δ為直流電壓安全裕度系數(shù)，取值為直流電壓參考值的0.5%左右。
低限值斜率控制危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，其值可等于或略高于高限值斜率值。
3 仿真分析
3.1 系統(tǒng)模型搭建
根據(jù)圖1所示光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨?，在PSCAD/ EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件中搭建該方案仿真模型，以驗(yàn)證本設(shè)計(jì)光伏電站直流并網(wǎng)拓?fù)浞桨讣捌淇刂撇呗缘挠行浴?/p>
本方案仿真中，光伏電站設(shè)計(jì)容量為5 MW，光伏發(fā)電模塊為1 MW，VSC換流站直流電壓參考值為30 kV，δ=0.15 kV，dcmin=26 kV，dcmax= 34 kV，=0.15，=0.85，ref=4.6 MW，Δ=0.7 MW，dc1= 0.75 kV/MW。dc2=dc1。
3.2 光伏電站光照強(qiáng)度變化仿真分析
3.2.1 局部光照強(qiáng)度輕微變化仿真分析
初始時(shí)刻，光伏電站溫度為25℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2。光伏發(fā)電模塊1光照強(qiáng)度從1 000 W/m2跌落至800 W/m2，光伏發(fā)電模塊1輸出功率下降20%，光伏發(fā)電模塊溫度保持25℃不變，光伏發(fā)電站整體輸出功率跌落值未超過(guò)死區(qū)功率，VSC控制系統(tǒng)保持直流電壓不變，仿真狀態(tài)如圖7所示。光伏發(fā)電模塊1經(jīng)過(guò)一個(gè)下降過(guò)程，逐漸達(dá)到新的穩(wěn)定值。光伏發(fā)電模塊輸出功率發(fā)生變化，各個(gè)發(fā)電模塊因串組二極管特性使得模塊端電壓保持均壓穩(wěn)定，避免了因串組中個(gè)別光伏發(fā)電模塊輸出功率變化自身電壓降低導(dǎo)致其他光伏發(fā)電模塊端電壓過(guò)高的危險(xiǎn)。
3.2.2 局部光伏強(qiáng)度嚴(yán)重變化仿真分析
初始時(shí)刻，光伏電站溫度為25 ℃，各個(gè)光伏發(fā)電模塊光照強(qiáng)度均為1 000 W/m2。光伏發(fā)電模塊2、3、4、5光照強(qiáng)度從1 000 W/m2跌落至800 W/m2，而光伏發(fā)電模塊1光照強(qiáng)度從1 000 W/m2跌落至700 W/m2，溫度保持25 ℃不變，總串組光伏發(fā)電模塊輸出功率超過(guò)死區(qū)功率，VSC換流站從死區(qū)功率定電壓控制方式進(jìn)入斜率控制運(yùn)行方式，直流側(cè)電壓按照斜率dc2調(diào)節(jié)下降，當(dāng)光伏電站輸出功率穩(wěn)定時(shí)，VSC換流站運(yùn)行工作點(diǎn)在斜率控制曲線對(duì)應(yīng)直流電壓-功率點(diǎn)處，直流電壓保持穩(wěn)定，直流電壓穩(wěn)定在29.2 kV。串組各個(gè)光伏發(fā)電模塊隨著線路直流電壓的變化均壓相應(yīng)下降，且電壓穩(wěn)定較好，呈現(xiàn)較好電壓控制效果。如圖8所示。
圖7 局部光照強(qiáng)度輕微變化光伏電站直流并網(wǎng)方案仿真
圖8 局部光照強(qiáng)度嚴(yán)重變化光伏電站直流并網(wǎng)方案仿真
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了光伏電站通過(guò)級(jí)聯(lián)直流變換器經(jīng)VSC-HVDC輸電線路并網(wǎng)拓?fù)浞桨?，并提出了單向功率帶功率死區(qū)直流電壓-功率偏差斜率改進(jìn)控制策略對(duì)VSC換流站控制直流電壓穩(wěn)定，保持了串組光伏發(fā)電模塊均壓穩(wěn)定，并采用了PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)軟件對(duì)本方案控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：
(1) 串組光伏發(fā)電模塊輸出端為二極管組串構(gòu)成，二極管反向高阻抗特性使得光伏發(fā)電模塊均壓保持穩(wěn)定，有效避免了光伏發(fā)電模塊因輸出功率不同導(dǎo)致承受電壓不均，出現(xiàn)過(guò)高耐壓情況。
(2) 本文提出了單向功率帶功率死區(qū)直流電壓-功率偏差斜率改進(jìn)控制策略，既保證了光伏電站因臨時(shí)性遮擋造成輸出功率跌落對(duì)直流電壓影響，又能在光伏電站整體輸出功率跌落后按照斜率控制直流電壓均勻下降，使得光伏發(fā)電模塊保持最大功率輸出，以及均壓特性一致。
(3) 本文提出的改進(jìn)直流電壓-功率偏差斜率控制策略，對(duì)于拓展至多光伏電站組成直流電網(wǎng)系統(tǒng)的多端VSC-HVDC控制系統(tǒng)提供一定的參考。
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(編輯 周金梅)
Topology of direct-current connecting cascaded photo-voltaic power station to power grid and its control strategy
LUO Yuqiang1, 2, TAN Jiancheng1, DONG Guoqing3
(1. College of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. Guangxi College of Water Resources and Electric Power, Nanning 530004, China; 3. State Grid Electric Power Research Institute Co., Ltd., Wuhan NARI, Wuhan 430074, China)
In order to solve long-distance integration of photovoltaic (PV) power station to power grid, and improve the system stability of grid-connected PV power station, the PV power station is integrated with voltage source converter high voltage direct current (VSC-HVDC) system, a topology of direct-current connecting cascaded photovoltaic power station to power grid via VSC-HVDC system is proposed. The voltage characteristics of PV module and the control strategy for PV module and DC voltage control strategy for VSC station are analyzed, thus, an improved control strategy of DC voltage margin & droop is put forward. The system and proposed control strategy are simulated under PSCAD/EMDTC electromagnetic transient software by different irradiation conditions. Simulation results show the feasibility of the system, indicating that the proposed control strategy can effectively maintain the system voltage stability of PV power station.
photovoltaic station; voltage source converter high voltage direct current (VSC-HVDC); DC integration; DC voltage margin; DC voltage droop
10.7667/PSPC151316
2015-07-29；
2015-09-17
羅宇強(qiáng)(1987-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)與智能輸電技術(shù)；E-mail: lyq0129best@163.com譚建成(1963-)，女，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄茌旊娂夹g(shù)、智能變電站技術(shù)等；董國(guó)慶(1987-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)、繼電保護(hù)。
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