祖光鑫，陳銀娥，于海洋，武國良，孫東陽，楊世彥

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001;2．國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

0 引言

近些年來我國新能源發(fā)電發(fā)展迅速，隨著我國能源政策的落實(shí)，分布式光伏迎來了高速發(fā)展的機(jī)遇，但是發(fā)展同時(shí)也面臨著諸多問題，配電網(wǎng)的接納能力便是制約因素之一，當(dāng)前我國的配電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，無法為接納大量分布式光伏并網(wǎng)而進(jìn)行大面積改造，光伏發(fā)電系統(tǒng)有功出力隨環(huán)境變化，而配電網(wǎng)存在無功分布改變的特點(diǎn)，如果對(duì)該配電網(wǎng)的并網(wǎng)控制策略選擇不當(dāng)，不但會(huì)影響配電網(wǎng)電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，還將會(huì)導(dǎo)致分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的無法與配電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行［1-4］，因此解決當(dāng)前矛盾的關(guān)鍵方案是通過控制策略的改進(jìn)提升分布式光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)特性，使其能適應(yīng)配電網(wǎng)并在一定程度上改善提高配電網(wǎng)狀況。

針對(duì)當(dāng)前問題，提出了一種基于瞬時(shí)功率控制的分布式光伏并網(wǎng)策略，通過對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)連接點(diǎn)瞬時(shí)功率的分析與控制，實(shí)現(xiàn)根據(jù)配電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行瞬態(tài)輸出功率控制。首先，構(gòu)建了分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的瞬時(shí)功率分析方法并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確數(shù)學(xué)描述。然后，基于對(duì)分布式光伏系統(tǒng)和配電網(wǎng)系統(tǒng)瞬時(shí)功率的分析，以調(diào)整分布式光伏與配電網(wǎng)連接點(diǎn)處配電網(wǎng)電流為單位功率因數(shù)正弦波為控制目標(biāo)，提出了基于瞬時(shí)功率控制的分布式光伏并網(wǎng)策略。最后，分布式光伏接入配電網(wǎng)的區(qū)域電網(wǎng)模型仿真算例，運(yùn)用提出的分布式光伏并網(wǎng)策略針對(duì)光伏陣列有功輸入波動(dòng)情況和配電網(wǎng)兩種不同無功狀態(tài)補(bǔ)償仿真。通過理論分析和仿真結(jié)果證明了該策略的有效性。

1 瞬時(shí)功率分析

傳統(tǒng)功率分析對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)值進(jìn)行計(jì)算分析，瞬時(shí)功率分析方法突破傳統(tǒng)方法的局限，通過對(duì)測量電氣量的瞬時(shí)值進(jìn)行計(jì)算分析，可以對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)可以實(shí)時(shí)分析，并通過并網(wǎng)控制系統(tǒng)做出相應(yīng)反應(yīng)。這種分析方法有效地解釋了與配電網(wǎng)連接點(diǎn)的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率的物理意義，可以清晰地反應(yīng)出分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間能量是如何流動(dòng)以及各相之間循環(huán)的。瞬時(shí)功率分析方法是基于αβ0空間來進(jìn)行定義的，因此分析的第一步需要將測量得到的三相電壓和電流通過空間變換到αβ0空間，在通過在αβ0空間定義的瞬時(shí)功率分別計(jì)算得到系統(tǒng)的瞬時(shí)功率［5-9］。

1．1 空間變換

1．1．1 αβ0 空間變換

αβ0空間變換即是Clarke變換，將abc空間下的電壓電流瞬時(shí)值變換到αβ0空間下，其中abc空間重a、b和c三個(gè)坐標(biāo)軸在空間上互差2π/3，而在αβ0空間重α軸、β軸和0軸是互相正交的，αβ0空間變換把三軸二維的abc空間中的平衡分量轉(zhuǎn)化到二軸二維的αβ空間中;把a(bǔ)bc空間中的不平衡分量轉(zhuǎn)化到與αβ平面垂直的0軸上，因此經(jīng)過變換后，將abc空間相關(guān)3個(gè)矢量變?yōu)榱甩力?空間互不相關(guān)的2個(gè)矢量。系統(tǒng)內(nèi)不存在不平衡分量時(shí)，將3個(gè)相關(guān)矢量變?yōu)榱?個(gè)互不相關(guān)矢量。同時(shí)通過αβ0空間變換也將三相系統(tǒng)中的平衡分量和不平衡分量有效解耦，為解決配電網(wǎng)三相不對(duì)稱問題的分析和計(jì)算提供了有效的方法。

由于基于瞬時(shí)功率的分析方法都是在αβ0空間進(jìn)行的，因此首先對(duì)實(shí)時(shí)采集的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓電流進(jìn)行αβ0空間變換。

va、vb和vc為 abc空間中瞬時(shí)電壓，vα、vβ和 v0為αβ0空間中的瞬時(shí)電壓。

式中ia、ib和ic為abc空間中瞬時(shí)電流;iα、iβ和i0為αβ0式中 空間中的瞬時(shí)電流。

1．1．2 αβ0空間變換的功率分析

根據(jù)Clarke變換定義:

其中變換矩陣是αβ0空間里的完備正交集，由于αβ0空間重α軸、β軸和0軸三軸正交，根據(jù)帕塞瓦爾定理可以得到:

通過向量的二次范數(shù)相等可以得知空間變換前后信號(hào)的功率不變。

1．2 瞬時(shí)功率分析

1．2．1 瞬時(shí)功率的計(jì)算

瞬時(shí)有功功率p3在abc空間通過電壓電流瞬時(shí)值計(jì)算，公式為:

p3=vaia+vbib+vcic(5)

因?yàn)楦鶕?jù)αβ0空間變換的功率分析可知αβ0變換信號(hào)功率不變，所以瞬時(shí)有功功率可以αβ0變換后的分量來計(jì)算:

p3=vaia+vbib+vcic=vαiα+vβiβ+v0i0(6)

根據(jù)瞬時(shí)功率理論，瞬時(shí)功率定義分為瞬時(shí)實(shí)功率p、瞬時(shí)虛功率q和瞬時(shí)零序功率p0。它們實(shí)在αβ0空間進(jìn)行計(jì)算得到的，公式如下:

由以上可知，瞬時(shí)有功功率p3為:p3=p+p0(8)

1．2．2 瞬時(shí)功率的物理意義

瞬時(shí)實(shí)功率p、瞬時(shí)虛功率q和瞬時(shí)零序功率p0在三相系統(tǒng)中的物理意義如圖1所示。

圖1 瞬時(shí)功率的物理意義Fig．1 Physical meaning of the instantaneous power

瞬時(shí)有功功率p3=p+p0為不同系統(tǒng)間傳遞的能量流;瞬時(shí)虛功率q為三相系統(tǒng)相間互傳遞的能量流，不參與系統(tǒng)間能量傳遞，表示系統(tǒng)相間交換能量的大小;瞬時(shí)零序功率p0為系統(tǒng)中的零序分量，對(duì)瞬時(shí)實(shí)功率p和瞬時(shí)虛功率q沒有影響。

1．2．3 瞬時(shí)功率的分解分析

通過公式(7)計(jì)算可以得出系統(tǒng)瞬時(shí)實(shí)功率p、瞬時(shí)虛功率q和瞬時(shí)零序功率p0。它們分別由相應(yīng)的直流分量和交流分量組成，通過設(shè)計(jì)合理的數(shù)字濾波器，可以有效的將瞬時(shí)功率進(jìn)行分解，得到:

對(duì)于瞬時(shí)實(shí)功率p，直流分量p珋表示單一方向傳遞的能量流;交流分量珓p表示系統(tǒng)間反復(fù)傳遞的能量流，其平均值等于零;對(duì)于瞬時(shí)虛功率q，直流分量珋q與三相無功功率定義相對(duì)應(yīng)交流分量珓q在系統(tǒng)相間進(jìn)行能量交換，瞬時(shí)虛功率q對(duì)能量傳遞沒有影響;瞬時(shí)零序功率p0由于三相不平衡產(chǎn)生的零序功率，傳遞不平衡分量能量，直流分量珋p0為單一方向傳遞，交流分量珓p0為往復(fù)傳遞。

2 基于瞬時(shí)功率控制的分布式光伏并網(wǎng)策略

2．1 瞬時(shí)功率控制策略

通過對(duì)分布式光伏系統(tǒng)與配電網(wǎng)連接點(diǎn)處瞬時(shí)功率的計(jì)算和分解分析，可以實(shí)時(shí)掌握配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)目標(biāo)對(duì)已經(jīng)得到的瞬時(shí)實(shí)功率p、瞬時(shí)虛功率q和瞬時(shí)零序功率p0的直流分量和交流分量進(jìn)行處理，進(jìn)而計(jì)算出分布式光伏系統(tǒng)的參考輸出功率。

如圖2所示為采用的瞬時(shí)功率控制框圖，該控制方法以調(diào)整分布式光伏與配電網(wǎng)連接點(diǎn)處配電網(wǎng)電流為單位功率因數(shù)正弦波為控制目標(biāo)，根據(jù)監(jiān)測計(jì)算得到的光伏陣列瞬時(shí)有功和配電網(wǎng)的電壓和電流信號(hào)計(jì)算參考輸出功率。瞬時(shí)實(shí)功率p的輸出量為配電網(wǎng)實(shí)功率交流部分和光伏陣列實(shí)時(shí)輸出的瞬時(shí)有功，瞬時(shí)虛功率q輸出為配電網(wǎng)需要的無功瞬時(shí)功率，瞬時(shí)零序功率p0為配電網(wǎng)的不平衡部分。

2．2 輸出電流的計(jì)算

根據(jù)計(jì)算得到的分布式光伏系統(tǒng)需要輸出的瞬時(shí)實(shí)功率p、瞬時(shí)虛功率q和瞬時(shí)零序功率p0后，通過式(7)的逆矩陣可以推得分布式光伏系統(tǒng)需要輸出的參考電流。

圖2 瞬時(shí)功率控制框圖Fig．2 Control block diagram of the instantaneous power

α軸和β軸參考電流的計(jì)算公式為:0軸參考電流的計(jì)算公式為:

再通過Clarke反變換，將得到的αβ0空間下的參考電流轉(zhuǎn)換到abc空間下:

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提出分布式光伏并網(wǎng)策略的有效性，首先根據(jù)東北某配電網(wǎng)架參數(shù)，搭建一個(gè)分布式光伏接入配電網(wǎng)的區(qū)域電網(wǎng)模型，如圖3所示。

圖3 分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真框圖Fig．3 Simulation block diagram of distributed grid-connected photovoltaic system

基于此模型，利用所提出的控制方法針對(duì)光伏陣列有功輸入波動(dòng)情況和配電網(wǎng)兩種不同無功狀態(tài)補(bǔ)償仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

圖3中A部分為分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng);B部分為配網(wǎng)的供電網(wǎng);C部分為配電網(wǎng)簡化負(fù)載;D部分為瞬時(shí)功率控制系統(tǒng)。

首先對(duì)光伏陣列有功輸入波動(dòng)情況進(jìn)行仿真，仿真的結(jié)果如圖4所示。

圖4 光伏陣列有功輸入波動(dòng)的仿真結(jié)果Fig．4 Simulation result of PV array activeinput fluctuation

在仿真過程中，分別對(duì)配網(wǎng)負(fù)載有功由光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)同時(shí)提供、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提供了配網(wǎng)負(fù)載全部有功電網(wǎng)基本不參與能量交換和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出有功超過配網(wǎng)負(fù)載所需有功并將多余有功輸入到電網(wǎng)三種情況進(jìn)行模擬仿真，從圖中可以看出，分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出電流與配電網(wǎng)電壓始終同相，幅值隨光伏陣列的有功輸入變化，實(shí)現(xiàn)了分布式光伏系統(tǒng)對(duì)有功輸入的跟蹤控制。

然后對(duì)配電網(wǎng)兩種不同無功狀態(tài)補(bǔ)償仿真，假定仿真過程光伏陣列有功輸入為定值，配電網(wǎng)無功狀態(tài)以配電網(wǎng)簡化負(fù)載類型表示，仿真結(jié)果如下。當(dāng)配電網(wǎng)簡化負(fù)載類型為容性時(shí)，即配電網(wǎng)系統(tǒng)需要無功吸收源，仿真結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)配電網(wǎng)簡化負(fù)載類型為感性時(shí)，即配電網(wǎng)系統(tǒng)需要無功輸入源，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 容性負(fù)載的仿真結(jié)果Fig．5 Simulation result of capacitive load

圖6 感性負(fù)載的仿真結(jié)果Fig．6 Simulation result of inductive load

從圖中可以看出，針對(duì)配電網(wǎng)兩種不同無功狀態(tài)，通過分布式光伏系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)后，配電網(wǎng)電流與電壓實(shí)現(xiàn)了同頻同相的，說明通過文中的控制策略實(shí)現(xiàn)了分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率補(bǔ)償了配電網(wǎng)的無功分量，同時(shí)分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)光伏陣列的有功輸入對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行供電。文中的控制策略可以使分布式光伏系統(tǒng)根據(jù)配電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行瞬態(tài)輸出功率控制，仿真結(jié)果證明了該并網(wǎng)控制策略的有效性。

4 結(jié)束語

以分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)配電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的輸出功率控制為目標(biāo)，基于瞬時(shí)功率控制可控性好準(zhǔn)確等特點(diǎn)，提出一種基于瞬時(shí)功率控制的分布式光伏并網(wǎng)策略，該策略能夠快速準(zhǔn)確針對(duì)配電網(wǎng)的不同狀態(tài)進(jìn)行分布式光伏系統(tǒng)輸出功率的適應(yīng)調(diào)整，繼而為分布式光伏與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)安全高效運(yùn)行提供了技術(shù)支持。