劉嘉彥, 李 勇, 曹一家, 施靜容

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 湖南省長(zhǎng)沙市 410082)

0 引言

隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快,傳統(tǒng)化石能源被大量開(kāi)采和利用,而這會(huì)導(dǎo)致資源利用緊張、環(huán)境惡化等突出問(wèn)題。以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的可再生能源逐步成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要選擇[1]。其中,分布式光伏電源在中國(guó)正飛速發(fā)展。據(jù)2017年上半年的統(tǒng)計(jì)[2],2013年,分布式光伏電源的裝機(jī)容量?jī)H為800 MW,2014年至2016年,分布式光伏電源新增裝機(jī)容量分別為2 050,1 390,4 240 MW。而僅在2017年的上半年,這個(gè)數(shù)字就達(dá)到了7 110 MW。

隨著光伏在配電網(wǎng)中滲透率的提高,傳統(tǒng)配電網(wǎng)潮流會(huì)出現(xiàn)變化,甚至產(chǎn)生反向潮流[3-4],導(dǎo)致配電網(wǎng)末端電壓抬升(voltage rise,VR)。而在負(fù)荷較少的農(nóng)村配電網(wǎng)中,特別是光伏扶貧地區(qū),由于負(fù)荷總量較少,光伏滲透率很高,因此電壓抬升現(xiàn)象更為嚴(yán)重。末端電壓抬升,會(huì)影響電網(wǎng)穩(wěn)定性,當(dāng)電壓抬升過(guò)高,甚至?xí)辜矣秒娖鲹p壞,光伏并網(wǎng)逆變器退出運(yùn)行,這也是阻礙提高電網(wǎng)中可再生能源所占比例的主要原因之一[5-7]。

為了解決這個(gè)問(wèn)題,目前學(xué)者們提出了很多可供參考的方法。比如采用有載調(diào)壓變壓器(OLTC)和線路電壓調(diào)節(jié)器(LVR)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)電壓,但是這種方法調(diào)節(jié)能力通常受限于抽頭的位置和較差的經(jīng)濟(jì)性[8-9];如今廣泛采用的方法是增設(shè)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置,但這種方法需要安裝額外的無(wú)功補(bǔ)償裝置,同時(shí)會(huì)讓設(shè)備的維護(hù)頻率提高[10]。在最近幾年,一些不需要裝設(shè)額外裝置的功率補(bǔ)償控制方法被提出來(lái)。文獻(xiàn)[11]針對(duì)光伏電壓抬升的情況,建立了簡(jiǎn)化等效模型。分布式光伏電源接入配電網(wǎng)時(shí),為盡可能多地接入,提出了接入的分布式光伏電源總?cè)萘颗c系統(tǒng)總負(fù)荷之比,即滲透率[12-13]的技術(shù)要求。文獻(xiàn)[14-15]分析了相較于調(diào)整OLTC的位置,采用無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[16]引入了評(píng)估指標(biāo),針對(duì)電壓抬升這種現(xiàn)象提出一種光伏選址規(guī)劃方案來(lái)盡量降低電網(wǎng)損耗。

目前來(lái)看,通過(guò)控制光伏并網(wǎng)逆變器對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),是有效且經(jīng)濟(jì)性較好、可行性較高的方法。文獻(xiàn)[16-18]采用了無(wú)功功率協(xié)調(diào)控制(RPC)的方法,通過(guò)補(bǔ)償感性無(wú)功功率將電壓限制在額定值。文獻(xiàn)[6]指出,在中低壓配電網(wǎng)中,線路R/X的比值較大,通過(guò)調(diào)節(jié)有功功率能更有效地將電壓穩(wěn)定在限定范圍內(nèi),提出了一種有功功率削減控制策略(APC),在接入可再生能源后,往往希望能夠最大限度地利用分布式電源(DG)發(fā)出的功率,即滲透率盡可能高,而這種方法需要削減有功功率輸出,因此會(huì)降低DG的利用率。文獻(xiàn)[19]比較了現(xiàn)有的控制策略,但這些方法沒(méi)有充分利用無(wú)功調(diào)節(jié)能力,效率有待提升。

鑒于此,本文提出了一種有功、無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略(active/reactive power coordinated control,ARPCC),在電壓處于調(diào)節(jié)死區(qū)范圍內(nèi)時(shí),讓光伏并網(wǎng)逆變器保持單位功率因數(shù)輸出,輸出最大有功功率。若檢測(cè)到電壓開(kāi)始抬升,則通過(guò)設(shè)置Q-U曲線,實(shí)時(shí)追蹤電壓狀況,給以配電網(wǎng)相應(yīng)的感性無(wú)功功率進(jìn)行負(fù)無(wú)功補(bǔ)償,以此來(lái)降低電壓,若達(dá)到了最小功率因數(shù),即逆變器無(wú)功調(diào)節(jié)能力達(dá)到上限,則再通過(guò)離散取樣,預(yù)測(cè)出達(dá)到最大允許電壓時(shí)所對(duì)應(yīng)的有功功率,和當(dāng)前逆變器發(fā)出的有功功率作比較,進(jìn)行削減,在維持電壓穩(wěn)定的同時(shí)盡量提高光伏電源的利用效率。采用IEEE 13節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)本文提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 光伏電源接入導(dǎo)致電壓抬升產(chǎn)生的原因

光伏電源接入配電網(wǎng)后反向潮流會(huì)引起電壓抬升。如附錄A圖A1所示,Pl和Ql分別表示節(jié)點(diǎn)處的負(fù)荷功率大小,PPV表示光伏并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)的功率,在正常情況下處于單位功率因數(shù)工作狀態(tài),向電網(wǎng)注入有功功率。

(1)

將實(shí)部和虛部用功率和阻抗表示為:

(2)

(3)

從式(1)—式(3)可以看出,節(jié)點(diǎn)m和n之間的電壓差取決于阻抗R+jX和節(jié)點(diǎn)之間傳送的功率Pr+jQr。由于在配電網(wǎng)中,相較于輸電網(wǎng),兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相角差很小,實(shí)部對(duì)于電壓偏移的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于虛部[3],所以電壓差的關(guān)系式可等效如下:

(4)

在光伏電源未接入電網(wǎng)時(shí),功率流向往往是從首端流向末端,由于存在線路損耗,通常在線路末端會(huì)出現(xiàn)低電壓的情況。而在光伏電源接入之后,由于光伏電源自身發(fā)出功率,當(dāng)光伏電源發(fā)出的功率超過(guò)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的消納能力之后,富余電量沿著線路反向送入電網(wǎng),形成反向潮流,從而使得末端節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)抬升。式(5)和式(6)分別表示光伏電源接入前和接入后線路傳輸功率的大小。

Pr+jQr=Pl,n+jQl,n

(5)

Pr+jQr=Pl,n-PPV,n+jQl,n

(6)

式中:Pr和Qr分別為線路傳輸?shù)挠泄蜔o(wú)功功率;Pl,n和Ql,n分別為節(jié)點(diǎn)n的負(fù)荷消耗的有功和無(wú)功功率;PPV,n為節(jié)點(diǎn)n安裝的光伏電源發(fā)出的有功功率。

由于在中低壓配電網(wǎng)中R/X的比值較大,在研究電壓抬升時(shí)可忽略無(wú)功功率的影響[20-21]。附錄A圖A3展示了光伏級(jí)聯(lián)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu),對(duì)于等效為k個(gè)節(jié)點(diǎn)級(jí)聯(lián)的系統(tǒng),可推導(dǎo)出第k個(gè)節(jié)點(diǎn)和第k+1個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓差為:

(7)

因此,在光伏電源接入的情況下,節(jié)點(diǎn)k的電壓為:

(8)

由上式可知,若光伏電源的總?cè)萘看笥谪?fù)荷總功率時(shí),即右邊一項(xiàng)的符號(hào)變?yōu)檎龝r(shí),Uk>UN,會(huì)產(chǎn)生電壓抬升。若光伏電源接入容量過(guò)大,則Uk會(huì)超過(guò)電壓允許上限,從而導(dǎo)致逆變器退出運(yùn)行,使光伏電源滲透率下降。而負(fù)荷需求增大,光伏容量較小時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)末端低電壓的情況。含有分布式光伏的配電網(wǎng)某一節(jié)點(diǎn)的電壓降落由系統(tǒng)負(fù)荷需求和光伏電源出力綜合決定,配電網(wǎng)中接入分布式光伏電源,有助于減少線路上的電壓損失,對(duì)饋線電壓具有抬升作用,而且接入位置越接近末端,電壓抬升現(xiàn)象越明顯。

2 ARPCC策略

在電網(wǎng)中,R/X的比值反映出電壓受有功功率和無(wú)功功率的影響程度,如果R/X比值較小,則表示電網(wǎng)電壓更容易受無(wú)功功率變化的影響,而如果比值較大,則有功功率占主導(dǎo)地位。而在中低壓配電網(wǎng)中,由于R/X的比值較大,因此調(diào)節(jié)有功功率對(duì)中低壓配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性有更為重要的意義。但是,從經(jīng)濟(jì)性來(lái)考慮,削減有功功率意味著降低光伏電源的使用效率,因此調(diào)節(jié)無(wú)功功率同樣值得研究。因此針對(duì)光伏電源接入導(dǎo)致的電壓抬升問(wèn)題,本文提出了一種ARPCC策略,從電力系統(tǒng)層面上合理地對(duì)逆變器的有功和無(wú)功功率輸出進(jìn)行調(diào)控,達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。首先,考慮到配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,在電壓出現(xiàn)小幅度波動(dòng)(或抬升)時(shí),首先通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)超出無(wú)功功率調(diào)節(jié)范圍后,有功功率控制器動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)ARPCC。

2.1 無(wú)功功率調(diào)控策略

為了保證光伏電源的效率,光伏電源通常采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)方式跟蹤到最大功率輸出。因此,本文將其等效成出力隨著光照強(qiáng)度變化的直流源。在正常運(yùn)行時(shí),逆變器追蹤到最大功率輸出Snow,Snow值和當(dāng)前的功率因數(shù)決定了系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率輸出大小。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓狀態(tài),設(shè)置電壓死區(qū),在死區(qū)范圍內(nèi)時(shí),逆變器保持單位功率因數(shù)輸出,無(wú)功功率輸出為0,當(dāng)電壓超出死區(qū)范圍后,無(wú)功功率控制器按照設(shè)定的Q-U曲線開(kāi)始輸出相應(yīng)的無(wú)功功率,功率因數(shù)開(kāi)始改變,如附錄A圖A4所示。Qcap,max和Qind,max分別為光伏并網(wǎng)逆變器可以輸出的最大容性無(wú)功功率和最大感性無(wú)功功率,其大小與最小功率因數(shù)Fmin有關(guān),Uq,pos和Uq,neg分別為電壓死區(qū)上下限。當(dāng)電壓超過(guò)死區(qū)范圍,利用附錄A圖A4所示的電壓和無(wú)功功率曲線,根據(jù)當(dāng)前測(cè)得的電壓大小控制逆變器輸出相應(yīng)的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償,達(dá)到維持光伏并網(wǎng)點(diǎn)的電壓在限定范圍之內(nèi)的目的。當(dāng)電壓抬升,則輸出的感性無(wú)功功率增加,當(dāng)電壓降低,則輸出的容性無(wú)功功率增加,達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

式(9)—式(11)為Q-U曲線的設(shè)置方式。根據(jù)其提供的關(guān)系,對(duì)電壓進(jìn)行無(wú)功功率調(diào)控,其中Snow為當(dāng)前光伏輸出的最大功率值。其調(diào)控能力受最小功率因數(shù)制約,并與死區(qū)電壓范圍和最大電壓限Uq,max有關(guān)。

Q=kq(U-Uq,pos)

(9)

(10)

Qind,max=Snowsin(arccos(Fmin))

(11)

Qcap,max,Qind,max,Uq,pos,Uq,neg,Fmin可以根據(jù)線路具體情況和用戶實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整,不同位置的逆變器可以設(shè)置不同的參數(shù),從而得到不同的kq值,因此該系統(tǒng)可以根據(jù)具體需求,設(shè)定不同的無(wú)功調(diào)節(jié)能力。

逆變器的無(wú)功調(diào)節(jié)能力如圖1所示。在電壓死區(qū)內(nèi),逆變器處在單位功率因數(shù)工作狀態(tài)下,當(dāng)電壓出現(xiàn)抬升,逆變器根據(jù)附錄A圖A4提供的電壓和無(wú)功功率曲線關(guān)系,開(kāi)始輸出感性無(wú)功功率,此時(shí)視在功率不變,無(wú)功功率增加;當(dāng)無(wú)功功率達(dá)到Qmax時(shí),達(dá)到無(wú)功功率最大調(diào)節(jié)極限。

圖1 逆變器無(wú)功功率變化圖Fig.1 Variation of reactive power of inverter

2.2 有功功率調(diào)控策略

當(dāng)無(wú)功功率達(dá)到其最大調(diào)節(jié)范圍后,若電壓仍然繼續(xù)抬升,則會(huì)造成電壓越限,從而導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器退出運(yùn)行。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生,在使用傳統(tǒng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)之上,提出了一種新型的有功功率控制方法,在電壓繼續(xù)抬升時(shí),采用有功功率調(diào)節(jié),對(duì)電壓進(jìn)行穩(wěn)定,從而保障配電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi),逆變器正常運(yùn)行。

如附錄A圖A1所示,逆變器輸出的電流Ir可以表示為:

(12)

式中:δ為m點(diǎn)和n點(diǎn)之間的相角差。

逆變器輸出的復(fù)功率可以表示為:

(13)

由于線路相角差較小,而線路電阻R較大,因此可以忽略電抗X的作用,由式(14)和式(15)可得出簡(jiǎn)化的有功功率P和電壓Un之間的關(guān)系為:

(14)

可以看出,逆變器輸出功率P和并網(wǎng)點(diǎn)電壓Un近似滿足線性變換的關(guān)系。因此,當(dāng)無(wú)功功率達(dá)到電壓調(diào)節(jié)限制之后,若電壓仍然提升,將采用有功功率削減的辦法,當(dāng)電壓達(dá)到Uq，max時(shí),設(shè)為時(shí)刻t0,測(cè)出當(dāng)前并網(wǎng)點(diǎn)電壓和功率,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間達(dá)到t1后,測(cè)出t1時(shí)刻的并網(wǎng)點(diǎn)功率和電壓大小?？梢缘玫?

(15)

式中:Uk(t0)和Uk(t1)分別為并網(wǎng)點(diǎn)k在t0和t1兩個(gè)采樣時(shí)刻點(diǎn)的并網(wǎng)電壓;Pk(t0)和Pk(t1)分別為并網(wǎng)點(diǎn)k在t0和t1時(shí)刻檢測(cè)到的功率輸出。

因此,可以得到并網(wǎng)點(diǎn)電壓和逆變器輸出有功功率的關(guān)系為:

Uk=kp(Pk-Pk(t0))+Uk(t0)

(16)

式中:Uk和Pk分別為并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和功率,在已知其中一個(gè)量的情況下,可以推算出另一個(gè)量的值。

通過(guò)設(shè)定節(jié)點(diǎn)的最大允許電壓Umax,利用式(16)可以估算出并網(wǎng)點(diǎn)在達(dá)到最大允許電壓時(shí)輸出的有功功率Pa,如圖2所示。因此需要削減的有功功率為:

(17)

式中:Pmpp為光伏電源追蹤到的最大有功功率輸出。

圖2 有功功率最大值預(yù)測(cè)Fig.2 Forecasting of maximum value of active power

每個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)的Umax都可以根據(jù)線路要求設(shè)置,靈活方便。逆變器有功功率變化圖如附錄A圖A5所示,在無(wú)功功率無(wú)法繼續(xù)增加的情況下,視在功率沿著最小功率因數(shù)曲線下降,當(dāng)電壓調(diào)節(jié)結(jié)束后完成調(diào)節(jié)。其中Uk(t0),Uk(t1),Pk(t0),Pk(t1)一經(jīng)測(cè)量選取,在觸發(fā)下一次有功調(diào)節(jié)之前都是不變的,因此在一次有功調(diào)節(jié)過(guò)程中,kp值是不變的,而在下一次觸發(fā)有功調(diào)節(jié)時(shí),Uk(t0),Uk(t1),Pk(t0),Pk(t1)的值會(huì)由于測(cè)量誤差和擾動(dòng)與上一次相比存在微小誤差,kp值也會(huì)有略微差別。

2.3 總體控制流程

當(dāng)電壓抬升到無(wú)功功率死區(qū)上限時(shí),無(wú)功功率開(kāi)始調(diào)控,隨著光照強(qiáng)度的增加,光伏出力持續(xù)增加,無(wú)功功率達(dá)到其最大調(diào)節(jié)能力,此時(shí)功率因數(shù)為Fmin,當(dāng)電壓達(dá)到無(wú)功功率調(diào)節(jié)電壓上限Uq，max后,開(kāi)始根據(jù)式(15)—式(17)對(duì)有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié),在進(jìn)行有功功率控制的同時(shí),功率因數(shù)始終保持在最小功率因數(shù),即保持最大的無(wú)功功率輸出進(jìn)行協(xié)調(diào)。當(dāng)電壓回歸到無(wú)功功率調(diào)節(jié)電壓上限Uq，max后,停止對(duì)有功功率進(jìn)行削減,回到由無(wú)功功率單獨(dú)調(diào)控的方式。完整的流程圖如圖3所示。

3 仿真分析

3.1 測(cè)試系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)定

本文采用IEEE 13節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)[22]進(jìn)行測(cè)試。該配電網(wǎng)含4.16 kV和0.48 kV兩個(gè)電壓等級(jí),屬于不平衡網(wǎng)絡(luò),包含多種典型分布式網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)。主要的運(yùn)算參數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行調(diào)整,本文主要仿真參數(shù)設(shè)置如附錄A表A1所示。

為了研究光伏出力變化和負(fù)荷變化對(duì)線路電壓帶來(lái)的影響,本文對(duì)光伏電源進(jìn)行了簡(jiǎn)化,其輸出功率隨著光照強(qiáng)度的變化而變化,經(jīng)由并網(wǎng)逆變器接入配電網(wǎng)。為了模擬電壓抬升的狀況,本文選取了夏季晴天這一典型場(chǎng)景,此時(shí)光伏出力最大,根據(jù)式(8)可知此時(shí)最可能出現(xiàn)電壓抬升。采用PowerFactory軟件仿真。根據(jù)文獻(xiàn)[5]提供的日負(fù)荷曲線和日光照強(qiáng)度,仿真出一天之中負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化情況,考慮一天之中隨著光照強(qiáng)度和負(fù)荷容量變化時(shí),各個(gè)接入點(diǎn)電壓的變化規(guī)律。

圖3 ARPCC電壓調(diào)整流程圖Fig.3 Flow chart of voltage regulation in ARPCC

3.2 無(wú)電壓調(diào)控策略下分布式光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

本文根據(jù)文獻(xiàn)[23]提供的標(biāo)準(zhǔn),將電壓正常范圍選在0.95～1.05(標(biāo)幺值)之間。選取末端節(jié)點(diǎn)680;對(duì)含有補(bǔ)償電容接入的末端節(jié)點(diǎn)611和靠近首端的節(jié)點(diǎn)632進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)比較,在沒(méi)有光伏電源接入的配電網(wǎng)中,一天之中節(jié)點(diǎn)電壓隨著負(fù)荷消耗功率的變化而變化,電壓越靠近末端,電壓波動(dòng)以及電壓下降情況越嚴(yán)重,含有補(bǔ)償電容的節(jié)點(diǎn)611的電壓比末端節(jié)點(diǎn)680的電壓更穩(wěn)定。同時(shí),電壓下降的大小也與時(shí)間有關(guān),即受到不同時(shí)刻負(fù)荷消耗功率的影響,在深夜用電負(fù)荷較少,電壓處在額定電壓范圍之內(nèi),而在入夜后的一段時(shí)間,由于用電負(fù)荷增加,導(dǎo)致末端電壓下降情況嚴(yán)重。因此,本文選擇電壓波動(dòng)較大的節(jié)點(diǎn)680進(jìn)行分析。

光伏電源接入配電網(wǎng)后,可以調(diào)節(jié)輸出有功和無(wú)功功率,起到無(wú)功補(bǔ)償器的作用。因此，光伏電源接入配電網(wǎng)后對(duì)電壓的穩(wěn)定起到一定的積極作用。然而,隨著接入的光伏電源數(shù)量和容量的增加,會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)末端出現(xiàn)電壓抬升現(xiàn)象。引入滲透率概念,如式(18)所示。

(18)

式中:Spv為系統(tǒng)中光伏電源總的裝機(jī)容量;Sld為系統(tǒng)所有負(fù)荷消耗的最大功率。滲透率的大小體現(xiàn)出DG在配電網(wǎng)中所占的比重。

滲透率反映出配電網(wǎng)中可再生能源的比例,理論上滲透率越高代表可再生能源效率越高[24],但是隨著滲透率的增加,就會(huì)不可避免地出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓抬升現(xiàn)象。附錄A圖A6展示出滲透率增加后,造成的電壓抬升現(xiàn)象,在該圖所示的波形中,光伏并網(wǎng)逆變器采用的是傳統(tǒng)的PQ控制策略,使Qref=0,逆變器處于單位功率因數(shù)工作狀態(tài),光伏電源保持最大的功率輸出。然而,隨著滲透率的提高,電壓抬升現(xiàn)象愈來(lái)愈明顯。在后續(xù)的仿真中光伏的總?cè)萘堪凑諠B透率90%進(jìn)行設(shè)定。

3.3 ARPCC策略與傳統(tǒng)電壓調(diào)控策略的比較

附錄A圖A7和圖A8分別為單獨(dú)采用傳統(tǒng)的RPC策略調(diào)節(jié)電壓和APC策略調(diào)節(jié)電壓的情況?？梢钥吹?在一定時(shí)間內(nèi),RPC策略確實(shí)能夠?qū)﹄妷悍€(wěn)定起到積極作用,但是,當(dāng)無(wú)功功率達(dá)到逆變器提供的最大無(wú)功功率輸出后(即最小功率因數(shù)),如果光伏電源輸出功率繼續(xù)增加,電壓仍會(huì)繼續(xù)上升,從而導(dǎo)致超過(guò)最大電壓限值。而在APC控制方法下,通過(guò)削減一部分有功功率,將電壓維持在了正常范圍內(nèi)。這種方法在傳統(tǒng)的RPC方法基礎(chǔ)之上削減了一定量的有功功率ΔP1,因此效率有所下降。而在實(shí)際應(yīng)用中,希望可再生能源利用率盡可能高,因此在維持電壓穩(wěn)定的同時(shí),希望棄光損失較小。

因此,本文針對(duì)這種情況提出的ARPCC策略能夠在使得電壓維持在限定范圍內(nèi)的同時(shí)減少棄光量,其一天之中電壓和功率的變化如圖4所示,削減的有功功率為ΔP2。

圖4 ARPCC策略電壓功率曲線Fig.4 Voltage and power curves with ARPCC strategy

圖5比較了APC和ARPCC兩種方法削減的有功功率大小,可以得到:

ΔP3=ΔP1-ΔP2>0

(19)

因此ΔP2<ΔP1,可知ARPCC的棄光量更小,可再生能源利用效率更高。

圖5 ARPCC策略與APC策略結(jié)果對(duì)比Fig.5 Result comparison between ARPCC and APC strategies

表1比較了在相同的外界光照、氣候以及負(fù)荷運(yùn)行狀況下,ARPCC和APC策略分別在80%,90%,100%滲透率下,將電壓穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)時(shí)所需要削減的有功功率大小?？梢钥闯?在采用ARPCC策略調(diào)控下,削減的有功功率較小,可再生能源利用率更高。

隨著光伏電源滲透率的增加,4種不同逆變器控制策略下的節(jié)點(diǎn)電壓特性見(jiàn)附錄A圖A9?？梢钥吹?隨著光伏容量的增加,節(jié)點(diǎn)電壓開(kāi)始增加,當(dāng)增加到Uq，pos時(shí),開(kāi)始按照電壓—無(wú)功功率曲線進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié),電壓抬升情況得到有效抑制,當(dāng)達(dá)到無(wú)功功率調(diào)節(jié)極限后,傳統(tǒng)的Q-U曲線由于達(dá)到最小功率因數(shù)Fmin后,無(wú)法繼續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率,從而使得電壓繼續(xù)抬升,導(dǎo)致超過(guò)電壓限值,甚至導(dǎo)致逆變器退出運(yùn)行。而有功功率削減策略APC/ARPCC開(kāi)始削減有功功率,使得電壓繼續(xù)保持在允許的電壓范圍之內(nèi)。同時(shí)，ARPCC策略相較于APC策略能夠輸出更多的有功功率,進(jìn)而提高效率,因此電壓要比APC策略先達(dá)到臨界值。

表1 APC和ARPCC策略效率比較Table 1 Efficiency comparison between APC and ARPCC strategies

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)光伏電源接入配電網(wǎng)而導(dǎo)致的電壓抬升問(wèn)題,對(duì)配電網(wǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析,闡述了光伏電源接入配電網(wǎng)而導(dǎo)致電壓抬升的原因。通過(guò)理論分析,綜合光伏電源利用率的考慮,提出了一種ARPCC策略。設(shè)置電壓死區(qū),當(dāng)電壓處在死區(qū)范圍內(nèi)時(shí),逆變器采用PQ控制保持最大功率輸出,充分利用太陽(yáng)能;當(dāng)電壓超出死區(qū)限值后,進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié),通過(guò)補(bǔ)償感性無(wú)功功率來(lái)緩解電壓抬升現(xiàn)象;當(dāng)超出逆變器無(wú)功調(diào)節(jié)能力后,若電壓仍繼續(xù)上升,通過(guò)電壓與有功功率在中低壓配電網(wǎng)中的關(guān)系式,預(yù)測(cè)達(dá)到最大允許電壓時(shí)的功率,對(duì)有功功率進(jìn)行削減,以此來(lái)維持電壓處于正常范圍內(nèi)。利用PowerFactory軟件,采用IEEE 13節(jié)點(diǎn)測(cè)試配電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,同時(shí)和傳統(tǒng)的RPC以及APC策略進(jìn)行對(duì)照,仿真結(jié)果表明,這種ARPCC策略能夠有效將電壓穩(wěn)定在額定范圍之內(nèi)的同時(shí),減少棄光量,具有較高的效率。

但本文提出的控制方法只針對(duì)單一逆變器,在多臺(tái)并網(wǎng)逆變器的綜合控制層面,還存在一定的局限性。筆者將基于這一問(wèn)題,從電網(wǎng)角度出發(fā),對(duì)如何保證一根饋線甚至多根饋線上多臺(tái)并網(wǎng)逆變器合理配置參數(shù)、協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行、降低可再生能源損耗、提升整體系統(tǒng)運(yùn)行效率等方面開(kāi)展更加深入的研究。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。