鄭許林，袁 源，柏晶晶，姜 望，劉祎文，王亞祥

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224005；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 211100）

0 引言

隨著我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的的快速發(fā)展，分布式光伏并網(wǎng)的比例大幅度提高[1]，[2]。而分布式光伏并網(wǎng)的發(fā)展改變了電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，由單端輻射型網(wǎng)絡(luò)逐步變?yōu)殡p端和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，以電力電子設(shè)備為核心的大量非線性負(fù)荷以及沖擊性負(fù)載被大量使用，由此引起的諧波與無(wú)功電流對(duì)電網(wǎng)造成了 污 染[3]～[5]。

電壓是電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，配電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性直接影響負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，電壓質(zhì)量治理的思路主要有兩種，一種是使用無(wú)功補(bǔ)償控制，無(wú)功補(bǔ)償調(diào)節(jié)電壓原理是根據(jù)配電網(wǎng)中無(wú)功功率與電壓之間呈現(xiàn)的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)。常用的無(wú)功補(bǔ)償方式有并聯(lián)電容器或電抗器、同步調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(Static Var Compensator，SVC）、靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM）等[6]，[7]。文 獻(xiàn)[8]研 究 了 配 電 網(wǎng)并聯(lián)或串聯(lián)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償穩(wěn)定電壓的方式，以及電容和電感進(jìn)行串并組合形式的無(wú)功補(bǔ)償方式，并驗(yàn)證了補(bǔ)償效果。文獻(xiàn)[9]，[10]分析了SVC的工作原理，SVC是基于電力電子技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)功補(bǔ)償裝置，由晶閘管控制電容器和晶閘管控制電抗器組合而成，通過(guò)控制晶閘管的開通和關(guān)斷改變其阻抗特性，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。但該類方法均為固定式補(bǔ)償，不具備動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[11]～[13]研究了STATCOM在配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償中的應(yīng)用及控制，STATCOM通過(guò)改變流入或流出電流的相位達(dá)到吸收或發(fā)出無(wú)功功率的目的。這一類方法需要額外增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，大大增加了配電網(wǎng)的投資成本。另一種是直接電壓補(bǔ)償方式。文獻(xiàn)[14]～[16]研究了有載調(diào)壓變壓器在配電網(wǎng)中的應(yīng)用及控制，通過(guò)控制配電網(wǎng)變壓器分接頭位置改變輸出電壓，但其調(diào)壓方式屬于有級(jí)調(diào)壓模式，不能平滑切換電壓。文獻(xiàn)[17]，[18]研究了動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器在配電網(wǎng)中對(duì)電壓的補(bǔ)償作用，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器串聯(lián)在配電網(wǎng)中，通過(guò)產(chǎn)生與配電網(wǎng)電壓同相位同頻率的正弦信號(hào)直接疊加在配電網(wǎng)電壓上，實(shí)現(xiàn)直接電壓補(bǔ)償，可以看做在配電網(wǎng)中串聯(lián)了一個(gè)動(dòng)態(tài)電源，因此需要額外的儲(chǔ)能支撐，成本較高。已有方法均需要單獨(dú)配置補(bǔ)償裝置，大大增加了電網(wǎng)的投資，而合理利用分布式光伏并網(wǎng)變流器本身的電流裕量實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。

本文針對(duì)電網(wǎng)電壓質(zhì)量問(wèn)題展開研究，從電能線路傳輸角度分析了無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，研究了光伏并網(wǎng)逆變器在無(wú)功補(bǔ)償中的控制方法，并提出了基于母線下垂控制的主動(dòng)電壓質(zhì)量支撐控制方法。

1 光伏逆變器電壓主動(dòng)支撐原理

1.1 無(wú)功功率與電壓響應(yīng)

在電力系統(tǒng)中，電壓的穩(wěn)定取決于系統(tǒng)的無(wú)功功率，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功功率不平衡時(shí)，將導(dǎo)致電壓偏離基準(zhǔn)值。為清晰地說(shuō)明電力系統(tǒng)中電壓與無(wú)功功率的關(guān)系，本文以單相為例，建立了簡(jiǎn)化電力傳輸線模型，如圖1所示。

圖1 輸電線等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of transmission lines

圖中：E˙為線路首端電壓；V˙為線路末端電壓；I˙為 線 路 電 流；Z˙為 線 路 阻 抗；R為 等 效 電 阻；X為等效電抗。假設(shè)V˙相位角為0，根據(jù)輸電線模型中電氣量之間的相量關(guān)系畫出其相量圖，如圖2所示。

圖2 輸電線相量圖Fig.2 Phasor diagram of power lines

圖 中：δ為V˙和I˙之 間 的 相 位 角；θ為E˙和V˙的 相位角；ΔV為壓降的橫向分量；δV為壓降的縱向分量；ΔV˙為線路阻抗造成的壓降。

根據(jù)相量關(guān)系，有：

以末端電壓為參考，將電流I˙分解為有功分量和無(wú)功分量，其有功分量可表示為Ia=Icosφ，無(wú)功分量可表示為Ir=jIsinφ。通過(guò)線路電流的有功分量和無(wú)功分量表示線路壓降，則壓降由兩個(gè)部分組成：

輸電線路傳輸?shù)膹?fù)功率可以表示為S˙=P+jQ，電流的有功無(wú)功分量表示為

將 式(2）與 式(3）結(jié) 合，可 得：

由于輸電線電阻一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電抗，忽略線路電阻可得：

由圖2相量關(guān)系可得：

將 式(5）代 入 式(6），求 解 出V關(guān) 于X，P，Q，E的表達(dá)式。因?yàn)槠渲袃蓚€(gè)為負(fù)，應(yīng)舍去，其余兩個(gè)解為

根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)[19]，式(7）所描述的關(guān)于V的方程有且僅有唯一解，其解為

由式(8）可以看出，線路末端電壓受無(wú)功功率的影響最大，當(dāng)負(fù)載感性無(wú)功功率越大時(shí)，電壓就會(huì)越低。

1.2 主動(dòng)下垂控制基本原理

考慮到線路上電壓降落，定義母線電壓調(diào)節(jié)系數(shù)如下：

式中：ΔV1為母線電壓允許跌落的最小電壓，對(duì)應(yīng)逆變器輸入級(jí)的最大輸入容性無(wú)功電流ICmax；ΔV2為母線電壓允許升高的最小電壓，對(duì)應(yīng)逆變器輸入級(jí)能夠補(bǔ)償?shù)淖畲蟾行詿o(wú)功電流ILmax。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，220 V單向供電電壓偏差為基 準(zhǔn) 電 壓 的+7%，-10%，即198 V∶235.4 V。為 進(jìn) 一步提高母線電壓質(zhì)量，取 ΔV1=ΔV2=10 V。母線電壓下垂調(diào)節(jié)特性曲線如圖3所示。

圖中：Vref為母線電壓指令值；V*ref為修正后的母線電壓指令值。當(dāng)母線電壓降低時(shí)，U-I特性如負(fù)載線2所示，結(jié)合式(10）可 知，因k>0，Iq>0，因此V*ref>Vref?？梢钥闯?，在母線電壓降低時(shí)，下垂調(diào)節(jié)使母線電壓略高于基準(zhǔn)值。

式中：Δv為母線電壓指令值的修正量。

在母線電壓升高時(shí)，為使母線電壓仍然維持在基準(zhǔn)值之上，考慮使用反向下垂調(diào)節(jié)，如式(11）所 示。在 反 向 下 垂 調(diào) 節(jié) 模 式 下，-k＜0，Iq＜0，因 此，也實(shí)現(xiàn)了母線電壓略高于基準(zhǔn)值的目的。

由圖3可以看出：在使用理想調(diào)節(jié)時(shí)，母線電壓的給定值為平行于橫軸的一條直線，其值為Vref；而在結(jié)合使用了下垂調(diào)節(jié)與反向下垂調(diào)節(jié)后，母線電壓參考值為圖3中的反向下垂調(diào)節(jié)及下垂調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的實(shí)線部分，在一定程度上提高了母線電壓，負(fù)載的電壓質(zhì)量得到了保障。當(dāng)母線電壓降低時(shí)，光伏逆變器向配電網(wǎng)多補(bǔ)償一定的無(wú)功功率；當(dāng)母線電壓升高時(shí)，光伏逆變器從配電網(wǎng)少吸收一定的無(wú)功功率。

基于減小損耗和抵抗無(wú)功擾動(dòng)的思路，本文使用下垂控制和反向下垂控制使電壓略高于基準(zhǔn)電壓。由于當(dāng)前配電網(wǎng)中電器大都表現(xiàn)為阻感性，且更多地朝著恒功率方向發(fā)展，因此在電壓允許范圍內(nèi)略提高電壓有助于減小線路損耗，避免末端電壓過(guò)低；有助于減輕負(fù)載接入對(duì)配電網(wǎng)母線電壓的影響，提高電壓質(zhì)量和抗干擾能力。

2 光伏逆變器電壓支撐控制策略

2.1 母線電壓控制原理

如圖4所示，三相太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)由光伏電池板、Boost升壓電路和三相逆變器構(gòu)成。本文利用三相并網(wǎng)逆變器的額外容量進(jìn)行電網(wǎng)的無(wú)功支撐。

圖4 三相太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Three-phase solar photovoltaic grid-connected structure diagram

通過(guò)光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砣鐖D5所示。首先采樣三相母線電壓，經(jīng)過(guò)dq變換后得到d軸電壓，其中 ω為網(wǎng)側(cè)角頻率，由于Vq=0，因此d軸電壓即可看作母線電壓。d軸電壓指令值為母線電壓指令值的倍，當(dāng)d軸電壓偏離指令值時(shí)，其誤差值經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)矯正后得到輸入級(jí)三相變流器的無(wú)功電流指令值iq_ref。iq_ref作為輸入級(jí)電流內(nèi)環(huán)控制的指令值，經(jīng)雙閉環(huán)控制后得到調(diào)制波，控制輸入級(jí)三相變流器的開關(guān)管和輸入三相電流的相位，達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

圖5 光伏并網(wǎng)逆變器參與電壓支撐控制原理Fig.5 Photovoltaic grid-connected inverter participates in the voltage support control schematic

當(dāng)母線電壓低于指令值時(shí)，即負(fù)載上消耗過(guò)多無(wú)功功率，逆變器需要向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率，此時(shí)逆變器輸入無(wú)功電流Iq＜0；當(dāng)母線電壓高于指令值時(shí)，即負(fù)載向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率，逆變器吸收無(wú)功功率維持電壓穩(wěn)定，此時(shí)逆變器Iq>0。

2.2 無(wú)功電流反饋的母線電壓下垂控制

在光伏逆變器電壓主動(dòng)支撐控制策略的控制過(guò)程中，光伏并網(wǎng)逆變器嚴(yán)格按照指令電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，考慮到母線距離負(fù)載有一定的距離，線路上的壓降不可忽略，所以在控制時(shí)可以將母線電壓提高少許，稍高于基準(zhǔn)電壓，這就是母線電壓的下垂調(diào)節(jié)方法。

圖6為逆變器母線電壓下垂調(diào)節(jié)控制方法的原理。對(duì)比圖5的理想調(diào)節(jié)，下垂調(diào)節(jié)引入了逆變器無(wú)功電流反饋環(huán)節(jié)，逆變器無(wú)功電流與母線電壓下垂調(diào)節(jié)系數(shù)k相乘后得到母線電壓指令值的修正量，再與母線電壓指令值相加得到修正后的母線電壓指令值，后續(xù)控制方式與圖5描述的理想調(diào)節(jié)一致。

圖6 并網(wǎng)逆變器母線電壓下垂調(diào)節(jié)控制Fig.6 Grid-connected inverter bus voltage droop regulation control

當(dāng)母線電壓降低時(shí)，逆變器向電網(wǎng)多補(bǔ)償一定的無(wú)功功率；當(dāng)母線電壓升高時(shí)，逆變器從電網(wǎng)少吸收一定的無(wú)功功率。值得注意的是，逆變器的無(wú)功電流受其容量限制，若超出補(bǔ)償能力范圍，則逆變器只能以額定最大無(wú)功電流ILmax或ICmax運(yùn) 行 。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文利用在Typhoon HIL中搭建的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental parameter design table

在母線電壓降低實(shí)驗(yàn)中，0.5 s時(shí)在母線上增加150 kVar的無(wú)功負(fù)載，引起母線電壓降低，逆變器通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)詳細(xì)波形如圖7所示，其中逆變器輸入輸出三相電壓電流均取有效值的平均值，Udc為逆變器輸出電壓有效值。

圖7 母線電壓降低時(shí)實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveform when the bus voltage decreases

圖7展示了電壓降低情況下，0.2 s∶1.2 s時(shí)逆變器的各環(huán)節(jié)波形。圖7(a）中母線電壓V初始值為220 V，在0.5 s時(shí)光伏并網(wǎng)逆變器輸入級(jí)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，逆變器的輸入無(wú)功Q開始減少至-200 kVar，對(duì)比擾動(dòng)量150 kVar，逆變器多補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量是由于采用下垂調(diào)節(jié)控制而產(chǎn)生的，對(duì)應(yīng)的母線電壓最終恢復(fù)至約224 V，整個(gè)過(guò)程中光伏并網(wǎng)的有功P保持不變。

由圖7(a），(b）可以看出，在電壓降低時(shí)逆變器輸入級(jí)無(wú)功電流Iq由0開始增大，對(duì)應(yīng)向配電網(wǎng)補(bǔ)償無(wú)功功率。圖7(c）中輸入電流I由300 A開始增加，無(wú)功補(bǔ)償總視在功率增加。圖7(d）為未發(fā)生無(wú)功擾動(dòng)時(shí)的輸入輸出波形，可以看出，輸入A相電壓電流同相位，因三相平衡，輸入、輸出功率因數(shù)均為1。在圖7(e）中引入無(wú)功擾動(dòng)，光伏逆變器對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后，A相電流超前于電壓(三相對(duì)稱，B相、C相與之相同），相當(dāng)于一個(gè)阻容性負(fù)載向配電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率，同時(shí)由于容性負(fù)載濾波作用，電壓波形環(huán)寬變小。

在母線電壓升高實(shí)驗(yàn)中，0.5 s時(shí)在母線上增加-150 kVar的無(wú)功負(fù)載，引起母線電壓升高。實(shí)驗(yàn)詳細(xì)波形如圖8所示，其中逆變器輸入輸出三相電壓電流均取有效值的平均值。

圖8 母線電壓升高時(shí)實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveform when the bus voltage increases

圖8(a）中，由于容性無(wú)功負(fù)載的原因，母線電壓開始升高，逆變器輸入級(jí)需要從配電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，因此逆變器輸入無(wú)功功率Q由0減少至100 kVar，低于擾動(dòng)量(-150 kVar）。這是由于在電壓升高時(shí)采用反向下垂控制，母線電壓會(huì)略高于基準(zhǔn)電壓，最終約為222 V，其輸入有功功率P在調(diào)節(jié)過(guò)程中仍然保持200 kW不變。圖8(d）為未發(fā)生容性無(wú)功擾動(dòng)時(shí)的輸入輸出波形，可以看出，輸入A相電壓電流同相位，因三相平衡，輸入、輸出功率因數(shù)均為1。圖8(e）中，在引入容性無(wú)功擾動(dòng)后，光伏逆變器電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)定母線電壓后，A相電流滯后于電壓(三相對(duì)稱，B相、C相與之相同），相當(dāng)于一個(gè)阻感性負(fù)載從配電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，同時(shí)由于容性負(fù)載的濾波作用，電壓波形環(huán)寬變小，基本無(wú)環(huán)寬。

由圖8(a），(b）可以看出，在電壓降低時(shí)逆變器輸入級(jí)無(wú)功電流Iq由0開始增大，對(duì)應(yīng)向配電網(wǎng)補(bǔ)償無(wú)功功率。圖8(c）中，輸入電流從300 A開始增加，對(duì)應(yīng)無(wú)功補(bǔ)償時(shí)總視在功率的增加。

從實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：在配電網(wǎng)母線電壓降低時(shí)，光伏并網(wǎng)逆變器能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償保持電壓穩(wěn)定，且由于引入下垂調(diào)節(jié)，母線電壓會(huì)略高于基準(zhǔn)電壓，同時(shí)光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率不受影響；而在配電網(wǎng)母線電壓升高時(shí)，逆變器能夠從配電網(wǎng)吸收無(wú)功功率保持電壓穩(wěn)定，且由于反向下垂調(diào)節(jié)的作用，母線電壓會(huì)略高于基準(zhǔn)電壓，同時(shí)逆變器的輸入輸出有功功率不受影響。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器支持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的關(guān)系進(jìn)行了量化分析，進(jìn)一步將電壓下垂控制與逆變器的無(wú)功補(bǔ)償控制相結(jié)合，給出了基于并網(wǎng)逆變器的電壓下垂控制方法。通過(guò)半實(shí)物仿真驗(yàn)證了逆變器調(diào)節(jié)母線電壓的效果，結(jié)果表明，本文所提出的電壓下垂控制能夠有效改善母線電壓質(zhì)量，且有助于減小線路損耗，避免末端電壓過(guò)低，提高了配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和抗干擾能力。