基于UPFC的光伏發電系統主動并網研究

程海軍， 魯寶春， 劉 飛， 姜丕杰， 孫麗穎

(遼寧工業大學電氣工程學院，遼寧錦州121001)

基于UPFC的光伏發電系統主動并網研究

程海軍， 魯寶春， 劉 飛， 姜丕杰， 孫麗穎

(遼寧工業大學電氣工程學院，遼寧錦州121001)

針對獨立光伏發電系統的不足和升級改造的不經濟性，提出基于UPFC的獨立光伏發電系統主動并網方法。利用UPFC的綜合控制功能，主動調節光伏發電系統的并網參數，實現快速、平滑并網。給出了并網控制器模型和并網控制結構。仿真分析表明了該方法的正確性和有效性。

獨立光伏發電系統；主動并網；統一潮流控制器；仿真分析

近年來，隨著化石能源的枯竭和環境污染的日益加重，光伏發電作為清潔的可再生能源得到快速發展，正處于大規模應用階段。國家能源局發布的《可再生能源發展“十二五”規劃》中明確提出：到2015年，我國將建成30個以智能電網、物聯網和儲能技術為支撐的新能源微電網示范工程[1]，國內光伏裝機容量將達15 GW[2]。因此，光伏發電系統的設計及控制成為研究熱點[3-4]。光伏發電系統并入大電網，縮短并網時刻瞬態，實現光伏發電系統與大電網平滑同步是首要考慮的問題，即在并網合閘前，光伏系統母線電壓和大電網母線電壓的幅值、相角和頻率盡量一致。IEEE Std 1547.4-2011給出三類并網方法：停機轉換、被動同步和主動同步[5]。停機轉換方法比較簡單，但會導致負載短時停電。被動同步方法并網時間較長，對系統沖擊較大。主動同步方法通過控制策略主動調節光伏系統電壓跟蹤大電網電壓，因此能快速平滑地實現同步。目前，微電網、智能電網技術的提出，都希望能夠通過光伏發電系統對整個電網穩定運行起到一定的支撐作用。在國外，如日本、德國等國家，出臺了光伏發電系統新的并網規范，要求光伏發電并網系統能夠支撐大電網的安全運行，允許光伏系統參與電網的電壓、頻率調整，允許其調整輸出有功和無功功率[6]。在國內，國網公司也推出了新的光伏系統并網規范，允許光伏發電系統具有一定的功率控制能力，來參與電網局部的電壓、頻率調整[7]。

獨立光伏發電系統的能量供應形式單一，靈活性差，可靠性低，如果出現線路故障或者光照不足等情況，負荷的正常供電將無法滿足，這就制約了獨立光伏發電系統的發展。在此背景下，如果獨立光伏發電系統能夠具備在自身發電量充足的情況下并網，在發電量不足時從大電網吸收電能，實現能量雙向傳輸，將大大提高其應用的靈活性。如果通過系統改造，如加裝光伏并網逆變器，必然要對整個光伏系統的結構進行改造，使得各部分能夠匹配，這樣會嚴重影響經濟性。如果存在一種能實現“即插即用”并網功能的控制器，將有效解決這一問題。這種控制器必須具備調節系統電壓幅值、相角、頻率的功能，才能實現并網。在此背景下，本文提出基于統一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)的獨立光伏發電系統主動并網方法，實現快速、平滑并網要求。

1 控制器的結構及控制功能

1.1 拓撲結構

并網系統結構如圖1所示。其中，虛線部分為基于UPFC并網控制器的拓撲結構，主要包括并聯變壓器、串聯變壓器、變流器及控制系統。并網的控制目標是利用UPFC的調壓功能使光伏系統電壓與大電網電壓幅值和相位匹配，兩個電網實現快速平滑并網。根據并網控制目標，串聯側連接在光伏系統線路末端，并聯側并聯在公共連接點(point of common coupling，PCC)，同時裝設有斷路器，用以投入和切斷并網控制器裝置。

圖1 并網系統結構圖

1.2 控制功能

并網控制器的并聯側是一臺靜止同步補償器(STATCOM)裝置，串聯側則是一臺靜止同步串聯補償器(SSSC)裝置，而能量的傳遞則通過兩臺裝置中間的直流電容進行。從功能上來看，該裝置的并聯側實際上是AC-DC變換，串聯側是DC-AC變換，這種AC-AC結構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 系統建模

2.1 UPFC的數學模型

根據并網系統結構，UPFC兩側的電路分別是三相PWM整流電路和三相PWM逆變電路，與直流電容結合構成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

根據并網系統結構可知，控制器并網控制約束條件如式(4)所示。

并網的控制目標是利用UPFC的調壓功能使光伏系統電壓與大電網電壓幅值和相位匹配，滿足并網條件，兩個電網實現快速平滑并網?？刂茖ο笫谴搨妊a償電壓和并聯側電壓，參考對象是大電網電壓?；谏鲜隹刂扑枷?，控制器采用PI控制，并采用SPWM控制脈沖輸出，具有調節迅速、穩定性好的特點。針對式(2)和式(3)存在的交叉耦合現象，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學分量帶來的誤差。

當并網控制器工作在相對穩定的狀態時，給予式(5)～(7)所示的擾動信號：

采用小信號分析法，可得出UPFC并聯側控制結構如圖3所示。

圖3 并聯側控制結構

同理，可得出UPFC串聯側控制結構如圖4所示。

圖4 串聯側控制結構

3 并網控制

光伏系統并入大電網時，應該滿足準同期并網要求。根據IEEE Std 1547-2003標準[8]，需滿足的準同期參數限值如表1所示。

表1 IEEE Std 1547-2003準同期參數

如果系統容量在0～500 kVA，由表1可知，兩系統并網前相角偏差要小于20°。根據式(9)可計算出最大電壓偏差為光伏系統中由于應用大量的電力電子器件，因此通常具有較小的慣性，為保證并網的平滑性，減小對系統的沖擊，并網時要求標準更嚴格。假設要求并網時瞬時電壓偏差在以內，根據式(9)可計算出兩系統電壓相位偏差應該小于2.866°。

綜合上述分析，本文采用的準同期判定條件如式 (10)所示。

4 仿真分析

采用Matlab/Simulink軟件，構建了基于UPFC的光伏系統主動并網仿真模型，主要包括獨立光伏發電系統模型、并網控制器模型以及大電網模型。大電網模型用三相電壓源等效代替，參數設置為由于光伏發電系統及并網控制器的綜合并網仿真模型過于復雜，仿真運行時間太長，不利于分析。因此選擇將獨立光伏發電系統用電壓源等效，參數設置為變壓器變比為0.38/10 kV?；鶞示€電壓取10 kV，基準功率取100 MW，線路的單位長度阻抗取并網控制器的直流電容取1 500 μF，仿真中的數據采用標幺值來表示。

根據搭建的仿真模型分別對直接并網和投入并網控制器并網兩種方式進行仿真，采用并網控制器并網時，在0.2 s時投入并網控制器。兩種并網方式下并網時刻如圖5所示。圖5 (a)為直接并網方式，在5 s左右的時刻才能找到觸發并網，并網等待時間較長。圖5(b)為并網控制器并網方式，在0.67 s時就開始觸發并網，有效縮短并網等待時間。

圖5 并網時刻

圖6為兩種并網方式下并網時刻沖擊電流波形圖。圖6(a)為直接并網方式，沖擊電流最大值超過了2 000 A。圖6(b)為控制器并網方式，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，趨于穩定，有效減小并網沖擊電流。

圖6 并網時沖擊電流波形

由此可知，采用基于UPFC的主動并網方法，縮短并網等待時間，幾乎沒有電壓幅值突變，沖擊電流小，實現平滑并網，提高了并網時系統的暫態穩定性。

5 結論

本文提出一種基于UPFC的獨立光伏發電系統主動并網方法，即通過UPFC的綜合控制功能，主動調節光伏發電系統的運行參數，從而實現快速平滑并網。通過仿真分析表明，該方法具有并網時間短、沖擊電流小、系統穩定性高的特點。從經濟性的角度考慮，獨立運行的光伏發電系統通過升級改造系統架構和逆變器實現并網是不經濟的。本文提出的并網方法，無需改動系統架構，在原有系統的基礎上安裝并網控制器，實現“即插即用”功能，為獨立運行的光伏發電系統并入大電網提供了一種技術方案。

[1]王成山，武震，李鵬.微電網關鍵技術研究[J].電工技術學報，2014,29(2):1-12.

[2]沈欣煒，鄭競宏，朱守真，等.光伏并網逆變器控制參數的dq軸解耦辨識策略[J].電力系統自動化，2014,38(4):38-43.

[3]丁明，王偉勝，王秀麗，等.大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J].中國電機工程學報，2014,34(1):1-14.

[4]黃欣科，王環，王一波，等.光伏發電系統并網點電壓升高調整原理及對策[J].電力系統自動化，2014,38(3):112-117.

[5]IEEE.IEEE Std 1547.4-2011 IEEE guide for design,operation,and integration of distributed resource island systems with electric power systems[S].New York,NY,USA:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,2011.

[6]STETZ T,MARTEN F,BRAUN M.Improved low voltage grid-integration of photovoltaic systems in Germany[J].IEEE Trans on Sustainable Energy,2013,4(2):534-542.

[7]國家電網公司.Q/GDW 617-2011光伏電站接入電網技術規定[S].北京：中國電力出版社，2011.

[8]IEEE.IEEE Std 1547-2003 IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S].New York,NY, USA:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,2003.

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自動化及新能源發電。