基于儲能系統的并網光伏電站PCC電壓補償

雷永強

（內蒙古能源發電投資集團有限公司電力工程技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010080）

引言

光伏發電是典型的可再生能源發電形式。 由于其受光照強度、外界溫度等環境條件的影響，光伏電池的輸出功率、電壓具有隨機波動、難以預測的特點。 光伏發電系統通常通過電力電子變換裝置即逆變器并網運行。 隨著大規模光伏電站并網運行，其對電網的影響越來越明顯，其中PCC 電壓跌落是光伏發電系統對電網影響之一[1-3]。

目前已有專家學者提出了很多方法用于減輕或補償電壓跌落問題，如無功功率補償器、動態電壓恢復器、交流柔性輸電裝置、靜止無功發生器等[4-5]。 然而，由于安裝了大量的附加設備，系統投資成本大為增加，同時控制系統也更加復雜。 隨著新能源并網規范的不斷推出和國家對分布式光伏發電的大力支持， 并網光伏電站在規模和數量上都體現出增長的趨勢， 而儲能系統成為光伏電站中必不可少的部分[6]。 此外，由于儲能系統可以吸收和釋放功率，可以調整有功無功功率的輸出，其在光伏發電中將充當越來越重要的角色。

本文將針對光伏電站儲能系統， 設計逆變器的控制策略，提出基于儲能系統的短時電壓幅值動態補償方案，通過儲能系統提供一定容量的無功支持， 解決光伏電站PCC 的電壓跌落問題。 并建立仿真模型，對所提出的補償方案及其控制策略進行仿真驗證。

1 電壓補償原理

在光伏電站中，環境條件的短時變化、大容量的負載切入或切出，會引起系統輸出功率的突變，從而引起PCC電壓的波動或暫時性跌落。 按照國內外光伏發電的并網相關標準，PCC 點電壓需要維持在規定的范圍內[7-8]。

如圖1 所示，是光伏電站接入配電網的等效電路。 US是配電網母線電壓，本文中將配電網容量視為足夠大，母線電壓幅值恒定。 光伏電站并網PCC 與配電網的聯絡線阻抗為Z=R+jX， 配電網母線向負載方向傳輸的有功、無功功率為P，Q；PL，QL是PCC 本地負載的有功、無功功率；PG，QG，分別為光伏發電系統向PCC 輸送的有功、無功功率。 一般光伏系統采用最大功率跟蹤策略[9]QG=0。QG為光伏電站儲能系統提供的感性無功功率 （正負表示發出或吸收感性無功功率）。

圖1 光伏電站并網等效電路圖

配電網向PCC 輸送的功率為：

由式（1） 可得，PCC 點與配電網聯絡線電流可表示為：

配電網母線電壓與PCC 點電壓差值可表示為：

以UPCC作為電壓參考值，即式（3）可表示為：

其中：

對于低壓架空線路，電阻分量與電抗接近，故線路首末端電壓相位偏差較小，電壓差值的橫分量可以忽略。 儲能系統補償無功為正，即發出感性無功功率。 光伏系統不發感性無功功率[10]。

因此，可得PCC 電壓：

在光伏發電系統中， 光伏電池板受到短時的云層遮擋等環境影響時，輸出的有功功率將急劇減小，此時將引起PCC 的電壓跌落， 需要采用無功補償裝置補償感性無功功率，控制PCC 的電壓。 在實際光伏電站中，均配置一定容量的儲能系統（多為蓄電池組），作為檢修等緊急情況下的有功或無功備用。 因此， 可以設計有效的控制策略，將儲能系統這部分容量利用起來，提供無功功率將會大大減少配置無功補償設備容量，降低工程投資費用[11]。

2 儲能裝置補償方案

光伏電站中儲能系統并網的拓撲結構，如圖2 所示。

圖2 儲能系統并網結構圖

圖2 中，儲能可以是光伏電站備用儲能裝置，或光儲聯合發電系統中的儲能系統。在PCC 電壓跌落時，對儲能系統采取電壓幅值-無功電流IQ（U）的控制方式，通過控制使得儲能系統逆變器工作于超前功率因數狀態， 在容量限制范圍內發出一定容量的無功功率補償PCC 電壓跌落。 功率控制本質是控制電流，因此本文采用電流控制代替功率控制[12-13]。 無功電流電壓調整系統控制框圖如圖2所示。

圖3 無功電流電壓控制框圖

如圖3 所示，在兩相旋轉坐標系d，q 坐標系下，通過控制并網逆變器，實現控制儲能系統的功率輸出。 控制系統中，采用鎖相環（PLL）實時監測PCC 電壓幅值和相位，采用電流環節控制PCC 電壓， 將檢測所得電壓瞬時幅值與設定的電壓參考值作比較，偏差信號經過PI 調節，作為無功補償電流的參考值， 與設定的無功電流參考值疊加作為新的無功電流參考值經PI 調節， 得到PWM 脈沖信號， 控制逆變器的輸出無功功率， 從而實時動態地調整PCC 電壓。

3 仿真分析

本文基于MATLAB/Simulink 仿真軟件， 搭建含有儲能系統的并網光伏電站仿真模型，如圖4 所示。 用電壓源等效代替光伏電池，采用蓄電池模型模擬儲能系統。 逆變器輸出380V 交流電壓通過PCC 接入交流配電網。 有功負荷Load1 10kW，Load2 （可控制投切）5kW。 仿真時間取0.5s。 圖5 為系統仿真結果。

圖4 含儲能系統的并網光伏電站仿真模型

在未采用補償策略的情況下，在0.3s 時刻，切入負荷Load2，PCC 電流及有功功率輸出波形如圖5（b）（a）所示，此時， 由于系統缺少無功支撐，PCC 電壓開始跌落到約0.9UN（UN為額定電壓，用標幺值表示），如圖5（c）所示。采取本文儲能系統補償策略后， 在0.3s 時刻切入負荷Load2，PCC 電壓在0.31～0.32s 期間稍有跌落；此時，儲能系統迅速補充無功功率并自動調整輸出無功容量，PCC電壓逐漸回升到額定電壓UN。 在0.35～0.5s 時間段，儲能系統釋放的無功功率相應減少，為了維持PCC 電壓穩定， 在逆變器控制下，儲能系統繼續提供少量的無功功率，如圖6（b）所示。結果表明，基于儲能系統的無功補償策略可以補償光伏電站PCC 電壓跌落，且具有良好的動態響應和補償效果。

4 結論

針對并網型光伏電站PCC 點的電壓跌落問題，通過分析電力系統電壓跌落的補償原理，提出了基于儲能裝置的無功補償方案以及逆變器的控制策略。搭建了仿真模型，驗證了所提出補償方案的有效性。 結果表明，采用基于儲能裝置的無功補償方案， 既可以有效利用工作電站所配置的儲能裝置，同時可以解決PCC 的電壓跌落問題，為并網光伏電站的穩定運行提供技術參考。

圖5 補償前負荷切入仿真結果

圖6 補償后切入負荷仿真結果

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