光伏發電系統中電壓自動調整的分析

陳 浩，高玉凱

(大慶師范學院)

0 引言

隨著科學技術的快速發展，光伏發電技術得到了廣泛應用，其減少了對傳統化石燃料的依賴，有利于減少溫室氣體的排放，同時能夠加強國家能源安全，積極響應國家的可持續發展戰略.而基層電氣化是我國現代化的重要組成部分，現在居民用電量增加、產業以及社會事業發展都對基層電網提出了新的更高的要求［1］.電壓穩定是電力系統穩定的一個方面，與頻率穩定、功率穩定相比，電壓穩定更具重要意義.加上這些年基層經濟發展較快，用電量大幅增加，很多已經改造過的基層電網也與快速增長的用電需求不相適應，電網輸送壓力加大，用電矛盾突出［2］.同時一些地方的末端電壓較低，供電輸送能力已不能滿足現在居民的需要，直接影響就是到戶電壓偏低且不穩定［3］.與此同時，光伏電池的轉換率提高和成本下降必將促進光伏發電的大規模發展，會逐步優化我國傳統的能源結構，也達到了綠色環保的目的［4］.在這樣的背景下，探討了光伏發電系統中電壓自動調整方法與效果.

1 光伏發電系統與電壓穩定

1.1 光伏發電系統

太陽能作為理想的可再生能源，具有資源豐富、清潔無污染、分布廣泛等優點，受到越來越多的國家的重視.要把太陽光能轉換成電能，光電轉換技術是其關鍵，當前我國與世界主要大國都投入大量的人力和資金發展光伏產業，在太陽能電池的研究、產業化和應用方面也取得了驚人的進展，為全世界各國發展可再生能源利用樹立了典范［5］.從光伏發電系統的原理上分析，在內建電場的兩側引出電極并接上負載，則負載就有了“光生電流”流過，容易產生“光生電壓”與“光生伏打效應”.具體來說，就是當太陽光照射在太陽能電池上，產生光生電子空穴對，同時太陽能電池吸收光能，可在電池內建電場的作用下，電池兩端就出現異號電荷的積累，光生電子和空穴分離，從而獲得功率輸出，也就使得太陽的光能就直接變成了可以使用的電能［6］.

1.2 電壓穩定

隨著用電規模的逐漸增加，電網規模不斷擴大，系統的穩定性問題變得更加重要［8］.

電力系統的電壓穩定性是電力系統維持負荷電壓于某一規定的運行極限之內的能力，電壓穩定性是在外在因素影響中，系統電壓不發生電壓崩潰的能力，并且能夠保持或恢復到允許的范圍內.現代研究認為電力系統的電壓穩定性主要取決于網絡輸送到負荷的功率能否滿足負荷自身的功率需求［7］.并且判斷電壓穩定的準則是在正常運行情況下，對于系統中的每條母線，母線電壓的幅值隨著該母線注入無功功率的增高而升高.如果網絡輸送到負荷的功率不能滿足負荷自身的功率需求，可導致電壓失穩甚至系統電壓崩潰.

2 當前我國基層電網末端低電壓現狀及原因

2.1 當前我國基層電網末端低電壓現狀

我國基層電網的發展要求是使全國基層電網得到改善，基層居民生活用電得到較好保障，構建一個安全可靠、節能環保、技術先進、管理規范的新型基層電網.隨著光伏材料的不斷改進、先進控制理論方法的提出與電力電子元器件的飛速發展，光伏技術的發展發生了許多變化.首先是封裝合理化、智能化、快速化、低導通損耗等成為了光伏原件的發展方向，封裝的合理化有助于減小寄生參數、有效散熱并保持高機械強度;智能化對提高系統可靠性提供強有力的保障，快速化則有利于減小開關應力;低導通損耗減少發熱產生的損耗，提高并網逆變器系統的效率.其次是并網逆變器輸出的直流成分在引入DSP技術后得到了有效的抑制;DSP技術的應用還有助于改善THD總諧波失真、縮小濾波器體積、改善輸出波形等.

經過國家對基層電網的一、二期建設和改造，供電質量不斷改善，線損率有所下降，供電可靠率較大提高，但也應該清醒地認識到，基層電網和城市電網還有很大的差距，特別是中西部偏遠地區基層電網改造面低，覆蓋面還不足80%，改造標準不高，網絡結構不合理，線路供電半徑長，農業生產供電設施以及獨立管理的農場、林場、小水電自供區等電網大部分沒有改造，部分地區還沒有實現城鄉用電同網同價，一些改造過的基層電網也與快速增長的用電需求不相適應［9］.

2.2 當前我國基層電網末端低電壓的原因

2.2.1 線損過大

基層電網中有載高壓設備太少，不利于調節電壓波動和補償電容投入容量之間的關系，造成補償電容不能有效發揮作用;在基層電網上除按功率因數考核的用電大戶自裝低壓電容器外，其他都裝在農網高壓側，形成“以高補低”的局面，這不符合無功負荷“分級補償，就地補償”的原則;由于基層綜合變壓器的客戶多，用電大戶少，而一般只有用電大戶才安裝無功補償設備，用電小戶不安裝，所以無功缺額數量較大［10］.

2.2.2 電壓合格率仍待改善

由于歷史原因形成基層電網結構薄弱，電源點少，10 kV線路迂回供電、卡脖子、老化等問題仍相當嚴重.而農網季節性負荷、晝夜負荷變化較大的特性，以及供電半徑較長的現實情況，局部地區供電電壓合格率水平還較低，平均只有80%左右，與國際標準的合格率96%的標準相去甚遠.

2.2.3 供電可靠性仍較低

由于資金不足，投資力度不夠，致使部分基層電網建設水平勉強滿足或還不能滿足基層經濟發展的需要，加上現在新基層建設引導，城鎮地區電力負荷飛速增大，而基層電網屬于三級負荷，當出現用電矛盾時，基層電網是被忽略的對象，造成基層電網經常斷電，基層用戶供電可靠性得不到保障.

3 光伏發電系統中電壓自動調整的拓撲結構與關鍵技術

3.1 新拓撲結構

由于光伏發電系統存在著當光強變化和溫度變化時，光伏發電系統的輸出電壓變化大、幅值低，使輸出電壓經常出現波動，導致光伏發電并網系統所發電能并網困難;而獨立式光伏發電系統又存在太陽能資源不足時，無法保證基層用電的可靠性.因此提出了一種分布式光伏發電自動調整基層電網末端電壓系統，即無需并網，又能充分利用太陽能資源，其拓樸結構如圖1所示.

圖1 光伏發電自動調整基層電壓系統框圖

該系統采用光伏發電系統與大電網并聯結構，以光伏發電為主要電源，大電網為補充電源.平時正常情況下，主要由光伏發電對基層負荷進行供電，當光伏發電系統所發電能不足以滿足基層負荷用電需求時，再從大電網補充一定的電能以確保居民的正常用電.由此可以看出，光伏發電系統所發電能并沒有并網，這就避免了并網所帶來的一系列問題，系統本身相當于一個微網，光伏發電是此微網的主要電力自動調整，只有當光伏發電不足時，才利用大電網為基層負荷供電，使大電網成為光伏發電系統的補充，這樣即可以最大限度地利用太陽能，同時，又實現了光伏發電與大電網共同承擔為基層電網供電的任務.

3.2 關鍵技術

3.2.1 MPPT 技術

光伏陣列作為整個光伏發電系統的供能者，在外部因素的變化條件下要確保其輸出功率最大就必須進行最大功率跟蹤(MPPT).并且由于光伏陣列本身具有顯著的非線性特性，通過光伏效應把太陽能直接轉換為電能.

3.2.2 智能控制技術

光伏充電控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，在外部條件不斷變化的情況下，光伏充電控制器的智能控制技術一般通過DSP高能芯片實現，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用.

4 光伏發電系統中電壓自動調整的案例分析

對滯環電流調制和改進正弦電流滯環調制方法的并網控制系統進行了建模和仿真.經變壓器升壓后并網公用交流電網，控制回路采用電壓外環，通用橋臂設計為IGBT，交流側由電感和電容組成濾波電路.系統改進電流正弦滯環調制逆變仿真模型，電流控制有兩個子系統，當參考電壓處在正半周期時，切換到正半周期電流控制予系;當參考電壓處在負半周期時，切換到負半周期電流控制子系統，仿真時間設置為0.1 s，計算方法為ode45，可變步長.

由于采用正弦滯環環寬控制，尤其是在參考電流過零點附近時滯環寬度降低到最低點，減少了并網電流諧波，不過增加了功率開關管的頻率.所以不管是在功率開關管方面還是在減少諧波方面，改進正弦電流滯環控制都具有明顯的優勢.在應用特點上，本系統采用蓄電池和超級電容器作為儲能裝置，保障系統持續供電，同時也可實現系統的調峰功能.建立光伏發電和基層負荷獨立的小型智能電網，形式靈活，實現方便，即充分利用了太陽能資源，又繞開了光伏發電系統并網的阻礙.分布式光伏發電系統的發電原料是太陽能，資源豐富、綠色環保，且系統一般都建設在負荷附近，電力傳輸系統的消耗幾乎為零.系統中采用蓄電池和超級電容器組成的復合儲能裝置，還有大電網做補充，相當于配備了兩個備用電源，大大提高了系統的可靠性.

總之，電力系統電壓穩定問題的研究有著十分重大的社會經濟意義，以光伏發電為切入點，研究光伏發電對基層末端電壓的自動調整技術，提出光伏發電支撐基層末端電壓的新拓撲結構與關鍵技術，此結構即無需并網，又能充分利用太陽能，形式靈活，實現方便.

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［3］周雙喜，朱凌志.電力系統電壓穩定性及其控制［M］.北京:中國電力出版社，2014.

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［5］裴郁.我國可再生能源發展戰旅研究［D］.沈陽:遼寧師范大學，2014.

［6］崔榮強，喜文華，魏一康.太陽能光伏發電［J］.太陽能，2004(4):72－76.

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［9］Nicola F，Giovanni P，Giovanni S，et al.Optimization of Perturb and Observe maximum power point tracking method［J］.IEEE Transactions On Power Electronics，2005，1(8):963–973.

［10］周雙喜，朱凌志，郭錫玖，等.電力系統電壓穩定性及其控制［M］.北京:中國電力出版社，2014.