基于瞬時功率控制的分布式新能源并網策略*

祖光鑫，陳銀娥，于海洋，武國良，孫東陽，楊世彥

(1．哈爾濱工業大學，哈爾濱150001;2．國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱150030)

0 引言

近些年來我國新能源發電發展迅速，隨著我國能源政策的落實，分布式光伏迎來了高速發展的機遇，但是發展同時也面臨著諸多問題，配電網的接納能力便是制約因素之一，當前我國的配電網環境復雜，無法為接納大量分布式光伏并網而進行大面積改造，光伏發電系統有功出力隨環境變化，而配電網存在無功分布改變的特點，如果對該配電網的并網控制策略選擇不當，不但會影響配電網電能質量和經濟性，還將會導致分布式光伏發電系統的無法與配電網聯網運行［1-4］，因此解決當前矛盾的關鍵方案是通過控制策略的改進提升分布式光伏系統的并網特性，使其能適應配電網并在一定程度上改善提高配電網狀況。

針對當前問題，提出了一種基于瞬時功率控制的分布式光伏并網策略，通過對分布式光伏發電系統與配電網連接點瞬時功率的分析與控制，實現根據配電網狀態進行瞬態輸出功率控制。首先，構建了分布式光伏并網系統的瞬時功率分析方法并對其進行準確數學描述。然后，基于對分布式光伏系統和配電網系統瞬時功率的分析，以調整分布式光伏與配電網連接點處配電網電流為單位功率因數正弦波為控制目標，提出了基于瞬時功率控制的分布式光伏并網策略。最后，分布式光伏接入配電網的區域電網模型仿真算例，運用提出的分布式光伏并網策略針對光伏陣列有功輸入波動情況和配電網兩種不同無功狀態補償仿真。通過理論分析和仿真結果證明了該策略的有效性。

1 瞬時功率分析

傳統功率分析對電網穩態值進行計算分析，瞬時功率分析方法突破傳統方法的局限，通過對測量電氣量的瞬時值進行計算分析，可以對配電網狀態可以實時分析，并通過并網控制系統做出相應反應。這種分析方法有效地解釋了與配電網連接點的瞬時有功功率和瞬時無功功率的物理意義，可以清晰地反應出分布式光伏發電系統與配電網之間能量是如何流動以及各相之間循環的。瞬時功率分析方法是基于αβ0空間來進行定義的，因此分析的第一步需要將測量得到的三相電壓和電流通過空間變換到αβ0空間，在通過在αβ0空間定義的瞬時功率分別計算得到系統的瞬時功率［5-9］。

1．1 空間變換

1．1．1 αβ0 空間變換

αβ0空間變換即是Clarke變換，將abc空間下的電壓電流瞬時值變換到αβ0空間下，其中abc空間重a、b和c三個坐標軸在空間上互差2π/3，而在αβ0空間重α軸、β軸和0軸是互相正交的，αβ0空間變換把三軸二維的abc空間中的平衡分量轉化到二軸二維的αβ空間中;把abc空間中的不平衡分量轉化到與αβ平面垂直的0軸上，因此經過變換后，將abc空間相關3個矢量變為了αβ0空間互不相關的2個矢量。系統內不存在不平衡分量時，將3個相關矢量變為了2個互不相關矢量。同時通過αβ0空間變換也將三相系統中的平衡分量和不平衡分量有效解耦，為解決配電網三相不對稱問題的分析和計算提供了有效的方法。

由于基于瞬時功率的分析方法都是在αβ0空間進行的，因此首先對實時采集的光伏系統并網點的電壓電流進行αβ0空間變換。

va、vb和vc為 abc空間中瞬時電壓，vα、vβ和 v0為αβ0空間中的瞬時電壓。

式中ia、ib和ic為abc空間中瞬時電流;iα、iβ和i0為αβ0式中 空間中的瞬時電流。

1．1．2 αβ0空間變換的功率分析

根據Clarke變換定義:

其中變換矩陣是αβ0空間里的完備正交集，由于αβ0空間重α軸、β軸和0軸三軸正交，根據帕塞瓦爾定理可以得到:

通過向量的二次范數相等可以得知空間變換前后信號的功率不變。

1．2 瞬時功率分析

1．2．1 瞬時功率的計算

瞬時有功功率p3在abc空間通過電壓電流瞬時值計算，公式為:

p3=vaia+vbib+vcic(5)

因為根據αβ0空間變換的功率分析可知αβ0變換信號功率不變，所以瞬時有功功率可以αβ0變換后的分量來計算:

p3=vaia+vbib+vcic=vαiα+vβiβ+v0i0(6)

根據瞬時功率理論，瞬時功率定義分為瞬時實功率p、瞬時虛功率q和瞬時零序功率p0。它們實在αβ0空間進行計算得到的，公式如下:

由以上可知，瞬時有功功率p3為:p3=p+p0(8)

1．2．2 瞬時功率的物理意義

瞬時實功率p、瞬時虛功率q和瞬時零序功率p0在三相系統中的物理意義如圖1所示。

圖1 瞬時功率的物理意義Fig．1 Physical meaning of the instantaneous power

瞬時有功功率p3=p+p0為不同系統間傳遞的能量流;瞬時虛功率q為三相系統相間互傳遞的能量流，不參與系統間能量傳遞，表示系統相間交換能量的大小;瞬時零序功率p0為系統中的零序分量，對瞬時實功率p和瞬時虛功率q沒有影響。

1．2．3 瞬時功率的分解分析

通過公式(7)計算可以得出系統瞬時實功率p、瞬時虛功率q和瞬時零序功率p0。它們分別由相應的直流分量和交流分量組成，通過設計合理的數字濾波器，可以有效的將瞬時功率進行分解，得到:

對于瞬時實功率p，直流分量p珋表示單一方向傳遞的能量流;交流分量珓p表示系統間反復傳遞的能量流，其平均值等于零;對于瞬時虛功率q，直流分量珋q與三相無功功率定義相對應交流分量珓q在系統相間進行能量交換，瞬時虛功率q對能量傳遞沒有影響;瞬時零序功率p0由于三相不平衡產生的零序功率，傳遞不平衡分量能量，直流分量珋p0為單一方向傳遞，交流分量珓p0為往復傳遞。

2 基于瞬時功率控制的分布式光伏并網策略

2．1 瞬時功率控制策略

通過對分布式光伏系統與配電網連接點處瞬時功率的計算和分解分析，可以實時掌握配電網的運行狀態，并根據目標對已經得到的瞬時實功率p、瞬時虛功率q和瞬時零序功率p0的直流分量和交流分量進行處理，進而計算出分布式光伏系統的參考輸出功率。

如圖2所示為采用的瞬時功率控制框圖，該控制方法以調整分布式光伏與配電網連接點處配電網電流為單位功率因數正弦波為控制目標，根據監測計算得到的光伏陣列瞬時有功和配電網的電壓和電流信號計算參考輸出功率。瞬時實功率p的輸出量為配電網實功率交流部分和光伏陣列實時輸出的瞬時有功，瞬時虛功率q輸出為配電網需要的無功瞬時功率，瞬時零序功率p0為配電網的不平衡部分。

2．2 輸出電流的計算

根據計算得到的分布式光伏系統需要輸出的瞬時實功率p、瞬時虛功率q和瞬時零序功率p0后，通過式(7)的逆矩陣可以推得分布式光伏系統需要輸出的參考電流。

圖2 瞬時功率控制框圖Fig．2 Control block diagram of the instantaneous power

α軸和β軸參考電流的計算公式為:0軸參考電流的計算公式為:

再通過Clarke反變換，將得到的αβ0空間下的參考電流轉換到abc空間下:

3 仿真實驗

為了驗證所提出分布式光伏并網策略的有效性，首先根據東北某配電網架參數，搭建一個分布式光伏接入配電網的區域電網模型，如圖3所示。

圖3 分布式光伏并網系統的仿真框圖Fig．3 Simulation block diagram of distributed grid-connected photovoltaic system

基于此模型，利用所提出的控制方法針對光伏陣列有功輸入波動情況和配電網兩種不同無功狀態補償仿真，并對仿真結果進行分析。

圖3中A部分為分布式光伏并網系統;B部分為配網的供電網;C部分為配電網簡化負載;D部分為瞬時功率控制系統。

首先對光伏陣列有功輸入波動情況進行仿真，仿真的結果如圖4所示。

圖4 光伏陣列有功輸入波動的仿真結果Fig．4 Simulation result of PV array activeinput fluctuation

在仿真過程中，分別對配網負載有功由光伏系統和電網同時提供、光伏并網系統提供了配網負載全部有功電網基本不參與能量交換和光伏并網系統輸出有功超過配網負載所需有功并將多余有功輸入到電網三種情況進行模擬仿真，從圖中可以看出，分布式光伏并網系統的輸出電流與配電網電壓始終同相，幅值隨光伏陣列的有功輸入變化，實現了分布式光伏系統對有功輸入的跟蹤控制。

然后對配電網兩種不同無功狀態補償仿真，假定仿真過程光伏陣列有功輸入為定值，配電網無功狀態以配電網簡化負載類型表示，仿真結果如下。當配電網簡化負載類型為容性時，即配電網系統需要無功吸收源，仿真結果如圖5所示。

當配電網簡化負載類型為感性時，即配電網系統需要無功輸入源，仿真結果如圖6所示。

圖5 容性負載的仿真結果Fig．5 Simulation result of capacitive load

圖6 感性負載的仿真結果Fig．6 Simulation result of inductive load

從圖中可以看出，針對配電網兩種不同無功狀態，通過分布式光伏系統功率調節后，配電網電流與電壓實現了同頻同相的，說明通過文中的控制策略實現了分布式光伏并網系統的輸出功率補償了配電網的無功分量，同時分布式光伏并網系統根據光伏陣列的有功輸入對配電網進行供電。文中的控制策略可以使分布式光伏系統根據配電網狀態進行瞬態輸出功率控制，仿真結果證明了該并網控制策略的有效性。

4 結束語

以分布式光伏并網系統根據配電網狀態進行實時的輸出功率控制為目標，基于瞬時功率控制可控性好準確等特點，提出一種基于瞬時功率控制的分布式光伏并網策略，該策略能夠快速準確針對配電網的不同狀態進行分布式光伏系統輸出功率的適應調整，繼而為分布式光伏與配電網協調安全高效運行提供了技術支持。