基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的光伏并網(wǎng)無功控制

陳拉拉， 王 蔚

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

受到環(huán)境污染和化石能源有限性的制約，開發(fā)利用新能源逐漸受到世界各國的廣泛關(guān)注[1]。光伏發(fā)電作為新能源發(fā)電的重要組成部分，對(duì)電網(wǎng)的滲透率也在逐漸增大，但由于其處理的隨機(jī)性，會(huì)造成并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波動(dòng)[2]，從而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

早期的研究中，逆變器多采取最大功率因數(shù)并網(wǎng)，隨著光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)滲透率的增大和光伏電站的大規(guī)模化，研究能夠進(jìn)行無功補(bǔ)償和穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓的光伏并網(wǎng)逆變器將是熱點(diǎn)。

1 光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓特性

1.1 光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓特性

光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的簡單示意圖如圖1所示。

圖1 光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)示意圖

光伏系統(tǒng)優(yōu)先為本地負(fù)荷供電，剩余功率經(jīng)一段輸電線路并入0.4 kV電網(wǎng)，其中UO為電網(wǎng)電壓，R、X為線路電阻和電抗，US為公共并網(wǎng)點(diǎn)PCC點(diǎn)電壓，光伏系統(tǒng)輸出功率為PPV+jQPV，本地負(fù)荷功率為PL+jQL。

公共并網(wǎng)點(diǎn)電壓US為[3]：

(1)

式中:Ps,Qs——分別為線路有功損耗和無功損耗，可忽略不計(jì)。

且Us的虛部分量遠(yuǎn)小于實(shí)部分量，故可將式(1)簡化如下：

(2)

一般用電負(fù)荷多為感性，則PL和QL均大于零，由式(2)可知，當(dāng)光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)，以單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，如果光伏系統(tǒng)有功輸出大于負(fù)荷有功消耗，即PPV-PL>0，則系統(tǒng)存在電壓越上限的可能，如果不進(jìn)行控制，當(dāng)US超過上限值，會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成損害，此時(shí)，可通過無功控制，使光伏系統(tǒng)吸收一定的感性無功，防止電壓越上限；如果光伏系統(tǒng)有功輸出小于負(fù)荷有功消耗，即PPV-PL<0，則系統(tǒng)存在電壓越下限的可能，此時(shí)，可通過無功控制，使光伏系統(tǒng)發(fā)出一定的感性無功，防止電壓越下限。從以上分析可以看出，為了使并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定，光伏系統(tǒng)在發(fā)出有功功率的同時(shí)，可利用逆變器的剩余容量進(jìn)行無功控制，吸收或發(fā)出一定的無功功率來穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

1.2 光伏并網(wǎng)逆變器無功極限

在圖1中，以UO為相位參考，δ為UO與US的夾角，當(dāng)R很小可忽略時(shí)，逆變器向電網(wǎng)輸送有功功率和無功功率[4]，分別為：

(3)

將式(3)整理可得：

(4)

兩邊開平方可得：

(5)

且考慮逆變器視在功率的限制：

(6)

由以上推導(dǎo)可知，光伏并網(wǎng)逆變器的無功輸出和逆變器的有功輸出、視在功率、逆變器輸出電壓、電網(wǎng)電壓和線路阻抗有關(guān)，當(dāng)需要光伏系統(tǒng)提供較大無功輸出時(shí)，需要降低系統(tǒng)有功輸出，使逆變器具有充足的剩余容量進(jìn)行無功調(diào)壓。

2 逆變器有功和無功協(xié)調(diào)控制

2.1 系統(tǒng)控制原理

系統(tǒng)拓?fù)錇槿鄻蚴诫妷盒湍孀兤鳎瑸V波器為一階L濾波器，輸出接本地負(fù)載和電網(wǎng)，環(huán)路控制[5]如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)環(huán)路控制圖

2.2 dq坐標(biāo)系下的電流解耦

dq坐標(biāo)下三相并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型[6]如下：

(7)

dq分量相互耦合，為方便控制，要進(jìn)行解耦，把式(7)變形為：

(8)

令：

(9)

將式(9)代入式(8)：

(10)

(11)

式中： Δud,Δuq——分別為PI調(diào)節(jié)器d軸和q軸分量的輸出；

τpi——積分時(shí)間常數(shù)；

控制變量ud和uq的控制方程為：

(12)

通過以上推導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)dq分量的解耦，簡化環(huán)路的設(shè)計(jì)。

2.3 無功參考值Q*的確定

無功參考值Q*采用基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的Q(U)控制策略獲得，如下式：

(13)

式中：Qmax——無功輸出最大值；

U1、U2、U3、U4——電壓標(biāo)幺值，分別是0.95、0.98、1.02、1.05[7]。

系統(tǒng)采樣并網(wǎng)點(diǎn)電壓U標(biāo)幺化后通過式(13)獲得無功功率給定值Q*進(jìn)行環(huán)路控制。Q(U)控制策略的實(shí)現(xiàn)可以借助Simulink的S-Function模塊，通過編寫M函數(shù)，將Q(U)控制策略關(guān)聯(lián)到S-Function中。

主程序：

function sys=mdlOutputs(t,x,u)

if(u<0.95)

sys = Qmax;

else if(u>=0.95&&u<=0.98)

sys= Qmax -100* Qmax /3*(u-0.95);

else if(u>0.98&&u<1.02)

sys=0;

else if(u>1.02&&u<=1.05)

sys=( 1.02- u)* Qmax *100/3;

else if(u>1.05)

sys = -Qmax;

end

end

end

end

3 仿真分析

為了驗(yàn)證基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的Q(U)無功控制策略對(duì)穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓的效果，通過Matlab/Simulink搭建系統(tǒng)仿真模型，分別對(duì)當(dāng)光伏系統(tǒng)有功輸出變化和負(fù)載變化時(shí)，Q(U)控制策略在兩種模式下的控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。逆變器直流側(cè)電壓參考值700 V；三相電網(wǎng)電壓0.4 kV；線路阻抗0.904 8+j0.314 4 Ω。

3.1 光伏系統(tǒng)有功輸出變化對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓影響

驗(yàn)證當(dāng)光伏系統(tǒng)有功輸出變化時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化和系統(tǒng)加入無功控制時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化。通過模擬一天內(nèi)光照強(qiáng)度的變化來體現(xiàn)光伏系統(tǒng)有功輸出的變化，0.5～1.0 s是模擬早上8:00-11:00，隨著光照強(qiáng)度的增大，光伏系統(tǒng)有功輸出的增加，并網(wǎng)點(diǎn)電壓不斷增大且開始越電壓上限；1.0～1.5 s模擬11:00-14:00，此時(shí)段為一天中光照最強(qiáng)的時(shí)間段，光伏系統(tǒng)有功輸出最大，并網(wǎng)點(diǎn)電壓已經(jīng)越上限，需要加以控制；1.5～2.0 s模擬14:00-17:00，此時(shí)光照強(qiáng)度下降，光伏系統(tǒng)有功輸出減小，并網(wǎng)點(diǎn)電壓逐漸降低；仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 未進(jìn)行無功控制的電壓波形(有功輸出變化)

由于系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)并網(wǎng)模式，當(dāng)光伏系統(tǒng)有功輸出超過某一值，并網(wǎng)點(diǎn)電壓將會(huì)越限，此時(shí)可通過加入無功控制來防止其越限。 0.5 s之前并網(wǎng)點(diǎn)電壓越下限，系統(tǒng)根據(jù)Q(U)無功控制策略，系統(tǒng)可以發(fā)出一定的感性無功來提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓；0.5～ 1.0 s之間，系統(tǒng)根據(jù)Q(U)無功控制策略，通過吸收一定的感性無功或發(fā)出一定的感性無功，調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值趨近于1附近；1.0～1.5 s，系統(tǒng)根據(jù)Q(U)無功控制策略，通過吸收一定的感性無功來降低并網(wǎng)點(diǎn)電壓，防止其越上限；1.5～2.0 s, 通過吸收一定的感性無功或發(fā)出一定的感性無功，調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值趨近于1附近;2 s之后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓越下限，系統(tǒng)發(fā)出一定的無功功率來提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 無功控制后的電壓波形(有功輸出變化)

從圖4可以看出，進(jìn)行無功控制后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓基本穩(wěn)定在0.95 ～1.05的限制范圍內(nèi)，沒有越限。

3.2 負(fù)載變動(dòng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓影響

驗(yàn)證負(fù)載變動(dòng)而光伏系統(tǒng)有功輸出不變時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化和系統(tǒng)進(jìn)行無功控制后并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化，將1.12 s之前負(fù)載設(shè)置為50+j10 kVA，1.12～1.60 s將負(fù)載增大為90+j15 kVA，1.60 s后負(fù)載降為50+j10 kVA，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 未進(jìn)行無功控制的電壓波形(負(fù)載變化)

此時(shí)系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)并網(wǎng)模式，1.12 s之前和1.60 s之后負(fù)載相同，此時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值穩(wěn)定在1.05，處于越上限邊界，需加以控制；1.12～1.60 s之間，負(fù)載增大，并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低，其標(biāo)幺值0.935，已經(jīng)越下限，需要加以控制。

無功控制后的電壓波形(負(fù)載變化)如圖6所示。

圖6系統(tǒng)工作在無功控制模式，根據(jù)Q(U)控制策略，系統(tǒng)在1.12 s之前和1.60 s之后，系統(tǒng)吸收一定的感性無功來降低并網(wǎng)點(diǎn)電壓；在1.12～1.60 s之間，系統(tǒng)通過發(fā)出一定的感性無功來提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓。通過調(diào)節(jié)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值穩(wěn)定在1.05～0.95之間，避免了電壓越限。

4 結(jié) 語

針對(duì)文中提出的基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的控制策略，借助Simulink仿真軟件，分別對(duì)光伏系統(tǒng)有功輸出變化和負(fù)載變化兩種情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明了提出的Q(U)無功控制策略在兩種情況下均可以穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓，防止其越限。

圖6 無功控制后的電壓波形(負(fù)載變化)