含扶貧式光伏農村配電網電能質量綜合控制技術研究*

張天衛，袁旭峰，時豪，唐圣輝

(貴州大學 電氣工程學院， 貴陽 550025)

0 引 言

貧困戶和貧困村在政府支持下，安裝分布式光伏電源后，可實現一次性投入、多年受益、穩定增收的扶貧效果。從電力系統角度看，這也為長久以來的農村配電網電能質量問題帶來了機遇和挑戰。傳統農村配電網負荷分散、配電線路長、線徑偏小，且在低壓配電網中電能質量治理裝置功能單一，效果不明顯。有的農村配電網甚至沒有配備相應的電能質量治理裝置，這使得農網在負荷高峰時電能質量問題更加嚴重[1]。安裝分布式光伏后，在對光伏電源本身進行控制的基礎上，還需要綜合有效的控制策略，解決農村配電網在分布式光伏并網后引起的電能質量問題。

1 含扶貧式光伏的農網電能質量問題分析

1.1 農村配電網結構及用戶負荷特點

農村配電網低壓線路通常采用三相四線制的供電方式，大部分以單相二線的方式進行供電，存在少部分三相動力負荷。這就意味著農村配電網運行時出現的三相不平衡問題不可忽視，負荷不平衡所產生的零序電流可以通過中性線構成回路，且因為疊加關系，中性線的零序電流大小是相線零序電流的三倍。對于農村配電網來說，線路阻抗比較大，因此配電線路的壓降主要由有功功率引起。

農村負荷密度低且分散，呈現出一定的季節性和隨機性，經常會造成負荷過重從而導致臺區線路末端電壓過低，甚至影響正常生產。同時，沿線接入的非線性負荷帶來的波動性、非線性和阻感性會對農村配電網電能質量產生影響[2]。

1.2 含扶貧式光伏農網電能質量問題

農村配電網一般呈簡單的輻射鏈式結構，用電負荷分散，配電距離長。其本身就存在著一定的電能質量問題[3]。當分布式光伏并入低壓配電網后，其對配電網電能質量產生的影響可分為兩方面。

1.2.1 正面影響

(1)分布式光伏接入配電網可以實現能量的就地平衡，減少了遠距離傳輸電能的投資和損耗。在季節性負荷較大時，分布式光伏能夠迅速提供功率支持，改善系統的穩定性；

(2)通過控制光伏并網逆變器的無功輸出能力，可以使分布式光伏參與調節配電網電壓[4];

(3)通過合理配置儲能裝置，實現光儲聯合發電，可以減少光伏電源的棄光率，并且在沒有輻照的夜間能夠對配電網提供功率支持。

1.2.2 負面影響

(1)光伏出力的隨機性、波動性可能引起電壓閃變、驟降問題[5]，變壓器等傳統調壓方式由于響應速度較慢無法對其進行有效調節；

(2)分布式光伏中含有大量的電力電子開關器件，會對配電網產生諧波污染；

(3)當分布式光伏單相接入配電網時，可能會加重系統的三相不平衡問題[6]。

2 光伏逆變器電壓/無功控制

2.1 逆變器無功輸出原理

對逆變器功率輸出進行矢量分析，單相并網等效電路如圖1所示。

圖1 光伏并網等效電路

可以得到：

Vg=Ig(R+jX)+Es

(1)

式中Vg為逆變器的輸出相電壓；Es為電網三相相電壓；R+jX為并網等效阻抗；Ig為逆變器輸出電流。如果以Es的相位為參考，Es和Vg之間的夾角為δ，設：

(2)

(3)

當R很小的時候可以忽略得：

(4)

則逆變器發出的復功率為：

(5)

逆變器向電網輸出的有功和無功功率分別為：

(6)

(7)

一般情況下δ較小，可以得到：

(8)

(9)

由以上公式可知通過控制可以改變逆變器的運行狀態，如圖2所示，es為電網電壓，X為交流側電抗值，R為等效電阻，vg、ig分別為逆變器輸出電壓和電流。

圖2 逆變器運行狀態矢量圖

2.2智能逆變器控制

在Opendss建模程序中，光伏發電系統由一個或多個太陽能電池面板組成，該模型假設換流器能夠快速找到光伏面板的最大功率點，圖3顯示了從太陽能電池到電網的整個光伏系統的簡化框圖，其中光伏系統不再此節贅述，圖中逆變器控制提供了電壓/無功、電壓/有功和動態無功電流控制模式，文中選用電壓/無功控制[7]。

圖3 光伏系統逆變器控制簡化框圖

文中逆變器控制采用具有遲滯的電壓/無功控制，以便無功功率輸出保持恒定的“死區”。如圖4所示為逆變器的控制曲線(右側曲線1和左側曲線2)，當電壓開始超過允許上限時，可以通過調用無功功率(感應變量)吸收，相反，如果在光伏系統的端子處存在低于正常電壓的情況，例如有功功率輸出的突然降低，則可以發出無功功率傳送到電網，讓電壓提高到正常水平[8]。

圖4 帶遲滯的電壓/無功控制圖

逆變器設定在0.95 pu至1.05 pu，光伏發電系統通過給定的逆變器控制曲線，使得電壓工作在允許范圍內，其可用無功功率由式(10)決定：

(10)

式中kvaravailable表示可用無功功率；kva_rating表示額定無功功率；present_kw表示當前有功功率。圖4中，若當前潮流計算顯示端電壓變大，無功功率輸出按控制曲線1進行控制；若當前潮流計算顯示端電壓下降，無功功率輸出即轉移到滯后曲線2，當電壓下降到控制曲線2的邊界時，如果電壓仍然在負方向，則遵循控制曲線2確定無功功率的輸出。類似地，如果利用控制曲線2(由于端電壓降低)，與先前相比電壓將正向移動，則轉向控制曲線1，如前所述，無功功率輸出直到端電壓達到控制曲線1上的值時才開始遵循控制曲線1對逆變器無功功率輸出進行控制。

3 光儲聯合發電分時控制

3.1 儲能系統的并網運行模式

在Opendss程序建模中，儲能元件與發出/吸收功率的發電機等效，基本結構如圖5所示，當光伏逆變器輸出功率高于負載功率或夜間負荷和電價都較低時，該儲能系統處于充電模式；當并網點處功率發生波動時，儲能系統通過可以快速調節有功功率[9]，同時在電壓降低時可以提供一定無功支撐。

圖5 儲能元件框圖

文中儲能元件采用Opendss軟件中的FOLLOW模式，通過設置loadshape乘子讓有功功率和無功功率輸出滿足要求，當該數為正時儲能元件開始放電，反之為負則開始充電。原理如圖6所示。

同時加裝儲能元件控制器對其進行控制，在Opendss程序建模中，儲能元件控制器有5種放電控制模式(Peakshave/Follow/Support/Loadshape/Time)和2種充電控制模式(Loadshape/Time)。為了保證儲能元件能在負荷高峰時提供相應的功率支撐，在負荷低谷時儲能，充放電控制都選擇Loadshape模式，即根據臺區日負荷曲線制定控制曲線，當值為正時以既定速率放電，值為零時儲能元件處于空載狀態，值為負時以既定速率充電。

圖6 日仿真充放電周期

3.2 光儲系統的分時協調控制

因日負荷曲線特性和光伏輸出受時間影響，設置儲能元件在負荷較輕時充電，而在負荷晚高峰時沒有光伏電源輸出的時候放電[10]，臺區日負荷曲線和輻照如圖7所示，其中10:00～12:00的負荷高峰可以通過光伏發電得到緩解，19:00～21:00的負荷高峰則沒有光伏發電，此時通過儲能提供功率支撐[11]。其余當有光伏發電滿足臺區負荷需求或負荷較輕的情況下都控制儲能元件進行蓄電。

圖7 日負荷及輻照曲線

4 仿真分析

4.1 某低壓簡介

某臺區0.4 kV等級配電網系統如圖8所示。

圖8 含光伏發電饋線系統圖

該臺區中共有180個節點，62條線路，110個設備，臺區主變壓器的容量為315 kVA。臺區主干線為三相四線制供電，居民負荷為單相二線制供電，部分負荷為動力負荷。共并入8個光伏發電單元，其中包含2個三相光伏發電單元(PV1、PV2)和6個單相光伏發電單元(PV3、PV4、PV5、PV6)，選PV1節點處為監測點。

4.2 光儲發電參數配置

在該低壓臺區中，8個光伏發電單元均安裝在負荷側，最后并入電網。文中選取的光伏發電模型為溫度25 ℃，輻射度為1 kW/m2，功率因數為1.0，逆變器工作效率為1。三相光伏發電單元輸入功率Pmpp分別為50 kW，40 kW，單相光伏發電單元輸入功率Pmpp為4 kW。為保證逆變器能滿足最大負荷下設備對功率的要求，每個逆變器額定輸出功率分別比Pmpp值大10%。儲能系統配合光伏發電選擇三相和單相接入，功率分別選擇為光伏發電的80%。在光儲參數設置完畢后選擇日仿真模式對該低壓臺區進行時序潮流仿真，對提出的綜合控制進行研究。

4.3 時序潮流下綜合控制仿真研究

文中在該低壓臺區加入光儲發電系統，在保證臺區所有設備正常工作的情況下，對含電壓/無功智能逆變器控制功能在日仿真模式下進行分析，得出在加入電壓/無功控制環節前后監測點電壓變化圖，如圖9、圖10所示。

圖9 無電壓/無功控制電壓分布

圖10 含電壓/無功控制電壓分布

從圖9、圖10可得，在加入智能逆變器電壓/無功控制環節后，電壓變化范圍由0.990 6～1.043 5變到0.983 5～1.037 5，電壓質量有所改善，智能逆變器控制起到了很好的效果。

文中采用了日仿真模式對某低壓臺區進行潮流分析，在加分布式光伏發電后進行了智能逆變器電壓/無功控制仿真研究，得出監測點一天電壓的變化情況，如圖11所示。

圖11 電壓/無功控制仿真電壓對比

由圖11得出，加入分布式光伏電源后，在輻照較強的白天電壓有一定提升，標幺值變化范圍為1.005～1.050，但在負荷晚高峰電壓仍基本沒有變化。在每個分布式光伏電源處加入電壓/無功控制后，標幺值電壓變化范圍為1.015～1.044，通過調節光伏電源輸出的無功功率，電壓質量有所改善。

為提高光伏利用率和獨立光伏發電的供電可靠性，通常配置一定容量的儲能系統，平滑光伏系統出力的波動性。文中在各光伏并網點配置儲能系統，構成光儲聯合系統。配置儲能系統后監測點電壓變化情況如圖12所示。

由圖12得出，通過光儲聯合發電并加入智能逆變器電壓/無功控制后，監測點電壓變化范圍為標幺值0.996～1.040，相對獨立光伏發電且無電壓/無功電壓控制的系統電壓有較明顯的改善，提高了原有系統的光伏供電可靠性。

圖12 含儲能協調控制電壓變化

5 結束語

通過對含扶貧式光伏低壓臺區加入電壓/無功控制，結果表明電壓/無功控制對光伏輸出的電壓變化提供了一定的電壓支持，對電壓質量起到了一定的改善作用。由于光伏發電受天氣影響，為提高光伏利用率，加入儲能系統，對光儲聯合發電進行協調控制，得出加入智能逆變器電壓/無功控制和光儲協調控制可以有效改善電壓質量，為低壓臺區接入扶貧光伏電壓質量控制提供一定參考。