配電光伏網并網逆變器電壓控制策略研究及其實現

杜長軍 田麗楠 馬文營 張楠 錢葉牛

摘要：為了降低光伏出力提高后易引起并網點電壓超過上限的問題，提出了一種光伏并網逆變器并聯時電壓功率控制策略，并進行仿真實現分析。測試各光伏并網逆變器在并網過程中形成的電壓與電流，再利用線路阻抗測試的方法分析線路1和傳輸線路2之間形成的線路阻抗，以此滿足各分布式光伏電源保持并網運行的條件。仿真分析結果得到，在0.1s以內時，二個并聯逆變器按照功率均分的形式達到負荷的并網運行過程;到達0.1s時，系統出現電流擾動的現象，從0.3s開始各項參數重新轉為正常狀態;進入0.4～0.6s之間時，線路1和2都達到了2.15j0.5kV·A的輸出功率，網點線達到406V的有效電壓，符合電壓偏差條件。

關鍵詞：配電網;逆變器;電壓控制;仿真分析

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

ResearchandImplementationofVoltageControlStrategyforGridconnectedPhotovoltaicInverter

DUChangjun，TIANLinan，MAWenying，ZHANGNan，QIANYeniu

（StateGridBeijingElectricPowerCompany，Beijing100031，China）

Abstract：Inordertoreducetheproblemthatthevoltageofgridconnectionpointsexceedstheupperlimitwhichiscoursedbytheincreaseofphotovoltaicoutput，avoltageandpowercontrolstrategyisproposedforthecasethatphotovoltaicgridconnectedinverterisconnectedinparallel，andthesimulationimplementationisanalyzed.Thepaperalsoteststhevoltageandcurrentformedduringthegridconnectionofvariousgridconnectedphotovoltaicinverters，andanalyzesthelineimpedanceformedbetweenline1andtransmissionline2byusingthemethodoflineimpedancetest，soastomeettherequirementsformaintaininggridconnectionoperationofvariousdistributedphotovoltaicpowersupplies.Simulationresultsshowthat，within0.1s，twoparallelinvertersreachthegridconnectedoperationprocessofloadintheformofpowersharing.Whenitreaches0.1s，thesystemwillbedisturbedbycurrent，andallparameterswillreturntonormalstateat0.3s.Whenenteringperiodbetween0.4sand0.6s，theoutputpowerofline1andline2reaches2.15j0.5kV·A，andthenetpointlinereachestheeffectivevoltageof406V，whichconformstothevoltagedeviationcondition.

Keywords：distributionnetwork;inverter;voltagecontrol;simulationanalysis

0引言

采用光伏發電系統為電網進行供電的形式是一種分布式電源的結構，其優勢在于不會造成環境污染與安裝過程簡易[13]。同時需注意，對光伏發電系統實施并網的過程中會改變原先設備的運行環境，由于光伏發電存在明顯波動性以及間歇性特征，由此引起系統電能質量的下降。對于配電網中的分布式光伏發電系統而言，隨著光伏滲透率的上升，將會引起電網產生許多運行問題，極大增加了電網運行過程的復雜性，由此降低整體電能質量并降低電氣設備運行性能與經濟性，需要對配電網的此種狀況密切關注[47]。對于配電網而言，需要對線路電阻壓降重點分析，電壓已經成為配電網系統中影響電能質量的關鍵問題，由此導致配電網光伏出力受到外部條件的顯著影響，從而使系統故障出現的時候，引起電網出現電壓越限的結果[89]。在低壓配電網線路阻抗因素作用下，隨著光伏滲透率的提高，較易造成光伏逆變器發生并網電壓越限的問題，引起電網運行穩定性的顯著下降，在某些情況下將無法再電網中接入光伏系統[1011]。為克服上述問題，應對光伏逆變器并網電壓質量進行深入分析，使其可以和傳統電網達到良好的協調狀態。

為確保分布式光伏發電系統各項優勢獲得充分發揮，同時確保分布式電源配電網運行性能獲得更好的提升，應對其并網電壓進行有效控制。因此必須進行并網性能優化已經成為當前配電網運行性能改善的關鍵內容[1213]。對于配電網而言，當線路電阻相比電抗得到的結果較大時，將引起饋線潮流方向上出現線路電壓減小的結果。加入光伏逆變器進行并網時，隨著光伏出力的提高將在并網點處發生電壓增大的現象，隨著光伏出力提高到設定值后，更易引起并網點電壓超過上限的結果[1415]。

1光伏并網逆變器并聯時電壓功率控制策略

1.1線路阻抗匹配時控制策略

隨著分布式光伏電源的廣泛應用，電網連接模式也發生了快速改變，需采用不同的連接形式達到并網運行的效果，實現對電網的穩定供電過程。為不同發電單元配備了直流與交流轉換器，大電網跟變壓器和交流母線以PCC公共點實現連接的過程。

將光伏并網逆變器按照并聯形式進行連接并實施并網處理，本文按照并聯的方式連接二個逆變器再探討PQ（U）的電壓功率控制模式。由于在實際運行過程中，一些電網線路會在長期使用后出現老化，由此導致真實線路阻抗與設定線路阻抗明形成明顯差異，考慮到實際線路的阻抗是未知的，因此本文重點探討了通過本地信號來預測線路阻抗的過程，同時識別了分布式電源線路的阻抗數據，以該線路阻抗為參考計算得到PQ（U）電壓功率。同時根據控制策略給出的電壓功率控制方式探討了線路阻抗匹配與不匹配兩種情況下對并聯逆變器實施電壓功率調控的方式，同時合理的監控措施保證所有光伏并網逆變器都具備達到電網電壓偏差要求的并網點電壓參數。當光伏并網發電系統以并聯運行方式形成結構，如圖1所示。

在光伏并網中，1、2逆變器與傳輸線路形成阻抗的互相匹配，使其滿足R1=R2、X1=X2。現假定在相同時刻下具有同樣的光伏出力，同時電網保持恒定的公共耦合點電壓，可以判斷光伏并網逆變器1與2滿足同樣的輸出功率。即保持逆變器具備同樣電壓質量的條件下，二個并網逆變器按照對功率進行均分的方法來達到共同承擔負荷的效果，從而使二個并聯逆變器保持并網運行狀態。得到如下所示的光伏并網逆變器輸出功率如式（1）。

Pref1（i+1）=Pref1i-ΔP′1（i）

Qref1（i+1）=Qref1i-ΔQ′1（i）（1）

式中：i與i+1分別代表之前時刻和此時的參數。

考慮到線路滿足阻抗相互匹配的條件，依次可以利用式（1）計算出二個光伏并網逆變器各自對應的棄光量P及其無功補償量Q′。同時滿足同樣的光伏出力狀態，由此得到同樣初值的逆變器輸出功率，滿足Pref1（0）/Pref2（0）以及Qref1（0）/Qref2（0），由此達到二個并聯逆變器按照功率均分方式完成并網運行的過程。

1.2線路阻抗不匹配時控制策略

為分析光伏并網逆變器的并聯運行特征，本文選擇二個逆變器并聯的方式來分析該條件下的PQ（U）電壓功率調控模式。將二個光伏發電單元進行并網得到結構，如圖2所示。

圖2顯示了處于不匹配線路阻抗情況下的二個光伏并網逆變器以并聯方式形成的結構。對于光伏并網逆變器1、2而言，兩者并未形成相互匹配的傳輸線路阻抗，表現為R1/R2以及X1/X2。假定傳輸線路1比2阻抗更小，可將其表示為R1/R2與X1/X2，結合之前分析結果可以發現傳輸線路1比2具備更大的傳輸功率。在同樣的光伏出力條件下，光

伏逆變器1比2發生電壓越限概率更小。結合PQ（U）控制策略可知，在并網點的電壓沒有發生越限的情況下可以獲得恒定的逆變器輸出功率，隨著并網點電壓超過上限后逆變器可以通過自適應方式直接去除無用的光伏出力部分。通過對并網點電壓的合適調整確保符合電網電壓偏差的狀態下，逆變器1達到比逆變器2更大的功率參考值。為有效控制并聯逆變器輸出功率產生的波動性，需要合理控制光伏并網逆變器1與逆變器2具備相同的輸出功率。如下給出了光伏并網逆變器1與2各自對應的輸出功率參考數據如式（2）。

Pref2i+1=Pref2i-ΔP′2（i）

Qref2i+1=Qref2i-ΔQ′2（i）（2）

因為此時兩光伏出力一致，這使得逆變器具備同樣的輸出功率初始值，將逆變器1輸出功率控制為與PQ（U）控制下的結果保持一致，從而使二個并聯逆變器按照功率均分方式完成并網運行的狀態。另外，在同樣的光伏出力運行條件下逆變器1具有比傳輸線路2更小的電壓上限差值，通過對逆變器1的有效控制使其輸出功率發生降低，從而顯著縮小逆變器1和設定電網電壓的偏差。

根據以上分析可知，無論線路阻抗是否達到相互匹配的狀態，按照并聯方式得到的PQ（U）電壓功率控制策略都能夠實現對并網電壓的精確控制并使其符合電壓偏差要求，從而使光伏并網逆變器按照功率均分形式穩定運行。

2仿真結果分析

利用逆變器對各個分布式光伏電源實施直流與交流轉換，對于光伏并網逆變器的調控都按照PQ（U）電壓功率來完成。當二個光伏系統按照并聯方式構成的模型，如圖3所示。

仿真波形結果如圖4所示。

圖4顯示了依次測試各光伏并網逆變器在并網過程中形成的電壓與電流，再利用線路阻抗測試的方法分析線路1和傳輸線路2之間形成的線路阻抗，根據測試生成的線路阻抗對每個光伏并網逆變器PQ（U）運行參數實施控制，以此滿足各分布式光伏電源保持并網運行的條件。其中，傳輸線路1和2在阻抗方面形成了相互匹配的狀態，此時光伏逆變器按照功率均分形式來滿足負荷的并網運行要求。仿真測試了并網點電壓越上限條件下的阻抗匹配狀態對逆變器運行狀態產生的影響，圖4顯示了與線路阻抗達到良好匹配狀態的并聯逆變器仿真波形。

對圖4（a）～（c）進行分析得到并網點線路1的有效電壓、有功及無功功率;圖（b）～（f）顯示了線路2的各項參數。在0.1s以內時，各光伏出力都等于2.7kW，同時逆變器1和2都達到了2.7kV·A的輸送功率，二個并聯逆變器按照功率均分的形式達到負荷的并網運行過程，由此計算出并網點的有效電壓等于412V。到達0.1s時，系統出現電流擾動的現象，總共保持0.2s，之后啟動阻抗觀測環功能來分辨傳輸線路阻抗，從0.3s開始各項參數重新轉為正常狀態。進入0.4s～0.6s之間時，選擇PQ（U）控制方式，保持恒定光伏出力與負荷狀態下，線路1和2都達到了2.15j0.5kV·A的輸出功率，同時獲得電網出力-3.8+j1.1kV·A，此時網點線達到406V的有效電壓，符合電壓偏差條件。

3總結

1）測試各光伏并網逆變器在并網過程中形成的電壓與電流，再利用線路阻抗測試的方法分析線路1和傳輸線路2之間形成的線路阻抗，以此滿足各分布式光伏電源保持并網運行的條件。

2）在0.1s以內時，二個并聯逆變器按照功率均分的形式達到負荷的并網運行過程;到達0.1s時，系統出現電流擾動的現象，從0.3s開始各項參數重新轉為正常狀態;進入0.4s～0.6s之間時，線路1和2都達到了2.15j0.5kV·A的輸出功率，網點線達到406V的有效電壓，符合電壓偏差條件。

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（收稿日期：2019.11.27）