面向綜合負荷的并網光伏發電系統等效建模

李作偉

摘要：隨著全球變暖和能源危機的蔓延，分布式電源以其污染少、可靠性高、能源利用率高、安裝地點靈活等優點在電網中所占比例日益受到重視，隨著接入系統的分布式電源容量逐步增加，其對電力系統的動態和穩態特性的影響也愈發明顯。其中光伏電池因具有重量輕、無旋轉部件、成本低、無污染、適用范圍廣、使用安全等特點而被廣泛應用于小型和大型發電系統中。

關鍵詞：面向綜合負荷的并網光伏發電系統等效建模

前言：光伏發電也存在一定的缺點和問題。例如，光伏發電系統的造價很高，這也是一直以來限制光伏發電發展的重要因素。太陽能電池的生產需要多晶硅，近些年來多晶硅材料的價格有所下降，使得光伏發電的成本與傳統發電的成本差距進一步縮小。

一、光伏并網發電系統研究現狀

光伏發電按照供電方式可以分為光伏并網發電系統和光伏離網發電系統兩利-。光伏離網發電系統一般應用于遠離城市的山區、高原等，與公共電網相連接的則是并網光伏發電系統。并網光伏發電系統是大規模商業化發展光伏發電的重要途徑，也是光伏產業的主要發展方向。光伏并網發電系統按照功能可以分為兩類：一種為含有儲能裝置的可調度式光伏并網發電系統;另一種為不含儲能裝置的不可調度式光伏并網發電系統。可調度式光伏并網發電在電網發生故障時，能夠兼具不間斷電源（UPS），保障重要負荷供電。然而，由于蓄電池組成本過高，目前一般采用不含有蓄電池組的不可調度式光伏發電系統。不可調度式光伏發電系統僅能并網運行，運行控制方式較為單一。光伏并網發電系統按照安裝容量不同還可以分為分布式光伏發電系統和大規模光伏發電系統，分布式光伏發電系統一般是同建筑物結合，充分利用建筑物屋頂進行發電;大規模光伏電站則可建在空曠的荒野或者荒漠地帶。

二、面向綜合負荷的并網光伏發電系統等效建模

1.等效描述。對外部電網而言，光伏發電系統的外特性可以描述為，光伏發電系統有功外特性接近以電壓為激勵的典型二階系統的響應，由于暫態過程中電網電壓的跌落接近于經典控制理論中的階躍信號，而光伏發電系統的動態響應又接近于控制理論中的二階欠阻尼系統的階躍響應。基于以上分析可知，如能合理調節二階系統的參數，其階躍響應就能較好地擬合光伏發電系統的動態特性，為此本文提出光伏發電系統動態特性可等效描述為：光伏發電系統的有功輸出等效為以電壓激勵的二階欠阻尼系統的響應，同時為了補償由簡化帶來的暫態響應不足問題，在模型中增加一個比例環節，而光伏發電系統的無功輸出近似為零（上述分析已經證明），可以忽略不計。含分布式電源的廣義負荷建模需要在綜合負荷模型的虛擬母線上增加分布式電源的等效模型。隨著光伏發電系統接入配電網的容量的不斷增大，光伏發電系統的動態特性必須考慮到綜合負荷模型中。

2.當電網中含有非線性負荷以致線路中含有較大的無功和諧波分量時，并網逆變器可與有源濾波器進行統一控制，同時實現電流質量治理和光伏并網發電。

由于有源濾波器與光伏并網發電裝置在拓撲結構、功能和控制方法等三方面具有相似之處，因此可以考慮兩者的統一控制，光伏并網發電、無功補償和有源濾波一體化裝置工作原理簡述如下：首先通過相應電流檢測算法得到非線性負荷的無功和諧波分量，形成無功和諧波補償指令電流，然后通過最大功率跟蹤部分得到最大功率點電壓和并網指令電流，將無功和諧波補償指令電流和并網指令電流在控制部分進行合并形成新的指令電流，控制逆變器按新合成的指令電注入電網。控制系統采用電壓電流雙環的單位功率因數控制。為了使光伏陣列以最大功率跟蹤方式發電，在直流側采用了擾動觀察法。逆變電路則采用滯環電流控制，使輸出電流與指令電流的差值維持在一個很小的范圍內，從而實現單位功率因數控制。對光伏電池的輸出特性進行了適當的簡化和變換，因此會產生一定的誤差。實際中光伏并網逆變器的啟動需要一定的光照強度，而模型并無該限制要求。由于實際并網逆變器濾波電路參數未知，而仿真模型中的濾波電路參數是按照一定的方法計算得出的，因此也會導致一定的誤差;實際中外界環境的復雜多變導致了誤差的不可避免。而監測儀器和控制系統可能會因設備精度等問題不能實時跟蹤光照變化，從而導致輸出功率和電壓電流產生一定的誤差。模型可以分為電路拓撲和控制系統兩部分。電路拓撲結構如前所述，控制部分直流側采用擾動觀察法進行最大功率跟蹤，逆變電路采用同步PI電流控制，通過對有功/無功電流進行解耦控制，實現有功和無功功率的獨立調節，一般情況下采用單位功率因數控制。光伏電站的并網啟動過程采用逐級送電的方式，分為直流側啟動和交流側啟動兩部分。交流側啟動過程是從母線高壓電纜開始逐級閉合斷路器。首先，出線斷路器對母線進行充電，然后閉合接地變壓器，以便安裝消弧線圈提供一個人工的中性點。當太陽能不足以發電時，并網逆變器自動進入待機狀態。只有當系統檢測到直流側電容電壓達到一定值且維持一定時間后，才會通過開關控制觸發逆變器內部的接觸器，開始并網發電。光伏電站的退出過程則正好與啟動過程相反，當由于故障導致逆變器停止并網時，應先斷開逆變器直流側斷路器，然后依次令各斷路器斷開。光伏電站之所以采用逐級送電，是為了在系統發生故障時快速找出故障點。保護配置的一般原則是越靠近電網側越遲鈍，這就保證了下級線路故障時不會令上級線路斷路器跳閘。例如，當光伏電站內部發生故障時，升壓變高壓側斷路器先跳開以保護上級系統。在受限模式下根據調度指令和負荷需求設定發出的有功功率和無功功率，或母線電壓較低時通過發出無功功率一定程度上抬高電壓;在均衡模式下通過配合相應設備進行調度控制和電能質量控制，拓展光伏電站的功能，使其能夠減少系統巾的諧波等電能質量問題。

結束語：構建了適合綜合負荷建模的光伏發電系統簡單等效模型，該模型以傳遞函數的形式描述，具有參數少、易于辨識、結構簡單且能夠模擬光伏發電系統的出力極限等優點，同時為電力系統其他元件的建模提供了一個新的思路。

參考文獻：

[1]丁明，王偉勝，王秀麗，等.大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J].中國電機工程學報，2019，34（1）：1-13.