新能源配網(wǎng)發(fā)電功率自適應控制策略研究

王 珣,董寒宇,沈 瑋

(1.浙江泰侖電力集團有限責任公司,浙江 湖州 313000;2.國網(wǎng)湖州供電公司,浙江 湖州 313000)

0 引言

近年來,光伏新能源并網(wǎng)作為成熟的發(fā)電技術,被廣泛應用于電力系統(tǒng)建設[1]。但電力系統(tǒng)所處環(huán)境復雜,需要通過控制配網(wǎng)發(fā)電功率來預防事故發(fā)生。因此,光伏新能源并網(wǎng)接入的配網(wǎng)發(fā)電功率控制策略研究一直是我國研究人員關注的重點。目前,我國光伏新能源并網(wǎng)產(chǎn)業(yè)主要集中在電氣化光伏產(chǎn)品的研發(fā)階段[2],而國外的光伏新能源并網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已發(fā)展并具備完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

楊佳濤等[3]利用變換器實現(xiàn)光伏新能源并網(wǎng)-配網(wǎng)的最大功率分配,采用通信與閉環(huán)控制器,完成各功率的自動調(diào)控。但該方法沒有考慮有功功率與無功功率的環(huán)境。劉賀等[4]提出在滿足電源系統(tǒng)負載的前提下,利用帆板能量作為動態(tài)調(diào)節(jié)工作模塊的中樞,以提高光伏新能源并網(wǎng)的功率跟蹤能力。但該方法沒有尋找出配網(wǎng)的最大功率。顏晨煜等[5]針對光伏新能源并網(wǎng)的多個場景,結合配網(wǎng)的限制要求,利用閾值補償算法調(diào)節(jié)需求功率。但該方法沒有考慮并網(wǎng)中正、負電流的分布影響。上述方法在控制過程中均存在輸出功率波動較大的問題。

為了解決上述方法存在的問題,本文提出光伏新能源并網(wǎng)接入的配網(wǎng)發(fā)電功率自適應控制策略。

1 配網(wǎng)無功規(guī)劃與最大功率點搜索

1.1 無功規(guī)劃

本文根據(jù)光伏新能源并網(wǎng)的有功功率與無功功率之間的輸出特點,完成配網(wǎng)的無功規(guī)劃,為配網(wǎng)發(fā)電功率的自適應控制奠定基礎。

①光伏新能源并網(wǎng)的輸出功率分為有功功率與無功功率。其中,有功功率與光伏組件受到的太陽光照強度成正比關系,所以有功功率具有間歇性與時序性[6]。光伏新能源并網(wǎng)的輸出具備一定的等效利用率。無功功率為:

(1)

式中:R為無功功率;t為時刻;Tmax為理想功率;Q為有功功率。

②本文根據(jù)某光伏電站發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計,得到出力概率分布情況[7]。出力概率分布情況如表1所示。

表1 出力概率分布情況

在光伏新能源并網(wǎng)的正常運行中,無功功率出力具有較高的置信概率,可根據(jù)無功功率計算配網(wǎng)的有功損耗ΔQloss。

(2)

③配網(wǎng)的無功規(guī)劃是在滿足光伏新能源并網(wǎng)節(jié)點電壓無功出力無限大的條件下,將無功補償點作為確定補償容量,使配網(wǎng)達到有功損耗最小化的狀態(tài)。

④配網(wǎng)無功規(guī)劃中的分量由狀態(tài)分量與控制分量構成。本文將光伏新能源并網(wǎng)中的節(jié)點電壓視為狀態(tài)分量,則調(diào)整的電壓為控制分量。兩者之間的不等式約束關系[8]為:

Rmin≤Rj≤Rmax,j=1,2,…,m

(3)

式中:Rj為補償點j的無功功率;m為補償點總數(shù)量。

1.2 搜索最大功率點

在完成配網(wǎng)的無功規(guī)劃后,光伏新能源并網(wǎng)接入的配網(wǎng)發(fā)電功率自適應控制策略采用二次插值法搜索配網(wǎng)的最大功率點。具體步驟如下。

①光伏新能源并網(wǎng)中存在固定的光伏陣列[9]。其在特定光照與溫度下的總功率為:

(4)

式中:U為開路電壓值;I為飽和電流;S為總電阻;p為電子電荷;β為引入的玻爾茲曼常數(shù),β≠0。

②配網(wǎng)發(fā)電功率自適應控制策略在光伏陣列總功率的功率-電壓(power-voltage,P-V)特性曲線中,隨機插入三個樣本點[10]后利用二次插值算法,得出三個樣本點對應的函數(shù)表達式。

(5)

式中:n為樣本點的順序;k為函數(shù)表達式;a為插入的樣本點。

③根據(jù)樣本點與其對應的函數(shù)表達式,計算出二次插值算法的插值多項式k2,以及光伏陣列對應的二次函數(shù)k2(a)[11]。

(6)

式中:x、y、z均為二次函數(shù)的一般系數(shù)。

④在光伏新能源并網(wǎng)的P-V曲線擬合過程中[12],需要將三個樣本點代入式(6),以得到二次函數(shù)的一般系數(shù)x、y、z的解,并求出擬合曲線的最大值Pmax。Pmax即光伏新能源并網(wǎng)接入的配網(wǎng)最大功率點。

(7)

2 自適應控制

光伏新能源并網(wǎng)接入的配網(wǎng)發(fā)電功率自適應控制策略將變換器-漸波器結合,以實時跟蹤最大功率點。具體步驟如下。

①通過調(diào)節(jié)并網(wǎng)變換器的功率標準值,實現(xiàn)配網(wǎng)的最大功率跟蹤。通過功率變換器得到的并網(wǎng)調(diào)制電流標準值I0為:

(8)

式中:P0為功率標準值;PL為變換器額定功率;IL為變換器額定電流;r為特定的電壓抗模值。

②電流標準值與高壓漸波器的固定電流比較后得到反饋控制量,以達到電流對其標準值的實時跟蹤。為了抑制漸波器終端電壓波動給功率控制過程帶來的干擾,本文引入前饋控制量。本文將前饋控制量與反饋控制量相結合,得到升壓漸波器比值。

(9)

式中:e0、e′、e分別為反饋控制量、前饋控制量與漸波器;U0、U′分別為標準電壓值與實際電壓值。

③當配網(wǎng)電壓不平衡時,光伏新能源并網(wǎng)的Q與R的構成為:

(10)

式中:M、N分別為電流的正、負分量。

(11)

(12)

式中:σ為單位電流因數(shù)。

(13)

⑦將平均有功功率與最大功率點相比較。當配網(wǎng)處于正常狀態(tài)下,即并網(wǎng)的平均有功功率小于最大功率時,變換器-漸波器結合的自適應控制策略將多余的電能存儲在并網(wǎng)中;當并網(wǎng)的平均有功功率大于最大功率時,存儲的電能被釋放出,為配網(wǎng)提供功率支撐,以實現(xiàn)光伏新能源并網(wǎng)接入的配網(wǎng)發(fā)電功率自適應控制。

3 試驗與分析

為了驗證光伏新能源并網(wǎng)接入的配網(wǎng)發(fā)電功率自適應控制策略的整體有效性,需要對其進行以下測試。

本文將控制前與控制后的電流響應、跟蹤誤差、輸出功率作為指標,驗證所提方法的自適應控制效果。本文在Matlab-Simulink環(huán)境中構建發(fā)電系統(tǒng)模型。發(fā)電系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)模型

①電流響應。

電流響應曲線如圖2所示。

圖2 電流響應曲線

由圖2可知,在發(fā)電功率自適應控制前,光伏新能源并網(wǎng)的電流波動幅度明顯,而自適應控制后的電流波動較小。在相同的頻段下,自適應控制后的電流可以實現(xiàn)對電流期望值的有效跟蹤,且沒有發(fā)生相位延遲情況。

②跟蹤誤差。

跟蹤誤差指發(fā)電系統(tǒng)中的電流實際值與期望值之間的差距。本文對控制前與控制后的跟蹤誤差結果進行統(tǒng)計。電流跟蹤誤差如表2所示。

表2 電流跟蹤誤差

由表2可知,控制前的跟蹤誤差值最大可達24.8 A,并且不同試驗序號下的誤差波動較大,說明電流抖動現(xiàn)象嚴重;而自適應控制后的電流跟蹤誤差值小于1 A,并且抖動現(xiàn)象得到了較好的抑制。

③輸出功率。

輸出功率曲線如圖3所示。

圖3 輸出功率曲線

由圖3可知,控制前的電流抖動與相位延遲現(xiàn)象導致發(fā)電系統(tǒng)瞬時輸出功率波動明顯,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。而自適應控制后的系統(tǒng)輸出功率更平滑、波動更小。

④平均輸出功率。

平均輸出功率曲線如圖4所示。

圖4 平均輸出功率曲線

由圖4可知,控制后的發(fā)電系統(tǒng)平均輸出功率比控制前增加了180 W左右,并且波浪的捕獲效果更佳。

4 結論

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn),目前光伏新能源并網(wǎng)接入的配網(wǎng)發(fā)電功率存在電流響應不平滑、電流跟蹤誤差大的問題。為此,本文提出光伏新能源并網(wǎng)接入的配網(wǎng)發(fā)電功率自適應控制策略。該策略首先制定配網(wǎng)的無功規(guī)劃,然后尋找出其中的功率最大點,最后采用變換器-漸波器結合的自適應控制策略完成發(fā)電功率的控制。該策略在提高電流響應平滑度的同時,降低了電流跟蹤誤差、減緩了輸出功率與平均輸出功率的波動。