基于改進下垂的光伏發電并網自適應控制策略

郭偉棟

（中國長江三峽集團股份有限公司山西分公司，山西 太原 030000）

光伏發電并網是指將光伏發電系統接入電網，從而為當地電力用戶供電的一種方式[1]。在并網過程中，需要考慮光伏發電系統的特性，如輸出功率的不穩定性、電源位置的分布[2]以及大量分布式電源會導致電網電壓不穩，發生越限現象等，會影響電網的整體穩定性[3]。為有效解決上述問題，確保光伏并網后電壓穩定，本文提出基于改進下垂的光伏并網自適應控制策略，通過下垂控制保證光伏并網后電壓穩定。

1 光伏發電并網自適應控制策略

1.1 光伏發電并網結構

光伏并網指的是將大量光伏陣列接入大電網中，光伏發電并網結構如圖1所示。

光伏發電并網結構包括3個部分，分別為直流電網、交流電網以及大電網。其中，直流電網和交流電網中均接入大量光伏陣列，并通過雙向AC/DC整流器和大電網相連接。在并網模式下，上級配電網直接控制交流母線頻率，雙向AC/DC整流器的主要作用是控制直流電網的功率和電壓，保證功率平衡和電壓穩定[4]。但是在實際應用過程中，如果光伏并網后光伏出力不穩定，會發生功率突變等擾動，對并網后的交直流電網的影響較大[5]。

1.2 光伏并網暫態過電壓的形成機理

光伏并網會導致送端電網發生暫態過電壓現象，該現象對電網的整體運行穩定性有較大影響[6]，因此，為實現光伏并網的自適應控制，需要精準掌握暫態過電壓的形成機理。電壓的變化情況主要受無功功率的流向和變化影響，光伏并網后整流站的無功功率流向情況如圖2所示。

圖2 光伏并網后整流站的無功功率流向

根據圖2可知，整流站包括濾波器和調相機，光伏并網后送端電網電能經由整流站整流后，再通過直流輸電母線傳送至受端電網。此時整流站的無功功率Qd如公式（1）所示。

式中：Qph為送端電網和光伏發電輸出；Qc為濾波器和調相機輸出。Qph和Qc均表示無功功率總和。

整流站側直流電網側的無功功率用Qd表示，如公式（2）所示。

式中：Pd為有功功率，對應直流外送系統的母線；μ、α分別為換流器的換向角和觸發角。

直流外送系統發生異常后，整流站直流電網側的無功功率Q'dc會快速降低。同時結合公式（1）可知，無功功率快速降低時，其總和也相應降低。并且無功補償裝置和濾波器響應均存在一定延，從而導致大量的無功功率流向整流站交流母線處。這些無功功率無法被消耗，此時直流電網側發生不同程度的負載，光伏電源飽和，送端電網發生暫態過電壓現象[7]。

1.3 光伏并網自適應控制策略

1.3.1 自適應分段下垂控制策略原理

為實現光伏并網自適應控制，本文根據暫態過電壓的形成機理，采用下垂控制策略進行光伏側整流器交流母線輸出功率控制，以此降低無功功率對電壓的影響，避免發生暫態過電壓現象。由于下垂控制系數會影響控制結果，因此在控制過程中采用非線性函數對下垂控制的下垂系數進行優化，形成改進的自適應分段下垂控制策略。

改進的自適應分段下垂控制策略的主要目的是使光伏側整流器控制交流母線電壓，該控制策略是以給定電壓參考值、標況下功率參考值和功率最大值為基礎，結合光伏出力次數，獲取光伏側實時輸出功率Poi和最大輸出功率Pmax，從而判斷直流電網側的負載程度。然后通過下垂系數整定器確定下垂系數，保證光伏側整流器和相應的下垂特性曲線相匹配。在此基礎上，利用電流電壓的雙閉環控制輸出完成控制的電壓值。

1.3.2 自適應分段下垂控制實現

進行自適應分段下垂控制時，需要先判斷直流電網側的負載程度，設給定的電壓參考值為Poierf，標況下功率參考值為功率最大值為表示，結合光伏出力次數計算光伏側實時輸出功率Poi和最大輸出功率Pmax。如果并網后每個光伏出力系數存在差異，為解決功率分配過程中的光伏電源飽和現象，根據光伏的出力系數調整下垂系數和輸出功率參考值，以此確保光伏電源能夠可靠地判定負載程度。

由于溫度、光照強度會影響光伏電源出力，因此在光伏出力系數發生變化的情況下，輸出功率參考值也隨之變化，如公式（3）所示。

式中：ξi為減載運行比例常數。

為實現功率合理分配，本文以3個光伏電源并網為例，如果其額定容量與標況下的輸出功率參考值一致，就需要保證每個并網光伏側的整流器輸出功率參考值和下垂系數滿足公式（4）。

式中：Ki表示光伏側整流器的下垂系數，i=1，2，3。

結合上述分析可知，光伏出力系數發生變化后，光伏側整流器的輸出功率最大值、參考值以及下垂次數也隨之發生變化，此時下垂系數如公式（5）所示。

式中：Uoimax、Uoimin以及Uoiref分別表示輸入直流母線的電壓最大值、最小值以及參考值；表示標況下光伏電源的最大輸出功率。

基于上述內容獲取分段下垂控制特性曲線，如圖3所示。

圖3 分段下垂控制特性曲線

圖3中，Ki1和Ki2分別表示輕載和重載條件下的下垂系數；Ai表示額定工作點；ΔU表示輸入直流母線的電壓Uoi和Uoiref間的差值；ΔP表示Poi和間的差值。如果ΔU保持不變，|ΔP|會隨著Ki的試驗而降低，由此可知，下垂系數Ki值越小，對于電壓的穩定性控制效果越佳，功率分配的效果越好。在輕載和重載兩種條件下進行對應下垂系數的設定，令其滿足光伏并網后電力系統在不同運行狀態下的控制需求。因此，也可理解為下垂系數對于ΔU和ΔP間的關系具有直接影響；光伏并網后，電力系統在輕載和重載狀態下進行切換時會引發下垂系數突變，從而直接增加電壓偏移和功率表偏移比例。

1.3.3 下垂系數優化

為保證光伏并網自適應控制效果，采用非線性函數優化下垂控制的系數，避免下垂系數突變，保證其平穩過渡。優化后形成改進自適應分段下垂控制策略，如公式（6）所示。

根據公式（6）的計算結果即可獲取改進自適應分段下垂控制后的光伏并網后電力系統的電壓輸出結果，以此實現光伏發電并網的自適應控制。

2 試驗結果分析

為驗證本文策略在光伏發電并網自適應控制中的應用效果，采用MATLAB/Simu-linnk軟件構建光伏發電并網的仿真模型并進行對應測試。該光伏發電接入送端系統的接入數量為3，容量分別為4×100MW、4×105MW和4×110MW，整流站中共設置6臺調相機。光伏發電并網仿真模型的相關參數見表1。

表1 光伏發電并網的仿真模型相關參數

為驗證本文策略在光伏發電并網自適應控制中的應用效果，以光伏整流器輸出的無功功率輸出結果為例，獲取本文策略控制前、后的無功功率變化情況，測試結果如圖4所示。

圖4 控制前后的無功功率變化情況

分析圖4測試結果可知，采用本文策略進行光伏發電并網自適應控制后，光伏整流器能夠更快地完成控制策略響應，調節效果更好，可在最大程度上發揮光伏整流器的無功調節能力，協助實現光伏發電并網時的暫態過電壓控制。

為進一步驗證本文策略對光伏發電并網自適應控制的效果，獲取本文策略控制前、后的送端母線電壓變化結果，如圖5所示。

圖5 控制前、后送端母線電壓的變化結果

分析圖5測試結果可知，采用本文策略進行光伏發電并網控制前，送端母線電壓的峰值為1.38p.u.，并且暫態電壓波動較明顯；采用本文策略對其進行控制后，送端母線電壓的峰值僅為1.15p.u.，并且暫態電壓的波動幅度變小。因此，本文策略能夠實現光伏發電并網的有效控制，并保證電壓穩定。

3 結論

為保證光伏發電并網后電力系統的穩定運行，避免發生暫態電壓越限現象，本文基于改進下垂的光伏發電并網自適應控制策略，并對該策略的應用效果進行相關測試。測試結果顯示，該策略具有較好的應用效果，可調節光伏整流器的無功功率，以此實現暫態電壓控制，提升電網穩定性，確保光伏發電并網后能夠安全運行。