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農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式研究

2016-02-17 02:44:28王國(guó)英馬玉峰
東北電力技術(shù) 2016年12期
關(guān)鍵詞:電能配電發(fā)電

邱 實(shí),王國(guó)英,金 賡,馬玉峰

(國(guó)網(wǎng)錦州供電公司,遼寧 錦州 121001)

農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式研究

邱 實(shí),王國(guó)英,金 賡,馬玉峰

(國(guó)網(wǎng)錦州供電公司,遼寧 錦州 121001)

通過(guò)對(duì)農(nóng)村用電特點(diǎn)及農(nóng)村配電系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析,給出了適合于農(nóng)村配電系統(tǒng)的3種光伏發(fā)電系統(tǒng)控制模式。最大功率跟蹤模式可緩解農(nóng)村電網(wǎng)供電能力薄弱狀況,電壓調(diào)節(jié)模式可改善農(nóng)村電網(wǎng)電壓偏低問(wèn)題,無(wú)功補(bǔ)償模式可降低農(nóng)村電網(wǎng)電能損耗。

光伏發(fā)電系統(tǒng);農(nóng)村配電系統(tǒng);電能質(zhì)量;電能損耗

我國(guó)農(nóng)村用電不同于城鎮(zhèn)居民用電,與一般工業(yè)用電也不同,具有其自身特點(diǎn)。一般來(lái)講,可以分為居民生活用電、農(nóng)副產(chǎn)品加工和農(nóng)業(yè)排灌用電等,其晝夜、氣候、季節(jié)等用電變化較大,且不均衡。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)村居民生活水平日益提高,家用電器不斷增加,其用電量日益增多。在這種情況下,網(wǎng)絡(luò)供電能力愈顯不足,電壓水平偏低,電能損耗嚴(yán)重,盡管進(jìn)行多次改造,當(dāng)前的電力設(shè)備仍然無(wú)法滿足居民不斷攀升的用電需求。

隨著新能源的不斷開(kāi)發(fā)應(yīng)用,風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等新能源發(fā)電方式逐漸進(jìn)入農(nóng)村,我國(guó)太陽(yáng)能資源較為豐富,尤其是農(nóng)村地區(qū)有著十分遼闊的太陽(yáng)能光照面積,為光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用提供了便利條件,光伏發(fā)電系統(tǒng)接入農(nóng)村配電網(wǎng)將是未來(lái)農(nóng)村配電系統(tǒng)的發(fā)展方向,同時(shí)能帶動(dòng)廣大農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。

本文在深入分析我國(guó)農(nóng)村配電系統(tǒng)的供電特點(diǎn)基礎(chǔ)上,指出當(dāng)前存在的主要問(wèn)題,利用光伏發(fā)電系統(tǒng)控制靈活的特點(diǎn),給出了農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)3種控制模式,對(duì)解決農(nóng)村電網(wǎng)的問(wèn)題進(jìn)行有益探索。

1 農(nóng)村配電系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

1.1 供電能力比較薄弱

農(nóng)村地廣人稀,用電負(fù)荷比較分散,直接導(dǎo)致配電網(wǎng)覆蓋面積較大,又考慮到設(shè)備利用率,所以變電站較少,造成配線距離較長(zhǎng),農(nóng)村10 kV線路供電半徑超過(guò)15km是非常常見(jiàn)的,且導(dǎo)線截面過(guò)小,線路老化,嚴(yán)重影響農(nóng)村地區(qū)的電能供應(yīng)。我國(guó)農(nóng)村配電線路大多建設(shè)于農(nóng)網(wǎng)改造時(shí)期,由于當(dāng)時(shí)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件的制約,線路選型標(biāo)準(zhǔn)較低(很多地區(qū)為單相供電),導(dǎo)致部分農(nóng)村線路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行,老化嚴(yán)重。隨著用電負(fù)荷增加,供電區(qū)域面積不斷外擴(kuò),但原有變壓器位置大多沒(méi)有改變,致使電力變壓器遠(yuǎn)離負(fù)荷中心[2];我國(guó)的農(nóng)網(wǎng)改造工程盡管在一定程度上提高了農(nóng)村配電系統(tǒng)的供電能力,但仍然無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的負(fù)荷需求和越來(lái)越高的電壓質(zhì)量要求。

1.2 電能質(zhì)量較差

由于配電線路和設(shè)備等技術(shù)原因,造成電壓質(zhì)量較差,低電壓現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。電力負(fù)荷分散、線路長(zhǎng)、線徑小,這些因素直接導(dǎo)致線路電壓損失增加,使得用戶的電壓水平偏低;變壓器的供電范圍大,造成負(fù)荷距離變壓器的距離有遠(yuǎn)有近,變壓器的電壓調(diào)整無(wú)法滿足不同距離的負(fù)荷需求;隨著電冰箱、空調(diào)等大量單相用電設(shè)備的普及應(yīng)用,農(nóng)村單相用電負(fù)荷急劇增加,三相負(fù)荷的不平衡引起三相電壓的不平衡,重負(fù)荷相的電壓損失較大,低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡,最終導(dǎo)致客戶端電壓質(zhì)量下降[3-4];變壓器布置不合理問(wèn)題也導(dǎo)致三相負(fù)荷的嚴(yán)重不平衡;無(wú)功補(bǔ)償裝置建設(shè)嚴(yán)重滯后,普遍存在無(wú)功補(bǔ)償容量不足或不合理等問(wèn)題,直接影響用戶的電壓質(zhì)量。

1.3 電能損耗較大

線路與變壓器的電能損耗與其流過(guò)電流的平方成正比,與其電阻成正比。農(nóng)村供電系統(tǒng)電能損耗大的原因主要有:當(dāng)三相負(fù)荷平衡時(shí),系統(tǒng)的損耗最小,大量單相負(fù)荷的接入,直接導(dǎo)致三相系統(tǒng)不平衡;地廣人稀,負(fù)荷分散,導(dǎo)致電力線路較長(zhǎng),變壓器供電距離較遠(yuǎn);無(wú)功補(bǔ)償不足和不合理投切,使大量無(wú)功功率在線路中流動(dòng)等。以上諸多因素直接導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)的電能損耗較大。

2 農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式

本文將農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式分為最大功率跟蹤模式、電壓調(diào)節(jié)模式和無(wú)功補(bǔ)償模式3種,其中最大功率跟蹤模式屬于有功控制模式,電壓調(diào)節(jié)模式和無(wú)功補(bǔ)償模式屬于無(wú)功控制模式。

2.1 最大功率跟蹤模式

有功最大功率跟蹤模式指光伏發(fā)電系統(tǒng)以跟蹤光伏電池的最大輸出功率為目的的工作模式,此時(shí)逆變器按照最大功率輸出進(jìn)行控制,輸出功率的利用效率實(shí)現(xiàn)最大化[5-6]。該模式的光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用擾動(dòng)觀察法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤,進(jìn)而控制能量轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)能光伏電池在外界條件不變情況下的I-U特性曲線如圖1所示。圖1中Pm為光伏電池的最大功率點(diǎn),通過(guò)控制光伏電池的電壓及輸出電流,使其工作在該點(diǎn)處,即可實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出。

目前,對(duì)于實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤,應(yīng)用最廣泛的方法是擾動(dòng)觀察法。該方法根據(jù)其自適應(yīng)性的閉環(huán)控制原理,通過(guò)調(diào)整功率開(kāi)關(guān)來(lái)控制光伏電池的輸出電壓,使輸出功率達(dá)到最大。擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的流程如圖2所示。

2.2 電壓調(diào)節(jié)模式

圖1 光伏電池的I-U特性曲線

圖2 擾動(dòng)觀察法流程

對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓和當(dāng)前時(shí)刻的無(wú)功功率檢測(cè),可以通過(guò)無(wú)功功率對(duì)配電網(wǎng)上的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)電壓—無(wú)功功率的下垂控制[7]。

根據(jù)電網(wǎng)電壓和無(wú)功功率的特性曲線,得到V-Q特性方程如下:

式中:Vref為標(biāo)準(zhǔn)參考電壓,V;V為逆變器輸出電壓,V;Kq為V-Q下垂特性系數(shù);Qref為無(wú)功功率參考值,kvar。

通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的檢測(cè),可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率和瞬時(shí)功率的采樣,有功—無(wú)功解耦的2個(gè)控制參量設(shè)定值均由V-Q特性方程求得。

2.3 無(wú)功補(bǔ)償模式

無(wú)功補(bǔ)償是保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一種有效手段,是降低網(wǎng)絡(luò)損耗,提高電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要措施之一。在傳統(tǒng)的農(nóng)村電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償中,主要是以電力電容器作為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用,使其具有一定的無(wú)功輸出和調(diào)控能力。農(nóng)村電力網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償宜就近設(shè)立無(wú)功電源供給用戶以補(bǔ)償無(wú)功負(fù)荷,以減少農(nóng)村電力網(wǎng)輸送的無(wú)功功率。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用恒功率因數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償控制模式。根據(jù)配電網(wǎng)實(shí)際無(wú)功情況,實(shí)現(xiàn)分相檢測(cè)三相功率因數(shù),控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功輸出,為配電系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)臒o(wú)功功率,滿足電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率的需求,提高系統(tǒng)的功率因數(shù),有效降低網(wǎng)絡(luò)損耗,改善電能質(zhì)量,提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3 控制模式應(yīng)用

3.1 有功控制模式

光伏發(fā)電系統(tǒng)可作為有功電源,其最大功率跟蹤模式能最大限度地從光伏電池吸取太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電,為用戶就近提供有功電能,減輕電網(wǎng)供電負(fù)擔(dān),緩解我國(guó)農(nóng)村電網(wǎng)供電能力薄弱的問(wèn)題。因此,最大功率跟蹤模式應(yīng)該成為農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的唯一有功控制模式。

3.2 無(wú)功控制模式

合理調(diào)整電力系統(tǒng)的無(wú)功分布,可以改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量。當(dāng)電網(wǎng)的電壓水平較低時(shí),需要無(wú)功支撐以提高電力系統(tǒng)的電壓,當(dāng)電壓水平較高時(shí),需要減少系統(tǒng)的無(wú)功電源。而光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)模式的下垂特性與電力系統(tǒng)的無(wú)功電壓需求相一致,可以合理調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行電壓,有效解決農(nóng)村電網(wǎng)電壓水平偏低的問(wèn)題。因此,當(dāng)系統(tǒng)電壓偏低時(shí),農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功控制模式應(yīng)采用具有無(wú)功電壓下垂特性的電壓調(diào)節(jié)模式,以維持系統(tǒng)電壓水平,改善電能質(zhì)量。

當(dāng)系統(tǒng)電壓水平適當(dāng)時(shí),合理進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,減少無(wú)功功率的流動(dòng),減小線路中流過(guò)的電流,可以有效減少網(wǎng)絡(luò)損耗。因此,當(dāng)配電系統(tǒng)電壓滿足需求時(shí),農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功控制模式應(yīng)采用無(wú)功補(bǔ)償模式,實(shí)現(xiàn)無(wú)功的合理配置,提高功率因數(shù),降低網(wǎng)絡(luò)損耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)農(nóng)村負(fù)荷特點(diǎn)及農(nóng)村配電系統(tǒng)現(xiàn)狀分析,給出3種適合農(nóng)村配電系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式。農(nóng)村光伏發(fā)電系統(tǒng)有功控制應(yīng)采用最大功率跟蹤模式,以提高光伏電源利用率;當(dāng)系統(tǒng)電壓偏低時(shí),無(wú)功控制模式應(yīng)采用具有無(wú)功電壓下垂特性的電壓調(diào)節(jié)模式,以維持系統(tǒng)電壓水平,改善電能質(zhì)量;當(dāng)系統(tǒng)電壓滿足要求時(shí),無(wú)功控制模式應(yīng)采用無(wú)功補(bǔ)償模式,以降低網(wǎng)絡(luò)損耗。

[1]張燕妮.淺談光伏發(fā)電的方案設(shè)計(jì)[J].東北電力技術(shù),2014,35(2):34-36.

[2]尚志高.農(nóng)村居民用電負(fù)荷分析與預(yù)測(cè)[J].河南電力,2015,42(2):12-15.

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[5]趙 璐,張立穎,李天立,等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器的研究[J].東北電力技術(shù),2014,35(12):20-23.

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[7]呂 川.單相雙模式逆變器控制及其切換方法研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2015.

Study on Control Models of Rural Photovoltaic Power Generation System

QIU Shi,WANG Guoying,JIN Geng,MA Yufeng
(State Grid Jinzhou Power Electric Supply Company,Jinzhou,Liaoning 121001,China)

This paper analyzes the characteristics of rural electricity consumption and problems existing in rural power distribution sys?tem.Three control models of photovoltaic system which is fit for rural power distribution system are given.MPPT model can alleviate the weak power supply capacity.Voltage regulation model can improve low voltage.Reactive compensation model can reduce the power loss.

photovoltaic system;rural power distribution system;power quality;power loss

TM615

A

1004-7913(2016)12-0044-03

邱 實(shí)(1978),男,學(xué)士,變電專業(yè)技師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)設(shè)備維護(hù)、光伏發(fā)電。

2016-09-17)

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