張?zhí)煨l(wèi)，袁旭峰，時(shí)豪，唐圣輝

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 貴陽 550025)

0 引 言

貧困戶和貧困村在政府支持下，安裝分布式光伏電源后，可實(shí)現(xiàn)一次性投入、多年受益、穩(wěn)定增收的扶貧效果。從電力系統(tǒng)角度看，這也為長久以來的農(nóng)村配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)農(nóng)村配電網(wǎng)負(fù)荷分散、配電線路長、線徑偏小，且在低壓配電網(wǎng)中電能質(zhì)量治理裝置功能單一，效果不明顯。有的農(nóng)村配電網(wǎng)甚至沒有配備相應(yīng)的電能質(zhì)量治理裝置，這使得農(nóng)網(wǎng)在負(fù)荷高峰時(shí)電能質(zhì)量問題更加嚴(yán)重[1]。安裝分布式光伏后，在對(duì)光伏電源本身進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，還需要綜合有效的控制策略，解決農(nóng)村配電網(wǎng)在分布式光伏并網(wǎng)后引起的電能質(zhì)量問題。

1 含扶貧式光伏的農(nóng)網(wǎng)電能質(zhì)量問題分析

1.1 農(nóng)村配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及用戶負(fù)荷特點(diǎn)

農(nóng)村配電網(wǎng)低壓線路通常采用三相四線制的供電方式，大部分以單相二線的方式進(jìn)行供電，存在少部分三相動(dòng)力負(fù)荷。這就意味著農(nóng)村配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的三相不平衡問題不可忽視，負(fù)荷不平衡所產(chǎn)生的零序電流可以通過中性線構(gòu)成回路，且因?yàn)榀B加關(guān)系，中性線的零序電流大小是相線零序電流的三倍。對(duì)于農(nóng)村配電網(wǎng)來說，線路阻抗比較大，因此配電線路的壓降主要由有功功率引起。

農(nóng)村負(fù)荷密度低且分散，呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性和隨機(jī)性，經(jīng)常會(huì)造成負(fù)荷過重從而導(dǎo)致臺(tái)區(qū)線路末端電壓過低，甚至影響正常生產(chǎn)。同時(shí)，沿線接入的非線性負(fù)荷帶來的波動(dòng)性、非線性和阻感性會(huì)對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響[2]。

1.2 含扶貧式光伏農(nóng)網(wǎng)電能質(zhì)量問題

農(nóng)村配電網(wǎng)一般呈簡單的輻射鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，用電負(fù)荷分散，配電距離長。其本身就存在著一定的電能質(zhì)量問題[3]。當(dāng)分布式光伏并入低壓配電網(wǎng)后，其對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響可分為兩方面。

1.2.1 正面影響

(1)分布式光伏接入配電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)能量的就地平衡，減少了遠(yuǎn)距離傳輸電能的投資和損耗。在季節(jié)性負(fù)荷較大時(shí)，分布式光伏能夠迅速提供功率支持，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

(2)通過控制光伏并網(wǎng)逆變器的無功輸出能力，可以使分布式光伏參與調(diào)節(jié)配電網(wǎng)電壓[4];

(3)通過合理配置儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電，可以減少光伏電源的棄光率，并且在沒有輻照的夜間能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)提供功率支持。

1.2.2 負(fù)面影響

(1)光伏出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性可能引起電壓閃變、驟降問題[5]，變壓器等傳統(tǒng)調(diào)壓方式由于響應(yīng)速度較慢無法對(duì)其進(jìn)行有效調(diào)節(jié)；

(2)分布式光伏中含有大量的電力電子開關(guān)器件，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染；

(3)當(dāng)分布式光伏單相接入配電網(wǎng)時(shí)，可能會(huì)加重系統(tǒng)的三相不平衡問題[6]。

2 光伏逆變器電壓/無功控制

2.1 逆變器無功輸出原理

對(duì)逆變器功率輸出進(jìn)行矢量分析，單相并網(wǎng)等效電路如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)等效電路

可以得到：

Vg=Ig(R+jX)+Es

(1)

式中Vg為逆變器的輸出相電壓；Es為電網(wǎng)三相相電壓；R+jX為并網(wǎng)等效阻抗；Ig為逆變器輸出電流。如果以Es的相位為參考，Es和Vg之間的夾角為δ，設(shè)：

(2)

(3)

當(dāng)R很小的時(shí)候可以忽略得：

(4)

則逆變器發(fā)出的復(fù)功率為：

(5)

逆變器向電網(wǎng)輸出的有功和無功功率分別為：

(6)

(7)

一般情況下δ較小，可以得到：

(8)

(9)

由以上公式可知通過控制可以改變逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，如圖2所示，es為電網(wǎng)電壓，X為交流側(cè)電抗值，R為等效電阻，vg、ig分別為逆變器輸出電壓和電流。

圖2 逆變器運(yùn)行狀態(tài)矢量圖

2.2智能逆變器控制

在Opendss建模程序中，光伏發(fā)電系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)太陽能電池面板組成，該模型假設(shè)換流器能夠快速找到光伏面板的最大功率點(diǎn)，圖3顯示了從太陽能電池到電網(wǎng)的整個(gè)光伏系統(tǒng)的簡化框圖，其中光伏系統(tǒng)不再此節(jié)贅述，圖中逆變器控制提供了電壓/無功、電壓/有功和動(dòng)態(tài)無功電流控制模式，文中選用電壓/無功控制[7]。

圖3 光伏系統(tǒng)逆變器控制簡化框圖

文中逆變器控制采用具有遲滯的電壓/無功控制，以便無功功率輸出保持恒定的“死區(qū)”。如圖4所示為逆變器的控制曲線(右側(cè)曲線1和左側(cè)曲線2)，當(dāng)電壓開始超過允許上限時(shí)，可以通過調(diào)用無功功率(感應(yīng)變量)吸收，相反，如果在光伏系統(tǒng)的端子處存在低于正常電壓的情況，例如有功功率輸出的突然降低，則可以發(fā)出無功功率傳送到電網(wǎng)，讓電壓提高到正常水平[8]。

圖4 帶遲滯的電壓/無功控制圖

逆變器設(shè)定在0.95 pu至1.05 pu，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過給定的逆變器控制曲線，使得電壓工作在允許范圍內(nèi)，其可用無功功率由式(10)決定：

(10)

式中kvaravailable表示可用無功功率；kva_rating表示額定無功功率；present_kw表示當(dāng)前有功功率。圖4中，若當(dāng)前潮流計(jì)算顯示端電壓變大，無功功率輸出按控制曲線1進(jìn)行控制；若當(dāng)前潮流計(jì)算顯示端電壓下降，無功功率輸出即轉(zhuǎn)移到滯后曲線2，當(dāng)電壓下降到控制曲線2的邊界時(shí)，如果電壓仍然在負(fù)方向，則遵循控制曲線2確定無功功率的輸出。類似地，如果利用控制曲線2(由于端電壓降低)，與先前相比電壓將正向移動(dòng)，則轉(zhuǎn)向控制曲線1，如前所述，無功功率輸出直到端電壓達(dá)到控制曲線1上的值時(shí)才開始遵循控制曲線1對(duì)逆變器無功功率輸出進(jìn)行控制。

3 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電分時(shí)控制

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行模式

在Opendss程序建模中，儲(chǔ)能元件與發(fā)出/吸收功率的發(fā)電機(jī)等效，基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，當(dāng)光伏逆變器輸出功率高于負(fù)載功率或夜間負(fù)荷和電價(jià)都較低時(shí)，該儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電模式；當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)處功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過可以快速調(diào)節(jié)有功功率[9]，同時(shí)在電壓降低時(shí)可以提供一定無功支撐。

圖5 儲(chǔ)能元件框圖

文中儲(chǔ)能元件采用Opendss軟件中的FOLLOW模式，通過設(shè)置loadshape乘子讓有功功率和無功功率輸出滿足要求，當(dāng)該數(shù)為正時(shí)儲(chǔ)能元件開始放電，反之為負(fù)則開始充電。原理如圖6所示。

同時(shí)加裝儲(chǔ)能元件控制器對(duì)其進(jìn)行控制，在Opendss程序建模中，儲(chǔ)能元件控制器有5種放電控制模式(Peakshave/Follow/Support/Loadshape/Time)和2種充電控制模式(Loadshape/Time)。為了保證儲(chǔ)能元件能在負(fù)荷高峰時(shí)提供相應(yīng)的功率支撐，在負(fù)荷低谷時(shí)儲(chǔ)能，充放電控制都選擇Loadshape模式，即根據(jù)臺(tái)區(qū)日負(fù)荷曲線制定控制曲線，當(dāng)值為正時(shí)以既定速率放電，值為零時(shí)儲(chǔ)能元件處于空載狀態(tài)，值為負(fù)時(shí)以既定速率充電。

圖6 日仿真充放電周期

3.2 光儲(chǔ)系統(tǒng)的分時(shí)協(xié)調(diào)控制

因日負(fù)荷曲線特性和光伏輸出受時(shí)間影響，設(shè)置儲(chǔ)能元件在負(fù)荷較輕時(shí)充電，而在負(fù)荷晚高峰時(shí)沒有光伏電源輸出的時(shí)候放電[10]，臺(tái)區(qū)日負(fù)荷曲線和輻照如圖7所示，其中10:00～12:00的負(fù)荷高峰可以通過光伏發(fā)電得到緩解，19:00～21:00的負(fù)荷高峰則沒有光伏發(fā)電，此時(shí)通過儲(chǔ)能提供功率支撐[11]。其余當(dāng)有光伏發(fā)電滿足臺(tái)區(qū)負(fù)荷需求或負(fù)荷較輕的情況下都控制儲(chǔ)能元件進(jìn)行蓄電。

圖7 日負(fù)荷及輻照曲線

4 仿真分析

4.1 某低壓簡介

某臺(tái)區(qū)0.4 kV等級(jí)配電網(wǎng)系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 含光伏發(fā)電饋線系統(tǒng)圖

該臺(tái)區(qū)中共有180個(gè)節(jié)點(diǎn)，62條線路，110個(gè)設(shè)備，臺(tái)區(qū)主變壓器的容量為315 kVA。臺(tái)區(qū)主干線為三相四線制供電，居民負(fù)荷為單相二線制供電，部分負(fù)荷為動(dòng)力負(fù)荷。共并入8個(gè)光伏發(fā)電單元，其中包含2個(gè)三相光伏發(fā)電單元(PV1、PV2)和6個(gè)單相光伏發(fā)電單元(PV3、PV4、PV5、PV6)，選PV1節(jié)點(diǎn)處為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4.2 光儲(chǔ)發(fā)電參數(shù)配置

在該低壓臺(tái)區(qū)中，8個(gè)光伏發(fā)電單元均安裝在負(fù)荷側(cè)，最后并入電網(wǎng)。文中選取的光伏發(fā)電模型為溫度25 ℃，輻射度為1 kW/m2，功率因數(shù)為1.0，逆變器工作效率為1。三相光伏發(fā)電單元輸入功率Pmpp分別為50 kW，40 kW，單相光伏發(fā)電單元輸入功率Pmpp為4 kW。為保證逆變器能滿足最大負(fù)荷下設(shè)備對(duì)功率的要求，每個(gè)逆變器額定輸出功率分別比Pmpp值大10%。儲(chǔ)能系統(tǒng)配合光伏發(fā)電選擇三相和單相接入，功率分別選擇為光伏發(fā)電的80%。在光儲(chǔ)參數(shù)設(shè)置完畢后選擇日仿真模式對(duì)該低壓臺(tái)區(qū)進(jìn)行時(shí)序潮流仿真，對(duì)提出的綜合控制進(jìn)行研究。

4.3 時(shí)序潮流下綜合控制仿真研究

文中在該低壓臺(tái)區(qū)加入光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)，在保證臺(tái)區(qū)所有設(shè)備正常工作的情況下，對(duì)含電壓/無功智能逆變器控制功能在日仿真模式下進(jìn)行分析，得出在加入電壓/無功控制環(huán)節(jié)前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓變化圖，如圖9、圖10所示。

圖9 無電壓/無功控制電壓分布

圖10 含電壓/無功控制電壓分布

從圖9、圖10可得，在加入智能逆變器電壓/無功控制環(huán)節(jié)后，電壓變化范圍由0.990 6～1.043 5變到0.983 5～1.037 5，電壓質(zhì)量有所改善，智能逆變器控制起到了很好的效果。

文中采用了日仿真模式對(duì)某低壓臺(tái)區(qū)進(jìn)行潮流分析，在加分布式光伏發(fā)電后進(jìn)行了智能逆變器電壓/無功控制仿真研究，得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)一天電壓的變化情況，如圖11所示。

圖11 電壓/無功控制仿真電壓對(duì)比

由圖11得出，加入分布式光伏電源后，在輻照較強(qiáng)的白天電壓有一定提升，標(biāo)幺值變化范圍為1.005～1.050，但在負(fù)荷晚高峰電壓仍基本沒有變化。在每個(gè)分布式光伏電源處加入電壓/無功控制后，標(biāo)幺值電壓變化范圍為1.015～1.044，通過調(diào)節(jié)光伏電源輸出的無功功率，電壓質(zhì)量有所改善。

為提高光伏利用率和獨(dú)立光伏發(fā)電的供電可靠性，通常配置一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，平滑光伏系統(tǒng)出力的波動(dòng)性。文中在各光伏并網(wǎng)點(diǎn)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，構(gòu)成光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)。配置儲(chǔ)能系統(tǒng)后監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓變化情況如圖12所示。

由圖12得出，通過光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電并加入智能逆變器電壓/無功控制后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓變化范圍為標(biāo)幺值0.996～1.040，相對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電且無電壓/無功電壓控制的系統(tǒng)電壓有較明顯的改善，提高了原有系統(tǒng)的光伏供電可靠性。

圖12 含儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制電壓變化

5 結(jié)束語

通過對(duì)含扶貧式光伏低壓臺(tái)區(qū)加入電壓/無功控制，結(jié)果表明電壓/無功控制對(duì)光伏輸出的電壓變化提供了一定的電壓支持，對(duì)電壓質(zhì)量起到了一定的改善作用。由于光伏發(fā)電受天氣影響，為提高光伏利用率，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，得出加入智能逆變器電壓/無功控制和光儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制可以有效改善電壓質(zhì)量，為低壓臺(tái)區(qū)接入扶貧光伏電壓質(zhì)量控制提供一定參考。