王 剛

（新華水力發(fā)電有限公司，北京 100071）

0 引 言

隨著社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的逐步發(fā)展，人們賴以生存的環(huán)境正在日漸惡化，化石能源的枯竭使得可再生能源的開發(fā)利用得到了大力推廣。而在眾多的可再生能源技術(shù)中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)不僅不會(huì)造成任何額外的污染，而且清潔低碳甚至零碳，這使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為了人類寄予厚望的清潔能源技術(shù)之一。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的使用過(guò)程中，其并網(wǎng)的形式主要有兩種，分別為經(jīng)高壓線路直接接入電網(wǎng)和經(jīng)低壓線路接入配電網(wǎng)，第二種方式就是本文研究的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電這一技術(shù)的應(yīng)用，不僅能節(jié)省土地資源，而且可以減少能量損耗，但其接入電網(wǎng)卻會(huì)對(duì)原配電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響，而研究分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的無(wú)功電壓控制，對(duì)光伏發(fā)電的推廣應(yīng)用具有非常重要的意義[1-3]。

1 分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的情況

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

1.1.1 單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括由多組光伏電池進(jìn)行串并聯(lián)組成的具備一定輸出功率的光伏陣列、無(wú)源濾波器、直流母線穩(wěn)壓電容以及直流/交流逆變電路，如圖1所示。在實(shí)際工作中，當(dāng)陽(yáng)光照射到光伏陣列上時(shí)就會(huì)按照光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而使直流/交流逆變電路中的直流側(cè)電壓幅值滿足直流/交流逆變器的需求，產(chǎn)生符合要求的直流電壓，并且通過(guò)逆變器的逆變形成三相交流電流[4]。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)直流/交流逆變器進(jìn)行逆變完成的三相交流電流中含有大量的諧波，因此還需要將三相交流電流通過(guò)無(wú)源濾波器進(jìn)行過(guò)濾后才能并入電網(wǎng)。在單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，由于其僅有一套直流/交流轉(zhuǎn)換裝置，使得單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具備了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和能量損耗低等多種優(yōu)點(diǎn)。但是，單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的最大功率跟蹤控制、電網(wǎng)電壓同步等許多功能都需要通過(guò)直流/交流能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行，因此導(dǎo)致單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的操作相對(duì)復(fù)雜，一般只有大型的光伏電站才會(huì)選擇采用單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

1.1.2 雙級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

相對(duì)于單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)而言，雙級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中安裝了一套升壓斬波電路，由升壓斬波電路與直流/交流逆變電路組成了雙級(jí)式的光伏并網(wǎng)逆變器。在工作過(guò)程中，光伏陣列輸出的直流電壓將會(huì)經(jīng)由升壓斬波電路進(jìn)行升壓，隨后將升壓完成的直流電送入直流/交流逆變電路中，將直流電轉(zhuǎn)化成為交流電，最后經(jīng)由無(wú)源濾波器清除電能中的諧波，再將電能并入電網(wǎng)中。雖然雙級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的能量損耗相對(duì)于單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)更大，但在雙級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，借助升壓斬波電路不僅能夠?qū)⒅绷麟妷哼M(jìn)行穩(wěn)定提升，還能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤控制，而電能的并網(wǎng)控制與對(duì)直流母線電壓的控制則可以通過(guò)直流/交流逆變環(huán)節(jié)獨(dú)立完成，從而使整個(gè)逆變器的控制更加靈敏快捷[5]。在分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，由于其對(duì)逆變器的控制要求相對(duì)較高，這也使得許多的分布式光伏并網(wǎng)都會(huì)采用雙級(jí)式系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作。

1.2 光伏發(fā)電原理情況

1.2.1 光伏電池的原理與基本特性

光伏電池是一種將光能轉(zhuǎn)化成為電能的光電器件，其工作原理基于物理學(xué)上的“光伏效應(yīng)”。在有太陽(yáng)光進(jìn)行照射的情況下，預(yù)先制作的由P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體組成的半導(dǎo)體基片就會(huì)直接對(duì)光子進(jìn)行吸收，同時(shí)產(chǎn)生一對(duì)自由電子與空穴并向著半導(dǎo)體內(nèi)部迅速擴(kuò)散，最后在結(jié)電場(chǎng)的影響下形成一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的強(qiáng)度則與陽(yáng)光照射半導(dǎo)體基片的光照強(qiáng)度有著直接聯(lián)系。而在光伏電池的使用過(guò)程中，需要注意其光譜特性、光照特性與溫度特性的影響。其中，光譜特性指的是光伏電池對(duì)于不同波長(zhǎng)光照的靈敏度不同[6]。以硅光電池與硒光電池這兩種常見光伏電池為例，硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)為0.4～1.2 μm，而硒光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)卻僅有0.38～0.75 μm。光照特性指的是光伏電池受到光照時(shí)產(chǎn)生的光電流與光生電動(dòng)勢(shì)以及光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，其中，短路電流與光照強(qiáng)度呈現(xiàn)線性關(guān)系，而其開路電壓則與光照強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性關(guān)系。溫度特性則是指光電池的開路電壓與短路電流在不同溫度狀況下的關(guān)系，開路電壓會(huì)隨著溫度的下降而快速下降，而短路電流則會(huì)隨著溫度的升高而緩慢提升。

1.2.2 光伏陣列的輸出特性分析

在光伏發(fā)電的過(guò)程中，光伏陣列的發(fā)電效率與光伏電池的轉(zhuǎn)換效率有著直接關(guān)系。而在光伏電池的工作過(guò)程中，光照輻射度、光反射、雜散電阻以及環(huán)境溫度等因素都會(huì)直接影響到光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而影響到光伏陣列的發(fā)電效率，其中尤以光照輻射度與環(huán)境溫度對(duì)光伏陣列的影響最大[7]。結(jié)合上文光伏電池的溫度特性與光照特性，可以得知光伏電池輸出電流的大小會(huì)隨著光輻射強(qiáng)度的提升而提升，而光伏電池的轉(zhuǎn)換效率卻會(huì)隨著光伏電池溫度的提升而降低。因此，在使用光伏陣列進(jìn)行發(fā)電的過(guò)程中，需要結(jié)合光伏電池的輸出特性，使用最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）方法來(lái)對(duì)光伏陣列的狀態(tài)進(jìn)行控制，使光伏陣列能夠穩(wěn)定保持在轉(zhuǎn)換效率最高的狀態(tài)下進(jìn)行電能輸出。

1.3 MPPT控制器的建模情況

在使用光伏陣列進(jìn)行發(fā)電的過(guò)程中，為了保持光伏陣列的輸出穩(wěn)定，需要使用MPPT方法來(lái)對(duì)光伏陣列進(jìn)行控制，而MPPT的數(shù)學(xué)模型則需要根據(jù)跟蹤方法的不同分為兩大類。一是在已經(jīng)知曉光伏陣列電壓U與光伏陣列輸出功率P特性的基礎(chǔ)上代入公式計(jì)算，以此找出光伏陣列最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓與輸出功率的計(jì)算式，從而進(jìn)行MPPT模型構(gòu)建。二是在不知道其電壓U與輸出功率P特性的基礎(chǔ)上，使用自尋優(yōu)方法對(duì)其最大功率點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。一般常用的探測(cè)方法分別是恒電壓控制法、擾動(dòng)觀察法與電導(dǎo)增量法，其中恒電壓控制法是一種結(jié)合光伏電池最大功率點(diǎn)電壓值來(lái)對(duì)光伏電池陣列進(jìn)行控制的方法，雖然控制原理簡(jiǎn)單，但其控制精度相對(duì)較低，且在溫度變化幅度較大時(shí)的跟蹤效果較差。擾動(dòng)觀察法是通過(guò)引入電壓變化量來(lái)擾動(dòng)光伏陣列的輸出電壓，從而判斷其輸出功率的變化值，以此來(lái)調(diào)整輸出功率。這種方法容易因光照輻射度的突然變化而降低精度。而電導(dǎo)增量法則是一種根據(jù)光伏陣列在最大功率點(diǎn)時(shí)其輸出功率對(duì)電壓的微分為0的特點(diǎn)提出的調(diào)整光伏陣列方法，這種方法不僅對(duì)工作環(huán)境的溫度變化非常靈敏，而且能夠快速精確地追蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)。電網(wǎng)電壓深度跌落時(shí)，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)工作，MPPT模式將會(huì)導(dǎo)致直流母線過(guò)壓的產(chǎn)生，因此需要控制DC/DC變換器工作，在恒壓控制模式，以維持直流母線電壓的穩(wěn)定性[8]。直流母線電壓的給定值和實(shí)際值進(jìn)行比較，將其差值作為批輸入就能得到單向DC/DC變化器的占空比，維持直流母線電壓穩(wěn)定性，減少光伏電池發(fā)出的功率，其主要原理如圖2所示。

圖2 MPPT控制器的綜合工作示意

1.4 光伏并網(wǎng)逆變器的恒無(wú)功控制設(shè)計(jì)

在光伏供電系統(tǒng)與供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行并網(wǎng)的過(guò)程中，需要借助逆變器的無(wú)功控制效果來(lái)為電網(wǎng)進(jìn)行電壓調(diào)整。使用過(guò)程中，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可以向電網(wǎng)內(nèi)注入有功功率與無(wú)功功率，當(dāng)光伏系統(tǒng)的有功功率增大時(shí)，就可以調(diào)整逆變器的無(wú)功功率出力，對(duì)穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)的電壓。但是，逆變器本身的無(wú)功功率輸出能力會(huì)受到輸電線路與自身容量的限制，因此在電網(wǎng)需要光伏系統(tǒng)提供無(wú)功功率支撐時(shí)，就應(yīng)當(dāng)減少有功功率的處理。為了實(shí)現(xiàn)逆變器的恒無(wú)功設(shè)計(jì)，需要通過(guò)電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)以及濾波器對(duì)其進(jìn)行控制[9]。其中，電流內(nèi)環(huán)可以采用前控解耦控制策略，對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)電壓進(jìn)行前饋補(bǔ)償；電壓外環(huán)能夠在恒無(wú)功控制的模式下設(shè)定無(wú)功功率的參考值，從而調(diào)節(jié)并網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)的電壓；而濾波器則可以濾除光伏發(fā)電陣列在發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的諧波，避免諧波對(duì)電網(wǎng)造成污染。

2 分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電系統(tǒng)無(wú)功電壓的影響

2.1 分布式光伏電源接入配電網(wǎng)電壓越限標(biāo)準(zhǔn)

電壓越限是指在一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的電力系統(tǒng)中，某一節(jié)點(diǎn)的電壓超出了當(dāng)前的規(guī)定范圍，不滿足電力系統(tǒng)對(duì)電壓偏差的要求。而電壓偏差指的是在電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓與當(dāng)前系統(tǒng)額定電壓之間的差值對(duì)系統(tǒng)額定電壓的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)電壓偏差過(guò)大就會(huì)引發(fā)電壓越限的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，電壓越限分為越上限與越下限兩種情況，其中越上限情況的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣功能的損傷，甚至?xí)苯佑绊戨姎庠O(shè)備的使用壽命。而越下限情況的發(fā)生則容易導(dǎo)致用電設(shè)備接收到的電能降低，甚至無(wú)法工作。因此，分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)需要嚴(yán)格遵守國(guó)家制定的電壓偏差標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》中明確規(guī)定，35 kV以上供電電壓的正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不得超過(guò)額定電壓的10%，10 kV以下的供電電壓允許偏差為±7%，220 V單相供電電壓允許偏差為7%～-10%。

2.2 分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)無(wú)功電壓影響的理論分析

2.2.1 單個(gè)分布式光伏并網(wǎng)

在單個(gè)分布式光伏電源接入供電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，光伏并網(wǎng)點(diǎn)前方的用戶電壓會(huì)出現(xiàn)一定程度的升高，這個(gè)升高的幅度與光伏電源自身的出力、接入位置以及用戶自身的負(fù)荷大小有關(guān)，甚至?xí)诓⒕W(wǎng)點(diǎn)前方附近引發(fā)電壓越上限問(wèn)題。而在光伏電源并網(wǎng)點(diǎn)的后方，供電線路的電壓將會(huì)出現(xiàn)一定程度的降低，甚至在線路末端發(fā)生電壓越下限的問(wèn)題[10]。此時(shí)，就需要設(shè)置逆變器的功率因數(shù)，通過(guò)對(duì)逆變器的無(wú)功功率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，就可以調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓。在需要降低電壓時(shí)，令逆變器的無(wú)功功率小于0；而升高電壓時(shí)，則讓逆變器的無(wú)功功率大于0。

2.2.2 多個(gè)分布式光伏并網(wǎng)

在多個(gè)分布式光伏電源接入供電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，整個(gè)供電線路上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓都會(huì)升高，此時(shí)若接入的供電網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較低，則容易發(fā)生電壓越上限的情況，接入的光伏電源出力越大，發(fā)生電壓越上限的可能性就越大。此時(shí)，可以通過(guò)控制逆變器的無(wú)功功率，從而調(diào)整供電網(wǎng)絡(luò)的電壓。在需要降低電壓時(shí)，令逆變器的無(wú)功功率小于0；而升高電壓時(shí)，則讓逆變器的無(wú)功功率大于0。

3 分布式光伏發(fā)電無(wú)功電壓控制策略

3.1 分布式光伏發(fā)電無(wú)功電壓控制模式

前文闡述了分布式光伏逆變器的無(wú)功原理以及無(wú)功與電壓之間的關(guān)系，理論上逆變器能夠發(fā)出無(wú)功并具備參與電網(wǎng)電壓控制的能力。無(wú)功的容性和感性決定著電壓的升降，無(wú)功的大小決定著升降的幅度。對(duì)于分布式電站，每一部分作為一個(gè)控制對(duì)象，通過(guò)發(fā)出逆變器無(wú)功，調(diào)整當(dāng)前并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，使電壓運(yùn)行情況滿足電網(wǎng)要求。并網(wǎng)點(diǎn)在電壓無(wú)功控制方面有恒電壓、恒無(wú)功以及恒功率因數(shù)3種模式。根據(jù)分布式電站的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為使用恒功率因數(shù)較為合適，因?yàn)椴煌牟⒕W(wǎng)點(diǎn)電壓幅值不一樣，情況也不盡相同，不太適宜使用同一電壓目標(biāo)值來(lái)控制，同理恒無(wú)功也是如此。而恒功率因數(shù)則不一樣，首先它對(duì)于電網(wǎng)、用戶以及分布式電源來(lái)說(shuō)是一個(gè)十分重要的參數(shù)，而且與有功、無(wú)功都密切相關(guān)，確定一個(gè)調(diào)節(jié)目標(biāo)，根據(jù)當(dāng)前有功瞬時(shí)調(diào)整各分布式電站或發(fā)電單元無(wú)功的大小，將其大小始終控制在一個(gè)目標(biāo)范圍，以滿足電網(wǎng)要求。即使在分布式電源不發(fā)電時(shí)，也可以切換到恒無(wú)功模式，發(fā)出一定的無(wú)功，對(duì)電網(wǎng)電壓起到支撐作用。

3.2 分布式光伏發(fā)電無(wú)功電壓控制網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于分布式光伏發(fā)電，尤其是分布范圍較廣的情況下，可以采用專門的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，目前4G技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而且速度也能夠滿足使用要求。若對(duì)時(shí)延有更高的要求，那么5G技術(shù)是更好的選擇。如圖3所示的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在電網(wǎng)中有一定的使用要求，不能隨意使用，必須做好足夠的安全防護(hù)。

圖3 分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

隨著我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)以及“30·60”雙碳目標(biāo)的提出，清潔能源的開發(fā)利用尤其是新能源的開發(fā)利用已經(jīng)刻不容緩。而光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展正是人類對(duì)太陽(yáng)能合理利用的一種嘗試。在不久的將來(lái)，光伏發(fā)電一定會(huì)成為重要的能量來(lái)源，為人類的生產(chǎn)生活提供光和熱。