無錫馬丁格林光伏科技有限公司 ■ 徐獻豐 陳曉高 熊保鴻

0 引言

近年來，智能電網(wǎng)正逐步成為電力領(lǐng)域的研究熱點，如何使智能配電網(wǎng)健康快速地發(fā)展，也成為電力工作者越來越關(guān)注的問題。智能配電網(wǎng)的重要特征之一就是可支持大量分布式發(fā)電系統(tǒng)的合理并網(wǎng)(示意圖見圖1)，其不但具備投資少、發(fā)電靈活、環(huán)境兼容等特點，還能提高和完善需求側(cè)響應(yīng)與管理功能，完全符合智能配電網(wǎng)框架的發(fā)展要求[1]。光伏逆變器作為一種重要的分布式電源，正逐漸從獨立發(fā)電模式朝大規(guī)模并網(wǎng)方向發(fā)展，隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的不斷增加，其對我國電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行及實現(xiàn)電網(wǎng)智能化既具有顯著影響，也具有重要意義。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的隨機性和間歇性，在大規(guī)模并網(wǎng)過程中將對配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行等方面產(chǎn)生顯著影響。本文以光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的影響為出發(fā)點，從光伏逆變器的角度來探討光伏系統(tǒng)接入智能電網(wǎng)后需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

1 光伏逆變器接入智能電網(wǎng)的要求

光伏并網(wǎng)逆變器接入配電網(wǎng)后會帶來各種擾動，影響系統(tǒng)電能質(zhì)量，主要體現(xiàn)在電壓閃爍和諧波、電壓脈沖、浪涌、電壓跌落、頻率偏移、瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題。這對未來的逆變器提出了以下要求：

1)支持電網(wǎng)智能調(diào)度。應(yīng)用該逆變器的光伏電站系統(tǒng)支持電網(wǎng)的智能管理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該光伏逆變器并網(wǎng)后，能接受電網(wǎng)調(diào)度中心的遠程控制信號，可向電網(wǎng)注入有功功率的同時提供無功補償，增強電網(wǎng)的調(diào)度能力；具有電網(wǎng)過頻時有功降低調(diào)節(jié)能力，保證與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)可靠運行；同時還具有低電壓穿越能力，短時穿越電網(wǎng)故障，為電網(wǎng)提供動態(tài)支撐。

2)支持微網(wǎng)運行控制。實現(xiàn)與大電網(wǎng)對等的即插即用，可方便與其他分布式電源組成微網(wǎng)；具備多機并行群控模式，確保微電網(wǎng)中各并網(wǎng)逆變器的協(xié)調(diào)控制，并使由該逆變器組成的光伏電站系統(tǒng)的發(fā)電效率最優(yōu)化。

圖2 支持電網(wǎng)智能管理的光伏電站系統(tǒng)

3)兼容遠程監(jiān)控。要求具有多種可選的傳輸方式，如RS232、RS485、以太網(wǎng)、Wi-Fi、Bluetooth等，設(shè)有多種統(tǒng)一的通訊接口，可根據(jù)現(xiàn)場情況進行靈活組網(wǎng)，可方便地通過手機短息、電子郵件、因特網(wǎng)頁等實現(xiàn)對遠程任意節(jié)點的訪問，方便用戶對由該逆變器組成的光伏電站系統(tǒng)進行遠程控制和數(shù)據(jù)監(jiān)控，如圖3所示。

圖3 光伏電站控制及監(jiān)控系統(tǒng)

2 光伏逆變器接入智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 有功調(diào)節(jié)和無功補償技術(shù)

為了滿足對電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻作用，要求接入電網(wǎng)的光伏逆變器可接受電網(wǎng)調(diào)度信號進行有功調(diào)節(jié)，并且具有有功過頻降額功能。另外，為了抑制電網(wǎng)電壓的大幅度波動，要求光伏逆變器具有一定無功補償能力，即在電網(wǎng)電壓低時可向電網(wǎng)注入無功以提高電網(wǎng)電壓，或電網(wǎng)電壓高時可吸收無功以降低電網(wǎng)電壓。為了實現(xiàn)光伏逆變器的有功和無功控制，硬件結(jié)構(gòu)上，基本是采用經(jīng)典的三相全橋逆變電路。軟件算法上，最常用的方法就是采用基于矢量變換的解耦控制，再通過PI控制器進行電流環(huán)跟蹤控制，PI控制器表達式見式(1)。該方法在電網(wǎng)正常情況下具有很好的控制效果，但是在電網(wǎng)不平衡情況下，由于負序分量的存在，經(jīng)過dq變換后d軸會有二次諧波分量，使得該方法存在一定的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。

其中：GPI表示比例積分控制器傳遞函數(shù)；KP表示比例積分系數(shù)；KI表示積分比例系數(shù)。

為了克服這一問題，比例諧振控制器(PR)和重復(fù)控制器(RP)可實現(xiàn)無靜差跟蹤。

比例諧振控制的思想主旨是在控制器傳遞函數(shù)的jω軸上加入兩個固定的閉環(huán)極點，形成該頻率下的諧振，同時利用諧振增大固定頻率的增益(理論上，諧振使得該設(shè)計下的增益趨于無窮大)，從而實現(xiàn)該頻率下指令信號的無靜差跟蹤[2]。比例諧振控制器表達式如下：

其中：GPR表示諧振控制器傳遞函數(shù)；KR表示諧振系數(shù)；ω表示角頻率。

比例諧振控制不僅可對特定頻率下基波電流精確跟蹤，當(dāng)結(jié)合鎖相環(huán)PLL技術(shù)時，還可應(yīng)用于對3次、5次、7次諧波補償，在PR控制器中并聯(lián)加入式(3)的分量即可。

2.2 低電壓穿越(LVRT)技術(shù)

為了保證系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落后快速作出故障穿越反應(yīng)(即根據(jù)電壓跌落深度向電網(wǎng)注入無功，抬高電壓以幫助電網(wǎng)恢復(fù))，要求具有快速的電網(wǎng)電壓跌落檢測技術(shù)。常規(guī)的電壓跌落檢測方法有：有效值(RMS)計算和相序分解法。

對于RMS法，是通過計算T/2周期內(nèi)每個線電壓(p2p)的有效值來判斷電壓跌落：

對于相序分解法，是通過Clarke變換，把零序(ZS)分量分離出來，在αβ坐標(biāo)系下僅剩正序(PS)和負序(NS)分量，再通過不同的正負序分離手段得到PS和NS分量，最后通過PS的變化來檢測電壓跌落。αβ坐標(biāo)系下正負序分離的方法有1/4周期法(T/4)、微分法(DT)和二階廣義積分法(SOGI)[3-4]。

T/4法是通過自延遲1/4周期，因此對周期性信號具有抵消能力，但同時減弱了抗擾精度，通過式(5)得到PS和NS分量：

DT法是通過對信號取微分來建立正交分量，這使得該方法對諧波非常敏感。數(shù)學(xué)表達式如式(6)：

SOGI法是通過二階廣義積分器來建立正交分量，分解方程如式(7)：

圖4給出了以上4種方法在電網(wǎng)電壓跌落至50%且THD值為5%時的檢測結(jié)果，可看出：T/4法具有不連續(xù)性；DT法對諧波較敏感；SOGI法速度慢，但是在噪聲和畸變條件下具有很好的穩(wěn)定性和抗擾性；RMS法在各種條件下都具有較好的檢測效果。

2.3 支持微電網(wǎng)運行控制

圖4 電網(wǎng)電壓跌落檢測方法對比

分布式發(fā)電以其諸多優(yōu)點受到了廣泛關(guān)注，尤其是光伏發(fā)電系統(tǒng)近年來得到了快速發(fā)展。但是，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，分布式電源必須馬上退出運行，這使得分布式電源的效益未得到充分發(fā)揮。微網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)可解決這一問題，微電網(wǎng)是在分布式發(fā)電基礎(chǔ)之上形成的一種新型供電方式，通過電力電子裝置和儲能設(shè)備實現(xiàn)功率變換和靈活控制，既可單獨為本地網(wǎng)絡(luò)負載供電(孤島模式)，又可與配電網(wǎng)連接并網(wǎng)運行(并網(wǎng)模式)的一種供電網(wǎng)絡(luò)形式[5]。電網(wǎng)正常情況下，微電網(wǎng)可運行并網(wǎng)模式；電網(wǎng)出現(xiàn)故障，微電網(wǎng)可及時與電網(wǎng)斷開而運行孤島模式，以維持本地網(wǎng)絡(luò)電壓幅值頻率穩(wěn)定，保證負載可靠供電。

2.3.1 孤島檢測技術(shù)

微電網(wǎng)靈活控制的關(guān)鍵問題之一是孤島檢測，孤島檢測方法一般可分為無源法和有源法。無源法檢測基本電氣量的特性，如電壓幅值(過壓/欠壓)、相位(相位突變)、頻率(高頻/低頻、頻率變化率)、諧波畸變率、不平衡度、功率變化率和頻率功率變化率等，其特點是對電能質(zhì)量無影響，但存在孤島檢測盲區(qū)。有源法通過有源擾動或正反饋引發(fā)系統(tǒng)偏離正常穩(wěn)定工作點，從而實現(xiàn)孤島檢測。有源擾動量包括電流幅值、相位和頻率、電流諧波、輸出有功和無功功率等，其特點是可減小或消除孤島檢測盲區(qū)。

然而，微電網(wǎng)孤島運行控制要求維持系統(tǒng)電壓幅值頻率正常且穩(wěn)定。如果采取傳統(tǒng)破壞性無盲區(qū)孤島檢測方法，雖然可檢測到孤島的發(fā)生，但此時系統(tǒng)電壓幅值或頻率處于故障運行范圍，在由并網(wǎng)運行模式向孤島運行模式切換的過渡過程中，可能會由于參考電壓(正常)和實際電壓(故障)差別大而出現(xiàn)較大暫態(tài)過程(如過壓或過流現(xiàn)象)。為了避免此類情況的出現(xiàn)，需微電網(wǎng)在不破壞電壓前提下仍能檢測到孤島的發(fā)生，即微電網(wǎng)要求具有無盲區(qū)且非破壞性孤島檢測的功能。一種基于負序電壓正反饋的孤島檢測方法[6]可滿足這一要求，該方法在電壓處于正常運行范圍的情況下仍可快速有效地檢測到孤島的發(fā)生，從而實現(xiàn)非破壞性無盲區(qū)孤島檢測。此外，其在電網(wǎng)單相和兩相斷路情況下仍然有效。

圖5所示為基于負序電壓正反饋孤島檢測方法的逆變器并網(wǎng)控制原理圖。

圖5 基于負序電壓正反饋孤島檢測方法的逆變器并網(wǎng)控制原理圖

2.3.2 電壓和頻率控制技術(shù)

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入微網(wǎng)后存在并網(wǎng)和孤島兩種運行模式。并網(wǎng)運行時，微網(wǎng)內(nèi)的各PV發(fā)電單元只需控制功率流的輸出以保證微網(wǎng)內(nèi)部功率的平衡[7]。由于微網(wǎng)的總體容量相對于電網(wǎng)較小，因此電壓水平和額定頻率都由電網(wǎng)進行支持和調(diào)節(jié)。孤島運行時，微網(wǎng)與電網(wǎng)連接斷開，此時微網(wǎng)內(nèi)部要保持電壓和頻率的額定值，需某個或某幾個光伏發(fā)電單元或微網(wǎng)內(nèi)其他的分布式電源擔(dān)當(dāng)電網(wǎng)的角色來提供額定電壓和頻率。 對于微網(wǎng)運行控制通常采用電壓/頻率(V/f)和下垂(Droop)控制策略。

1) V/f控制策略：是利用逆變器反饋電壓以調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓來保證輸出電壓的穩(wěn)定，常采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案。電壓外環(huán)能保證輸出電壓的穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成電流隨動系統(tǒng)能大幅加快抵御擾動的動態(tài)過程。電壓電流雙環(huán)控制充分利用系統(tǒng)的狀態(tài)信息，不僅動態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度也高。同時，電流內(nèi)環(huán)增大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使逆變器動態(tài)響應(yīng)加快，對非線性負載擾動的適應(yīng)能力加強，輸出電壓的諧波含量減小。

2) Droop控制策略：微網(wǎng)中各并聯(lián)逆變單元(PV發(fā)電單元或其他分布式電源)可通過檢測本單元的輸出功率大小，根據(jù)自身容量把頻率與幅值兩個要素通過輸出的有功功率和無功功率進行近似解耦控制。各逆變單元通過下垂控制得到輸出電壓頻率和幅值的指令值，然后各自反相微調(diào)其輸出電壓幅值和頻率，達到系統(tǒng)有功和無功功率的合理分配。輸出有功功率大的逆變電源，通過頻率下垂特性減小其輸出頻率，從而減少其有功功率輸出；輸出有功功率小的逆變電源，通過頻率下垂特性增大其輸出頻率，從而增加其有功功率輸出。輸出無功功率大的逆變電源，通過幅值下垂特性降低其電壓幅值，從而減小其輸出無功功率；輸出無功功率小的逆變電源，通過幅值下垂特性抬高其電壓幅值，從而增大其輸出無功功率。這種自我調(diào)節(jié)過程將一直持續(xù)下去，直到微網(wǎng)系統(tǒng)達到平衡點。

2.4 潮流控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，特別是從負荷側(cè)接入后，往往會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的負荷分布發(fā)生變化。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)的隨機變化特性會導(dǎo)致并網(wǎng)后的各種負荷分布情況交替出現(xiàn)，這使系統(tǒng)潮流也具有一定隨機性，此時傳統(tǒng)潮流算法將不再適用[8]。因此，有必要提出新的潮流分析和控制方法。

3 結(jié)論

光伏逆變器并入智能電網(wǎng)會帶來的系統(tǒng)問題還需在實踐基礎(chǔ)上進行深入探討，除了文中所述部分，還涉及配電系統(tǒng)的規(guī)劃、運行、管理等多個方面。光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種重要且極受歡迎的分布式電源，應(yīng)該納入建設(shè)堅強智能配電網(wǎng)的總體研究框架中。從基礎(chǔ)問題入手，以高層次優(yōu)化應(yīng)用為目標(biāo)，以良好的實驗環(huán)境為科研平臺，進一步開展多方面實用化研究，以滿足智能配電網(wǎng)的發(fā)展需求。

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