光伏发电系统并网点电压升高调整研究

2022-03-24王宏彬

光源与照明 2022年4期

王宏彬

五家渠爱康电力开发有限公司，新疆昌吉 831100

0 引言

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对电力供应的需求逐渐增加，在环境污染问题持续恶化的背景下，必须加大对光伏发电系统的研究力度。在我国光伏发电系统规模持续扩大的背景下，我国面临的能源威胁有所缓解，但实际运行过程中仍存在问题。为了解决光伏发电系统并网点电压上升的问题，需要进行适当调整[1]。

当光伏发电系统接入电网时，电网容量会逐渐增加，这对电力系统的要求较高[2]。在电力系统中，现阶段常用的转换接口是变频器。PCC为大型光伏电站并网系统结构，在并网型光伏电站中，汇集线路依次连接光伏阵列、逆变器、升压变压器至并网点（POI），再经送出线路连接至PCC。并网后电压测量点可选择POI或PCC。PCC可看作工业可编程模块，类似PLC，PCC电压可看作电网电压。当依靠传统的功率控制模式控制PCC电压时，存在电压上升的问题。对此，应当联系当前的实际需要，根据光伏发电系统的特点，优化光伏发电系统，促进光伏发电系统的发展和普及[3]。

1 研究背景

1.1 光伏发电概述

太阳能可以通过光伏发电系统转换为电能，光伏发电系统比其他传统发电系统更安全可靠。只要有太阳能存在，就可以发电，因此得到了广泛使用。太阳能是平台、岛屿和其他偏远地区的发电解决方案[4]。

1.1.1 光伏发电的应用

光伏发电已逐渐应用于高科技产业，如太阳能卫星和太阳能汽车。与此同时，科学家也利用太阳能建造房屋等。太阳能是高科技和新技术的代名词，是人们生活中不可或缺的一部分，光伏发电技术也是一种很有前途的新能源发电技术。

1.1.2 光伏发电系统并网

长期以来，中国电力系统的结构一直采用单向配电和高低压输电的方式，不允许出现过流的问题[5]。因此，配电系统中的高压插头配有自动电压控制轴头，可以调节负载电压，并将高压插头的输出端连接到电网的输出端。

为了保证输电系统的安全运行，输电系统的大多数导线连接到隔离升压变压器，以实现输电系统的并网运行。

通常假设配电网是一个具有恒定电压幅值的无限系统，假设所需的所有无效功率均由电网提供，本地无效功为0，且连接到电网的逆变器的单位功率为0，则本地负载容量必须小于光伏系统的容量。由于输电线路存在电阻，通过光伏发电系统的垂直配电网传输的电能大小可以用PCC电压表示[6]。

1.2 研究意义

供电质量是人们生活质量的保证。光伏发电系统作为电源领域的新兴系统，因其污染小、使用寿命长而得到广泛应用。其中，分散式光伏发电系统通常接入中低压电网。大规模使用分散光伏发电系统意味着配电网从一个辐射源切换到多个电网，电流从变压器母线流向负载方向。这影响了配电网和原调压装置的调压效果，现有的调压设备达不到想要的效果，不能满足现阶段对电网安全运行的要求[7]。如果光伏发电系统导致PCC产生逆流，电压会发生变化，则当前系统处于轻负载时会出现高电压问题。电压升高不仅影响供电质量，还会导致输电网变压器等设备的损耗以及光伏发电系统的整体磁导率受影响。因此，有必要采取有效措施解决光伏发电系统和电网的电压升高问题[8]。

21世纪对能源的要求更高。传统的火力发电不仅生产能力低，而且使环境恶化。为了追求经济发展和环境保护，太阳能已经成为解决能源短缺问题的关键，光伏发电技术是我国迫切需要的新技术。光伏发电系统中并网点的电压升高是光伏发电系统中的常见问题，为了更好地发挥光伏发电系统在电源中的作用，需要通过研究解决这一问题[9]。

2 光伏发电并网系统的特点

光伏发电模块通过串联和并联形成光伏发电系统，产生的直流电电压可以满足正常运行的要求。

直流逆变器可以将光伏发电系统产生的直流电转换为交流电，将光伏发电系统产生的电能供给电力系统[10]。

光伏发电并网系统具有能量转换效率高、结构简单、功率转换连接少等优点。但是这种并网系统也有不足，其对直流逆变器要求很高，需要直流逆变器实现对最大功率和并网功能的追踪，其控制策略复杂，很难实现[11]。

2.1 电流的变化导致并网点电压变化

如果系统过载，光伏输出功率大于当地负载消耗的功率，光伏电源的有功功率和无功功率将处于过载状态[12]。由于线路阻抗的存在，并网点的电压会增加，并可能超过特定电压偏差的上限。

通过限制光伏电源的有功功率和无功功率，可以抑制并网点电压升高[13]。

2.2 受气候的影响

受气候条件的影响，光伏发电变化迅速。

因为电网电压并联，在电网短路或容量不足的情况下，光伏输出的有功功率会有很大的变化。在光伏输出的有功功率和网络阻抗角变化相同的情况下，网络阻抗角较大，并网点的短路容量较大，电压变化较小；当光伏输出的功率发生变化，且负电荷强度保持不变时，并网点处的电压变化值会发生变化，当负载与光伏运行发生碰撞时，节点电压波动更严重。

在多云天气及天气发生变化时，光伏发电系统会发生巨大变化，容易出现电压问题，强烈的电压下降会影响系统的稳定性。

2.3 逆变器的运行特点

大容量逆变器主要用于向电网注入额定功率，如果实际有功功率低于逆变器的额定循环功率，在逆变器注入功率的过程中，剩余功率将无法满足功率注入需求。研究光伏发电的高压现象可知，如果逆变器不能很好地解决高压问题，电网的经济效益会出现严重波动。在逆变器的正常运行中，其控制电网电压的能力受到变压器和线路容量两个因素的限制。

3 光伏发电系统并网点电压升高调整方法

3.1 应用变压器

从电压范围来看，大型光伏发电系统接入电网后的电压越来越高，有必要适当地控制电压。需要在响应速度不可调的情况下，依靠变压器稳定电能等电压控制方法高速、准确地稳定电路电压。

我国传统的电力系统是单向的高压-低压输配电系统，由高压输配电至低压，不允许逆流情况的发生。高中压变压器一般有自动调压阀，而中低压变压器可调节负荷电压，一般不设自动调压阀，以保证电厂安全。

通常，电网运营商需要通过隔离升压变压器，将光伏发电系统连接到低压和中压配电网中，这样才可以确保电网的正常运行；或者，可以将光伏发电系统连接到电介质输出低压配电网的等效连接电路中。

3.2 改进传输电路阻抗

PCC电压受电源电压、输出线阻抗、传输线路功率等因素的限制，可以采用改进传输电路阻抗的方法控制光伏发电系统中的有功功率和无功功率。

除此之外，还应当使用储能装置。在建设新的输电网络时，要确保光伏发电系统可以在有用功和无用功之间进行切换，改善输电线路的阻抗，既可以加强输电线路的功能，又经济实惠；使用储能装置可以满足光伏发电系统的需要，但由于初始投资大，无法大规模应用。

3.3 使用负载调压器和电容器

在分布式光伏发电系统接入配电网之前，传统配电网主要利用负载调压器和电容器进行电压调节。负载调压器和电容器可以将网络中各节点的电压控制在一定范围内。

当配电网连接多台分布式光伏发电机时，并网点的电压会升高，并且可能超过电压上限，使电网处于危险的环境。电网的电流双向流动，电网的模糊功率分布不规则。在此情况下，可以测量本地信息，然后根据本地测量的信息进行操作，通过调节器调节现有电压，使电网电压不超过上限或下限。

3.4 使用光伏逆变器

为了使连接的多个光伏发电系统的电源电压保持在一定范围内，通常使用光伏逆变器调节电源电压。光伏逆变器的无功功率主要受光伏逆变器的效率和额定功率的影响。当光伏逆变器以单位功率因数接入电网时，其最大无功功率增加，光伏逆变器的输出功率也会大于本地负载的功率。如果电网连接点处的电压超过一定值，不仅会影响配电网的安全性和可靠性，还会导致光伏逆变器因电网短路而产生过电压，限制电网的连接容量。

4 光伏发电系统并网点电压调整策略

4.1 有用功电流电源调整策略

如果采用有用功电流电源调整策略，有必要先了解瞬态和稳态波形。在运行过程中，如果PCC部分出现的情况为负分离，PCC可以在短时间内增加电压。电压调节器必须同时控制PCC的电压状态和提高PCC的控制力，虽然要求较高，但是可以更有效地控制系统的动态变化。电压控制模式为恒波形稳定动作模式，随着时间的推移，输出功率逐渐降低，总电压偏差回到零，使系统相关性能参数在合理范围内。

4.2 无用功电流电源调整策略

当逆变器不能吸收能量时，PCC的本地负载被中断。如果出现电压指数为零的情况，会导致系统无法正常运行，并且体现为单位功率因数落后于总功率因数。在使用无用功电流电源调整策略时，应当设定PCC的电压状态，并在设定过程中显示暂态稳定波形。

4.3 自动投切电容器调整策略

为了降低电网线路吸收的无功功率，需要实现无功功率的局部均衡，可将电容器并联到并联站进行无功补偿，电路电容器采用无效功率控制的模式。无功功率计可以测量流经变压器二次侧的无功功率，如果流经变压器的无效功率的时间超过单个电容器组的组开关设置的延迟时间，控制器需要通过触发内部定义的事件参数来切换所需要的电容器。