談農(nóng)村分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

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摘要：在分析分布式光伏發(fā)電原理和制約因素的基礎(chǔ)上，從控制系統(tǒng)研發(fā)、三相不平衡治理、電壓協(xié)調(diào)和控制、諧振抑制四個(gè)方面，研究并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，從而保障農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村電網(wǎng)；分布式；光伏發(fā)電；并網(wǎng)

引言

隨著國家建設(shè)新農(nóng)村和光伏精準(zhǔn)扶貧政策的深入推進(jìn)，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在農(nóng)村地區(qū)得到了迅速發(fā)展[1,2]。由于農(nóng)村地區(qū)范圍廣闊，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)荷較為分散，配電距離較長，供電質(zhì)量相對(duì)不穩(wěn)定。利用光伏發(fā)電性能特點(diǎn)，將分布式光伏發(fā)電因地制宜地應(yīng)用到農(nóng)村地區(qū)，由于農(nóng)村光伏發(fā)電并網(wǎng)調(diào)控相對(duì)較難，因此有必要對(duì)農(nóng)村分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)適應(yīng)農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)特點(diǎn)的并網(wǎng)逆變控制裝置，提高光伏就地消納水平，解決農(nóng)村電網(wǎng)電壓不穩(wěn)、三相不平衡等問題的影響，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[3,4]。

1分布式光伏發(fā)電

1.1基本原理

分布式光伏發(fā)電是指利用太陽能光伏組件吸收光電子，通過電力電子裝置將太陽能轉(zhuǎn)換為交流電能。整個(gè)系統(tǒng)主要由太陽能光伏組件、并網(wǎng)逆變器、光伏并網(wǎng)計(jì)量箱、通信系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，主要由升壓斬波器、并網(wǎng)逆變器、保護(hù)裝置、濾波單元構(gòu)成，將太陽能光伏組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過壓敏電阻直流防雷裝置、直流EMI濾波單元、MPPT升壓電路后，送入并網(wǎng)逆變器，輸出的交流電經(jīng)過電容濾波、交流EMI濾波單元后逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)要求的交流電，再由光伏并網(wǎng)計(jì)量箱輸出接入并網(wǎng)點(diǎn)。并網(wǎng)后，通過并網(wǎng)控制裝置使太陽能光伏組件一直運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處，與主電網(wǎng)一起為用戶供電。

1.2制約因素

分布式光伏發(fā)電具有簡便靈活、適用區(qū)域廣、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但也受到了一些因素制約[5,6]。（1）分布式光伏發(fā)電建設(shè)位置分散，在大規(guī)模并網(wǎng)接入時(shí)，配電網(wǎng)的調(diào)度和控制難度很大，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。（2）分布式光伏電源受外界氣候影響較大，由于天氣和太陽高度的變化，光電板獲得的太陽能也隨之變化，因此光伏發(fā)電功率也隨著天氣和季節(jié)變化而變化。（3）分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)含多個(gè)并網(wǎng)逆變器，并網(wǎng)運(yùn)行過程中，逆變器輸出隨負(fù)載變化而變化，導(dǎo)致諧波產(chǎn)生，給電網(wǎng)帶來污染。

1.3對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)影響

農(nóng)村分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)是通過低壓線路接入配電網(wǎng)，將光伏并網(wǎng)計(jì)量箱輸出開關(guān)接入并網(wǎng)點(diǎn)。當(dāng)農(nóng)村地區(qū)有多個(gè)光伏發(fā)電接入主配電網(wǎng)時(shí)，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上發(fā)生改變，從無源輻射鏈?zhǔn)阶兂捎性摧椛滏準(zhǔn)剑潆娋W(wǎng)系統(tǒng)易出現(xiàn)不穩(wěn)定性。由于光伏發(fā)電的功率具有不可調(diào)控特性且配電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷不平衡，會(huì)出現(xiàn)電壓峰谷差產(chǎn)生的電壓波動(dòng)與閃變，使配電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生三相不平衡現(xiàn)象。同時(shí)有些農(nóng)村地區(qū)處于偏遠(yuǎn)山區(qū)，離電站距離遠(yuǎn)，用電負(fù)荷分散，需長距離配電網(wǎng)輸送電能，為了提高電能質(zhì)量，加大建設(shè)分布式光伏發(fā)電站，導(dǎo)致接入的位置和容量大小不確定，造成電能分布不均衡，使整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定。在多個(gè)光伏發(fā)電并入配電網(wǎng)時(shí)，薄弱的配電網(wǎng)系統(tǒng)很難承載，對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)的運(yùn)行和控制帶來很大挑戰(zhàn)。

2農(nóng)村分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)

通過研究并網(wǎng)控制裝置的同步、協(xié)調(diào)控制技術(shù)以及農(nóng)村配電網(wǎng)繼電保護(hù)功能及故障定位方法，開發(fā)適用于農(nóng)村地區(qū)的光伏并網(wǎng)控制裝置和故障保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)各個(gè)逆變器統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，使分布式光伏并網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[7]。（1）并網(wǎng)逆變器的同步控制技術(shù)研究與開發(fā)。并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器通過對(duì)主配電網(wǎng)的電壓、相位、頻率等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并比較，保證逆變器輸出與主配電網(wǎng)同步，實(shí)現(xiàn)同步閉環(huán)控制功能；同時(shí)對(duì)直流輸入和交流輸出等電壓進(jìn)行檢測并比較，對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行啟動(dòng)和關(guān)閉輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)行。（2）故障定位及繼電保護(hù)裝置的研究與開發(fā)。分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)裝設(shè)過壓、失壓、頻率檢測與保護(hù)、過載過流、漏電、防雷、接地短路、自動(dòng)隔離電網(wǎng)、逆向功率自動(dòng)檢測與保護(hù)，實(shí)現(xiàn)故障定位，保證并網(wǎng)系統(tǒng)與設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2三相不平衡治理

在分析農(nóng)村地區(qū)各類負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上，考慮用戶側(cè)可調(diào)可控負(fù)荷、可控分布式光伏電源、分布式儲(chǔ)能等技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式，研究基于分布式光伏發(fā)電與配電網(wǎng)三相不平衡治理傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，治理配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)中存在的時(shí)空分布不平衡的單相負(fù)荷，使配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷完全或最大限度地平衡。（1）分布式光伏發(fā)電與三相不平衡治理裝置分層控制。根據(jù)傳統(tǒng)三相不平衡治理的方法，分析分布式光伏發(fā)電在配電臺(tái)區(qū)的出力特性，如分布式光伏發(fā)電出力的響應(yīng)速度和穩(wěn)定特性等；同時(shí)研究分布式光伏發(fā)電容量大小和布點(diǎn)對(duì)三相不平衡治理效果的影響。（2）分布式光伏發(fā)電與低壓負(fù)荷協(xié)調(diào)管理。研究帶分布式光伏發(fā)電的臺(tái)區(qū)負(fù)荷調(diào)控技術(shù)，提出支撐配電臺(tái)區(qū)分布式電源與負(fù)荷時(shí)空轉(zhuǎn)移策略與實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段，保證三相負(fù)荷的平衡。（3）分布式光伏-儲(chǔ)能與三相不平衡協(xié)調(diào)治理。分析靠分布式光伏治理三相不平衡與依托光-儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)節(jié)三相不平衡的區(qū)別，并研究儲(chǔ)能容量大小及布點(diǎn)位置對(duì)于三相不平衡治理的影響；結(jié)合分布式光伏布點(diǎn)研究內(nèi)容，綜合分析光-儲(chǔ)系統(tǒng)容量大小及位置對(duì)三相不平衡治理的影響，以此為目標(biāo)對(duì)于光-儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置。

2.3長距離配電網(wǎng)的電壓協(xié)調(diào)控制

為了解決長距離配電網(wǎng)光伏發(fā)電并網(wǎng)接入帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題，提高分布式光伏發(fā)電消納能力，分析分布式光伏發(fā)電長距離配電網(wǎng)調(diào)壓設(shè)備優(yōu)化配置和電壓分層分區(qū)協(xié)調(diào)控制等技術(shù)[8-16]。（1）分布式光伏發(fā)電長距離配電網(wǎng)運(yùn)行特性及調(diào)壓設(shè)備優(yōu)化配置。利用分布式光伏發(fā)電長距離配電網(wǎng)調(diào)壓設(shè)備優(yōu)化配置模型和方法，根據(jù)長距離配電網(wǎng)內(nèi)的調(diào)壓設(shè)備類型、分布式光伏電源的接入位置和接入容量，開展饋線調(diào)壓器的優(yōu)化配置模型研究，分析其配置容量和接入位置。（2）分布式光伏發(fā)電長距離配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制。基于多系統(tǒng)和分布式通信，建立分布式光伏變流器接入點(diǎn)電壓控制和其相鄰節(jié)點(diǎn)電壓、相鄰線路潮流等之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電壓自治調(diào)整的目標(biāo)；通過量化指標(biāo)體系和安全運(yùn)行約束制定全局優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)控策略，對(duì)變電站級(jí)有載調(diào)壓器、電容器組等離散電壓控制設(shè)備以及分布式光伏變流器有功功率和無功功率輸出進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化調(diào)度。（3）分布式光伏發(fā)電的配電網(wǎng)電壓分層分區(qū)協(xié)調(diào)控制。在長距離配電網(wǎng)分層分布式協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)分布式光伏發(fā)電參與配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制的控制系統(tǒng)，并搭建相應(yīng)的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠?qū)λ芯康碾妷簠f(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行有效驗(yàn)證[17-21]。

2.4多臺(tái)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的諧振抑制

分析農(nóng)村較弱系統(tǒng)對(duì)多臺(tái)逆變器并聯(lián)諧振的影響，并對(duì)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行特性分析，研究諧波抑制策略，有效提高并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（1）利用輸出阻抗模型分析多臺(tái)光伏并網(wǎng)逆變器間的交互影響。通過分析輸出阻抗模型傳遞函數(shù)，研究并網(wǎng)逆變器數(shù)量、組成比例和電網(wǎng)阻抗對(duì)系統(tǒng)諧振特性的影響，并軟件仿真驗(yàn)證分析所得的結(jié)論。（2）分析控制器間的時(shí)間誤差對(duì)諧波的影響。由于光伏并網(wǎng)逆變器之間的控制單元是獨(dú)立控制，因此，控制單元間的控制時(shí)鐘不可能完全同步，這個(gè)細(xì)小誤差會(huì)使得逆變器單元輸出電壓頻率存在差異，導(dǎo)致諧波問題。針對(duì)多個(gè)并網(wǎng)逆變器的諧振問題，采用多種控制方法對(duì)比，綜合提出抑制諧振的方案。

3并網(wǎng)控制裝置在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用

為解決分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)的影響，依據(jù)并網(wǎng)控制關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)研制適合農(nóng)村特點(diǎn)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)控制裝置，如圖2所示。該裝置在農(nóng)村地區(qū)接入并網(wǎng)系統(tǒng)后，三相電流平衡，并網(wǎng)諧波小于3%，并網(wǎng)逆變器在低壓或高于啟動(dòng)電壓值時(shí)可以自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)機(jī)。控制系統(tǒng)發(fā)生故障后，能進(jìn)行故障定位，故障消除后，并網(wǎng)控制裝置能自動(dòng)啟動(dòng)并網(wǎng)；同時(shí)對(duì)其交流輸出側(cè)進(jìn)行過壓/欠壓和過頻/欠頻測試，當(dāng)逆變器交流輸出端電壓及頻率超過規(guī)定范圍時(shí)，逆變器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)停止向電網(wǎng)供電，同時(shí)發(fā)出警示信號(hào)。當(dāng)電網(wǎng)頻率恢復(fù)到允許運(yùn)行的電網(wǎng)頻率時(shí)，逆變器應(yīng)能重新啟動(dòng)運(yùn)行。

4結(jié)語

針對(duì)分布式光伏發(fā)電影響農(nóng)村不同區(qū)域配電網(wǎng)等問題，利用光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓協(xié)調(diào)控制和負(fù)荷協(xié)調(diào)管理，研究出適應(yīng)農(nóng)村地區(qū)特點(diǎn)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)控制裝置，使農(nóng)村分布式光伏發(fā)電具有安全、可靠、環(huán)保特點(diǎn)，同時(shí)也降低了農(nóng)村偏遠(yuǎn)山區(qū)用戶的用電費(fèi)用問題，也讓更多農(nóng)民從光伏發(fā)電中獲得了一定的經(jīng)濟(jì)收益。

作者：謝瑩 單位：閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院