光伏发电并网电压稳定性及调压策略研究

宋继光

摘要：光伏发电系统的输出功率具有典型的随机性和难调度的特点，受时间、季节和天气等外部因素的影响将会造成光伏的三相变流器的利用率降低，即光伏发电系统满状态运行时间占比很小，并引起电力系统电压波动，特别是在电力系统运行在非正常状态时。为减少光伏的接入对电网的不好影响，依据光伏系统并网要求，采用改变变压器变比、投切无功补偿装置等调节措施是必不可少的。因此，如何利用其自身控制策略充分利用光伏逆变器的剩余容量减少光伏的接入对电网的不好影响，迫切需要研究的是配电网的电压水平和光伏电源与电网运行的协调性。

关键词：光伏发电并网；电压稳定性；调压策略

1光伏发电并网的分析

（1）基本原理。细致分析并总结“并网光伏发电基本原理”，不难发现主要就是让太阳辐射照射高纯度硅材料制作的太阳能电池板，激活硅材料表面的光电子之后形成电流，后续能够储存太阳能并通过合理转化得到电能。实际上，并网光伏发电相关就是应用期间存在一些难以解决的问题，需要采取针对性措施。并网期间通常会在电能质量、功率、孤岛保护多个方面提出严格要求。对于“并网光伏发电”这种模式而言，主要就是对光伏效应进行利用产生电能，太阳能辐射照射在P-N结上产生新的电子空穴对，并且电子和空穴在P-N结电场的综合作用下可以转移到结的两侧，进而就会形成“电势差”。在此期间，光生空穴会移动到P区、光生电子移动到N区，从而形成电流。（2）核心组件。1）光伏电池阵列。光伏电池阵列作为发电系统的核心，是直接捕获太阳光能并转化为电能的关键部件。这种转化基于半导体材料的特性，当受到太阳光照射时，会在内部产生电流。不同的太阳能电池类型基于不同的材料和制造技术，具有独特的特点。2）逆变器。并网逆变器是一种特殊的逆变器，它既能使直流转换为交流，又能保证输出的交流电流在相位和频率上都能与电力系统同步。并网逆变器的AC输出通常是60Hz或者50Hz。电力变压器的基础结构既有工频变压器、新型高频变压器，也有不带变压器的变压器。该系统的数据通常包括输出电压、额定输出功率、美国加州能源学会（CEC）加权效率、峰值效率、峰值功率跟踪电压、启动电压、最大输出电流、最大输入电流和国际保护级别认证等。该系统包括滤波电路、控制逻辑、逆变桥等。为方便对并网状态下的太阳能光伏发电进行监控，要在配电箱内安装监控系统。为有效地改善并网逆变器的运行安全性，要对其进行系统保护。3）电能质量处理装置。电能质量处理装置在光伏发电并网系统中起到了至关重要的作用，它确保了从光伏电池和逆变器输出的电能满足电网的标准和要求。这些装置通过对交流信号的细致分析和调整，修正了可能存在的电能问题，从而为用户提供稳定、高质量的电能。首先，滤波功能能够消除电信号中的高频噪声或干扰，确保电能的纯净度。其次，调压功能可以在电压发生波动时，自动调整输出，使其始终保持在合适的范围内。最后，谐波抑制则是对那些可能导致设备损坏或影响其他电器正常工作的非基波频率进行削弱或消除。综上所述，电能质量处理装置不仅确保了光伏发电的安全并网，而且提高了整个系统的稳定性和可靠性。

2光伏系统接入对配电网电压的影响分析

2.1光伏电源并网对配电网电压偏差的影响分析

光伏发电系统接入配电网后，若想维持其安全稳定，应保证配电网每个节点的电压不越线，如果电力系统的节点电压长期处于过高或超过正常范围，会导致电气设备的绝缘性能降低甚至破损，将使电气设备使用寿命缩短，同时线路损耗也将大大增加，不利于经济运行；若电力系统节点电压过低，也会导致电动机等电气设备的工作效率变低，在电力系统的薄弱环节中，电压过低将导致整个系统电压崩馈，从而造成停电事故。下面将对光伏电源并网后对电压偏差的影响展开分析。依据电力系统分析可以知道，线路传输功率的同时也将会造成电压损耗，电压偏离额定值，进而造成电压偏差。无功功率Q一定程度上主导了电压偏差，电压偏差受P对的影响较小，相角主要受到有功功率P的影响。然而，接入配电网的光伏电源的容量并不是很大，并且一般情况下光伏电源都依照就近原则并入中低压配电网，不需要长距离传输。中、低电压等级电阻电抗关系与高电压等级电阻电抗关系有不同的特点。中、低压配电网的输电线路阻抗主要表现为电阻特性，也就是RX，在特殊情况下可忽略线路的电抗；但是高压线路的阻抗表现为电抗特性，也就是XR，在特殊情况下可以忽略电阻值。对于并有光伏电源的配电网，电压质量应该由输电线路传输的Q和P共同决定。所以，若配电网的电压质量不满足要求，如果只考虑无功功率优化效果有时不法确保配电网的电压质量，这时应计及P对电压偏差的影响。

2.2基于光伏发电对配电网稳态电压分布影响的机理

（1）单个光伏电源接入对配电网节点电压的影响。光伏发电系统并入配电网后会改变配电网潮流流向，还会改变电网潮流的大小，其光伏发电功率的随机性与波动性还会影响到配电网节点电压的安全。一般大多数配电网系统具有辐射结构，运行稳定时，配电网节点电压的大小从首到尾呈下降趋势一旦光伏系统连接到配电网，配电网将转变为有源网络，结构将发生重大变化。当只有一个光伏能源并入配电网时，配电网线路各节点电压都会升高。如果改变光伏电源的出力和并网位置，配电网线路节点电压将出现以下三种情况：会逐渐下降；先降低再上升，再降低；先升高，然后降低。（2）多个光伏电源接入对配电网节点电压的影响。光伏电源并网后，配电网潮流分布发生变化，导致配电网线路节点电压明显升高，甚至出现节点电压越限的问题，电压变化的大小与光伏电源接入容量、实际发电量、光伏电源并网位置等诸多因素有关。

3含光伏电源的配电网电压无功优化

大多数关于光伏能源电压和无功功率优化的研究工作是针对特定的运行条件进行的，属于静态优化的范畴。根据实际工程中配电网中光伏出力和负荷变化的过于频繁，静态优化不能满足其实际需求。为了使节点电压更长时间保持在合格范围内，实施配电网动态无功优化对电压稳定是非常必要的。需要指出的是，动态电压和无功功率的优化不仅要应对光伏出力和负荷大小的变化，还要考虑无功补偿装置、有载调压变压器动作次数限制。若设备动作次数过多会大大降低设备的使用寿命。

3.1含光伏电源的配电网静态电压无功优化方法

将光伏电源无功输出越限以及电压越限的情况以惩罚项的形式加入到目标函数中。求解步骤：（1）录入配电网基础数据，主要包括各光伏能源额定有功功率、光伏逆变器运行容量和节点电压上下限；（2）通过潮流计算得到配电网节点电压和配网损耗值；（3）按公式1计算光伏电源无功功率的输出范围；（4）设置LinWPSO算法的参数，主要包括迭代次数T、学习因子和、种群规模N、最大速度等。这里，需要光伏能源的无功功率输出、有载调压变比和无功补偿电容器组投切换组数编码；（5）计算每个粒子的适应度值，对每个粒子进行评价，得到全局最优值；（6）更新惯性权重，更新每个粒子的速度和位置，重新计算每个粒子的适应度值和历史最优值；（7）根据边界条件判断迭代是否完成，如果已经完成，则结束，否则返回循环，进入步骤(5)。

3.2含光伏电源的配电网动态电压无功优化

在进行含光伏电源的配电网动态电压无功优化过程中，所建优化模型需要对每天24段进行无功优化。因为配电网的光伏出力和负荷变化频繁，优化模型需考虑计式2)所示约束条件，并确定无功补偿装置和有载调压变压器的动作时刻，具体步骤如下。（1）在进行动态电压无功优化过程中，每一时段进行优化时，可以得到无功补偿装置和有载调压变压器的优化值，根据不同时段的无功补偿装置和有载调压变压器的动作情况，可以得到设备的动作差值，这时，动作差值和各时段负荷率相乘，其乘积结果按大到小顺序排列；（2）在无功动态优化的第一时段，设置无功补偿装置和有载调压变压器都能够动作，通过优化可以得出无功补偿装置和有载调压变压器第一时段优化值，之后按时段顺序优化。依据步骤(1)，如果在此优化时段具有动作权限，那么无功补偿装置和有载调压变压器可动，否则不可动；（3）配电网是一个整体，对于含光伏电源的配电网而言，需对步骤(1)重新调整。这里调整方法为：如果无功补偿装置1在i时段不动作，无功补偿装置的动作值维持上一时段的动作值不变，那么依据线性递减权重粒子群算法进行优化后，如果无功补偿装置1对配电网提供的无功补偿值能够让无功补偿装置2的动作值很小也能够达到优化目的，那么可以选择无功补偿装置2在此时段不动作，并据此重新确定无功补偿装置和有载调压变压器等设备的动作权限。

4基于改进的电压-功率因数控制策略的并网点电压调整

面对光伏并网系统以及用户负荷功率变化造成的配电网节点电压幅值超出规定范围、电压质量不满足需求的问题，所以应改进控制策略，使光伏电源输出适合的功率来保证配电网的电压质量，当电压超越上限时应较少光伏电源输出功率，当电压超越下限的情形，光伏电源应向电网提供更多的无功功率来保证电压大小。因此，若想实现电压-功率因数控制策略，实现调压和改变功率因数的功能，光伏电源输出端的有功功率和无功功率应快速、准确地跟踪到设定的有功功率和无功功率参考值。依据设计要求，光伏发电逆变器的无功控制策略应使配电网的电压满足运行要求，更要保证配电网的安全稳定。依据第三章内容，对于光伏并网系统来说，发电功率沿着配电沿线路传输时，线路末端并网点电压幅值将会有最大的波动。因此只要能够控制末端并网点电压的幅值满足配电网的运行要求就可以了，为此设计约束条件如式3所示。

只有根据不同工况合理地计算系统给定参考值，光伏系统才能实现参与电压调节的目标。在初始情况下，认为光伏逆变器的功率因数为1，根据国家对电压质量的要求，设置电压质量合格范围，一般设置电压上线VSmax=1.05UN，取其标幺值为1.05，设置电压下线VSmax=0.95UN，取其标幺值为0.95。控制策略流程如下，在检测发现并网点电压标幺值VS不满足VSmin≤VS≤VSmax的条件时，立即判断VS是越过上限还是越过下限，也即是判断VS满足VS>VSmax和VSSmin哪一个条件，判断之后，随即开始相应的循环指令，以Δc(Δc<0.05)步长去减小功率因数，Δc的选取很大的影响控制策略的实现，如果Δc选择过大会造成输出无功容量超出光伏逆变器允许范围，如果Δc选择过小会导致调节时间过长，不能实现快速调压。经过多次测试，本文选取当ΔC=0.02时取得满足无功容量范围和快速调压的效果。最后比较光伏逆变器输出的iQ和逆变器最大无功功率发出容量Qmax

，如果Qimax，也就是无功仍有调节裕量，仿真模型会继续检测下一时刻VS，再一次循环控制流程，直至并网点电压满足VSmin≤VS≤VSmax的条件。根据Qref=-Qi或Qref=Qi把控制策略输出到无功功率参考值。若出现Qi>Qmax的情况，则直接跳出程序并返回。

5结束语

针对光伏和负载的功率波动容易造成配电网电压质量下降和电压超限现象。本文提出了一种光伏逆变器的改进的电压电源电压-功率因数控制策略，该控制策略旨在缓解光伏和负载功率波动引起的电压约束，改善配电网电压质量。

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