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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)量相對不穩(wěn)定。利用光伏發(fā)電性能特點,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)控相對較難,因此有必要對農(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)計量箱輸出接入并網(wǎng)點。并網(wǎng)后,通過并網(wǎng)控制裝置使太陽能光伏組件一直運行在最大功率點處,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,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,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)含多個并網(wǎng)逆變器,并網(wǎng)運行過程中,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)計量箱輸出開關(guān)接入并網(wǎng)點。當(dāng)農(nóng)村地區(qū)有多個光伏發(fā)電接入主配電網(wǎng)時,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)?,配電網(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,會出現(xiàn)電壓峰谷差產(chǎn)生的電壓波動與閃變,使配電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生三相不平衡現(xiàn)象。同時有些農(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,使整個配電網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定。在多個光伏發(fā)電并入配電網(wǎng)時,薄弱的配電網(wǎng)系統(tǒng)很難承載,對農(nóng)村配電網(wǎng)的運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,實現(xiàn)各個逆變器統(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)逆變器通過對主配電網(wǎng)的電壓、相位、頻率等信號進(jìn)行實時采樣并比較,保證逆變器輸出與主配電網(wǎng)同步,實現(xiàn)同步閉環(huán)控制功能;同時對直流輸入和交流輸出等電壓進(jìn)行檢測并比較,對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行啟動和關(guān)閉輸出,實現(xiàn)自動并網(wǎng)運行。(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、自動隔離電網(wǎng)、逆向功率自動檢測與保護(hù),實現(xiàn)故障定位,保證并網(wǎng)系統(tǒng)與設(shè)備正常運行。
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、分布式儲能等技術(shù)特點和實現(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)臺區(qū)中存在的時空分布不平衡的單相負(fù)荷,使配電臺區(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;同時研究分布式光伏發(fā)電容量大小和布點對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)電的臺區(qū)負(fù)荷調(diào)控技術(shù),提出支撐配電臺區(qū)分布式電源與負(fù)荷時空轉(zhuǎn)移策略與實現(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-儲聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)節(jié)三相不平衡的區(qū)別,并研究儲能容量大小及布點位置對于三相不平衡治理的影響;結(jié)合分布式光伏布點研究內(nèi)容,綜合分析光-儲系統(tǒng)容量大小及位置對三相不平衡治理的影響,以此為目標(biāo)對于光-儲系統(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電壓控制和其相鄰節(jié)點電壓、相鄰線路潮流等之間的聯(lián)系,實現(xiàn)區(qū)域電壓自治調(diào)整的目標(biāo);通過量化指標(biāo)體系和安全運行約束制定全局優(yōu)化策略,實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整調(diào)控策略,對變電站級有載調(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)的動態(tài)模擬實驗系統(tǒng),能夠?qū)λ芯康碾妷簠f(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行有效驗證[17-21]。
2.4多臺逆變器并網(wǎng)運行的諧振抑制
分析農(nóng)村較弱系統(tǒng)對多臺逆變器并聯(lián)諧振的影響,并對產(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)阻抗對系統(tǒng)諧振特性的影響,并軟件仿真驗證分析所得的結(jié)論。(2)分析控制器間的時間誤差對諧波的影響。由于光伏并網(wǎng)逆變器之間的控制單元是獨立控制,因此,控制單元間的控制時鐘不可能完全同步,這個細(xì)小誤差會使得逆變器單元輸出電壓頻率存在差異,導(dǎo)致諧波問題。針對多個并網(wǎng)逆變器的諧振問題,采用多種控制方法對比,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),重點研制適合農(nóng)村特點的分布式光伏發(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電壓值時可以自動啟動或關(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)控制裝置能自動啟動并網(wǎng);同時對其交流輸出側(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,逆變器在規(guī)定時間內(nèi)停止向電網(wǎng)供電,同時發(fā)出警示信號。當(dāng)電網(wǎng)頻率恢復(fù)到允許運行的電網(wǎng)頻率時,逆變器應(yīng)能重新啟動運行。
4結(jié)語
針對分布式光伏發(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,同時也降低了農(nóng)村偏遠(yuǎn)山區(qū)用戶的用電費用問題,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
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榮譽(yù):中國期刊全文數(shù)據(jù)庫(CJFD)
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