光伏发电系统并网运行PCC电压跌落补偿研究

摘要：以光伏发电系统公共耦合点(PCC)电压跌落为研究对象，从电力系统功率传输理论的角度分析了光伏发电系统PCC电压跌落的电压补偿原理，并网逆变器通过无功功率对PCC电压跌落进行补偿，提出基于瞬时电压幅值的动态无功电流电压跌落补偿策略，搭建了3 kW光伏发电系统实验平台，对提出的补偿策略进行验证，结果表明该方法改善了光伏发电系统的供电电能质量，提高了其并网运行的可靠性与稳定性。

1 引言

太阳能作为典型的可再生能源，由于受到环境温度、光照强度及天气条件的影响，光伏发电表现出随机波动性大、不可预测的特点，某工程现场测试，最大功率变化率为20%/min。光伏发电系统通常都要通过电力电子变换装置即接口逆变器并网运行。随着大规模光伏发电系统的并网运行，其对电网的影响越来越大，暴露出越来越多的问题，其中PCC电压跌落是光伏发电系统对电网的影响之一。目前已提出了很多方法用于减轻或补偿电压跌落问题，如无功功率补偿器、动态电压恢复器、交流柔性输电装置、静止无功发生器等，但均需安装额外设备，不仅增加了投资成本，而且使系统控制复杂化。

微电网、智能电网技术的提出推动了光伏发电设备及系统向智能化、多功能化发展，智能逆变器、多功能逆变器等概念逐渐被广泛接受，希望能通过光伏发电系统对电网安全稳定运行起到一定支撑作用。国内外都推出了新的光伏发电系统并网规范，使其具有一定的灵活性与主动性，允许光伏发电系统调整其输出的有功及无功功率，参与电力系统局部电压和频率调整，同时要求系统具有低电压穿越能力。

这里采用光伏发电系统并网逆变器本身，在PCC电压跌落时，通过向电网注入一定容量的无功功率实现对PCC电压跌落补偿。这种方法不仅可实现并网逆变器并网发电的主要功能，而且可实现对PCC电压跌落补偿的辅助功能，提高了光伏并网系统的利用率，减少了安装补偿装置的投入及维护成本，补偿性能将更加经济。

2 电压跌落补偿原理

大规模光伏并网发电系统的输出功率突变与波动造成PCC电压跌落，影响系统供电电能质量，故需对PCC电压跌落进行补偿。德国最新光伏发电系统并网标准VDE-AR-N-4105：2011-08规定，中压光伏并网发电系统引起的PCC电压变化不允许超过2%;低压光伏并网发电系统引起的PCC电压变化不允许超过3%;我国对不同电压等级电压偏差的限制也有明确规定，GB12325-2008《电能质量——供电电压允许偏差》对供电电压允许偏差的限制摘要如下：①35 kV及以上正负电压偏差绝对值之和不超过10%;②10 kV及以下三相供电，±7%;③220 V单相供电，-10%～7%。

对于接入中/低压配电网的光伏发电系统，可得其并网运行的戴维南等效电路如图1所示。us为配电网母线电压，通常认为配电系统为无穷大系统，其电压幅值|us|基本恒定不变;Z为配电网线路阻抗，Z=R+jX，R，X为电阻、电抗分量;P，Q为配电网母线向负载方向传输的有功、无功功率;uPCC为PCC电压;PL，QL分别为PCC本地负载有功、无功功率;PG，QG分别为光伏发电系统向PCC输送的有功、无功功率，QG为正表示逆变器发出感性无功功率，QG为负表示逆变器吸收感性无功功率;QC为PCC安装设备补偿的无功功率，QC为正表示发出感性无功功率，QC为负表示发出容性无功功率。

根据光伏发电系统并网戴维南等效电路，配电网向PCC方向传输的功率为：

由于远距离架空线线路阻抗的电阻分量与电抗分量相当，线路两端电压相位偏差较小，式(4)的虚部与实部相比很小，可忽略;考虑允许光伏发电系统并网逆变器与当地无功补偿装置发出感性无功功率，即QG与QC均为正，由此可得：

uPCC≈us+R(PG-PL)/uPCC+X(QG+QC-QL)/uPCC (5)

由式(5)可见，对于光伏并网发电系统，由于其输出有功功率由光伏电池板决定，受天气影响较大，当光伏发电系统输出有功功率减小时，就有可能造成PCC电压跌落。若能控制光伏发电系统输出无功功率，即可控制PCC电压。由于并网逆变器很多时候都不工作在额定功率，具有一定的无功功率容量，因此，可使并网逆变器在其视在功率容量限制内，发出一定容量的无功功率，即可对PCC电压跌落实现补偿。

3 电压跌落补偿策略

光伏发电系统中所采用的三相电压源并网逆变器拓扑结构如图2所示。

为实时动态地补偿PCC电压跌落，提出基于瞬时电压幅值一无功电流的Io(U)电压控制方式，当PCC电压跌落时，可使光伏发电系统工作于超前功率因数，使其相当于电容特性，在系统视在功率限制内发出一定容量的无功功率来补偿PCC电压跌落。由于功率控制的本质也是控制电流，因此这里直接采用电流控制代替功率控制。无功电流电压调整系统控制框图如图3所示。

由图3可见，光伏发电系统并网逆变器控制系统在两相旋转d，q坐标系下完成，其中控制系统采用双二阶通用积分器同步坐标系锁相环(DSOGI SRF-PLL)实时检测PCC电压相位与幅值，采用Io(U)方法对PCC电压进行控制，所检测电压瞬时幅值与所设定电压参考幅值作比较，误差经电压PI调节器后得到电压调整无功补偿电流，与所设定的无功电流参考值叠加作为新的无功电流参考对逆变器进行实时控制，最终实现对PCC电压的动态调整。

4 实验

上面对PCC电压调整原理及策略进行了分析，提出了相应的电压跌落补偿策略，下面主要对提出的光伏发电系统并网逆变器IQ(U)电压跌落补偿策略进行实验验证。设定并网逆变器正常并网发电，且具有一定的视在功率容量，通过在PCC切入本地负载来模拟PCC电压跌落。搭建3 kW光伏发电系统实验平台。并网逆变器主电路结构采用三相桥式电路，控制电路基于DSP控制芯片TMS320F2812。并网逆变器主要参数：Udc= 120 V;Ua=Ub=Uc=50 V;iG=8 A;RL=7 Ω;Lf=5 mH;Cf=9.4μF;R=1 Ω;L=3 mH。电压PI控制器比例与积分系数分别为0.1，20;电流PI控制器比例与积分系数分别为0.5，10。图4为实验波形。

图4a为光伏发电系统并网逆变器并网运行的稳态波形，PCC接入本地负载开关断开，并网逆变器输出电流全部输出给电网。可见，并网点电压幅值为50 V，相对于参考电压幅值50 V，电压幅值差为零，逆变器并网电流与其输出电流均为2 A，负载电流为零。图4b为PCC切入本地负载后PCC电压发生跌落的暂态波形。可见，当负载切入后，PCC电压由50 V跌落至45 V以下，光伏发电系统并网逆变器不对PCC电压进行补偿，逆变器输出电流依然为2 A，并网电流反相，即负载电流一部分由逆变器供给，另一部分由电网供给。

图4c，d为电压采用无功电流进行电压调整的暂态与稳态实验波形。可见，负载切入瞬间，电压幅值减小，并网点电压跌落，由于采用了IQ(U)电压补偿器对并网点电压进行控制，电压跌落后，IQ(U)电压补偿器输出一个无功补偿参考电流给并网逆变器，并网逆变器输出无功补偿电流补偿并网点电压跌落，2个周期后达到稳态。稳态后，电压幅值偏差为零，电压跌落得到补偿。IQ(U)电压补偿器具有良好的动态响应和稳态精度。

5 结论

对光伏并网发电系统并网点电压跌落问题进行了研究，提出了基于瞬时电压幅值的无功电流电压跌落补偿策略，最终通过了实验验证，取得了良好的实验结果，验证了所提出的电压调整策略的可行性与有效性。实现了光伏并网发电系统并网发电与电压补偿的统一控制功能，改善了电力系统供电电能质量，提高了光伏发电系统并网运行的可靠性与稳定性，为大规模光伏发电系统并网运行提供了技术支持。