配电光伏网并网逆变器电压控制策略研究及其实现

杜长军 田丽楠 马文营 张楠 钱叶牛

摘要：为了降低光伏出力提高后易引起并网点电压超过上限的问题，提出了一种光伏并网逆变器并联时电压功率控制策略，并进行仿真实现分析。测试各光伏并网逆变器在并网过程中形成的电压与电流，再利用线路阻抗测试的方法分析线路1和传输线路2之间形成的线路阻抗，以此满足各分布式光伏电源保持并网运行的条件。仿真分析结果得到，在0.1s以内时，二个并联逆变器按照功率均分的形式达到负荷的并网运行过程;到达0.1s时，系统出现电流扰动的现象，从0.3s开始各项参数重新转为正常状态;进入0.4～0.6s之间时，线路1和2都达到了2.15j0.5kV·A的输出功率，网点线达到406V的有效电压，符合电压偏差条件。

关键词：配电网;逆变器;电压控制;仿真分析

中图分类号：TP391

文献标志码：A

ResearchandImplementationofVoltageControlStrategyforGridconnectedPhotovoltaicInverter

DUChangjun，TIANLinan，MAWenying，ZHANGNan，QIANYeniu

（StateGridBeijingElectricPowerCompany，Beijing100031，China）

Abstract：Inordertoreducetheproblemthatthevoltageofgridconnectionpointsexceedstheupperlimitwhichiscoursedbytheincreaseofphotovoltaicoutput，avoltageandpowercontrolstrategyisproposedforthecasethatphotovoltaicgridconnectedinverterisconnectedinparallel，andthesimulationimplementationisanalyzed.Thepaperalsoteststhevoltageandcurrentformedduringthegridconnectionofvariousgridconnectedphotovoltaicinverters，andanalyzesthelineimpedanceformedbetweenline1andtransmissionline2byusingthemethodoflineimpedancetest，soastomeettherequirementsformaintaininggridconnectionoperationofvariousdistributedphotovoltaicpowersupplies.Simulationresultsshowthat，within0.1s，twoparallelinvertersreachthegridconnectedoperationprocessofloadintheformofpowersharing.Whenitreaches0.1s，thesystemwillbedisturbedbycurrent，andallparameterswillreturntonormalstateat0.3s.Whenenteringperiodbetween0.4sand0.6s，theoutputpowerofline1andline2reaches2.15j0.5kV·A，andthenetpointlinereachestheeffectivevoltageof406V，whichconformstothevoltagedeviationcondition.

Keywords：distributionnetwork;inverter;voltagecontrol;simulationanalysis

0引言

采用光伏发电系统为电网进行供电的形式是一种分布式电源的结构，其优势在于不会造成环境污染与安装过程简易[13]。同时需注意，对光伏发电系统实施并网的过程中会改变原先设备的运行环境，由于光伏发电存在明显波动性以及间歇性特征，由此引起系统电能质量的下降。对于配电网中的分布式光伏发电系统而言，随着光伏渗透率的上升，将会引起电网产生许多运行问题，极大增加了电网运行过程的复杂性，由此降低整体电能质量并降低电气设备运行性能与经济性，需要对配电网的此种状况密切关注[47]。对于配电网而言，需要对线路电阻压降重点分析，电压已经成为配电网系统中影响电能质量的关键问题，由此导致配电网光伏出力受到外部条件的显著影响，从而使系统故障出现的时候，引起电网出现电压越限的结果[89]。在低压配电网线路阻抗因素作用下，随着光伏渗透率的提高，较易造成光伏逆变器发生并网电压越限的问题，引起电网运行稳定性的显著下降，在某些情况下将无法再电网中接入光伏系统[1011]。为克服上述问题，应对光伏逆变器并网电压质量进行深入分析，使其可以和传统电网达到良好的协调状态。

為确保分布式光伏发电系统各项优势获得充分发挥，同时确保分布式电源配电网运行性能获得更好的提升，应对其并网电压进行有效控制。因此必须进行并网性能优化已经成为当前配电网运行性能改善的关键内容[1213]。对于配电网而言，当线路电阻相比电抗得到的结果较大时，将引起馈线潮流方向上出现线路电压减小的结果。加入光伏逆变器进行并网时，随着光伏出力的提高将在并网点处发生电压增大的现象，随着光伏出力提高到设定值后，更易引起并网点电压超过上限的结果[1415]。

1光伏并网逆变器并联时电压功率控制策略

1.1线路阻抗匹配时控制策略

随着分布式光伏电源的广泛应用，电网连接模式也发生了快速改变，需采用不同的连接形式达到并网运行的效果，实现对电网的稳定供电过程。为不同发电单元配备了直流与交流转换器，大电网跟变压器和交流母线以PCC公共点实现连接的过程。

将光伏并网逆变器按照并联形式进行连接并实施并网处理，本文按照并联的方式连接二个逆变器再探讨PQ（U）的电压功率控制模式。由于在实际运行过程中，一些电网线路会在长期使用后出现老化，由此导致真实线路阻抗与设定线路阻抗明形成明显差异，考虑到实际线路的阻抗是未知的，因此本文重点探讨了通过本地信号来预测线路阻抗的过程，同时识别了分布式电源线路的阻抗数据，以该线路阻抗为参考计算得到PQ（U）电压功率。同时根据控制策略给出的电压功率控制方式探讨了线路阻抗匹配与不匹配两种情况下对并联逆变器实施电压功率调控的方式，同时合理的监控措施保证所有光伏并网逆变器都具备达到电网电压偏差要求的并网点电压参数。当光伏并网发电系统以并联运行方式形成结构，如图1所示。

在光伏并网中，1、2逆变器与传输线路形成阻抗的互相匹配，使其满足R1=R2、X1=X2。现假定在相同时刻下具有同样的光伏出力，同时电网保持恒定的公共耦合点电压，可以判断光伏并网逆变器1与2满足同样的输出功率。即保持逆变器具备同样电压质量的条件下，二个并网逆变器按照对功率进行均分的方法来达到共同承担负荷的效果，从而使二个并联逆变器保持并网运行状态。得到如下所示的光伏并网逆变器输出功率如式（1）。

Pref1（i+1）=Pref1i-ΔP′1（i）

Qref1（i+1）=Qref1i-ΔQ′1（i）（1）

式中：i与i+1分别代表之前时刻和此时的参数。

考虑到线路满足阻抗相互匹配的条件，依次可以利用式（1）计算出二个光伏并网逆变器各自对应的弃光量P及其无功补偿量Q′。同时满足同样的光伏出力状态，由此得到同样初值的逆变器输出功率，满足Pref1（0）/Pref2（0）以及Qref1（0）/Qref2（0），由此达到二个并联逆变器按照功率均分方式完成并网运行的过程。

1.2线路阻抗不匹配时控制策略

为分析光伏并网逆变器的并联运行特征，本文选择二个逆变器并联的方式来分析该条件下的PQ（U）电压功率调控模式。将二个光伏发电单元进行并网得到结构，如图2所示。

图2显示了处于不匹配线路阻抗情况下的二个光伏并网逆变器以并联方式形成的结构。对于光伏并网逆变器1、2而言，两者并未形成相互匹配的传输线路阻抗，表现为R1/R2以及X1/X2。假定传输线路1比2阻抗更小，可将其表示为R1/R2与X1/X2，结合之前分析结果可以发现传输线路1比2具备更大的传输功率。在同样的光伏出力条件下，光

伏逆变器1比2发生电压越限概率更小。结合PQ（U）控制策略可知，在并网点的电压没有发生越限的情况下可以获得恒定的逆变器输出功率，随着并网点电压超过上限后逆变器可以通过自适应方式直接去除无用的光伏出力部分。通过对并网点电压的合适调整确保符合电网电压偏差的状态下，逆变器1达到比逆变器2更大的功率参考值。为有效控制并联逆变器输出功率产生的波动性，需要合理控制光伏并网逆变器1与逆变器2具备相同的输出功率。如下给出了光伏并网逆变器1与2各自对应的输出功率参考数据如式（2）。

Pref2i+1=Pref2i-ΔP′2（i）

Qref2i+1=Qref2i-ΔQ′2（i）（2）

因为此时两光伏出力一致，这使得逆变器具备同样的输出功率初始值，将逆变器1输出功率控制为与PQ（U）控制下的结果保持一致，从而使二个并联逆变器按照功率均分方式完成并网运行的状态。另外，在同样的光伏出力运行条件下逆变器1具有比传输线路2更小的电压上限差值，通过对逆变器1的有效控制使其输出功率发生降低，从而显著缩小逆变器1和设定电网电压的偏差。

根据以上分析可知，无论线路阻抗是否达到相互匹配的状态，按照并联方式得到的PQ（U）电压功率控制策略都能够实现对并网电压的精确控制并使其符合电压偏差要求，从而使光伏并网逆变器按照功率均分形式稳定运行。

2仿真结果分析

利用逆变器对各个分布式光伏电源实施直流与交流转换，对于光伏并网逆变器的调控都按照PQ（U）电压功率来完成。当二个光伏系统按照并联方式构成的模型，如图3所示。

仿真波形结果如图4所示。

图4显示了依次测试各光伏并网逆变器在并网过程中形成的电压与电流，再利用线路阻抗测试的方法分析线路1和传输线路2之间形成的线路阻抗，根据测试生成的线路阻抗对每个光伏并网逆变器PQ（U）运行参数实施控制，以此满足各分布式光伏电源保持并网运行的条件。其中，传输线路1和2在阻抗方面形成了相互匹配的状态，此时光伏逆变器按照功率均分形式来满足负荷的并网运行要求。仿真测试了并网点电压越上限条件下的阻抗匹配状态对逆变器运行状态产生的影响，图4显示了与线路阻抗达到良好匹配状态的并联逆变器仿真波形。

对图4（a）～（c）进行分析得到并网点线路1的有效电压、有功及无功功率;图（b）～（f）显示了线路2的各项参数。在0.1s以內时，各光伏出力都等于2.7kW，同时逆变器1和2都达到了2.7kV·A的输送功率，二个并联逆变器按照功率均分的形式达到负荷的并网运行过程，由此计算出并网点的有效电压等于412V。到达0.1s时，系统出现电流扰动的现象，总共保持0.2s，之后启动阻抗观测环功能来分辨传输线路阻抗，从0.3s开始各项参数重新转为正常状态。进入0.4s～0.6s之间时，选择PQ（U）控制方式，保持恒定光伏出力与负荷状态下，线路1和2都达到了2.15j0.5kV·A的输出功率，同时获得电网出力-3.8+j1.1kV·A，此时网点线达到406V的有效电压，符合电压偏差条件。

3总结

1）测试各光伏并网逆变器在并网过程中形成的电压与电流，再利用线路阻抗测试的方法分析线路1和传输线路2之间形成的线路阻抗，以此满足各分布式光伏电源保持并网运行的条件。

2）在0.1s以内时，二个并联逆变器按照功率均分的形式达到负荷的并网运行过程;到达0.1s时，系统出现电流扰动的现象，從0.3s开始各项参数重新转为正常状态;进入0.4s～0.6s之间时，线路1和2都达到了2.15j0.5kV·A的输出功率，网点线达到406V的有效电压，符合电压偏差条件。

参考文献

[1]孙航，肖海伟，李晓辉，等.光伏电池模型综述[J].电源技术，2016，40（3）：743745.

[2]林海雪.电能质量国家标准系列讲座第1讲供电电压偏差标准[J].建筑电气，2011，30（4）：39.

[3]BraunM.Reactivepowersupplybydistributedgenerators[C]//PowerandEnergySocietyGeneralMeetingConversionandDeliveryofElectricalEnergyinthe21stCentury.Pittsburgh，PA，USA：IEEE，2008：18.

[4]JiaQingquan，QiXimeng，NingSiyuan，etal.ResearchoncontrolstrategyofdistributedPVgridconnectionsysteminvolvedinvoltageandreactivepowerregulation[J].JournalofSolarEnergy，2015，36（12）：29542960.

[5]刘尧，林超，陈滔，等.基于自适应虚拟阻抗的交流微电网无功功率—电压控制策略[J].电力系统自动化，2017，41（5）：1621.

[6]桑丙玉，陶以彬，郑高，等.超级电容蓄电池混合储能拓扑结构和控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2014，2（2）：16.

[7]张雅静，郑琼林，卢远宏，等.光伏并网逆变器低电压穿越优化设计研究[J].太阳能学报，2013，34（6）：984990.

[8]丁明，石雪梅.新能源接入对主动配电网的影响[J].电力建设，2015，36（1）：7684.

[9]王威，王永生，王军亭.分布式电源并网对电网的影响[J].自动化应用，2016（2）：6768.

[10]赵晶晶，李新，许中.含分布式电源的三相不平衡配电网潮流计算[J].电网技术，2009，33（3）：9498.

[11]黄素娟.分布式光伏接入对配电网的影响分布式光伏接入[J].电气应用，2016，35（21）：13.

[12]李亚玲，韦磊，赵景涛，等.分布式光伏并网对配电网电压的影响[J].电源技术，2016，40（6）：12571259.

[13]左伟杰，马钊，周莉梅，等.基于配电网电能质量健康评估策略的分布式光伏接入方法[J].电网技术，2015，39（12）：34423448.

[14]赵岩，胡学浩.分布式发电对配电网电压暂降的影响[J].电网技术，2008（14）：59.

[15]王贤立，刘桂莲，江新峰.分布式光伏电站接入配电网继电保护配置研究[J].电气应用，2014，33（17）：3841.

[16]王颖，文福拴，赵波，等.高密度分布式光伏接入下电压越限问题的分析与对策[J].中国电机工程学报，2016，36（5）：12001206.

[17]夏向阳，易浩民，邱欣，等.双重功率优化控制的规模化光伏并网电压越限研究[J].中国电机工程学报，2016，36（19）：51645171.

（收稿日期：2019.11.27）