談農村分布式光伏發電并網關鍵技術
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摘要：在分析分布式光伏發電原理和制約因素的基礎上，從控制系統研發、三相不平衡治理、電壓協調和控制、諧振抑制四個方面，研究并網關鍵技術，從而保障農村地區配電網系統安全、穩定、可靠運行。
引言
隨著國家建設新農村和光伏精準扶貧政策的深入推進，光伏發電產業在農村地區得到了迅速發展[1,2]。由于農村地區范圍廣闊，農村配電網一般呈簡單的輻射鏈式結構，用電負荷較為分散，配電距離較長，供電質量相對不穩定。利用光伏發電性能特點，將分布式光伏發電因地制宜地應用到農村地區，由于農村光伏發電并網調控相對較難，因此有必要對農村分布式光伏發電并網關鍵技術進行研究，開發適應農村地區配電網特點的并網逆變控制裝置，提高光伏就地消納水平，解決農村電網電壓不穩、三相不平衡等問題的影響，促進光伏產業的高質量發展[3,4]。
1分布式光伏發電
1.1基本原理
分布式光伏發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換為交流電能。整個系統主要由太陽能光伏組件、并網逆變器、光伏并網計量箱、通信系統及監控系統組成，結構框圖如圖1所示。并網逆變器是光伏發電系統中的核心設備，主要由升壓斬波器、并網逆變器、保護裝置、濾波單元構成，將太陽能光伏組件產生的直流電經過壓敏電阻直流防雷裝置、直流EMI濾波單元、MPPT升壓電路后，送入并網逆變器，輸出的交流電經過電容濾波、交流EMI濾波單元后逆變為符合電網要求的交流電，再由光伏并網計量箱輸出接入并網點。并網后，通過并網控制裝置使太陽能光伏組件一直運行在最大功率點處，與主電網一起為用戶供電。
1.2制約因素
分布式光伏發電具有簡便靈活、適用區域廣、維護簡單等優點，但也受到了一些因素制約[5,6]。（1）分布式光伏發電建設位置分散，在大規模并網接入時，配電網的調度和控制難度很大，影響系統安全穩定運行。（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，因此光伏發電功率也隨著天氣和季節變化而變化。（3）分布式光伏發電并網系統含多個并網逆變器，并網運行過程中，逆變器輸出隨負載變化而變化，導致諧波產生，給電網帶來污染。
1.3對農村配電網影響
農村分布式光伏發電并網是通過低壓線路接入配電網，將光伏并網計量箱輸出開關接入并網點。當農村地區有多個光伏發電接入主配電網時，配電網結構上發生改變，從無源輻射鏈式變成有源輻射鏈式，配電網系統易出現不穩定性。由于光伏發電的功率具有不可調控特性且配電網系統負荷不平衡，會出現電壓峰谷差產生的電壓波動與閃變，使配電網系統產生三相不平衡現象。同時有些農村地區處于偏遠山區，離電站距離遠，用電負荷分散，需長距離配電網輸送電能，為了提高電能質量，加大建設分布式光伏發電站，導致接入的位置和容量大小不確定，造成電能分布不均衡，使整個配電網系統不穩定。在多個光伏發電并入配電網時，薄弱的配電網系統很難承載，對農村配電網的運行和控制帶來很大挑戰。
2農村分布式光伏發電并網關鍵技術
2.1控制系統的研究與開發
通過研究并網控制裝置的同步、協調控制技術以及農村配電網繼電保護功能及故障定位方法，開發適用于農村地區的光伏并網控制裝置和故障保護器，實現各個逆變器統一協調控制，使分布式光伏并網安全穩定運行[7]。（1）并網逆變器的同步控制技術研究與開發。并網系統逆變器通過對主配電網的電壓、相位、頻率等信號進行實時采樣并比較，保證逆變器輸出與主配電網同步，實現同步閉環控制功能；同時對直流輸入和交流輸出等電壓進行檢測并比較，對并網逆變器進行啟動和關閉輸出，實現自動并網運行。（2）故障定位及繼電保護裝置的研究與開發。分布式光伏并網系統裝設過壓、失壓、頻率檢測與保護、過載過流、漏電、防雷、接地短路、自動隔離電網、逆向功率自動檢測與保護，實現故障定位，保證并網系統與設備正常運行。
2.2三相不平衡治理
在分析農村地區各類負荷特性的基礎上，考慮用戶側可調可控負荷、可控分布式光伏電源、分布式儲能等技術特點和實現方式，研究基于分布式光伏發電與配電網三相不平衡治理傳統技術相結合，治理配電網臺區中存在的時空分布不平衡的單相負荷，使配電臺區三相負荷完全或最大限度地平衡。（1）分布式光伏發電與三相不平衡治理裝置分層控制。根據傳統三相不平衡治理的方法，分析分布式光伏發電在配電臺區的出力特性，如分布式光伏發電出力的響應速度和穩定特性等；同時研究分布式光伏發電容量大小和布點對三相不平衡治理效果的影響。（2）分布式光伏發電與低壓負荷協調管理。研究帶分布式光伏發電的臺區負荷調控技術，提出支撐配電臺區分布式電源與負荷時空轉移策略與實現的技術手段，保證三相負荷的平衡。（3）分布式光伏-儲能與三相不平衡協調治理。分析靠分布式光伏治理三相不平衡與依托光-儲聯合系統調節三相不平衡的區別，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；結合分布式光伏布點研究內容，綜合分析光-儲系統容量大小及位置對三相不平衡治理的影響，以此為目標對于光-儲系統進行優化配置。
2.3長距離配電網的電壓協調控制
為了解決長距離配電網光伏發電并網接入帶來的系統不穩定等問題，提高分布式光伏發電消納能力，分析分布式光伏發電長距離配電網調壓設備優化配置和電壓分層分區協調控制等技術[8-16]。（1）分布式光伏發電長距離配電網運行特性及調壓設備優化配置。利用分布式光伏發電長距離配電網調壓設備優化配置模型和方法，根據長距離配電網內的調壓設備類型、分布式光伏電源的接入位置和接入容量，開展饋線調壓器的優化配置模型研究，分析其配置容量和接入位置。（2）分布式光伏發電長距離配電網電壓協調控制。基于多系統和分布式通信，建立分布式光伏變流器接入點電壓控制和其相鄰節點電壓、相鄰線路潮流等之間的聯系，實現區域電壓自治調整的目標；通過量化指標體系和安全運行約束制定全局優化策略，實現動態調整調控策略，對變電站級有載調壓器、電容器組等離散電壓控制設備以及分布式光伏變流器有功功率和無功功率輸出進行協同優化調度。（3）分布式光伏發電的配電網電壓分層分區協調控制。在長距離配電網分層分布式協調控制技術研究的基礎上，開發分布式光伏發電參與配電網電壓協調控制的控制系統，并搭建相應的動態模擬實驗系統，能夠對所研究的電壓協調控制策略進行有效驗證[17-21]。
2.4多臺逆變器并網運行的諧振抑制
分析農村較弱系統對多臺逆變器并聯諧振的影響，并對產生的諧波進行特性分析，研究諧波抑制策略，有效提高并網逆變控制系統的穩定性。（1）利用輸出阻抗模型分析多臺光伏并網逆變器間的交互影響。通過分析輸出阻抗模型傳遞函數，研究并網逆變器數量、組成比例和電網阻抗對系統諧振特性的影響，并軟件仿真驗證分析所得的結論。（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，這個細小誤差會使得逆變器單元輸出電壓頻率存在差異，導致諧波問題。針對多個并網逆變器的諧振問題，采用多種控制方法對比，綜合提出抑制諧振的方案。
3并網控制裝置在農村地區的應用
為解決分布式光伏發電并網對農村配電網的影響，依據并網控制關鍵技術，重點研制適合農村特點的分布式光伏發電并網控制裝置，如圖2所示。該裝置在農村地區接入并網系統后，三相電流平衡，并網諧波小于3%，并網逆變器在低壓或高于啟動電壓值時可以自動啟動或關機。控制系統發生故障后，能進行故障定位，故障消除后，并網控制裝置能自動啟動并網；同時對其交流輸出側進行過壓/欠壓和過頻/欠頻測試，當逆變器交流輸出端電壓及頻率超過規定范圍時，逆變器在規定時間內停止向電網供電，同時發出警示信號。當電網頻率恢復到允許運行的電網頻率時，逆變器應能重新啟動運行。
4結語
針對分布式光伏發電影響農村不同區域配電網等問題，利用光伏發電系統電壓協調控制和負荷協調管理，研究出適應農村地區特點的分布式光伏發電并網控制裝置，使農村分布式光伏發電具有安全、可靠、環保特點，同時也降低了農村偏遠山區用戶的用電費用問題，也讓更多農民從光伏發電中獲得了一定的經濟收益。
作者：謝瑩 單位：閩西職業技術學院
