基于储能系统的并网光伏电站PCC电压补偿

雷永强

（内蒙古能源发电投资集团有限公司电力工程技术研究院，内蒙古 呼和浩特 010080）

引言

光伏发电是典型的可再生能源发电形式。 由于其受光照强度、外界温度等环境条件的影响，光伏电池的输出功率、电压具有随机波动、难以预测的特点。 光伏发电系统通常通过电力电子变换装置即逆变器并网运行。 随着大规模光伏电站并网运行，其对电网的影响越来越明显，其中PCC 电压跌落是光伏发电系统对电网影响之一[1-3]。

目前已有专家学者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[4-5]。 然而，由于安装了大量的附加设备，系统投资成本大为增加，同时控制系统也更加复杂。 随着新能源并网规范的不断推出和国家对分布式光伏发电的大力支持， 并网光伏电站在规模和数量上都体现出增长的趋势， 而储能系统成为光伏电站中必不可少的部分[6]。 此外，由于储能系统可以吸收和释放功率，可以调整有功无功功率的输出，其在光伏发电中将充当越来越重要的角色。

本文将针对光伏电站储能系统， 设计逆变器的控制策略，提出基于储能系统的短时电压幅值动态补偿方案，通过储能系统提供一定容量的无功支持， 解决光伏电站PCC 的电压跌落问题。 并建立仿真模型，对所提出的补偿方案及其控制策略进行仿真验证。

1 电压补偿原理

在光伏电站中，环境条件的短时变化、大容量的负载切入或切出，会引起系统输出功率的突变，从而引起PCC电压的波动或暂时性跌落。 按照国内外光伏发电的并网相关标准，PCC 点电压需要维持在规定的范围内[7-8]。

如图1 所示，是光伏电站接入配电网的等效电路。 US是配电网母线电压，本文中将配电网容量视为足够大，母线电压幅值恒定。 光伏电站并网PCC 与配电网的联络线阻抗为Z=R+jX， 配电网母线向负载方向传输的有功、无功功率为P，Q；PL，QL是PCC 本地负载的有功、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。 一般光伏系统采用最大功率跟踪策略[9]QG=0。QG为光伏电站储能系统提供的感性无功功率 （正负表示发出或吸收感性无功功率）。

图1 光伏电站并网等效电路图

配电网向PCC 输送的功率为：

由式（1） 可得，PCC 点与配电网联络线电流可表示为：

配电网母线电压与PCC 点电压差值可表示为：

以UPCC作为电压参考值，即式（3）可表示为：

其中：

对于低压架空线路，电阻分量与电抗接近，故线路首末端电压相位偏差较小，电压差值的横分量可以忽略。 储能系统补偿无功为正，即发出感性无功功率。 光伏系统不发感性无功功率[10]。

因此，可得PCC 电压：

在光伏发电系统中， 光伏电池板受到短时的云层遮挡等环境影响时，输出的有功功率将急剧减小，此时将引起PCC 的电压跌落， 需要采用无功补偿装置补偿感性无功功率，控制PCC 的电压。 在实际光伏电站中，均配置一定容量的储能系统（多为蓄电池组），作为检修等紧急情况下的有功或无功备用。 因此， 可以设计有效的控制策略，将储能系统这部分容量利用起来，提供无功功率将会大大减少配置无功补偿设备容量，降低工程投资费用[11]。

2 储能装置补偿方案

光伏电站中储能系统并网的拓扑结构，如图2 所示。

图2 储能系统并网结构图

图2 中，储能可以是光伏电站备用储能装置，或光储联合发电系统中的储能系统。在PCC 电压跌落时，对储能系统采取电压幅值-无功电流IQ（U）的控制方式，通过控制使得储能系统逆变器工作于超前功率因数状态， 在容量限制范围内发出一定容量的无功功率补偿PCC 电压跌落。 功率控制本质是控制电流，因此本文采用电流控制代替功率控制[12-13]。 无功电流电压调整系统控制框图如图2所示。

图3 无功电流电压控制框图

如图3 所示，在两相旋转坐标系d，q 坐标系下，通过控制并网逆变器，实现控制储能系统的功率输出。 控制系统中，采用锁相环（PLL）实时监测PCC 电压幅值和相位，采用电流环节控制PCC 电压， 将检测所得电压瞬时幅值与设定的电压参考值作比较，偏差信号经过PI 调节，作为无功补偿电流的参考值， 与设定的无功电流参考值叠加作为新的无功电流参考值经PI 调节， 得到PWM 脉冲信号， 控制逆变器的输出无功功率， 从而实时动态地调整PCC 电压。

3 仿真分析

本文基于MATLAB/Simulink 仿真软件， 搭建含有储能系统的并网光伏电站仿真模型，如图4 所示。 用电压源等效代替光伏电池，采用蓄电池模型模拟储能系统。 逆变器输出380V 交流电压通过PCC 接入交流配电网。 有功负荷Load1 10kW，Load2 （可控制投切）5kW。 仿真时间取0.5s。 图5 为系统仿真结果。

图4 含储能系统的并网光伏电站仿真模型

在未采用补偿策略的情况下，在0.3s 时刻，切入负荷Load2，PCC 电流及有功功率输出波形如图5（b）（a）所示，此时， 由于系统缺少无功支撑，PCC 电压开始跌落到约0.9UN（UN为额定电压，用标幺值表示），如图5（c）所示。采取本文储能系统补偿策略后， 在0.3s 时刻切入负荷Load2，PCC 电压在0.31～0.32s 期间稍有跌落；此时，储能系统迅速补充无功功率并自动调整输出无功容量，PCC电压逐渐回升到额定电压UN。 在0.35～0.5s 时间段，储能系统释放的无功功率相应减少，为了维持PCC 电压稳定， 在逆变器控制下，储能系统继续提供少量的无功功率，如图6（b）所示。结果表明，基于储能系统的无功补偿策略可以补偿光伏电站PCC 电压跌落，且具有良好的动态响应和补偿效果。

4 结论

针对并网型光伏电站PCC 点的电压跌落问题，通过分析电力系统电压跌落的补偿原理，提出了基于储能装置的无功补偿方案以及逆变器的控制策略。搭建了仿真模型，验证了所提出补偿方案的有效性。 结果表明，采用基于储能装置的无功补偿方案， 既可以有效利用工作电站所配置的储能装置，同时可以解决PCC 的电压跌落问题，为并网光伏电站的稳定运行提供技术参考。

图5 补偿前负荷切入仿真结果

图6 补偿后切入负荷仿真结果

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