光伏发电系统中电压自动调整的分析

陈 浩，高玉凯

(大庆师范学院)

0 引言

随着科学技术的快速发展，光伏发电技术得到了广泛应用，其减少了对传统化石燃料的依赖，有利于减少温室气体的排放，同时能够加强国家能源安全，积极响应国家的可持续发展战略.而基层电气化是我国现代化的重要组成部分，现在居民用电量增加、产业以及社会事业发展都对基层电网提出了新的更高的要求［1］.电压稳定是电力系统稳定的一个方面，与频率稳定、功率稳定相比，电压稳定更具重要意义.加上这些年基层经济发展较快，用电量大幅增加，很多已经改造过的基层电网也与快速增长的用电需求不相适应，电网输送压力加大，用电矛盾突出［2］.同时一些地方的末端电压较低，供电输送能力已不能满足现在居民的需要，直接影响就是到户电压偏低且不稳定［3］.与此同时，光伏电池的转换率提高和成本下降必将促进光伏发电的大规模发展，会逐步优化我国传统的能源结构，也达到了绿色环保的目的［4］.在这样的背景下，探讨了光伏发电系统中电压自动调整方法与效果.

1 光伏发电系统与电压稳定

1.1 光伏发电系统

太阳能作为理想的可再生能源，具有资源丰富、清洁无污染、分布广泛等优点，受到越来越多的国家的重视.要把太阳光能转换成电能，光电转换技术是其关键，当前我国与世界主要大国都投入大量的人力和资金发展光伏产业，在太阳能电池的研究、产业化和应用方面也取得了惊人的进展，为全世界各国发展可再生能源利用树立了典范［5］.从光伏发电系统的原理上分析，在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有了“光生电流”流过，容易产生“光生电压”与“光生伏打效应”.具体来说，就是当太阳光照射在太阳能电池上，产生光生电子空穴对，同时太阳能电池吸收光能，可在电池内建电场的作用下，电池两端就出现异号电荷的积累，光生电子和空穴分离，从而获得功率输出，也就使得太阳的光能就直接变成了可以使用的电能［6］.

1.2 电压稳定

随着用电规模的逐渐增加，电网规模不断扩大，系统的稳定性问题变得更加重要［8］.

电力系统的电压稳定性是电力系统维持负荷电压于某一规定的运行极限之内的能力，电压稳定性是在外在因素影响中，系统电压不发生电压崩溃的能力，并且能够保持或恢复到允许的范围内.现代研究认为电力系统的电压稳定性主要取决于网络输送到负荷的功率能否满足负荷自身的功率需求［7］.并且判断电压稳定的准则是在正常运行情况下，对于系统中的每条母线，母线电压的幅值随着该母线注入无功功率的增高而升高.如果网络输送到负荷的功率不能满足负荷自身的功率需求，可导致电压失稳甚至系统电压崩溃.

2 当前我国基层电网末端低电压现状及原因

2.1 当前我国基层电网末端低电压现状

我国基层电网的发展要求是使全国基层电网得到改善，基层居民生活用电得到较好保障，构建一个安全可靠、节能环保、技术先进、管理规范的新型基层电网.随着光伏材料的不断改进、先进控制理论方法的提出与电力电子元器件的飞速发展，光伏技术的发展发生了许多变化.首先是封装合理化、智能化、快速化、低导通损耗等成为了光伏原件的发展方向，封装的合理化有助于减小寄生参数、有效散热并保持高机械强度;智能化对提高系统可靠性提供强有力的保障，快速化则有利于减小开关应力;低导通损耗减少发热产生的损耗，提高并网逆变器系统的效率.其次是并网逆变器输出的直流成分在引入DSP技术后得到了有效的抑制;DSP技术的应用还有助于改善THD总谐波失真、缩小滤波器体积、改善输出波形等.

经过国家对基层电网的一、二期建设和改造，供电质量不断改善，线损率有所下降，供电可靠率较大提高，但也应该清醒地认识到，基层电网和城市电网还有很大的差距，特别是中西部偏远地区基层电网改造面低，覆盖面还不足80%，改造标准不高，网络结构不合理，线路供电半径长，农业生产供电设施以及独立管理的农场、林场、小水电自供区等电网大部分没有改造，部分地区还没有实现城乡用电同网同价，一些改造过的基层电网也与快速增长的用电需求不相适应［9］.

2.2 当前我国基层电网末端低电压的原因

2.2.1 线损过大

基层电网中有载高压设备太少，不利于调节电压波动和补偿电容投入容量之间的关系，造成补偿电容不能有效发挥作用;在基层电网上除按功率因数考核的用电大户自装低压电容器外，其他都装在农网高压侧，形成“以高补低”的局面，这不符合无功负荷“分级补偿，就地补偿”的原则;由于基层综合变压器的客户多，用电大户少，而一般只有用电大户才安装无功补偿设备，用电小户不安装，所以无功缺额数量较大［10］.

2.2.2 电压合格率仍待改善

由于历史原因形成基层电网结构薄弱，电源点少，10 kV线路迂回供电、卡脖子、老化等问题仍相当严重.而农网季节性负荷、昼夜负荷变化较大的特性，以及供电半径较长的现实情况，局部地区供电电压合格率水平还较低，平均只有80%左右，与国际标准的合格率96%的标准相去甚远.

2.2.3 供电可靠性仍较低

由于资金不足，投资力度不够，致使部分基层电网建设水平勉强满足或还不能满足基层经济发展的需要，加上现在新基层建设引导，城镇地区电力负荷飞速增大，而基层电网属于三级负荷，当出现用电矛盾时，基层电网是被忽略的对象，造成基层电网经常断电，基层用户供电可靠性得不到保障.

3 光伏发电系统中电压自动调整的拓扑结构与关键技术

3.1 新拓扑结构

由于光伏发电系统存在着当光强变化和温度变化时，光伏发电系统的输出电压变化大、幅值低，使输出电压经常出现波动，导致光伏发电并网系统所发电能并网困难;而独立式光伏发电系统又存在太阳能资源不足时，无法保证基层用电的可靠性.因此提出了一种分布式光伏发电自动调整基层电网末端电压系统，即无需并网，又能充分利用太阳能资源，其拓朴结构如图1所示.

图1 光伏发电自动调整基层电压系统框图

该系统采用光伏发电系统与大电网并联结构，以光伏发电为主要电源，大电网为补充电源.平时正常情况下，主要由光伏发电对基层负荷进行供电，当光伏发电系统所发电能不足以满足基层负荷用电需求时，再从大电网补充一定的电能以确保居民的正常用电.由此可以看出，光伏发电系统所发电能并没有并网，这就避免了并网所带来的一系列问题，系统本身相当于一个微网，光伏发电是此微网的主要电力自动调整，只有当光伏发电不足时，才利用大电网为基层负荷供电，使大电网成为光伏发电系统的补充，这样即可以最大限度地利用太阳能，同时，又实现了光伏发电与大电网共同承担为基层电网供电的任务.

3.2 关键技术

3.2.1 MPPT 技术

光伏阵列作为整个光伏发电系统的供能者，在外部因素的变化条件下要确保其输出功率最大就必须进行最大功率跟踪(MPPT).并且由于光伏阵列本身具有显著的非线性特性，通过光伏效应把太阳能直接转换为电能.

3.2.2 智能控制技术

光伏充电控制器的作用是控制整个系统的工作状态，在外部条件不断变化的情况下，光伏充电控制器的智能控制技术一般通过DSP高能芯片实现，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用.

4 光伏发电系统中电压自动调整的案例分析

对滞环电流调制和改进正弦电流滞环调制方法的并网控制系统进行了建模和仿真.经变压器升压后并网公用交流电网，控制回路采用电压外环，通用桥臂设计为IGBT，交流侧由电感和电容组成滤波电路.系统改进电流正弦滞环调制逆变仿真模型，电流控制有两个子系统，当参考电压处在正半周期时，切换到正半周期电流控制予系;当参考电压处在负半周期时，切换到负半周期电流控制子系统，仿真时间设置为0.1 s，计算方法为ode45，可变步长.

由于采用正弦滞环环宽控制，尤其是在参考电流过零点附近时滞环宽度降低到最低点，减少了并网电流谐波，不过增加了功率开关管的频率.所以不管是在功率开关管方面还是在减少谐波方面，改进正弦电流滞环控制都具有明显的优势.在应用特点上，本系统采用蓄电池和超级电容器作为储能装置，保障系统持续供电，同时也可实现系统的调峰功能.建立光伏发电和基层负荷独立的小型智能电网，形式灵活，实现方便，即充分利用了太阳能资源，又绕开了光伏发电系统并网的阻碍.分布式光伏发电系统的发电原料是太阳能，资源丰富、绿色环保，且系统一般都建设在负荷附近，电力传输系统的消耗几乎为零.系统中采用蓄电池和超级电容器组成的复合储能装置，还有大电网做补充，相当于配备了两个备用电源，大大提高了系统的可靠性.

总之，电力系统电压稳定问题的研究有着十分重大的社会经济意义，以光伏发电为切入点，研究光伏发电对基层末端电压的自动调整技术，提出光伏发电支撑基层末端电压的新拓扑结构与关键技术，此结构即无需并网，又能充分利用太阳能，形式灵活，实现方便.

［1］侯树文，孔卫星，宋景瑞，等.施耐德PLC在采样机上的应用研究［J］.华北水利水电学院学报，2011，32(1):61－64.

［2］侯树文，金杰，孔卫星.工业以太网及其在变电站自动化系统中的应用［J］.山西建筑，2010，36(33):364－365.

［3］周双喜，朱凌志.电力系统电压稳定性及其控制［M］.北京:中国电力出版社，2014.

［4］时璩丽.我国和世界光伏发电技术、产业、市场发展情况比较［J］.阳光能源，2009，4(11):7–9.

［5］裴郁.我国可再生能源发展战旅研究［D］.沈阳:辽宁师范大学，2014.

［6］崔荣强，喜文华，魏一康.太阳能光伏发电［J］.太阳能，2004(4):72－76.

［7］余贻鑫，王成山.电力系统稳定性理论与方法［M］.北京:科学出版社，2009.

［8］Walker G R，Semia P C.Cascaded converter connection of phomvoltaic modules，Power Electronics Specialists Conference［J］.2012，1(1):24–29.

［9］Nicola F，Giovanni P，Giovanni S，et al.Optimization of Perturb and Observe maximum power point tracking method［J］.IEEE Transactions On Power Electronics，2005，1(8):963–973.

［10］周双喜，朱凌志，郭锡玖，等.电力系统电压稳定性及其控制［M］.北京:中国电力出版社，2014.