电网友好型分布式光伏发电系统

付天宇

（山东建筑大学，山东 济南 250101）

0 引 言

近年来，我国社会经济快速发展，全国能源消费结构的合理性受到越来越多的关注。当前，广泛应用的传统能源大多属于不可再生资源，且燃烧利用过程中往往伴随有气体、烟尘微粒的排放。为响应党提出建设可持续发展社会的构想，我国正在建设一批大规模集中式光伏发电站。但是，仅靠集中式光伏发电站并不能使太阳能的利用率达到最大。我国光照资源最丰富的地区在农村，我国也正在农村积极推行分布式太阳能光伏发电系统。分布式光伏发电系统具有对电网供电依赖小、线路损耗少、运行灵活、适当条件下可以进行脱网、独立运行等优点。但是，在广饶县实地调研中发现，分布式光伏发电系统还存在配电网中逆向潮流增加线路额外损耗、农村电网系统薄弱、大容量的光伏介入后功率因数难控制等问题[1]。而传统的电力系统已经无法解决这些问题，因为传统的微电网不具备反馈调节与调度功能，加上区域内光照时间与强度具有一致性，所以在微电网内会造成潮流逆流问题，导致光伏发电系统公共连接点电压升高或过电压，进而引起输配电设备损耗和系统过载。此外，现有的光伏发电系统没有办法实现一种智能化的调控功能，同时没有设备可以同时实现对下级光伏发电系统指令传递和对上级电网的及时信息反馈。

受现在的科技水平和设备条件掣肘，当光伏发电系统大规模并网运行时，将导致光伏发电系统公共连接点电压升高或过电压，引发潮流逆流现象。由于传统的电网系统是从发电设备到用电设备的单向供配电系统，所以只能使设备停止发电并脱网来避免问题。本文主要提出基于有功与无功功率的电压调整原理，对光伏发电系统采用基于瞬时电压幅值——无功电流的IQ(U)电压调整策略，通过反馈调节电网的动态特性，搭建电网友好型分布式光伏发电系统，以解决光伏发电并入微电网存在潮流逆流的问题。为了更好地说明研究成果，下面将从原理和组成两大方面，系统阐述电网友好型分布式光伏发电系统。

1 电网友好型分布式光伏发电系统原理

影响公共连接点电压高低的因素包括电网电压、输电线路有功和无功功率、线路阻抗、发电系统输出功率等。这些因素的作用，使得电路在大量光伏发电系统并网后出现公共连接点（PCC）电压升高问题。因此，必须要从这些因素入手，整改电网。

1.1 电压升高调整原理与策略分析

现有科技条件下，针对公共控制点电压某时间出现过高的问题，理论上的处理方法包括配备电网储能、建设相称阻抗值电网系统、控制光伏发电体系功率因数等。但是，电网储能设备虽然可以很大程度上减少了电能流失，但其经济费用、储能设施要求高，难以得到大规模应用；而建设相应阻抗值输电线路所需的工作量更大，经济投资量更高，同样不适用现有发电系统环境。我国电网系统允许光伏发电体系的有功和无功功率调节，所以光伏发电体系用户可以通过控制光伏发电系统功率因数控制PCC电压[2]。

1.2 有功电流电压调整原理与策略

光伏发电体系并网运行PCC电压的升高，会导致光伏发电体系输入大量的有功功率。因此，最简单的处理方法是限制或减少光伏发电体系输出的有功功率，以确保输出电压在允许的电压偏差幅度中。

1.3 无功电流电压调整原理与策略

为了提升调节电压的精度和速度，采用基于瞬时电压幅值—无功电流的IQ(U)电压调整策略。当PCC电压升高时，光伏发电系统工作时功率因数处于滞后状态，使其发挥出电感的作用，削弱电网的一部分无功功率来调节PCC电压[3]。

2 电网友好型分布式光伏发电系统组成

电网友好型分布式光伏发电系统由电网友好型遥测设备和智能逆变器组成。

2.1 电网友好型遥测设备

电网友好型遥测设备由数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块三大部分组成。遥测设备具有远程收集逆变器电压数值、对电路运行情况做出应答、传送功率调控指令的能力。

2.1.1 数据采集模块

该部分通过CS5460芯片和传感器采集原始信号，并采用互感器与变送器相配合的方式，将所需信号传送到数据采集端，进而将电信号转变为数字信号传递给数据处理模块。需要采集的信号包括智能逆变器的输出电压、电流，遥测设备电路节点的输出电压、电流。在电力系统中，选择互感器测量交流电压和电流。互感器的选择要根据监测点的电压等级合理选择，并要求其一次侧额定工作电压等级与实际电网电压等级相匹配。该设备选用中压互感器测量遥测设备节点处的输出电压、电流即可。电压互感器的副边接WBV系列霍尔电压变送器，电流互感器的副边接WBI系列霍尔电流变送器[4]。这两种型号的变送器都能输出标准信号，能够满足测量范围和绝缘要求。

2.1.2 数据处理模块

该部分将数据采集模块采集的数据传送到本模块内部的工业控制计算机，进而对逆变器的电压、电流与遥测设备处节点的输出电压、电流进行分析处理。在工业控制计算机上有信号监测系统软件，可以采集信号分析计算和存储管理，并在工业控制计算机上进行系统综合评估运算，同时向智能逆变器下达指令。

当逆变器的电压与遥测设备处节点的输出电压相差幅度在-10%～4%时，给智能逆变器下达满功率发电指令。当逆变器的电压超过遥测设备处节点的输出电压6%时，给智能逆变器下达减少无功功率指令。如果无功功率为零后仍超出安全范围，再下达减少有功功率的指令。当微电网某处电路处于维修或故障时，给智能逆变器下达停止发电并脱网的指令。

2.1.3 无线通信模块

通信模块中，利用PTR8000芯片实现数据接收和发送功能。数据经A/D转换后，将数据处理模块的指令准确传到智能逆变器的工业控制计算机，利用工业控制计算机中的程序对逆变器的输出功率进行调控。在芯片配置模式下,采用模式控制，即在SPI接口上实现数据转移，并通过检测DR此时的输出状态，判断数据和发射情况[5]。

通信模块是电网友好型遥测设备连接智能逆变器的必要部分。它通过PTR8000芯片来完成对逆变器的指令传递。

2.2 智能逆变器

智能逆变器由监测模块、无线通信模块、信息执行模块三大部分组成。智能逆变器直接作用于光伏发电系统，具有监测微电网参数、上传电路数据、接收遥测控制设备并执行其指令的能力。

2.2.1 监测模块

监测模块需要测量光伏发电并网系统输电线路接入处的电压、电流。监测模块配置有电能计量芯片CS5460，具有测量电流、电压、功率等实时电路参数的功能，并将采集的参数信息整合为数字信号并发送给通信模块部分

2.2.2 信息执行模块

信息执行模块主要为工业控制计算机，内部构造为计算机和输入输出通道两大部分，并拥有计算机CPU、硬盘、内存、外设、接口以及实时操作系统等，以完成相应的计算特征。工业控制计算机接到通信模块传回的遥测设备数字信号后，准确输出一系列控制命令。随后，控制计算机通过逻辑控制电路驱动逆变器改变并联电容值，从而适当调整电路的有功与无功功率，并将信息通过通信模块反馈给遥测设备[6]。

2.2.3 无线通信模块

无线通信模块采用PTR8000芯片，原理与功能同电网友好型遥测设备中的无线通信模块。无线通信模块是整个系统的设备连接部分。该系统通过无线数据终端完成对整个系统的信号传递，并将来自电网友好型遥测设备发出的信息传输至智能逆变器的信息执行模块，同时将信息执行模块产生的信息上传或反馈给电网友好型遥测设备[7]。

3 结 论

分布式光伏发电并网系统作为一种低成本、灵活的发电方式，具有良好的发展前景。本文以调控有功与无功功率的输出为基础，以监控微电网系统反馈调节为核心，针对出现的光伏发电并入微电网存在潮流逆流现象提出解决方案，并设计出电网友好型分布式光伏发电系统，进一步提高微电网系统的稳定性。此外，此方案也适用于分布式风力发电并网系统等类似的发电方式；也可以以此解决方案为基础，调控更高一级和范围更大的电网。

参考文献：

[1] 李英姿.太阳能光伏并网发电系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2] 罗 多，班广生.光伏建筑设计与实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[3] 车孝轩.太阳能光伏发电及智能系统[M].武昌：武汉大学出版社，2013.

[4] 张家澄，肖立业.电力系统短路试验用实时数据采集和控制系统的研制[J].测控技术，2002，21（3）：7-9.

[5] 张作宇，王景燕，李燕青.光伏发电的现状和展望[J].科技信息，2010，2（17）：352.

[6] 王常贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[7] 张 兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2010.