光伏并网点电压调节案例教学研究

郑文迪，张 敏，邵振国

（福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350108）

当前，能源匮乏与环境恶化问题日益严重，替代能源开发与能源结构调整已成为共识。其中，光伏发电以其资源充足、取用便捷的优势成为最值得开发的可再生能源之一[1]。然而，太阳能发电的随机性与间歇性特点给配电网带来电能质量问题，包括电压波动、电压越限以及谐波污染等，对光伏发电系统的安全稳定运行产生了不利影响。其中，最受关注的问题是电压越限[2]。目前，对此问题的大量研究主要集中在电压越限原理和调压策略等方面[2-6]。文献[3—4]对单个和多个光伏接入对配电网电压的影响进行了分析，得出光伏并网使线路电压抬升的结论，并探讨了影响电压变化的因素。文献[5]在德国电气工程师协会提出的无功功率控制策略的基础上，提出了基于电压和光伏有功出力的无功功率控制策略，电压调节更加灵活，无功输出总量最小，但仅是通过无功功率对电压进行调节，未考虑光伏有功出力对线路电压的影响。文献[6]提出了有功/无功综合控制方案，在有功出力限值的前提下进行了无功功率调节，但未考虑二者的动态平衡，导致经济性较差。

在相关内容的教学过程中，由于光伏发电系统受外界环境影响大，实际工程问题复杂[7]，且光伏并网产生的影响以及调压策略的效果较抽象，学生难以完全掌握，从而无法很好地达到教学目的。因此，需要通过案例教学法，促进学生运用专业知识与技能解决实际工程问题，达到“学以致用”的目的[8]。

本文研究了分布式光伏接入电网对并网点电压的作用机理，并基于PSCAD/EMTDC 搭建了光伏并网仿真实验平台，建立了调压策略案例，使学生能够利用该平台对无功单独调压、有功/无功综合调压以及改进的有功/无功综合调压方案进行仿真分析，有利于学生更加深入地理解光伏并网引起的电压越限机理和相应的调压措施，并配合综合性、创新性实验，启发学生以拓展性思维思考问题和解决问题。

1 电压越限机理

传统的配电网潮流单一地向馈线末端流动，然而随着分布式光伏电源的接入，配电网潮流将产生逆 流[4]。同时，低压配电网线路阻抗较大，接入光伏电源后容易发生电压越限问题。并网前后电压变化量ΔU可近似为：

其中，Ppv和Qpv为光伏电源输出的有功功率和无功功率；Z=R+jX为线路阻抗（R和X分别为线路电阻和电抗）；Upcc为并网点电压。由式（1）可以看出，光伏电源并网后对并网点电压的抬升程度与光伏电源输出的有功功率、无功功率及线路阻抗有关。当光伏电源有功出力增大到一定程度时，并网点电压抬升过高，将导致电压超过规定浮动范围。目前，针对电压越限问题，通常采取的调压方案有[3]：①无功功率补偿；②装设储能装置；③限制光伏有功出力；④逆变器无功控制。其中，控制光伏发电系统中逆变器并网环节输出的有功功率和无功功率是兼具较高可行性与经济性的方案。

在了解光伏并网对并网点电压作用机理的基础上，搭建光伏并网实验平台并设计具体案例对并网点电压进行调节，有助于加深学生对光伏并网调压策略的理解，从而在实际操作中能够有效应对电压越限问题。

2 光伏发电系统

光伏发电系统通常分为单级式结构和两级式结构。与单级式结构相比，两级式结构控制方案的设计及实现更为简单[9]，且DC/DC 部分与DC/AC 部分耦合不紧密，利于实现有功功率与无功功率的解耦控制。因此，本文使用两级式光伏发电系统，结构如图1 所示，由光伏阵列、DC/DC BOOST 电路、DC/AC 逆变器以及LC 滤波电路组成，并且包括MPPT 最大功率追踪控制环节和并网控制环节。

图1 两级式光伏发电系统结构图

2.1 DC/DC 控制模块

在光伏发电系统中，由于光伏电池输出电压通常较低，一般应通过BOOST 升压电路进行直流升压，同时加入MPPT 控制环节，实现最大功率追踪，使系统工作在最佳状态，以保证电能利用效率。目前应用最普遍的MPPT 控制方法为基于扰动的自寻优法[10]，实际工程中常采用电导增量法[11-12]。本文设计案例模型的DC/DC 模块通过BOOST 电路进行升压，并通过MPPT 控制输出电压，实现结构图如图2 所示。

DC/DC 控制模块如图3 所示。并网逆变器可工作在MPPT 模式或有限功率模式[13]，因此加入Rst对是否使用有功功率控制功能进行控制。将光伏电池瞬时输出电压Upv和电流Ipv接入MPPT 控制模块，通过计 算得到最大功率点电压Umppt。当Rst置1 时，Umppt直接与Upv比较，输出P WM 驱动信号g以控制BOOST电路中绝缘栅双极型晶体管的开断，进而改变BOOST 电路的输出电压，实现最大功率跟踪。当Rst置0 时，给定参考有功值Pref，与逆变器实际输出有功值P作差后经过PI 控制环节，再与Umppt作差得到Upv_ref。将Upv与Upv_ref进行比较，通过PI 控制环节，输出PWM 驱动信号g以改变输出电压，进而实现对有功功率的控制。

图2 DC/DC 结构图

图3 DC/DC 控制模块

2.2 逆变器控制模块

DC/DC 环节中得到的符合预期的直流电经dcC连接逆变器，转化为三相交流电；再通过LC 滤波电路降低谐波输出，提高电能质量，实现系统的并网，其拓扑结构如图4 所示。

图4 逆变器拓扑结构

逆变器控制电路由内环控制和外环控制组成。内环控制是根据电感电流参考值、逆变器等效电压ud和uq，生成SPWM 的三相调制信号。由于d、q 轴之间存在耦合关系，为消除这一影响，引入电流状态反馈和电网电压前馈补偿[11]，实现解耦控制，得到如下控制方程：

其中，Kip和Kii为PI 调节器的比例参数和积分参数。PI 调节器通过差量对电流进行调节，使稳态误差为0，以保证输出电压实时跟随电网电压[12]。根据此方程式可以得到内环控制的结构图如图5 所示。

逆变器输出的三相电压经过变换后为ud和uq分量，不存在耦合关系，且ud为常量，uq=0[14]。因此，逆变器的输出功率为：

由此可以得知，逆变器的输出有功功率只与d 轴有关，而输出无功功率只与q 轴有关，实现了逆变器的有功无功解耦控制。

由于本文搭建的光伏发电系统的有功功率由DC/DC BOOST 电路控制，因此逆变器外环控制由直流母线电压Udc和输出无功功率控制。输入直流母线电压参考值Udc_ref与实际直流母线电压Udc、逆变器无功功率参考值Qref与实际输出无功功率Q分别做差后，通过PI 调节器得到d 轴和q 轴电感电流参考值。控制框图如图6 所示。

图5 内环电流控制框图

图6 外环控制框图

根据光伏发电系统各部分模块搭建了上述光伏发电系统仿真实验平台，以下将利用此平台对具体案例进行分析和讨论。

3 光伏并网点电压调节案例实验分析

由前文分析可知，为达到控制并网点电压以解决电压越限问题的目的，利用逆变器剩余容量调节无功功率和限制光伏电源的有功出力是两种经济有效的方法。针对配电网系统实际运行过程中由于突发事件（负载变化）导致电压抬升甚至引发电压越限的问题，本文提出无功单独调压、有功/无功综合调压和改进的有功/无功综合调压策略，并设定了以下具体案例进行仿真实验。

案例教学的设计应具有真实性，以使学生通过学习案例对相关的工程背景有所了解。本案例设定的配电网环境为某工业园区，具体任务是研究分布式光伏发电系统的接入对并网点电压的影响。在 PSCAD/ EMTDC 中搭建光伏并网系统模型，具体结构如图7所示。主网为无穷大电源。负载1、2、4、5 采用恒功率模型，图中所示功率为在额定电压380 V 情况下。负载3 为电动机负载，通过断路器BKM 控制启停。PV 为额定输出功率为250 kW 的光伏发电系统，选择光伏接入节点为BUS4，采用PQ 控制方式，通过同步锁相环与微网保持同步。

图7 低压配电网系统结构图

光伏发电系统根据本文第2 节所述内容进行搭建，光伏阵列内由22 个模块串联而成，再由250 个模块并联而成；光伏阵列输出额定功率为250 kW；采用电导增量法进行最大功率追踪。线路电压等级设定为380 V，逆变器直流侧电压为800 V。设定分布式光伏逆变器容量为60 kVA。根据国家标准要求[15]，20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%，因此，在仿真中设定目标电压范围为[0.980，1.065]，电压上限值为1.07。如图8 所示，在BUS4 接入分布式光伏后，负载均以图中标准的功率投入运行，调整光伏出力为48.84 kW，使各节点电压均在目标电压范围内。

图8 光伏并网各节点电压值

3.1 无功功率单独调压实验

在光伏并网系统中，逆变器在输出有功功率的同时，仍有一部分剩余容量，可以吸收无功功率，进而降低并网点电压，使各节点电压稳定在安全运行范围内。下面的案例一实验，旨在让学生掌握无功功率单独调压策略对越限电压进行调节的方法。

案例一：负载1 切除40%，各节点电压被抬升，BUS8 处电压达到1.72，超出规定限值。在第3 s 时，引导学生采用无功调压策略，提高逆变器吸收的无功功率，使并网点电压恢复到目标电压范围。各并网点电压值及光伏电源实际出力如图9 所示。

由图9(a)中各节点电压结果可以看出，在无功调压的作用下，各节点电压均在设定的目标电压范围内，其值为：UBUS8=1.065；UBUS9=1.021；UBUS10=1.039；UBUS11=1.017；UBUS12=0.998。图9(b)、(c)为光伏电源的有功出力和无功补偿，其中，有功出力基本保持不变，在第3 s 时，补偿无功31.2 kVar，各节点电压均在安全运行范围内。综上，仅采用无功调压策略可以基本解决电压越限问题，但光伏逆变器几乎达到最大容量值，基本没有安全裕度。学生通过该实验可以观察到光伏并网引发的电压越限现象，并掌握利用逆变器进行无功功率调压的方法。

图9 案例一的电压值、有功功率、无功功率

3.2 有功/无功综合调压实验

由于光伏系统逆变器容量有限，在负载继续被切除的情况下，电压再次越限，而逆变器能吸收的无功功率已被用尽，此时，需要对光伏有功出力进行限制以调节电压。下面的案例二和案例三，旨在引导学生采用有功/无功综合调压策略进行实验。

案例二：在 3.1 节基础上，光伏出力仍保持在48.84 kW，负载1 切除80%，BUS8 处电压为1.079，超出规定限值。在第3 s 时，采用无功调压策略，考虑逆变器容量，提高逆变器吸收的无功功率使其达到最大，BUS8 处电压为1.071，仍越限。因此，需要降低光伏有功出力以降低电压值。在第4 s 时，减少光伏有功出力，各并网点电压值以及光伏电源实际出力如图10所示。

由图10(a)中各节点电压结果可以看出，经过有功/无功综合调节，各节点电压均在设定的目标电压范围内，其值为：UBUS8=1.065；UBUS9=1.014；UBUS10=1.032；UBUS11=1.010；UBUS12=0.992。图10(b)、(c)为光伏电源的有功出力和无功补偿，第3 s补偿无功34.85 kVar，BUS8 处电压仍然越限，第4 s时光伏出力从48.84 kW 降至33.68 kW，各节点电压稳定于安全运行范围内。

图10 案例二的电压值、有功功率、无功功率

案例三：在案例二的基础上，在第3 s 时，负载1和负载2 均发生故障，负载1 完全切除，负载2 切除20%，BUS8 处电压为1.083，超出规定限值，采用与案例二相同的调压策略，在第3 s 时提高逆变器吸收的无功功率，使其达到最大，BUS8 处电压值为1.071，仍然越限，第4 s 时降低有功出力，结果如图11 所示。由图11(a)可知，各节点电压在经过调节后均在设定的目标电压范围内，其值为：UBUS8=1.065；UBUS9=1.018；UBUS10=1.030；UBUS11=1.008；UBUS12=0.990。

由图 11(b)、(c)可见，第 3 s 时，补偿无功 49.64 kVar，BUS8 处电压仍然越限，第4 s 时光伏出力从33.68 kW 降至19.23 kW，各节点电压控制在目标运行范围内。由此可以看出，减小光伏有功出力有效地降低了过电压，使学生了解了光伏出力对并网点电压的调节作用，并掌握了有功出力和无功补偿的配合调压策略。

图11 案例三的电压值、有功功率、无功功率

3.3 改进的有功/无功综合调压实验

在3.2 节的调压策略中，光伏逆变器的容量并没有得到充分利用。随着光伏有功出力的降低，逆变器能够吸收的无功功率增加。考虑经济效益和逆变器容量的利用率，以3.2 中所述的调压策略为基础进行改进，在降低光伏有功出力的同时增加逆变器吸收的无功功率，充分利用逆变器的无功调节能力。下面的案例，旨在引导学生将此改进方法应用于3.2 节的案例二和案例三，作为案例四和案例五，并对比两种方法的实验结果。

案例四：在案例二的基础上，第3 s 时，减少光伏出力至39.7 kW，同时增加逆变器吸收的无功功率至45 kVar，此时光伏逆变器的容量得到最大利用，各节点电压及光伏实际出力如图12 所示。

图12 案例四的电压值、有功功率、无功功率

由图12(a)中各节点电压结果可以看出，通过改进的有功/无功综合调压策略，各节点电压均在设定 的目标电压范围内，其值为UBUS8=1.065；UBUS9=1.014；UBUS10=1.032；UBUS11=1.008；UBUS12=0.992。图12(b)、(c)为光伏电源有功出力和无功补偿，第3 s时，有功出力从48.84 kW 降至39.7 kW，同时补偿无功45 kVar，各节点电压稳定在安全运行范围内。与案例二相比，有功出力降低程度减小。

案例五：在案例三的基础上，第3 s 时，负载1完全切除，负载2 切除20%，BUS8 处电压为1.085，超出规定限值，采用与案例四相同的调压策略，有功出力降至22.35 kW，无功功率上升为55.63 kVar，使BUS8 处电压值恢复正常水平，得到的结果如图13 所示。与案例二和案例三相比，为达到同样的电压控制目标，采用改进策略后所需降低的有功出力减少。

图13 案例五的电压值、有功功率、无功功率

由图13(a)中各节点电压结果可以看出，各节点电压均在设定的目标电压范围内，其值为：UBUS8=1.065；UBUS9=1.018；UBUS10=1.029；UBUS11=1.007；UBUS12=0.989。由图13(b)、(c)可见，第3 s 时，光伏出力从39.7 kW 降至22.35 kW，同时补偿无功55.63 kVar，各节点电压稳定在目标范围内。与案例三相比，在达到相同效果的情况下，案例五的有功出力较高，功率因数得到改善，有效降低了电能损失，更接近配电网最佳经济模式，进而提高了经济效益和社会效益。

相较之下，改进的有功/无功综合策略减少了有功出力限制的程度，增大了逆变器无功调节范围。在这种调压策略下，光伏系统可以获取更大的经济效益，并且具有更灵活的电压调节能力。有功/无功综合调压的改进策略考虑到实际工程对经济性的要求，为学生提供了从实际出发的解决问题新思路，培养了学生从多个角度全面分析和解决实际问题的能力。

4 结语

本文基于PSCAD/EMTCD 搭建的光伏并网仿真实验平台，可对分布式光伏接入低压配电网引起的电压越限现象及其应对方案进行仿真实验。通过具体案例，学生可在该实验平台上观察光伏接入后对配电网产生的影响，熟悉无功调压、有功/无功综合调压以及改进的有功/无功综合调压策略，对比分析不同控制策略下的调压效果，掌握电压越限问题的解决思路。实践证明，案例教学效果明显，学生可通过实践操作更好地掌握相关理论知识和方法，并培养解决此类实际问题的分析思考能力。