新能源配网发电功率自适应控制策略研究

王 珣,董寒宇,沈 玮

(1.浙江泰仑电力集团有限责任公司,浙江 湖州 313000;2.国网湖州供电公司,浙江 湖州 313000)

0 引言

近年来,光伏新能源并网作为成熟的发电技术,被广泛应用于电力系统建设[1]。但电力系统所处环境复杂,需要通过控制配网发电功率来预防事故发生。因此,光伏新能源并网接入的配网发电功率控制策略研究一直是我国研究人员关注的重点。目前,我国光伏新能源并网产业主要集中在电气化光伏产品的研发阶段[2],而国外的光伏新能源并网产业已发展并具备完整的产业链。

杨佳涛等[3]利用变换器实现光伏新能源并网-配网的最大功率分配,采用通信与闭环控制器,完成各功率的自动调控。但该方法没有考虑有功功率与无功功率的环境。刘贺等[4]提出在满足电源系统负载的前提下,利用帆板能量作为动态调节工作模块的中枢,以提高光伏新能源并网的功率跟踪能力。但该方法没有寻找出配网的最大功率。颜晨煜等[5]针对光伏新能源并网的多个场景,结合配网的限制要求,利用阈值补偿算法调节需求功率。但该方法没有考虑并网中正、负电流的分布影响。上述方法在控制过程中均存在输出功率波动较大的问题。

为了解决上述方法存在的问题,本文提出光伏新能源并网接入的配网发电功率自适应控制策略。

1 配网无功规划与最大功率点搜索

1.1 无功规划

本文根据光伏新能源并网的有功功率与无功功率之间的输出特点,完成配网的无功规划,为配网发电功率的自适应控制奠定基础。

①光伏新能源并网的输出功率分为有功功率与无功功率。其中,有功功率与光伏组件受到的太阳光照强度成正比关系,所以有功功率具有间歇性与时序性[6]。光伏新能源并网的输出具备一定的等效利用率。无功功率为:

(1)

式中:R为无功功率;t为时刻;Tmax为理想功率;Q为有功功率。

②本文根据某光伏电站发电数据统计,得到出力概率分布情况[7]。出力概率分布情况如表1所示。

表1 出力概率分布情况

在光伏新能源并网的正常运行中,无功功率出力具有较高的置信概率,可根据无功功率计算配网的有功损耗ΔQloss。

(2)

③配网的无功规划是在满足光伏新能源并网节点电压无功出力无限大的条件下,将无功补偿点作为确定补偿容量,使配网达到有功损耗最小化的状态。

④配网无功规划中的分量由状态分量与控制分量构成。本文将光伏新能源并网中的节点电压视为状态分量,则调整的电压为控制分量。两者之间的不等式约束关系[8]为:

Rmin≤Rj≤Rmax,j=1,2,…,m

(3)

式中:Rj为补偿点j的无功功率;m为补偿点总数量。

1.2 搜索最大功率点

在完成配网的无功规划后,光伏新能源并网接入的配网发电功率自适应控制策略采用二次插值法搜索配网的最大功率点。具体步骤如下。

①光伏新能源并网中存在固定的光伏阵列[9]。其在特定光照与温度下的总功率为:

(4)

式中:U为开路电压值;I为饱和电流;S为总电阻;p为电子电荷;β为引入的玻尔兹曼常数,β≠0。

②配网发电功率自适应控制策略在光伏阵列总功率的功率-电压(power-voltage,P-V)特性曲线中,随机插入三个样本点[10]后利用二次插值算法,得出三个样本点对应的函数表达式。

(5)

式中:n为样本点的顺序;k为函数表达式;a为插入的样本点。

③根据样本点与其对应的函数表达式,计算出二次插值算法的插值多项式k2,以及光伏阵列对应的二次函数k2(a)[11]。

(6)

式中:x、y、z均为二次函数的一般系数。

④在光伏新能源并网的P-V曲线拟合过程中[12],需要将三个样本点代入式(6),以得到二次函数的一般系数x、y、z的解,并求出拟合曲线的最大值Pmax。Pmax即光伏新能源并网接入的配网最大功率点。

(7)

2 自适应控制

光伏新能源并网接入的配网发电功率自适应控制策略将变换器-渐波器结合,以实时跟踪最大功率点。具体步骤如下。

①通过调节并网变换器的功率标准值,实现配网的最大功率跟踪。通过功率变换器得到的并网调制电流标准值I0为:

(8)

式中:P0为功率标准值;PL为变换器额定功率;IL为变换器额定电流;r为特定的电压抗模值。

②电流标准值与高压渐波器的固定电流比较后得到反馈控制量,以达到电流对其标准值的实时跟踪。为了抑制渐波器终端电压波动给功率控制过程带来的干扰,本文引入前馈控制量。本文将前馈控制量与反馈控制量相结合,得到升压渐波器比值。

(9)

式中:e0、e′、e分别为反馈控制量、前馈控制量与渐波器;U0、U′分别为标准电压值与实际电压值。

③当配网电压不平衡时,光伏新能源并网的Q与R的构成为:

(10)

式中:M、N分别为电流的正、负分量。

(11)

(12)

式中:σ为单位电流因数。

(13)

⑦将平均有功功率与最大功率点相比较。当配网处于正常状态下,即并网的平均有功功率小于最大功率时,变换器-渐波器结合的自适应控制策略将多余的电能存储在并网中;当并网的平均有功功率大于最大功率时,存储的电能被释放出,为配网提供功率支撑,以实现光伏新能源并网接入的配网发电功率自适应控制。

3 试验与分析

为了验证光伏新能源并网接入的配网发电功率自适应控制策略的整体有效性,需要对其进行以下测试。

本文将控制前与控制后的电流响应、跟踪误差、输出功率作为指标,验证所提方法的自适应控制效果。本文在Matlab-Simulink环境中构建发电系统模型。发电系统模型如图1所示。

图1 发电系统模型

①电流响应。

电流响应曲线如图2所示。

图2 电流响应曲线

由图2可知,在发电功率自适应控制前,光伏新能源并网的电流波动幅度明显,而自适应控制后的电流波动较小。在相同的频段下,自适应控制后的电流可以实现对电流期望值的有效跟踪,且没有发生相位延迟情况。

②跟踪误差。

跟踪误差指发电系统中的电流实际值与期望值之间的差距。本文对控制前与控制后的跟踪误差结果进行统计。电流跟踪误差如表2所示。

表2 电流跟踪误差

由表2可知,控制前的跟踪误差值最大可达24.8 A,并且不同试验序号下的误差波动较大,说明电流抖动现象严重;而自适应控制后的电流跟踪误差值小于1 A,并且抖动现象得到了较好的抑制。

③输出功率。

输出功率曲线如图3所示。

图3 输出功率曲线

由图3可知,控制前的电流抖动与相位延迟现象导致发电系统瞬时输出功率波动明显,不利于系统的稳定。而自适应控制后的系统输出功率更平滑、波动更小。

④平均输出功率。

平均输出功率曲线如图4所示。

图4 平均输出功率曲线

由图4可知,控制后的发电系统平均输出功率比控制前增加了180 W左右,并且波浪的捕获效果更佳。

4 结论

经测试发现,目前光伏新能源并网接入的配网发电功率存在电流响应不平滑、电流跟踪误差大的问题。为此,本文提出光伏新能源并网接入的配网发电功率自适应控制策略。该策略首先制定配网的无功规划,然后寻找出其中的功率最大点,最后采用变换器-渐波器结合的自适应控制策略完成发电功率的控制。该策略在提高电流响应平滑度的同时,降低了电流跟踪误差、减缓了输出功率与平均输出功率的波动。