谈农村分布式光伏发电并网关键技术

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摘要：在分析分布式光伏发电原理和制约因素的基础上，从控制系统研发、三相不平衡治理、电压协调和控制、谐振抑制四个方面，研究并网关键技术，从而保障农村地区配电网系统安全、稳定、可靠运行。

关键词：农村电网；分布式；光伏发电；并网

引言

随着国家建设新农村和光伏精准扶贫政策的深入推进，光伏发电产业在农村地区得到了迅速发展[1,2]。由于农村地区范围广阔，农村配电网一般呈简单的辐射链式结构，用电负荷较为分散，配电距离较长，供电质量相对不稳定。利用光伏发电性能特点，将分布式光伏发电因地制宜地应用到农村地区，由于农村光伏发电并网调控相对较难，因此有必要对农村分布式光伏发电并网关键技术进行研究，开发适应农村地区配电网特点的并网逆变控制装置，提高光伏就地消纳水平，解决农村电网电压不稳、三相不平衡等问题的影响，促进光伏产业的高质量发展[3,4]。

1分布式光伏发电

1.1基本原理

分布式光伏发电是指利用太阳能光伏组件吸收光电子，通过电力电子装置将太阳能转换为交流电能。整个系统主要由太阳能光伏组件、并网逆变器、光伏并网计量箱、通信系统及监控系统组成，结构框图如图1所示。并网逆变器是光伏发电系统中的核心设备，主要由升压斩波器、并网逆变器、保护装置、滤波单元构成，将太阳能光伏组件产生的直流电经过压敏电阻直流防雷装置、直流EMI滤波单元、MPPT升压电路后，送入并网逆变器，输出的交流电经过电容滤波、交流EMI滤波单元后逆变为符合电网要求的交流电，再由光伏并网计量箱输出接入并网点。并网后，通过并网控制装置使太阳能光伏组件一直运行在最大功率点处，与主电网一起为用户供电。

1.2制约因素

分布式光伏发电具有简便灵活、适用区域广、维护简单等优点，但也受到了一些因素制约[5,6]。（1）分布式光伏发电建设位置分散，在大规模并网接入时，配电网的调度和控制难度很大，影响系统安全稳定运行。（2）分布式光伏电源受外界气候影响较大，由于天气和太阳高度的变化，光电板获得的太阳能也随之变化，因此光伏发电功率也随着天气和季节变化而变化。（3）分布式光伏发电并网系统含多个并网逆变器，并网运行过程中，逆变器输出随负载变化而变化，导致谐波产生，给电网带来污染。

1.3对农村配电网影响

农村分布式光伏发电并网是通过低压线路接入配电网，将光伏并网计量箱输出开关接入并网点。当农村地区有多个光伏发电接入主配电网时，配电网结构上发生改变，从无源辐射链式变成有源辐射链式，配电网系统易出现不稳定性。由于光伏发电的功率具有不可调控特性且配电网系统负荷不平衡，会出现电压峰谷差产生的电压波动与闪变，使配电网系统产生三相不平衡现象。同时有些农村地区处于偏远山区，离电站距离远，用电负荷分散，需长距离配电网输送电能，为了提高电能质量，加大建设分布式光伏发电站，导致接入的位置和容量大小不确定，造成电能分布不均衡，使整个配电网系统不稳定。在多个光伏发电并入配电网时，薄弱的配电网系统很难承载，对农村配电网的运行和控制带来很大挑战。

2农村分布式光伏发电并网关键技术

2.1控制系统的研究与开发

通过研究并网控制装置的同步、协调控制技术以及农村配电网继电保护功能及故障定位方法，开发适用于农村地区的光伏并网控制装置和故障保护器，实现各个逆变器统一协调控制，使分布式光伏并网安全稳定运行[7]。（1）并网逆变器的同步控制技术研究与开发。并网系统逆变器通过对主配电网的电压、相位、频率等信号进行实时采样并比较，保证逆变器输出与主配电网同步，实现同步闭环控制功能；同时对直流输入和交流输出等电压进行检测并比较，对并网逆变器进行启动和关闭输出，实现自动并网运行。（2）故障定位及继电保护装置的研究与开发。分布式光伏并网系统装设过压、失压、频率检测与保护、过载过流、漏电、防雷、接地短路、自动隔离电网、逆向功率自动检测与保护，实现故障定位，保证并网系统与设备正常运行。

2.2三相不平衡治理

在分析农村地区各类负荷特性的基础上，考虑用户侧可调可控负荷、可控分布式光伏电源、分布式储能等技术特点和实现方式，研究基于分布式光伏发电与配电网三相不平衡治理传统技术相结合，治理配电网台区中存在的时空分布不平衡的单相负荷，使配电台区三相负荷完全或最大限度地平衡。（1）分布式光伏发电与三相不平衡治理装置分层控制。根据传统三相不平衡治理的方法，分析分布式光伏发电在配电台区的出力特性，如分布式光伏发电出力的响应速度和稳定特性等；同时研究分布式光伏发电容量大小和布点对三相不平衡治理效果的影响。（2）分布式光伏发电与低压负荷协调管理。研究带分布式光伏发电的台区负荷调控技术，提出支撑配电台区分布式电源与负荷时空转移策略与实现的技术手段，保证三相负荷的平衡。（3）分布式光伏-储能与三相不平衡协调治理。分析靠分布式光伏治理三相不平衡与依托光-储联合系统调节三相不平衡的区别，并研究储能容量大小及布点位置对于三相不平衡治理的影响；结合分布式光伏布点研究内容，综合分析光-储系统容量大小及位置对三相不平衡治理的影响，以此为目标对于光-储系统进行优化配置。

2.3长距离配电网的电压协调控制

为了解决长距离配电网光伏发电并网接入带来的系统不稳定等问题，提高分布式光伏发电消纳能力，分析分布式光伏发电长距离配电网调压设备优化配置和电压分层分区协调控制等技术[8-16]。（1）分布式光伏发电长距离配电网运行特性及调压设备优化配置。利用分布式光伏发电长距离配电网调压设备优化配置模型和方法，根据长距离配电网内的调压设备类型、分布式光伏电源的接入位置和接入容量，开展馈线调压器的优化配置模型研究，分析其配置容量和接入位置。（2）分布式光伏发电长距离配电网电压协调控制。基于多系统和分布式通信，建立分布式光伏变流器接入点电压控制和其相邻节点电压、相邻线路潮流等之间的联系，实现区域电压自治调整的目标；通过量化指标体系和安全运行约束制定全局优化策略，实现动态调整调控策略，对变电站级有载调压器、电容器组等离散电压控制设备以及分布式光伏变流器有功功率和无功功率输出进行协同优化调度。（3）分布式光伏发电的配电网电压分层分区协调控制。在长距离配电网分层分布式协调控制技术研究的基础上，开发分布式光伏发电参与配电网电压协调控制的控制系统，并搭建相应的动态模拟实验系统，能够对所研究的电压协调控制策略进行有效验证[17-21]。

2.4多台逆变器并网运行的谐振抑制

分析农村较弱系统对多台逆变器并联谐振的影响，并对产生的谐波进行特性分析，研究谐波抑制策略，有效提高并网逆变控制系统的稳定性。（1）利用输出阻抗模型分析多台光伏并网逆变器间的交互影响。通过分析输出阻抗模型传递函数，研究并网逆变器数量、组成比例和电网阻抗对系统谐振特性的影响，并软件仿真验证分析所得的结论。（2）分析控制器间的时间误差对谐波的影响。由于光伏并网逆变器之间的控制单元是独立控制，因此，控制单元间的控制时钟不可能完全同步，这个细小误差会使得逆变器单元输出电压频率存在差异，导致谐波问题。针对多个并网逆变器的谐振问题，采用多种控制方法对比，综合提出抑制谐振的方案。

3并网控制装置在农村地区的应用

为解决分布式光伏发电并网对农村配电网的影响，依据并网控制关键技术，重点研制适合农村特点的分布式光伏发电并网控制装置，如图2所示。该装置在农村地区接入并网系统后，三相电流平衡，并网谐波小于3%，并网逆变器在低压或高于启动电压值时可以自动启动或关机。控制系统发生故障后，能进行故障定位，故障消除后，并网控制装置能自动启动并网；同时对其交流输出侧进行过压/欠压和过频/欠频测试，当逆变器交流输出端电压及频率超过规定范围时，逆变器在规定时间内停止向电网供电，同时发出警示信号。当电网频率恢复到允许运行的电网频率时，逆变器应能重新启动运行。

4结语

针对分布式光伏发电影响农村不同区域配电网等问题，利用光伏发电系统电压协调控制和负荷协调管理，研究出适应农村地区特点的分布式光伏发电并网控制装置，使农村分布式光伏发电具有安全、可靠、环保特点，同时也降低了农村偏远山区用户的用电费用问题，也让更多农民从光伏发电中获得了一定的经济收益。

作者：谢莹 单位：闽西职业技术学院