摘要：以光伏發電系統公共耦合點(PCC)電壓跌落為研究對象，從電力系統功率傳輸理論的角度分析了光伏發電系統PCC電壓跌落的電壓補償原理，并網逆變器通過無功功率對PCC電壓跌落進行補償，提出基于瞬時電壓幅值的動態無功電流電壓跌落補償策略，搭建了3 kW光伏發電系統實驗平臺，對提出的補償策略進行驗證，結果表明該方法改善了光伏發電系統的供電電能質量，提高了其并網運行的可靠性與穩定性。

1 引言

太陽能作為典型的可再生能源，由于受到環境溫度、光照強度及天氣條件的影響，光伏發電表現出隨機波動性大、不可預測的特點，某工程現場測試，最大功率變化率為20%/min。光伏發電系統通常都要通過電力電子變換裝置即接口逆變器并網運行。隨著大規模光伏發電系統的并網運行，其對電網的影響越來越大，暴露出越來越多的問題，其中PCC電壓跌落是光伏發電系統對電網的影響之一。目前已提出了很多方法用于減輕或補償電壓跌落問題，如無功功率補償器、動態電壓恢復器、交流柔性輸電裝置、靜止無功發生器等，但均需安裝額外設備，不僅增加了投資成本，而且使系統控制復雜化。

微電網、智能電網技術的提出推動了光伏發電設備及系統向智能化、多功能化發展，智能逆變器、多功能逆變器等概念逐漸被廣泛接受，希望能通過光伏發電系統對電網安全穩定運行起到一定支撐作用。國內外都推出了新的光伏發電系統并網規范，使其具有一定的靈活性與主動性，允許光伏發電系統調整其輸出的有功及無功功率，參與電力系統局部電壓和頻率調整，同時要求系統具有低電壓穿越能力。

這里采用光伏發電系統并網逆變器本身，在PCC電壓跌落時，通過向電網注入一定容量的無功功率實現對PCC電壓跌落補償。這種方法不僅可實現并網逆變器并網發電的主要功能，而且可實現對PCC電壓跌落補償的輔助功能，提高了光伏并網系統的利用率，減少了安裝補償裝置的投入及維護成本，補償性能將更加經濟。

2 電壓跌落補償原理

大規模光伏并網發電系統的輸出功率突變與波動造成PCC電壓跌落，影響系統供電電能質量，故需對PCC電壓跌落進行補償。德國最新光伏發電系統并網標準VDE-AR-N-4105：2011-08規定，中壓光伏并網發電系統引起的PCC電壓變化不允許超過2%;低壓光伏并網發電系統引起的PCC電壓變化不允許超過3%;我國對不同電壓等級電壓偏差的限制也有明確規定，GB12325-2008《電能質量——供電電壓允許偏差》對供電電壓允許偏差的限制摘要如下：①35 kV及以上正負電壓偏差絕對值之和不超過10%;②10 kV及以下三相供電，±7%;③220 V單相供電，-10%～7%。

對于接入中/低壓配電網的光伏發電系統，可得其并網運行的戴維南等效電路如圖1所示。us為配電網母線電壓，通常認為配電系統為無窮大系統，其電壓幅值|us|基本恒定不變;Z為配電網線路阻抗，Z=R+jX，R，X為電阻、電抗分量;P，Q為配電網母線向負載方向傳輸的有功、無功功率;uPCC為PCC電壓;PL，QL分別為PCC本地負載有功、無功功率;PG，QG分別為光伏發電系統向PCC輸送的有功、無功功率，QG為正表示逆變器發出感性無功功率，QG為負表示逆變器吸收感性無功功率;QC為PCC安裝設備補償的無功功率，QC為正表示發出感性無功功率，QC為負表示發出容性無功功率。

根據光伏發電系統并網戴維南等效電路，配電網向PCC方向傳輸的功率為：

由于遠距離架空線線路阻抗的電阻分量與電抗分量相當，線路兩端電壓相位偏差較小，式(4)的虛部與實部相比很小，可忽略;考慮允許光伏發電系統并網逆變器與當地無功補償裝置發出感性無功功率，即QG與QC均為正，由此可得：

uPCC≈us+R(PG-PL)/uPCC+X(QG+QC-QL)/uPCC (5)

由式(5)可見，對于光伏并網發電系統，由于其輸出有功功率由光伏電池板決定，受天氣影響較大，當光伏發電系統輸出有功功率減小時，就有可能造成PCC電壓跌落。若能控制光伏發電系統輸出無功功率，即可控制PCC電壓。由于并網逆變器很多時候都不工作在額定功率，具有一定的無功功率容量，因此，可使并網逆變器在其視在功率容量限制內，發出一定容量的無功功率，即可對PCC電壓跌落實現補償。

3 電壓跌落補償策略

光伏發電系統中所采用的三相電壓源并網逆變器拓撲結構如圖2所示。

為實時動態地補償PCC電壓跌落，提出基于瞬時電壓幅值一無功電流的Io(U)電壓控制方式，當PCC電壓跌落時，可使光伏發電系統工作于超前功率因數，使其相當于電容特性，在系統視在功率限制內發出一定容量的無功功率來補償PCC電壓跌落。由于功率控制的本質也是控制電流，因此這里直接采用電流控制代替功率控制。無功電流電壓調整系統控制框圖如圖3所示。

由圖3可見，光伏發電系統并網逆變器控制系統在兩相旋轉d，q坐標系下完成，其中控制系統采用雙二階通用積分器同步坐標系鎖相環(DSOGI SRF-PLL)實時檢測PCC電壓相位與幅值，采用Io(U)方法對PCC電壓進行控制，所檢測電壓瞬時幅值與所設定電壓參考幅值作比較，誤差經電壓PI調節器后得到電壓調整無功補償電流，與所設定的無功電流參考值疊加作為新的無功電流參考對逆變器進行實時控制，最終實現對PCC電壓的動態調整。

4 實驗

上面對PCC電壓調整原理及策略進行了分析，提出了相應的電壓跌落補償策略，下面主要對提出的光伏發電系統并網逆變器IQ(U)電壓跌落補償策略進行實驗驗證。設定并網逆變器正常并網發電，且具有一定的視在功率容量，通過在PCC切入本地負載來模擬PCC電壓跌落。搭建3 kW光伏發電系統實驗平臺。并網逆變器主電路結構采用三相橋式電路，控制電路基于DSP控制芯片TMS320F2812。并網逆變器主要參數：Udc= 120 V;Ua=Ub=Uc=50 V;iG=8 A;RL=7 Ω;Lf=5 mH;Cf=9.4μF;R=1 Ω;L=3 mH。電壓PI控制器比例與積分系數分別為0.1，20;電流PI控制器比例與積分系數分別為0.5，10。圖4為實驗波形。

圖4a為光伏發電系統并網逆變器并網運行的穩態波形，PCC接入本地負載開關斷開，并網逆變器輸出電流全部輸出給電網。可見，并網點電壓幅值為50 V，相對于參考電壓幅值50 V，電壓幅值差為零，逆變器并網電流與其輸出電流均為2 A，負載電流為零。圖4b為PCC切入本地負載后PCC電壓發生跌落的暫態波形。可見，當負載切入后，PCC電壓由50 V跌落至45 V以下，光伏發電系統并網逆變器不對PCC電壓進行補償，逆變器輸出電流依然為2 A，并網電流反相，即負載電流一部分由逆變器供給，另一部分由電網供給。

圖4c，d為電壓采用無功電流進行電壓調整的暫態與穩態實驗波形。可見，負載切入瞬間，電壓幅值減小，并網點電壓跌落，由于采用了IQ(U)電壓補償器對并網點電壓進行控制，電壓跌落后，IQ(U)電壓補償器輸出一個無功補償參考電流給并網逆變器，并網逆變器輸出無功補償電流補償并網點電壓跌落，2個周期后達到穩態。穩態后，電壓幅值偏差為零，電壓跌落得到補償。IQ(U)電壓補償器具有良好的動態響應和穩態精度。

5 結論

對光伏并網發電系統并網點電壓跌落問題進行了研究，提出了基于瞬時電壓幅值的無功電流電壓跌落補償策略，最終通過了實驗驗證，取得了良好的實驗結果，驗證了所提出的電壓調整策略的可行性與有效性。實現了光伏并網發電系統并網發電與電壓補償的統一控制功能，改善了電力系統供電電能質量，提高了光伏發電系統并網運行的可靠性與穩定性，為大規模光伏發電系統并網運行提供了技術支持。