文摘
虽然光伏系统是使用最广泛的选择之一作为可再生能源由于其众所周知的优势,有相关的重大挑战,解决电压波动和反向功率流引起的高PV渗透场景。作为一个潜在的解决这个问题,一个活跃的电源管理策略提出了工作使用住宅集群作为基准。提出的策略进行了分析和实验验证,提供一个简单的方法来减少电压波动通过调节有功功率交付的光伏系统,实现相关功能的系统,如直流总线电压的规定,最大功率点跟踪翻译(MPPT),与电网电压同步,高渗透检测条件,一个简单的战略主控制器与一个有效的性能。建议系统显示了令人满意的结果能够保持电压标准规格内的电网电压波动。
1。介绍
数量的光伏(PV)系统连接到电网近几十年来有了显著的增长。据估计,对光伏系统的需求将保持其未来几年的经济增长。根据国际能源机构(iea),到2050年,太阳能光伏发电将是世界上约16%的电力1]。光伏系统的发电量增长最快地区的低压(LV)网格对应于私人和住宅领域。
易于连接光伏系统并网发电是一个重要因素的增长,也可用性的技术,它允许用户快速轻松地安装它们。分布式发电(DG)基于光伏系统目前高,每天增加;例如,澳大利亚的装机容量和德国近年来增加了80%和99%,分别为(2- - - - - -5),而在欧洲,据估计在49% (6]。的一些好处利用光伏系统改善电网的质量损失和维护成本的减少,以及,当然,显著节省电能计费终端用户。
然而,短时间的大规模使用光伏系统可能会影响电能质量;这就是所谓的高PV渗透[7- - - - - -9]。第一个病例的一些问题由于高渗透的场景被报道在德国等欧洲国家10)、荷兰(11)和英国(12]。电网在高光伏渗透率情况下应该变化频率和电压水平(13,14]。不同的研究处理高PV渗透到电网的影响(15- - - - - -20.]。最重要的影响是电压电平的变化(15- - - - - -21]。这个问题的相关性是安全操作区域的敏感电子设备如电脑或医疗设备可能会丢失(22]。
近年来,不同的技术与电压调节和控制方法来减轻高PV渗透的影响。这些解决方案包括的研究来确定最大负载连接到网格(23),网格布局和加载住宅设计24变量),利用变压器(25和智能变压器应用程序26),电池银行系统(27- - - - - -29日与无功功率的能力[],逆变器30.- - - - - -33),以及外部设备的互连与电网智能电动汽车(34]。此外,理论使用的通信网络,允许决策基于网格的变化已经建议(35]。
由于偏差电压水平控制的主要目标36),使用智能逆变器是最好的选择。他们会直接影响用户和消费者在LV的分销网络和使用极大的灵活性在高PV渗透场景(37]。
逆变器与无功功率的能力是一个有趣的选择(30.- - - - - -33];然而,主要缺点不仅是逆变器标称功率的增加提供良好的性能,还一个增量网格中的功率损耗和半导体压力,这需要减少逆变器的使用寿命。
在[31日,32),一个静态无功补偿器建议和分析选择最佳连接点是详细的。这项工作的主要缺点是,建议不再有效,如果电网参数的变化,如新加载和配电变压器更换。
在[38),协调等级控制光伏模块讨论,这降低了使用智能控制系统电压波动;这个系统需要具有无功补偿功能的逆变器,存储元素,和静态同步补偿器。这个提议很好调节电压;然而,缺点是使用额外的元素,增加了复杂性和成本。
其他与额外的元素39- - - - - -41];在[39),一套multienergy存储系统是通过控制一个复杂的通信网络;在[40],抽头变压器被认为,这应该是一个更好的解决方案比现有无功功率控制,因为没有额外的处理,虽然成本和复杂性的增加;在[41),利用变压器和能源存储系统,提出了粒子群优化执行,导致一个复杂和昂贵的系统;在[42),使用电动汽车的所有消费者,以确保被认为是一种有效的操作,这是不实际的,因此许多地区一个缺点。
在[43),协调操作的混合储能系统(HESS)可以提高光伏系统的利用率。超级电容器和锂电池使用,与一个复杂的粒子群协调控制器。此外,基础设施参与能源存储系统很大,这意味着高初始经济投资。
本文控制策略提出了一种光伏逆变器,它允许减少电压变化一个LV的分销网络在高光伏渗透率情况下通过积极的电源管理。建议很简单,因为不需要额外的元素,像抽头变压器、复杂的通信系统,电动汽车,或能量存储系统。然而,能量存储系统的使用建议,但可选提供更好的特点。
建议不考虑注入/向/从电网吸收无功功率。只有有功功率管理;因此,网格中的功率损耗并不增加,它不需要超大的逆变器额定功率。建议管理有功功率交付的光伏系统根据电网条件和控制光伏逆变器的光伏面板采用一种算法;因此,没有额外的成本比传统的光伏系统。
提出的控制策略检测电压变化时由于光伏渗透率高的场景。这是一个优势相对于其他方法,需要完整的电网运营的特征。拟议的战略有效地减小电压变化造成的电网光伏渗透率高,除了达到系统的相关功能,如直流总线电压的规定,最大功率点跟踪翻译(MPPT),电网电压同步,高渗透的检测条件下,主控制器和有功功率策略。
本文的组织结构如下:部分2提出了一个简化模型的LV分销网络。节3显示高PV渗透的影响,和最关键的配置。节4,提出的控制策略是详细的。实验结果部分所示5。最后,主要结论是恢复建议的解决方案的优点和缺点。
2。LV分销网络在高PV渗透的场景
为更好地理解高PV渗透现象,一个LV的分销网络建模。这说明了与之相关的问题在一个简单的方法。它假定一个轴向电网连接,因为它是最典型的配置在一个LV的分销网络常驻区(44]。其他作品有不同的网格配置描述(14,21,45]。
一个典型的住宅集群被认为是,见图1(一)。电力变压器的分销网络包括( ),住宅( ),网格布线( ),和光伏系统( )。
(一)
(b)
为了简化分析,一些注意事项和假设。光伏系统的功率注入( )和住宅负荷( )由一个电流源( );都被认为是正弦。变压器输出( )取而代之的是一个正弦电压源,电网阻抗相等( )。简化电路如图1 (b)。
简化电路分析,获得它 在哪里变压器电压,线路阻抗,是住宅的数量在集群中,是注入到电网当前的居住点( )根据其位置。
的电压住宅可以解决方程确定系统(1),作为电流源的函数 在哪里是集群中的住宅是住宅的数量。
基于(2),一组电压方程,确定每个住宅可以获得的电压。作为一个例子,一个分销网络组成的11个住宅给下面的方程,对于住宅1,2,5,6,10,11,分别
3所示。电网电压偏差在高PV渗透的场景
根据数学模型(2),每个住宅中的电压变化取决于实际的注入/向/从电网吸收电流。理解这种现象将有可能建立一个策略来减轻光伏渗透率高的有害影响。
分销网络由11住宅作为一个例子。计算网格的寄生元素考虑线路阻抗和住宅之间的距离,这是11米( Ω/公里, Ω/公里)。电流源的价值计算是当前由每个之间的差异可再生来源( )和当前所要求每个住宅( )。电网电压是120 V。
在图2归一化电压在六种不同的住宅(1、2、5、6、10和11)所示。电流源的符号( )被定义为积极的,如果可再生来源的发电量更大,比要求的住宅;另一方面,当前是-如果住宅的要求更多的权力比由可再生来源。纵轴代表电压横轴代表时间。
(一)
(b)
(c)
在图2(一个),归一化电压水平的变压器和住宅,和当前所要求每个住宅- 4.4(住宅+ PV系统);然后,住宅需求比光伏系统提供更多的能量。每个住宅的电压低于变压器的电压( ),因此,没有电压电网的增量。
在图2 (b),变压器的电压水平,再次显示了住宅,但现在,当前每个住宅交付给电网的4.4(住宅+ PV系统);然后,住宅需求不如光伏系统提供电力。现在每个住宅的电压高于变压器的电压( )。
图2 (c)如图显示了相同的情况2 (b),但电流增加到8.8(住宅+光伏系统)。可以观察到,每个住宅的电压高于之前的情况下,这可能代表一个负载故障或损坏由于过电压。此外,它可以注意到,无数次的住所,这是一个最远的变压器,是受影响最严重的,因为电压偏差更大。因此,第无数次的住宅是最关键的分销网络。
基于这些观察,控制策略提出了减轻光伏渗透率高的有害影响。有功功率由光伏系统可以适当管理一旦检测出电压增量由于光伏渗透率高的场景,然后减少电压增量安全价值观。
4所示。提出了系统
由于电压波动由于高PV渗透是由网格寄生引起的元素和逆功率注入的光伏系统,在这篇文章中,一个电源管理策略提出了缓解电压变化。无功补偿是不习惯避免扩界逆变器额定功率,避免线路功率损耗。该系统显示在图3。
(一)
(b)
功率级选择HERIC转换器,适合光伏应用程序(46]。这种拓扑被选中,因为它提供了良好的特征像轻量级(没有变压器),低漏电流,满足法规、效率高,其操作和施工类似传统的逆变器,简化实现。阶段如图3(一个)。然而,任何其他拓扑具有类似特征的可能也使用。
提出的控制器(图3 (b)),负责管理光伏系统功率流,由一个比例谐振(PR)电流控制器,直流电压调节器翻译包括MPPT,电网电压同步阶段,高PV渗透探测器(PD)、有功功率控制器(APC),最后一个能量存储系统(ESS)。后者,尽管肯定是可选的,可以提高整个系统的性能。
评价的目的,该系统是放置在无数次的住所,因为它是最关键的一点,但它可以被放置在另一个点。其他住宅视为独立电流源之间的线路阻抗是相同的不同的住宅,和变压器电压被认为是一个独立的电压源。权力由住宅光伏系统是设法缓解当地通过本地电网注入电流电压波动;系统设置点的振幅变化的注入电流。
4.1。比例谐振控制器(PR)
一个比例积分(PI)控制通常用于固定或定常引用。然而,当参考正弦形状,PI控制不是最好的选择,因为控制最小化正弦变化的稳态误差和外部干扰是可取的。一个公关无限增益控制特性,消除了正弦稳态误差在操作频率(47,48]。
是使用的控制律 在哪里是比例常数,是一个控制器常数,然后呢共振频率。
获得调得到最好的动力学系统的带宽,但保证稳定和适当的阶段和获得利润。获得是调到消除稳态误差48]。
该控制器可以获得所需的注入电流,APC翻译或MPPT部分。的和值如表所示1。这种类型的控制器采用平均模型,它假定切换频率可能会被忽视。
4.2。电压同步
注入电流与当地电压同步,一个二阶广义积分器(SOGI)和锁频环路(算法)使用49]。使用的方程是 在哪里是一个调优常数,是一个调优常数,输入电压(th住宅),是正交同步输出。
这部分允许注入电流与电网电压同步。实施(表1)的值被选为保证标准化的参考在额定电压来确定当前振幅由PD和直接调优提供良好的稳态操作(49]。
4.3。翻译监管和MPPT直流总线电压
当没有电压波动发生由于光伏渗透率较高,传统光伏系统的工作原理;翻译,也就是说,MPPT的光伏面板通过扰乱跟踪和观察(P&O)算法(50]。翻译的MPPT决定在最大功率点的电压设置点,测量太阳能电池板的电压和电流。
为了保证低失真的注入电流,电压环的带宽必须小;因此,使用一个积分器足以保证一个良好的操作。然而,前馈补偿器是用于提高系统的色牢度在栅极电压的变化,通过使用实际功率( )光伏面板的稳定状态来确定当前的参考。方程用于电压控制器
的价值是调整反应迟缓,然后,以避免失真的注入电流,带宽选择十倍低于60赫兹。
4.4。高PV渗透探测器(PD)
为了避免电压波动在光伏渗透率高的情况下,采用PD。翻译这个PD交换机之间的操作MPPT电压调节器和APC(图4(一))。公关的选点控制器( )翻译是设定的MPPT算法,在正常操作,或由APC当检测到电压增量由于高PV渗透;此外,它提供了一个标志,指示操作模式( )。
(一)
(b)
来决定是否有电压波动由于光伏渗透率高,所使用的电压条件。也就是说,如果当地的电压高于变压器电压和标称值的5%以上,APC操作开始。如果当地电压高于变压器电压低于额定电压的4%,翻译的MPPT电压调节器操作。这种操作方式允许提取更多的权力从光伏系统在可能的情况下,直到电压合理满足标准。根据ANSI c84.1标准,允许的最大过电压是5.8%高于名义栅极电压,所以假设提出的电压增量住宅是可以接受的。这两个极限(5%和4%)建立磁滞带,这决定了PD的操作。当然;每个限制可能会根据不同地区的其他适用的标准调整。
实际功率的光伏面板( )被认为是翻译从APC切换操作模式到MPPT自APC提供电源无论光伏面板的电源的可用性。以防光伏面板不能提供设定的APC,翻译的MPPT调压器必须选择而不是APC。
4.5。有功功率控制器(APC)
APC进入操作时发现有由于光伏渗透率较高电压波动。当地的电压是由改变通过注入电流有功功率。
图4 (b)显示了该APC流程图用来确定当前定位点( ),这建立在注入电网模式。当电压增加由于高PV渗透情形发生,PD控制APC。初始电流选点是最后一个电流设定值翻译的MPPT算法( ),是递增或递减据当地电压条件保持监管。如果居住的当地电压大于选点成立( ),减少在当前参考,否则增加。最后,再次检查操作条件确定是否APC模式应该保持。
的增量是一种自适应步,正比于电压的绝对值误差。交流电压定位点选择滞后带的中心。然后,使用的方程 在哪里是增量,是控制器参数,是当地居留电压,是稳压的参考。
这个方程可以避免波动在一个稳态APC时操作。
4.6。能源存储系统(ESS)
ESS的使用建议系统的更好的性能,但它肯定是可选的,因为它不影响交流侧电压调节。如果一个ESS不是受雇于一个场景,APC活跃时,光伏系统的可用能源的一部分不是注入电网,然后消散的光伏系统本身,这可能会影响寿命。因此,为了提高光伏系统的性能,不注入电网的能量应该存储和在可能的情况下交付给电网或用于其他类型的应用程序。
在使用ESS的情况下,应该使用电池充电器,这只启用在APC模式中,能量是来自直流总线电压。充电器控制器的建议超出本工作的目的。
5。实验验证
验证该系统运行正常,减轻交流电网的电压偏差,实验室原型。不同的测试进行评估的性能提出系统:稳态操作,启动时,在可再生能源功率变化,配电变压器的电压变化,并测试在电网电压畸变。
5.1。工作台
的测试,认为名义栅极电压是120 V(变压器电压);住宅之间的线路阻抗是平等的和有价值的 Ω;住宅的数量是11,和前10住宅电流注入电网,但可选择的模仿由于光伏渗透率较高的电压波动。它被认为是100%的渗透,这意味着所有住宅供电电网;为了简化实现,相同的电流被认为是在每个住宅,但当然,不同的权力应该考虑。ANSI c84.1标准被认为是;然后,最大允许过电压是5.8%,126.96 V。
提出的系统是连接到过去的住宅,其光伏系统正在测试中,但最后住宅不是要求能源最坏的情况下。认为每个光伏系统产生直到1千瓦p。实现系统的参数如表所示2。
戴维南等效电路的简化实现,第十住宅被认为是导致简化电路如图5。因此,对于测试,只有一个电压源和阻抗是用来模拟前10住宅。
等效发电机电压 在哪里是住宅的数量。
戴维南阻抗是
为了简化等效发电机电压的计算,假设每个注入电流的前10住宅是平等的,导致 在哪里注入电流的住宅。
然而,任何其他配置的实验设置将是有效的使用(15)计算等效发电机电压。
实现系统的照片如图6,交流电源(61703色)、光伏模拟器(Keysight N8937APV),电源转换器,测量设备(示波器Tek MSO3014和电能质量记录器侥幸1735),和控制系统(1900年国家仪器myRIO)可以观察到。
(一)
(b)
自ac电源不能接收能量,否则会损坏,采用了一种假负载来模拟电网。注入的能量被消耗的假负载;然后,一个安全测试;这个负载并联连接到交流电源。
5.2。稳态操作
该系统提供了一个良好的稳态操作由于PR控制器使用。在图7电压和电流在住宅11所示,翻译在MPPT模式。当前的拉力是1.1%,PF是0.99。图8显示电压和电流的稳态波形在住宅11中,当提出在APC系统运行模式,从而调节电压。当前的拉力是1.2%,PF是0.99。泄漏电流低于300地图在所有情况下,这符合vde - 0126 - 1 - 1标准。
5.3。启动
图9显示住宅11中的注入电流和电压在系统启动。当系统开始执行平稳过渡。评估住宅的电压略受电网阻抗的影响,因此,电压上升。翻译这个测试,初始条件的MPPT将很快转变。
5.4。光伏电池板的功率变体
评估提议的动态性能、功率光伏电池板进行的变化。首先,目前注射前10的住宅增加。第二,前十的注入电流住宅却降低了。最后,第三个试验是对光伏系统运行在高PV渗透的情况下没有APC然后启用它。对于所有的测试,设置最大限制电压在126 V,这是ANSI c84.1标准建立的价值低0.8%。
对于前两个测试,给出的条件意味着光伏渗透率高的住宅电网,这样APC算法进入操作,保持电压在过去住宅满足标准,根据拟议中的操作。突然改变注入电流的前10住宅的快速电压变化导致评估住宅,它允许测试该系统的动态响应。
首先,一个正的偏移(图执行10)。前十的注入电流住宅从4个增加到6.7导致电压增量128 V在测试下的住宅,这是标准的限制。该系统开始减少注入电流,电压是否在标准范围之内。注入电流变化从一个初始值大约3.5,7.1在小于1的年代。图10 ()显示了住宅的注入电流和电压下测试;电压和电流的时间尺度允许说明进化。在图10 (b)说明执行变焦,在过渡波形。
(一)
(b)
第二,执行负偏差(图11)。第十住宅是递减的注入电流从4.2到3.3,导致电压衰减124 V的住宅被测试,这表明光伏系统可以向电网注入更多的能量。拟议的系统开始增加注入电流,电压仍然是在标准范围内。注入电流变化从一个初始值大约4.8 7,在不到1 s。图显示了住宅的注入电流和电压下测试。
第三测试(图12),一个操作模式之间的过渡。一开始,原型作为传统的光伏系统,规范当前翻译根据MPPT注射,但在光伏渗透率高的场景。这导致住宅被测试的电压电平超过所允许的最大限度标准。然后,在某个时间,拟议的APC算法使开始有功功率,减少了当地的调制电压标准范围内,根据拟议中的操作。
5.5。变压器电压变化
评估方案的性能,配电变压器电压变化进行了测试。对于这些测试,第一个10住宅注入一个恒流。
在第一个测试中,认为过去的住所是在APC运营模式。最初的变压器电压是120 V,突然增加到125 V,大约7秒钟后返回120 V。这是见图13,当地的电压和电流在11th住宅。因为它可以观察到,在第一次转型,提高当地的电压和系统反应注射更少的功率调节电压;在第二个过渡,相反的行为观察,同时保持了电压调节。
第二个测试再次认为去年居住在APC模式下操作,但是现在,变压器电压降突然从120 V到115 V和7秒后返回到120 V。这是见图14,当地的电压和电流11th住宅。可以观察到,在第一过渡,当地的电压降低,系统反应通过注入更多的力量来调节电压;在第二个转变,显示了相反的行为,同时保持电压调节。
5.6。电网电压畸变
最后,在变压器电压被施加一个电压畸变;自同步电路,注入电流提供了良好的性能。在图15在最后居所,电压和电流可以观察到。官官目前是1.4%,电压是5%。变压器电压失真也反映在评估住宅。建议不控制电压波形,所以变形仍被测电压的住宅。
5.7。比较分析
所提出的系统与其他技术相比;这是表中所示3。方法设计网格中给出了在高PV渗透情况下(24),这是一个好的选择当分销系统是一个新的设计。然而,对于现有的居民区,方法是复杂而昂贵的,而且在大多数情况下,它不会是可行的因为基础设施的时间和成本修改。然后,它不是类似的建议与解决方案。
变量的使用提出了利用变压器(25]。的主要优点是,它不是入侵用户;只能添加一个通信网络。提议的有效性取决于通信网络和水龙头的变压器的数量。仍有可能根据网格条件下,电压变化可能不会保持在标准范围内,导致这种方法应结合其他方法提出了这项工作。
使用ESS或电动汽车可能是一个不错的选择27- - - - - -29日,34]。这允许存储光伏能源;然而,能够调节电压的变化取决于存储容量。如果ESS完全充电,系统可能不再补偿电压的变化,因此,麻烦可能继续。这个解决方案可以结合其他方案来保证良好的操作。
成本(包括电力设备和控制器),它可以观察表3这两个最佳选择使用智能逆变器与无功补偿30.- - - - - -33),提出的策略在这工作。这是因为没有额外的元素或设备或修改所需的基础设施,只是软件的修改。然而,如果损失分布网格被认为,我们的建议成为更好的解决方案,因为注入电流不是增加无功补偿。此外,没有必要增加逆变器功率比。
根据实验结果数据13和14),该系统的稳定时间小于1 s,与其他技术相比较,在文献中报道,但当然,这段时间取决于渗透探测器不仅提出了有功功率补偿。
该方法当然是一个不错的选择,可以减少电压变化;然而,光伏面板的能量可能浪费或损失在光伏面板中,成为其劣势。因此,建议可以结合能量存储系统或抽头变压器向电网注入能量最可能的。
6。结论
提出了不同的解决方案来减少电网电压波动,造成高PV渗透当住宅集群负载。建议使用光伏逆变器进行电压补偿,而不需要额外的设备或设施。有功功率的控制,而不是被动的,它允许减少布线和电源转换器损失也避免了逆变器标称功率的增量。
实验结果表明,该系统能够减少电网的电压偏差引起的高PV渗透。测试在不同条件下进行,如变压器电压变化,光伏面板的变化和电压畸变,获得满意的结果和标准规格内的电压。建议提供了良好的特点与其他方案相比在文献中报道,这使得它的竞争力。
当然,这个提议的缺点是不能收获和注入所有可用的能源光伏电池板在所有操作条件下,所以建议把解决方案与能量存储系统或其他方法。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作的部分支持由著名Nacional de Mexico下项目10166.21 - p。