基于PLC控制的分布式光伏接入用于低压电网三相不平衡治理研究

基于 PLC控制的分布式光伏接入用于低压电网三相不平衡治理研究

翁财宏

广东电网有限责任公司韶关供电局，广东韶关 512000

摘要：文章首先分析低压配电网三相不平衡的危害，提出分布式光伏发电自动选相并网设计方案，通过方案实验案例分析，实现光伏发电单元自动选相并网，改善低压电网三相不平衡情况。

关键词：PLC控制；分布式光伏；低压电网；三相不平衡；治理

引言

在长期的可持续发展战略中， 随着环境污染的日益加重和全球能源短缺危机以及不可再生资源的日渐枯竭， 清洁无污染的可再生能源得到人们的关注。 分布式光伏发电以其绿色环保、清洁无污染、效率高等优势得到国家政策的扶持及发展。随着光伏发电技术的发展及光伏并网容量逐渐增大。 分布式光伏接入对配电网的电能质量、潮流分布、继电保护等各方面的影响逐渐增大。针对低压配电网由于三相负荷不平衡情况引起的电能质量问题，本文提出一种基于PLC控制的分布式光伏柔性并网方案，用于低压配电网三相不平衡的治理。

1、低压配电网三相不平衡的危害

低压配电网的供电一般使用三相四线制的连接方式，单相负荷所占的比例很高，由于负荷增长的不可预测性，对新用户随机相别接人，以及电力设备使用时间的差异和季节性用电的不稳定性，导致三相不平衡现象越来越多。配电网若长期处于三相不平衡运行，将会引发很多问题:增加变压器和线路损耗、增加中性线线损、三相电压不对称等。并且当电动机工作于因三相负荷不平衡所引起的三相输出电压不平衡的情况下时，电动机的工作效率将显著降低。不平衡电压的负序分量所产生的磁场相反于正序分量产生的磁场，从而电动机的工作效率降低。三相电压的不平衡也会使电动机的温度上升并且产生无功损耗，若长期运行在电压不平衡的状况下，会对电动机和其他设备造成不利影响。

2分布式光伏发电自动选相并网方案设计

现存比较普遍的分布式光伏发电在容量较小时采取单相并网的方式连接于低压电网，目前单个光伏发电单元与电网的连接是固定在某一相上阴。采用传统三相功率平衡调节器将不平衡电流从电流大的相序转移到电流小的相序，虽然可以满足功率平衡的要求，从电能消耗角度出发，经济性不能保证。为解决上述问题，本文采用光伏自动选相并网用于低压电网三相负载不平衡洽理系统，可以实现配电网功率三相平衡，达到提高电能质量、降低电能消耗、节能环保等目的。

图1为本设计方案所提出的低压配电网电压水平综合治理系统结构，主要思想是通过对电网三相中每一相电压、电流的实时监测，通过可编程控制器实现光伏组件自动向电网三相中负载最大相进行功率补给，可以达到缓解三相不平衡影响的目的。

图1低压配电网电压水平综合治理系统结构图

其.中KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9为带有常开触点的交流接触器,与中央处理器连接的线圈1、2、3、4、5、6、7、8、9分别为对应:KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9九个接触器的控制线圈,IT1、IT2、IT3为第1~第3电流变送器及其编号,而XT1、XT2、XT3为第1~第3电压变送器,AD代表模数转换,A、B、C、N分别代表三相四线制电网的三和以及中性线

PLC接受由XT 1, XT 2, XT 3发出的对电网三相中各相的实时监测电压值，经过比对分析与计算，确定出光伏应并网或储能并驱动使其对应控制线圈6、7、8动作乘控制KM6、KM7、KM8的开断状态,以及确定出当KM6.、KM7动作时即并网状态下,驱动2、3、4控制线圈来控制KM2、KM3、KM4的开断状态,即向最大负载相进行功率补给。在基TELC来实现对此系统各相实时数据的分析与处理时,具体逻辑如下§实时采集1T1、IT2、IT3经AD转换的信号,分析电网兰相是杳乎衡,若平衡则控制KM8动作使光伏发电阵列为储能器供电;若不平衡,则控制K6、K7以及K2、K3、K4向经过分析计算得出的电网中的电压最小相进行供电。

主体结构包括:光伏发电单元、监侧执行单元、

逻辑控制单元。

光伏发电单元，包括光伏阵列、单相并网逆变器、蓄电池、储能控制装置、电压变送器、电流变送器，经过PLC对采集信号的采集和处理，控制光伏阵列接收太阳能转化为直流电能，提供给单相并网逆变器，单相并网逆变器通过内部调整以获得最大功率采集，再转换为并人低压电网的交流电能，或提供给储能系统进行储能。电压变送器、电流变送器采集的信号进人模数转换器，用以控制决策的运算。

逻辑控制单元，包括PLC、模数转换器、交流接触器，PLC的数字输出点与每个交流接触器的控制线圈的输人端连接，交流接触器的控制线圈的输出端与市政电源中性线连接。光伏并网前，中央处理器对市政电源对应的A、 B} C相的电源电流判断市政电源的三相负载是否平衡、是否出现低电压现象、是否出现过电压问题。三相不平衡度计算方法为:

(1)

式中:I_max二为低压配电网三相电流最大相的电流;I_mix为低压配电网三相电流最小相的电流;二为三相不平衡度。即用三相中最大电流与最小电流之差在除以最大电流，即可得三相不平衡度。具体控制逻辑如下;低电压情况下，光伏发电单元对电压最低相进行供电补足到正常范围内;过电压情况下，对电压最大相连接系统中储能设备或外接负载对其进行消耗功率，使其电压降至正常范围内。光伏供电系统并网前，根据光伏板输出的直流电流归算并网后逆变交流侧输出电流，公式如下:

(2)

式中:v为光伏板工作电压;几为光伏发电单元侧直流电流;v、为预并网侧电网电压;N为并网逆变器工作效率;寿为归算后光伏供电系统向电网注人电流值。在光伏发电系统接入低压配电网后，接入的节点电压水平也会随之升高，其电压很可能会超过电网电压的允许范围。例如，在日照充足环境下光伏电池输出电压较高、光伏并网系统接人电网后电路轻载、光伏发电并人低压配电网的末端等。所以在解决三相不平衡问题时，对电网运行状态进行判断:利用并网系统实时监测的三相电流值计算三相不平衡度，当三相不平衡度满足相关标准，或根据光并网系统容量大小与当地光伏年发电量设定一个相对于相关标准更高的阂值，使开关设备执行PLC指令停止并网供电，进人储能系统工作状态。

监测执行单元，通过逻辑控制系统中的模数转换器与电流变送器，和电压变送器配合获取光伏发电单元的输出电流以及电网侧三相的电源电流，并输出光伏发电单元的输出电流以及电网三相的电源电流至逻辑控制单元。PLC连接触摸屏显示器，实时显示各部位电压、电流值。当监测到电网某相出现过电压情况下，控制相应开关使系统储能设备吸收电网电能进行储能或向电网固定相投切阻抗元件，使其电压下降到正常范围内。在阴雨天气出现光伏发电效率低的情况与夜间用电高峰时，PLC控制系统中储能单元经过逆变器进行自动选相并网发电，并网功率由PLC计算并经过RS485通信来随时控制逆变器的输出功率，整套装置可为电网提供“削峰填谷”的作用。图2为低压配电网三相不平衡治理控制系统装置。

图2低压配电网三相不平衡治理控制系统装置

3三相不平衡治理实验测试案例

基于方案设计，进行了三相不平衡治理实验测试。实验基于以上自动选相算法连接2台逆变器，分别为主逆变器与从逆变器，以满足三相不平衡电网的更多场景的需要。主逆变器可向负载最大相并网，在主逆变器并网后再次考虑三相不平衡度，从逆变器可在三相不平衡度不满足标准的情况下并人相应负载。首先实现三相四线制电网运行，通过控制负载来调节A相和C相负载功率，增大A相和C相电流，出现三相不平衡现象，三相不平衡度为51.6%。

通过监测执行单元监测到并显示到触摸屏上的数据可以看到，A相和C相电压偏低，A相和C相电流偏高，此时实验中模拟电网的三相不平衡度高于相关标准。自动选相并网系统开始动作，系统设备通过逻辑控制单元中的模数转换器与电流变送器和电压变送器配合获取光伏发电单元的输出电流以及电网三相电流，装置发出指令，使光伏发电单元向A相和C相实施自动选相并网，向电网内注入功率，该节点电网电压提升，电流下降，使三相不平衡度由51.6%下降至11.5%。

经过实验可见，此系统方案能在一定程度上解决三相不平衡问题，充分消纳当地的光伏等清洁能源，既改善当地电网三相不平衡情况，又提高了清洁能源利用率。合理采用基于PLC控制的自动选相并网策略，增加了分布式电源单相并网灵活性，可以用来克服分布式电源固定相并网的局限性。

4结束语

光伏自动选相并网系统方案可以使光伏发电模块能基于电网各相电压以及负载情况，通过监测执行单元和逻辑控制单元，实现光伏发电单元自动选相并网，改善低压电网三相不平衡情况。该系统兼顾电网低电压与过电压问题，可以实现低压配电网电压水平综合治理。装置也可在在农村电网原有的小型光伏电站三相并网的基础上进行改装。根据电网需求来进行有选择性的单相并网系一统，在电网三相不平衡期间，进行自动选相的单相并网。在电网处于三相平衡期间保持三相并网，既满足了并网，又兼顾了治理三相不平衡。在可再生能源渗透率越来越高的背景下，动态平衡分布式光伏并网发电的间歇性问题和三相不平衡出现随机性问题，提高可再生能源利用率和光伏系统灵活经济运行程度，达到提高电能质量、降低能耗的目的。

参考文献：

［1］ 郭剑 ，徐剑楠.分布式光伏并网发电对配电网的影响以及应对调整策略［J］.电力需求侧管理，2014（2）：38-40.

［2］ 苗友忠 ，郝婧 ，曹天植 ，等.冀北地区大规模分布式光伏电源接入对配电网的影响及对策综述［J］.华北电力技术，2016（11）：6-10.

［3］ 秦睿 ，董开松 ，汪红燕 ，等.大规模光伏电站集中并网对电网的影响分析及对策［J］.电气自动化，2014（3）：57-59.

［4］ 陈炜 ，艾欣 ，吴涛 ，等.光伏并网发电系统对电网的影响研究综述［J］.电力自动化设备，2013，33（2）：26-32.