楊樂新,姚榮斌

分布式光伏的多模型自適應(yīng)無功電壓控制策略

楊樂新1,2,姚榮斌1*

1. 連云港師范高等?？茖W(xué)校海洋港口學(xué)院, 江蘇 連云港 222006 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221008

分布式光伏大量接入配電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)電壓具有顯著影響，電壓越限成為限制分布式光伏大量接入的重要因素。目前配電網(wǎng)VQC裝置調(diào)壓具有調(diào)節(jié)離散化、調(diào)節(jié)速度慢、調(diào)節(jié)次數(shù)受限制、針對(duì)性差等問題。本文在分析光伏逆變器無功電壓控制策略的基礎(chǔ)上，提出了分布式光伏c(diǎn)os(U、P)控制模型，并基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓和光伏的實(shí)際有功出力，提出了分布式光伏就地自適應(yīng)的多模型無功電壓控制策略。通過該控制策略可以自動(dòng)調(diào)節(jié)光伏自身無功出力，以抑制其對(duì)電網(wǎng)電壓的不良影響，有效避免了光伏采取集中控制難度大、成本高的問題，并通過與配電網(wǎng)VQC控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有源配電網(wǎng)電壓綜合控制。經(jīng)仿真驗(yàn)證，該控制策略可充分利用各位置、各時(shí)段的分布式光伏無功支撐能力，有效減少變壓器分接頭及無功補(bǔ)償裝置的動(dòng)作次數(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)壓手段的不足，提高了系統(tǒng)的電壓水平。

分布式光伏; 控制模型; 無功電壓控制

分布式光伏發(fā)電技術(shù)在我國(guó)得到了大量的應(yīng)用與推廣，然而分布式光伏大量接入配電網(wǎng)后，使得配電網(wǎng)成為多電源的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，改變了配電網(wǎng)的潮流分布，在光伏出力較大時(shí)，容易造成配電網(wǎng)電壓越限，配電網(wǎng)電壓?jiǎn)栴}是限制分布式光伏大量接入的主要因素之一[1,2]。

很多學(xué)者針對(duì)分布式電源接入的位置、容量對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析[3-5]。其中文獻(xiàn)[3]對(duì)單個(gè)分布式電源接入的不同容量、位置對(duì)電壓影響進(jìn)行了較為詳盡的分析。文獻(xiàn)[4]分別研究光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率、無功功率及負(fù)荷改變時(shí)，系統(tǒng)電壓的變化情況。目前配電網(wǎng)主要依靠變壓器分接頭和電容器調(diào)節(jié)電壓水平，難以滿足分布式光伏大量接入后的電壓控制要求。針對(duì)該問題，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者提出通過配置儲(chǔ)能、新型無功補(bǔ)償裝置以及計(jì)及分布式電源的無功優(yōu)化控制等方法，解決分布式光伏接入配電網(wǎng)帶來的影響[6-13]。文獻(xiàn)[6]針對(duì)分布式光伏接入帶來的電壓?jiǎn)栴}，提出了配置新型無功補(bǔ)償裝置和儲(chǔ)能的解決辦法。文獻(xiàn)[9]提出有功—無功的綜合優(yōu)化調(diào)度策略。文獻(xiàn)[12]從分布式光伏出力波動(dòng)和負(fù)荷擾動(dòng)兩個(gè)角度，提出光伏參與電壓調(diào)節(jié)的不同控制策略，并提出光伏電源之間的局部通信控制策略。分布式光伏自身有一定的無功調(diào)節(jié)容量，但目前國(guó)內(nèi)實(shí)際運(yùn)行的分布式光伏系統(tǒng)主要采用單位功率因數(shù)運(yùn)行，未能很好的利用光伏自身可提供的無功資源。針對(duì)該問題，國(guó)內(nèi)外在理論上已經(jīng)有了部分研究成果[14-18]，文獻(xiàn)[15,16]分析了四種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行了一定的仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[17]在上述研究基礎(chǔ)上以網(wǎng)損最小為目標(biāo)，提出一種基于電壓和有功的綜合控制策略。綜上所述，目前研究主要針對(duì)逆變器本身的無功電壓控制策略，沒有考慮調(diào)壓過程中變壓器分接頭和電容器的作用，即沒有從配電系統(tǒng)的角度整體綜合考慮分布式光伏與傳統(tǒng)配電網(wǎng)調(diào)壓措施之間的相互影響。

本文提出了一種含恒cos、cos(U、P)和Q(U)三種控制模式自適應(yīng)切換的控制策略?？紤]到分布式光伏調(diào)壓能力有限，提出結(jié)合變壓器分接頭和無功補(bǔ)償?shù)葌鹘y(tǒng)調(diào)壓手段的主動(dòng)配電網(wǎng)綜合電壓控制策略。最后，本文針對(duì)IEEE34節(jié)點(diǎn)算例進(jìn)行分析，結(jié)果顯示本文所提的控制策略，可以有效解決大量分布式光伏接入有源配電網(wǎng)帶來的影響，減少VQC裝置動(dòng)作次數(shù)，有效保障了全網(wǎng)電壓水平。

1 含高滲透率光伏配電網(wǎng)的電壓控制

對(duì)于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制方式主要根據(jù)分布式光伏接入的容量分為集中協(xié)調(diào)控制和就地?zé)o功電壓控制[19]。

1.1 光伏遠(yuǎn)程集中協(xié)調(diào)控制

光伏遠(yuǎn)程集中協(xié)調(diào)控制方式根據(jù)全網(wǎng)的潮流情況，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有的光伏逆變器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，使得無功在各個(gè)逆變器中得到最優(yōu)的分配。遠(yuǎn)程控制需要通信設(shè)施和額外增加的控制系統(tǒng)，但由于過度依賴通信技術(shù)，響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，無法針對(duì)光伏出現(xiàn)云層遮擋，光伏有功出力急劇變化的情況，進(jìn)行快速響應(yīng)，削弱遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)控制的潛在優(yōu)勢(shì)。集中協(xié)調(diào)控制主要針對(duì)容量較大的光伏電站。

1.2 光伏就地?zé)o功電壓控制

針對(duì)分小容量分布式電源采用就地的、智能的自適應(yīng)方法調(diào)節(jié)電壓是一種很好的選擇。即每個(gè)分布式光伏電源根據(jù)本地電壓的變化，通過既定的控制策略，實(shí)現(xiàn)分布式光伏電源調(diào)整自身無功出力適應(yīng)各種運(yùn)行工況，以實(shí)現(xiàn)維持分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓在可接受的限制范圍內(nèi)，達(dá)到參與、優(yōu)化電網(wǎng)電壓控制的效果。就地自適應(yīng)控制僅需要分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)的本地電壓信息，但就地自適應(yīng)控制方式無法得知整條線路或者局部的潮流分布，無法保證全局最優(yōu)。

2 光伏逆變器無功電壓控制的策略分析

2.1 光伏逆變器的cosφ(P)控制策略

cos(P)控制的具體控制曲線圖如圖1所示。

圖 1 cosφ(P)控制策略曲線

cos(P)控制策略的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（1）：

式(1)中P為光伏有功出力值；cosmin為功率因數(shù)下限值。

2.2 光伏逆變器Q(U)控制策略研究

Q(U)控制策略出力曲線如下圖2所示，圖中光伏發(fā)出無功為正，吸收無功為負(fù)。

圖 2 Q(U)控制策略曲線

根據(jù)圖2光伏電源的無功電壓控制策略，可整定無功/電壓出力原則，公式如下式(2)：

式(2)中，U、Q為節(jié)點(diǎn)處的電壓和光伏的無功出力，1、5是電網(wǎng)電壓運(yùn)行的上下限，2、4可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際需求進(jìn)行整定。

3 多模型自適應(yīng)電壓控制策略

該系統(tǒng)對(duì)戶外千瓦獨(dú)立光伏電站進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)如表1所示。p為光伏輸出電流；p為光伏輸出電壓；b為蓄電池電壓；bin為蓄電池池充電電流；bout為蓄電池放電電流；c為逆變器輸入電流；o為逆變器輸出電流；c為負(fù)載功率；AC為逆變器輸出電壓。

3.1 改進(jìn)的分布式光伏c(diǎn)osφ(U、P)控制模型

本文所提出的分布式光伏c(diǎn)os（U、P）控制策略分為兩步：首先，根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓水平?jīng)Q定分布式光伏功率因數(shù)是超前運(yùn)行還是滯后運(yùn)行，并確定cosmin的值。如圖3-a中的cosmin-U曲線，確定cosmin的值，該值確定了后續(xù)cosP曲線簇中的某條曲線；然后，根據(jù)分布式電源的實(shí)際有功出力P確定分布式光伏實(shí)際運(yùn)行的功率因數(shù)cos。如圖3-b所示，在cosP曲線簇中基于上步確定的cosmin，選擇某條曲線，并基于橫坐標(biāo)P確定cos的值。當(dāng)電壓偏高時(shí)，如圖3-b中橫坐標(biāo)軸以下部分，功率因數(shù)超前運(yùn)行，分布式光伏吸收無功，功率因數(shù)隨著有功出力的增大而降低，以增大無功功率吸收值，削減電壓抬升幅度；當(dāng)電壓偏低時(shí)，如圖3-b中橫坐標(biāo)軸以上部分，功率因數(shù)滯后運(yùn)行，發(fā)出無功，功率因數(shù)隨著有功出力的增大而增大，以減小無功功率發(fā)出值，避免過度的無功補(bǔ)償。

圖 3 改進(jìn)cosφ (U、P)控制策略曲線

該控制策略實(shí)現(xiàn)了基于電壓和有功出力的聯(lián)合控制，有效區(qū)別了不同并網(wǎng)點(diǎn)位置光伏的無功補(bǔ)償幅度，可有效改善系統(tǒng)調(diào)壓效果，并實(shí)現(xiàn)分布式光伏無功出力的實(shí)時(shí)快速響應(yīng)，削弱電壓波動(dòng)，減小電壓越限。

3.2 基于U和P的分布式光伏的多模型自適應(yīng)控制策略

本文提出分布式光伏自適應(yīng)選擇多種控制模型的無功電壓控制策略，如圖4所示。

圖 4 基于U和P的分布式光伏多模型自適應(yīng)控制策略

4 綜合電壓控制及仿真流程

本文設(shè)計(jì)的分布式光伏就地自適應(yīng)的多模型無功電壓控制策略如圖5所示。

5 算例與分析

本文基于改進(jìn)后IEEE34節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，如圖6所示，系統(tǒng)最大有功出力為3096.68 kW；系統(tǒng)最大有功負(fù)荷為3318.15 kW，負(fù)荷和光伏總的日出力曲線如圖7所示。

圖 6 34節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖 7 負(fù)荷和光伏出力曲線

圖 8 光伏不同控制方式下節(jié)點(diǎn)3的電壓曲線

5.1 分布式光伏的無功電壓支撐仿真分析

本文首先選擇前端的節(jié)點(diǎn)3和后端的節(jié)點(diǎn)19分別進(jìn)行分析。

圖 9 光 伏不同控制方式下節(jié)點(diǎn)19的電壓曲線

圖 10 24 h光伏的無功出力曲線

圖8和圖9分別為無光伏和光伏采用不同控制方式時(shí)節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)19的電壓曲線，從圖中可以看出，由于節(jié)點(diǎn)3位于饋線前段，在各種模式下的電壓波動(dòng)范圍均明顯小于節(jié)點(diǎn)19。但光伏按單位功率因數(shù)接入運(yùn)行后顯著惡化了電壓水平，如圖中紅色曲線所示，在中午發(fā)電高峰時(shí)明顯抬高了節(jié)點(diǎn)電壓，而在傍晚負(fù)荷高峰時(shí)電壓越下限問題與沒接入光伏時(shí)一致，電壓波動(dòng)范圍明顯增大。各分布式光伏采用本文所提的無功電壓控制策略后，電壓波動(dòng)明顯減緩，如圖中藍(lán)色曲線，有效縮小了電壓波動(dòng)范圍。

表 1 各模式下的電壓波動(dòng)范圍

圖10為采用本文的多模型自適應(yīng)控制策略后，各分布式光伏的無功出力曲線。在=0~7時(shí)段光伏有功出力為零或很小，光伏運(yùn)行在Q(U)控制模式，且并網(wǎng)點(diǎn)電壓合格，光伏不參與電壓調(diào)節(jié)。在=8~16時(shí)段，由于光伏有功出力較大，導(dǎo)致系統(tǒng)部分節(jié)點(diǎn)電壓偏高甚至越上限，光伏控制策略轉(zhuǎn)換為cos(U、P)或恒cosmin控制模式。在=17~23時(shí)段負(fù)荷急劇增長(zhǎng)，但光伏有功出力降為零，導(dǎo)致系統(tǒng)部分節(jié)點(diǎn)電壓偏低甚至越下限，光伏控制策略轉(zhuǎn)換為Q(U)控制模式，利用自身空余容量，發(fā)出無功抬升電壓水平。由圖10可知，電網(wǎng)內(nèi)光伏根據(jù)不同時(shí)段光伏的有功出力和不同并網(wǎng)點(diǎn)電壓的情況，各光伏出力有一定的不同，末端節(jié)點(diǎn)分布式光伏的無功波動(dòng)范圍稍大一些，主要原因?yàn)槟┒斯?jié)點(diǎn)的電壓偏移更為顯著。

5.2 結(jié)合VQC控制的配電網(wǎng)綜合無功電壓控制仿真分析

圖11為分布式光伏接入前后，仿真算例中低壓母線的電壓波動(dòng)圖，可見低壓母線隨著負(fù)荷或光伏出力的波動(dòng)也會(huì)有明顯的波動(dòng)，但分布式光伏采用多模型自適應(yīng)調(diào)壓控制策略后，低壓母線電壓雖有一定變化但較為平穩(wěn)。

圖12為變壓器分接頭的動(dòng)作曲線，可見變壓器分接頭在24 h內(nèi)具有三種不同的位置；而分布式光伏按多模型自適應(yīng)控制策略后，24 h內(nèi)沒有變壓器分接頭動(dòng)作，有效減少了動(dòng)作次數(shù)。

圖 11 光伏不同接入方式對(duì)10 kV母線電壓影響

圖 12 變壓器分接頭動(dòng)作曲線

光伏按單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，電容器僅動(dòng)作了3次，而按多模型自適應(yīng)控制策略時(shí)，則動(dòng)作了5次（圖13）。其原因?yàn)椋涸谥形鐣r(shí)段光伏有功出力較大，饋線整體有功負(fù)荷降低，系統(tǒng)整體無功負(fù)荷較大，這種有功偏小而無功偏大的狀況，使得系統(tǒng)功率因數(shù)過低，因此，增加了電容器的投入量。

6 結(jié) 論

本文提出采用光伏和傳統(tǒng)VQC裝置就地控制模式下的調(diào)壓策略，其中在分布式光伏調(diào)壓策略方面，本文基于已有的cos(P)，提出了改進(jìn)的基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓和有功出力聯(lián)合控制的cos(U、P)控制策略；并針對(duì)光伏的多種運(yùn)行狀態(tài)提出了光伏逆變器的多模型自適應(yīng)控制方法，提高光伏利用效率和調(diào)壓控制效果，通過與配電網(wǎng)內(nèi)已有的傳統(tǒng)調(diào)壓VQC裝置相互配合，實(shí)現(xiàn)了有源配電網(wǎng)的綜合電壓控制。通過充分利用并網(wǎng)光伏的無功支撐能力，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)調(diào)壓手段的不足，增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)壓能力，并減少了無功補(bǔ)償裝置投資成本，避免了由遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)控制引起的通信設(shè)施投資高和集中控制難度大的問題，推廣應(yīng)用簡(jiǎn)單，具有較好的實(shí)際應(yīng)用前景。

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The Control Strategy for the Multi-model Adaptive Reactive Voltage of Distributed Photovoltaic

YANG Le-xin1,2, YAO Rong-bin1*

1.222006,2.21008,

A large number of distributed photovoltaic (PV) access to distribution network, which has a significant impact on the grid voltage. Voltage violation becomes an important factor of limiting the access of PV. VQC system which is used to control voltage traditionally has the disadvantage of discretization slowly speed and frequency limits of adjustment, etc. In this paper, cos(U、P) control model of PV is proposed. Based on the actual active power output of the PV and network voltage, a PV local adaptive multi model reactive voltage control strategy is built. The voltage and reactive power control strategy can automatically adjust its reactive power output of PV to suppress its adverse effect on the voltage and solve the problem of difficulties and high cost of coordination control. The adaptive local control of distributed photovoltaic system is suitable to combine with the VQC to control voltage of the distribution system containing distributed generation (DG). The simulation result showed that, on the basis of the proposed control strategy can make full use of distributed photovoltaic reactive power support in each location and time period, which can effectively reduce action times of the transformer tap and the reactive power compensation device, make up for the deficiency of traditional voltage regulation method, and improve the system voltage level.

Distributed photovoltaic; control model; reactive voltage control

TM7

B

1000-2324(2021)01-0075-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.013

2019-09-10

2019-10-28

連云港師范高等?？茖W(xué)校青年優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LSZQNXM201901);江蘇省“六大人才高峰”人才項(xiàng)目(2016-HYGC-023);江蘇省“333工程”科研項(xiàng)目(BRA2017310);連云港市“521工程”科研項(xiàng)目資助

楊樂新(1987-),男,在讀博士,講師,研究方向:電氣工程. E-mail:yanglexin@foxmail.com

Author for correspondence. E-mail:yrb1972@126.com

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