魏昊焜 ,劉 健 ,高 慧
(1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.國網(wǎng)陜西電力科學(xué)研究院,陜西 西安 710054;3.國網(wǎng)西安供電公司,陜西 西安 710032)
隨著技術(shù)的進步和政策的扶持,我國分布式發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,分布式光伏發(fā)電的發(fā)展尤其迅猛,截至2015年底,我國分布式光伏發(fā)電累計裝機容量已經(jīng)達到6.06 GW,其中新增1.39 GW,同比增長29.8%[1]。分布式發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速增長,對社會經(jīng)濟發(fā)展起著良好的推動作用,但同時也給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了隱患。由于分布式電源(DG)裝機容量占總裝機容量的比例仍然較低,對主網(wǎng)的影響仍十分有限,但對局部配電網(wǎng)的影響日益突出。DG的接入對配電網(wǎng)的影響[2]主要表現(xiàn)在電能質(zhì)量[3-4]、繼電保護[5]和可靠性[6]等方面。 由于 DG 一般經(jīng)過升壓變壓器并網(wǎng),因此其諧波影響問題并不突出;由于DG容量不大且多為逆變器或異步機并網(wǎng)型,因此其對短路電流和繼電保護的影響較小也容易應(yīng)對;影響DG消納的關(guān)鍵在于因其引起的電壓偏高問題,因此應(yīng)對DG接入對配電網(wǎng)電壓的影響、提高其消納能力成為當前的一個研究熱點。
文獻[7-8]通過對電源、負荷和配電網(wǎng)的主動協(xié)調(diào)控制和管理提高配電網(wǎng)對DG的消納能力,為提高配電網(wǎng)對DG的消納能力提供了一種可行的解決方案,是未來配電網(wǎng)的發(fā)展方向之一。但該控制技術(shù)依賴高速可靠的通信和先進的計量設(shè)施,而我國配電網(wǎng)的信息化建設(shè)基礎(chǔ)相對薄弱,短期內(nèi)難以滿足要求。另外,過分依賴高速可靠的通信通道,也會使配電網(wǎng)十分脆弱而不夠安全可靠?;谂潆娋W(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀,采取簡單有效的措施以提高配電網(wǎng)對DG的消納能力顯得十分必要和迫切。
本地控制技術(shù)是根據(jù)接入點的電氣量對配電網(wǎng)中的可控元件進行就地控制的技術(shù),因不進行多個對象的協(xié)調(diào)控制而不依賴通信手段(甚至可以不建設(shè)通信通道),僅在控制點加裝本地控制組件即可?,F(xiàn)階段,對配電網(wǎng)中DG實施有效的本地控制是提高配電網(wǎng)運行水平和對DG消納能力的切實可行的解決方案。
國外許多學(xué)者已經(jīng)展開了含DG配電網(wǎng)的本地電壓控制研究。文獻[9]對基于逆變器并網(wǎng)的DG的本地電壓控制展開研究,建立兩自由度的控制器動態(tài)模型,可使DG具有不間斷電源的運行特性。文獻[10]提出一種電壓自適應(yīng)控制器以實現(xiàn)含光伏發(fā)電配電網(wǎng)的本地電壓控制,并通過電磁仿真驗證所提方法的有效性。文獻[11]針對高滲透率分布式光伏接入的配電網(wǎng),提出了基于熱泵式熱水器的本地電壓控制策略。文獻[12]提出基于光伏發(fā)電和儲能的本地電壓控制技術(shù),通過控制儲能的充放電和光伏的棄光來實現(xiàn)電壓的控制目標。但現(xiàn)有的研究大多基于儲能裝置,這會大幅增加建設(shè)成本,使得方案的經(jīng)濟可行性較低。因此,簡單有效的本地控制策略還有必要進一步深入研究。
不失一般情況,考慮配電網(wǎng)主饋線如圖1(a)所示,圖中 0、1、2、…、i、j、k、…、n 為節(jié)點序號,節(jié)點 0代表母線,設(shè)于j點接入DG,i和k分別為其上游和下游相鄰的無DG接入的節(jié)點,沿線電壓幅值分布如圖 1(b)所示。
設(shè)母線額定電壓為UN,ΔUy為綜合考慮DG和負荷時節(jié)點較母線的電壓變化幅值為負荷在節(jié)點y和z之間造成的電壓降落幅值為DG在節(jié)點y和z之間造成的電壓升高幅值。由于實際負荷的功率因數(shù)較高,因此總是引起電壓幅值降落,即可以認為有由于DG引起的電壓幅值升高是限制其接入容量的瓶頸,因此分析中僅考察其引起電壓幅值升高的情形,也即
圖1 DG接入位置及電壓偏差示意圖Fig.1 DG integration location and voltage deviation
因此,節(jié)點k的電壓偏差可表示為:
節(jié)點j的電壓偏差可表示為:
其中為節(jié)點j下游的負荷在母線和節(jié)點j之間造成的電壓降落幅值。
由于 ΔUj>0,因此有:
其中,L0j為母線到節(jié)點 j的距離;Δu(j,n)為 DG 與節(jié)點j下游的負荷在母線和節(jié)點j之間造成的單位長度電壓降落幅值。則有:
節(jié)點i的電壓偏差可表示為:
其中,Lij為節(jié)點i和節(jié)點j之間的距離。
綜上所述,當配電網(wǎng)中存在電壓越上限風(fēng)險時,DG接入點的電壓最高。
將配電網(wǎng)中負荷看作恒功率節(jié)點,則配電網(wǎng)為線性系統(tǒng)。于是,對于饋線上接入多個DG的情形,根據(jù)疊加定理[13],各個DG接入點的電壓抬升作用最大,沿線在各個DG的接入點形成多個[13]電壓極大值點,只需要消除DG接入點處電壓偏差越上限的狀況,即可消除整個配電網(wǎng)電壓偏差越上限的狀況,這為DG的本地電壓控制可行性提供了理論基礎(chǔ)。
DG并網(wǎng)方式可以分為電力電子逆變器接口和常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機接口,由于前者性能更加優(yōu)越,所以目前主要并網(wǎng)裝置是并網(wǎng)逆變器[14],其輸出有功功率通常采用最大功率點追蹤(MPPT)控制,而無功功率通常采用脈寬調(diào)制(PWM)控制,控制方式可以分為恒功率因數(shù)、恒電壓、有功和無功解耦控制3類[15]。并網(wǎng)逆變器靈活的控制方式為實現(xiàn)本地電壓控制提供了極大便利。
本地電壓控制策略只需針對較大容量的DG即可,不必借助通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)調(diào)控制,而僅僅根據(jù)DG本地采集到的接入點實時電壓信息,對其輸出的無功功率或有功功率進行本地調(diào)節(jié),以滿足輕載或重載條件下的電壓偏差不致越限的要求。
由于調(diào)節(jié)無功功率對電壓幅值的調(diào)節(jié)效果比較明顯,而且為了充分利用自然資源提供有功功率和保護DG業(yè)主的利益,本地控制宜在保證有功功率的前提下,在剩余容量允許的范圍內(nèi)優(yōu)先調(diào)節(jié)DG的無功功率,在無功功率調(diào)節(jié)到剩余容量極限還不能解決電壓偏差問題(或該DG只能提供有功功率)的情況下,再對DG的有功功率進行調(diào)節(jié)。為了避免各個DG之間出現(xiàn)無功振蕩現(xiàn)象,并且考慮到影響DG消納能力的主要矛盾是接入點電壓越上限問題,因此本地控制中只考慮令各個DG根據(jù)需要適當提供容性無功功率支撐,即QDG<0。
本文所提出的控制策略按固定時間間隔對DG的出力進行調(diào)整。當接入點電壓越上限時進行無功功率調(diào)節(jié)并在有必要時配合以有功功率調(diào)節(jié)以消除電壓越限;當接入點不出現(xiàn)電壓越上限時,計算該點實時可繼續(xù)接納的DG的有功功率,并釋放相應(yīng)的受限上網(wǎng)出力以實現(xiàn)最大化接納DG;另外在電壓不越限的條件下調(diào)節(jié)并網(wǎng)的無功功率,以減小DG無功功率帶來的損耗并釋放無功功率所占用的并網(wǎng)逆變器容量。
(1)電壓越限時的本地無功功率調(diào)節(jié)。
設(shè)節(jié)點m處DG當前的無功功率輸出為QDG,m,該處觀測到的電壓偏差為 ΔUm%(ΔUm%=(Um-UN)÷UN×100%,Um為節(jié)點m處測量電壓),則當ΔUm%越上限和越下限時,可對該DG的無功功率進行調(diào)節(jié)。
以ΔUm%越上限的情形為例進行分析,由疊加定理可知,調(diào)整后的電壓偏差為:
其中,ΔQDG,m為節(jié)點m處DG的無功調(diào)節(jié)量;Xi為第i段線路的電抗值。
期望則最小無功調(diào)節(jié)量為:
其中對于給定的配電網(wǎng),a和c都是常量;Um可直接測量得到。
本輪調(diào)節(jié)后,該DG的無功功率出力為:
其中,上標〈k〉和〈k+1〉分別表示第k輪和第k+1輪調(diào)節(jié);α為范圍為0~1的參數(shù),用來防止過于劇烈的調(diào)整。
若QDG,m超過了DG的能力,即:
則令:
其中,Qm,max為當前節(jié)點m處DG所能提供的最大無功功率;Sm為該DG的容量;Pm,max為最大功率點跟蹤方式下該DG的有功出力。
為了避免DG間無功振蕩,可采取避免DG發(fā)出容性無功功率的措施,即若 QDG,m>0,則令:
DG的無功功率對于減少電壓偏差的作用可以根據(jù)式(6)計算得出,但尚未調(diào)整到位,剩余部分電壓偏差需要調(diào)節(jié)有功功率來配合完成。
(2)電壓處于正常范圍時的本地無功功率調(diào)節(jié)。
若(ε為給定的極小值),則不進行無功功率調(diào)節(jié);否則,根據(jù)當前量測數(shù)據(jù)和當前電壓與電壓上限的差,由式(7)計算出 ΔQDG,m,按照式(8)—(11)調(diào)節(jié)DG的無功功率輸出。
(1)電壓偏差越限時的本地有功功率調(diào)節(jié)。
設(shè)節(jié)點m處DG當前的有功功率輸出為PDG,m,該處觀測到的電壓偏差為ΔUm%,與無功控制的推導(dǎo)過程類似,可得最小有功調(diào)節(jié)量為:
本輪調(diào)節(jié)后,該DG的有功功率出力為:
其中,β為范圍為0~1的參數(shù),作用同式(8)中的α。該DG的有功功率出力能力范圍為:
若PDG,m超過了DG的最大或最小有功出力能力,則令 PDG,m=Pm,max或 PDG,m=0。
(2)電壓處于正常范圍時的本地有功功率調(diào)節(jié)。
為了充分利用清潔能源,當電壓處于正常范圍時,若還有繼續(xù)增大DG有功功率輸出的潛力,則應(yīng)調(diào)節(jié)DG接入電網(wǎng)的有功功率,盡量發(fā)揮其潛力。
為了保證調(diào)節(jié)后的電壓仍滿足要求,增大的有功功率不應(yīng)該超過根據(jù)實時觀測信息由式(12)所得的ΔPDG,m,由此可得該DG的有功功率出力為:
其中,ΔPp為該DG可增大的有功功率;β與式(13)中相同,亦可根據(jù)實際情況選取不同的值。
配電網(wǎng)中若在多處DG并網(wǎng)點處安裝本地電壓控制裝置,各處本地控制裝置各自以固定的時間間隔自動執(zhí)行,各本地控制裝置之間無需同步。本地電壓控制裝置的單輪控制流程如圖2所示。在一輪本地控制啟動后,若監(jiān)測到電壓越上限,則優(yōu)先執(zhí)行該輪電壓偏差越限時的本地無功功率控制,若仍存在越限,則執(zhí)行該輪電壓偏差越限時的本地有功功率控制;若監(jiān)測到電壓越下限,則優(yōu)先執(zhí)行該輪電壓偏差越限時的本地有功功率控制,若仍存在越限,則執(zhí)行該輪電壓偏差越限時的本地無功功率控制;若監(jiān)測到電壓在正常范圍,則優(yōu)先執(zhí)行該輪電壓處于正常范圍時的本地有功功率控制,若則執(zhí)行該輪本地無功功率控制。如此反復(fù)進行,不斷跟蹤DG出力變化和負荷變化,進行電壓調(diào)節(jié)。
圖2 單輪本地電壓控制流程圖Fig.2 Flowchart of local voltage control as single round
值得注意的是,在消除電壓越上限時,由式(7)所求得的是實現(xiàn)控制目標的最小調(diào)節(jié)量,在實際應(yīng)用中為了保證控制的穩(wěn)定性和魯棒性,控制目標應(yīng)略低于配電網(wǎng)運行要求的電壓上限值。另外,實際應(yīng)用中可同時加入積分環(huán)節(jié)以增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本文采用IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)為算例,驗證所提出本地電壓控制策略的有效性。IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示,有32條支路,網(wǎng)絡(luò)首端電壓為 12.66kV,總負荷為(3.715+j2.300)MV·A,負荷大致均勻分布于各負荷節(jié)點,詳細參數(shù)見文獻[16]。主饋線和分支饋線上接入的各DPV額定容量分別為0.75 MWp和0.6 MWp。在計算中采用標幺制,基準容量為1 MV·A,基準電壓為12.66 kV。電壓偏差上下限標準要求為±7%[17],參數(shù)α和β取為0.8,ε取為1×10-4,考慮到調(diào)節(jié)的裕度取為6.5%,取為-6.5%,本地控制時間間隔取為5 s。
圖3 測試系統(tǒng)拓撲圖Fig.3 Topology of test system
計算式(7)和式(12)中的參數(shù)得到各分布式光伏的控制參量如表1所示。
表1 控制參量Table 1 Control parameters
為了更好地驗證所提的控制策略,選取電網(wǎng)運行中4種典型的配電網(wǎng)狀態(tài)變化情景,如表2所示(表中數(shù)據(jù)均為標幺值)。系統(tǒng)初始狀態(tài)中,各節(jié)點的負荷為IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)原始數(shù)據(jù),各處DPV出力均為0.55 MW,此時無電壓越限,系統(tǒng)中電壓最高處電壓為1.06 p.u.。情景1與初始狀態(tài)相比,負荷不變,但因云移動露出太陽,光照迅速增強,主饋線各DPV最大可用有功出力為0.725 MW,分支饋線各DPV最大有功出力為0.6 MW;情景2反映云移動再次遮住太陽,即在情景1的基礎(chǔ)上恢復(fù)到系統(tǒng)初始狀態(tài);情景3與初始狀態(tài)相比,僅負荷等比例減小,各節(jié)點負荷減小為原來的70%;情景4在情景3的基礎(chǔ)上恢復(fù)為系統(tǒng)初始狀態(tài)。
表2 4種典型情景的參數(shù)Table 2 Parameters of 4 typical scenarios
此情形下各處DPV出力較大而負荷較輕,配電網(wǎng)中各節(jié)點電壓將處于較高的水平,本地控制器將調(diào)節(jié)光伏并網(wǎng)逆變器的出力以消除過大的電壓偏差。仿真顯示主要是DPV-13(節(jié)點13處分布式光伏發(fā)電及并網(wǎng)裝置,下同)、DPV-15和DPV-16處觸發(fā)本地調(diào)節(jié),經(jīng)過15輪調(diào)節(jié)后系統(tǒng)基本趨于穩(wěn)定,22輪后系統(tǒng)穩(wěn)定,調(diào)節(jié)過程如圖4所示。
圖4 情景1的調(diào)節(jié)過程Fig.4 Regulation process of Scenario 1
控制穩(wěn)定后,DPV-13、DPV-15和DPV-16處有功出力分別為0.725 MW、0.725 MW和0.6915 MW,無功出力分別為-0.192 0 Mvar、-0.192 0 Mvar和-0.26517 Mvar。在調(diào)整過程中,電壓的變化曲線如圖5所示,圖中電壓為標幺值。
圖5 情景1的電壓調(diào)整曲線Fig.5 Voltage regulation curves of Scenario 1
為了研究參數(shù)α和β對控制系統(tǒng)性能的影響,分別對α和β同時取1.0、0.9、0.7和0.6的情況進行仿真。α和β取值為1.0時,系統(tǒng)不能趨于穩(wěn)定,其他取值時DPV-15的電壓變化情況如圖6所示,圖中電壓為標幺值。由圖6中曲線可看出,當α和β取值較小時,系統(tǒng)電壓振蕩的幅值較小且能較快趨于穩(wěn)定,所以α和β的取值不宜過大。
由以上結(jié)果可知:①僅部分DPV啟動并進行了本地控制;②在本地控制的調(diào)節(jié)過程中,DPV出力和電壓存在起伏,最終趨于平穩(wěn);③穩(wěn)定后,DPV-16的有功出力受限。
圖6 不同α和β取值時DPV-15的電壓調(diào)整曲線Fig.6 Voltage regulation curves of DPV-15 for different values of α and β
通過情景1的調(diào)節(jié)后,DPV-16的有功出力受限,一段時間后,由于光照條件的限制,各DPV最大可用出力降低為0.55 MW,各DPV的有功出力被動減少,因此配電網(wǎng)中節(jié)點電壓會有所降低,此時,觸發(fā)DPV-13、DPV-15和DPV-16的本地控制,7輪調(diào)節(jié)后穩(wěn)定,調(diào)節(jié)過程如表3所示(表中數(shù)據(jù)均為標幺值)。穩(wěn)定后系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài),各處DPV并網(wǎng)裝置不再向配電網(wǎng)提供無功功率,電壓也在允許范圍內(nèi)??梢?,所提算法可以在電壓越限狀況緩解時有效地釋放DPV的無功出力。
表3 情景2下相關(guān)DPV的無功出力Table 3 Reactive power output of DPVs in Scenario 2
為了研究參數(shù)α對控制系統(tǒng)性能的影響,分別對不同α下系統(tǒng)穩(wěn)定需要的調(diào)節(jié)輪次進行統(tǒng)計,結(jié)果如表4所示??梢?,隨著α取值的減小,所需要的調(diào)節(jié)輪次數(shù)目大幅增長,所以在實際應(yīng)用中α取值也不宜過小。綜合場景1中的分析可知,α和β的取值既不宜過大,也不宜過小,對于本文所研究的系統(tǒng),α、β 取值為 0.6~0.8 時控制系統(tǒng)性能較好。
表4 情景2下系統(tǒng)穩(wěn)定所需要的輪次Table 4 Number of rounds needed for system stabilization in Scenario 2
當負荷減小后,配電網(wǎng)電壓將會升高,從而使節(jié)點15和節(jié)點16出現(xiàn)電壓越上限的情況,觸發(fā)相應(yīng)的本地控制,經(jīng)10輪調(diào)節(jié)后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定,調(diào)節(jié)過程見圖7(a)。系統(tǒng)穩(wěn)定后,DPV-15和DPV-16的無功出力分別為 -0.0043 Mvar和 -0.0500 Mvar。
圖7 情景3和情景4的無功功率調(diào)節(jié)過程Fig.7 Reactive power regulation process of Scenario 3 and 4
通過情景3的調(diào)節(jié)后,DPV-16處需要吸收配電網(wǎng)中的部分無功功率才能保持電壓不越限。當負荷增大時,配電網(wǎng)中節(jié)點電壓會有所降低,這將觸發(fā)DPV-16處的本地控制觸發(fā),使DPV-16無功出力降為0,系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài),6輪調(diào)節(jié)后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定,調(diào)節(jié)過程如圖7(b)所示。可見,系統(tǒng)負荷增大和DPV有功受限一樣,都可以使系統(tǒng)電壓降低,緩解配電網(wǎng)電壓越上限的壓力,釋放DPV的無功出力。
可見,在負荷發(fā)生變化時所提的本地電壓控制策略也能有效地消除配電網(wǎng)中電壓越上限的問題。
本文提出了一種DG的本地電壓控制策略,并進行了算例研究,得出主要結(jié)論如下:
a.含DG接入的配電網(wǎng)中,DG接入點處出現(xiàn)電壓極大值點,僅需在接入點加裝本地電壓控制裝置,即可消除配電網(wǎng)中的電壓越上限問題;
b.DG所需調(diào)節(jié)的無功功率出力和有功功率出力與實時觀測到的電壓偏差呈線性關(guān)系;
c.所建議的DG有功功率調(diào)節(jié)和無功功率調(diào)節(jié)相結(jié)合的本地電壓控制策略,易于實現(xiàn),能夠較好地消除電壓越限,并不依賴于通信通道的建設(shè),具有較好的應(yīng)用前景。
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