基于二分法的本地控制改善含分布式電源配電網(wǎng)電壓質(zhì)量

劉 健，尹海霞，尚海倉，魏昊焜,

(1.陜西省電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054；2.西安理工大學(xué)自動化學(xué)院，陜西 西安 710048)

基于二分法的本地控制改善含分布式電源配電網(wǎng)電壓質(zhì)量

劉 健1，尹海霞2，尚海倉2，魏昊焜1,2

(1.陜西省電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054；2.西安理工大學(xué)自動化學(xué)院，陜西 西安 710048)

為了改善含分布式電源配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量并避免控制策略對通信系統(tǒng)的依賴，提出一種基于本地控制的分布式電源控制方法。根據(jù)分布式電源并網(wǎng)點的實時電壓采集值，控制相應(yīng)分布式電源的有功出力和無功出力適當(dāng)增大或減小，結(jié)合控制效果并采用二分法反復(fù)調(diào)節(jié)控制量，最終將并網(wǎng)點電壓控制在電壓偏差允許范圍內(nèi)。在對分布式電源的本地控制中，在有功功率最大功率跟蹤的前提下，優(yōu)先利用逆變器的剩余容量進(jìn)行無功功率調(diào)節(jié)，若仍不奏效再適當(dāng)削減有功功率輸出。密切監(jiān)視分布式電源的運行環(huán)境，一旦條件允許則及時增大有功功率輸出以最大限度地利用自然資源。以 IEEE33 節(jié)點的配電網(wǎng)為例，對所建議的方法進(jìn)行了分析和驗證。結(jié)果表明了所建議的控制方法的可行性和有效性，對含分布式電源配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量的改善效果明顯。

配電網(wǎng)；分布式電源；本地控制；電壓質(zhì)量；二分法

0 引言

由于全球能源供應(yīng)緊張，發(fā)展新能源已成為全球研究的熱點。其中分布式發(fā)電得到飛速發(fā)展。隨著接入電網(wǎng)的分布式電源容量的提高，其對電網(wǎng)的影響也越來越大。分布式電源可以支撐電網(wǎng)電壓[1]，但大規(guī)模的分布式發(fā)電接入電網(wǎng)，可能會引起并網(wǎng)點也即公共連接點(Point of Common Coupling，PCC)電壓越限

文獻(xiàn)[6]從電力系統(tǒng)功率傳輸理論的角度分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓升高的原因。主要對光伏發(fā)電系統(tǒng)基于有功功率和無功功率的電壓調(diào)整原理及調(diào)整策略進(jìn)行了研究，提出了基于瞬時電壓、電流控制的動態(tài)電壓調(diào)整策略。文獻(xiàn)[7]分析了單個光伏電源接入時對電壓分布的影響，及過電壓條件下的可接入容量。文章中將低壓網(wǎng)絡(luò)等效為有考慮多個 DG 和負(fù)荷沿線分布的情況。文獻(xiàn)[8]針對傳統(tǒng)的配電網(wǎng)無功優(yōu)化調(diào)節(jié)手段離散化，將風(fēng)電場作為連續(xù)的無功調(diào)節(jié)手段參與配電網(wǎng)無功優(yōu)化。提出了基于量子粒子群算法(QPSO)的無功優(yōu)化方法，有效地避免了種群早熟等問題。文獻(xiàn)[9]將濾波及無功補償功能融入光伏電站逆變器中，實現(xiàn)有功并網(wǎng)、諧波抑制、無功補償及電壓補償?shù)榷喙δ軓?fù)用。提出了一種基于逆變器動態(tài)剩余容量的無功分配策略實，現(xiàn)了光伏規(guī)?；⒕W(wǎng)的電能質(zhì)量復(fù)合治理。

文獻(xiàn)[10]根據(jù)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)出力的間歇性、不確定性，總結(jié)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對電能質(zhì)量的影響。以控制方法及結(jié)構(gòu)的不同為依據(jù)，歸納了系統(tǒng)抑制諧波問題與電壓質(zhì)量的方法。提出改善電能質(zhì)量時需考慮天氣環(huán)境、負(fù)載、實際容量、系統(tǒng)類型等因素。

文獻(xiàn)[11]提出基于瞬時電壓幅值的動態(tài)無功電流電壓跌落補償策略,并從電力系統(tǒng)功率傳輸理論的角度分析了光伏發(fā)電系統(tǒng) PCC 電壓跌落的電壓補償原理，并網(wǎng)逆變器通過無功功率對 PCC 電壓跌落進(jìn)行補償。但文獻(xiàn)[11]只是用無功動態(tài)補償，并沒有有功無功功率綜合控制，來抬高電壓。

由以上文獻(xiàn)可以看出，在改善電能質(zhì)量問題上，大多數(shù)的研究并沒有考慮去主動控制DG的無功出力。針對這種情況，本文提出分布式電源本地控制方法，采用二分法控制相應(yīng)分布式電源的有功、無功出力，來改善并網(wǎng)點電壓質(zhì)量。并采取了無功功率輸出優(yōu)先調(diào)節(jié)和有功功率輸出充分利用的原則。

1 分布式電源本地控制及對電壓偏差的影響

1.1 分布式電源出力對配電網(wǎng)電壓的影響

如圖1所示為含分布式電源的配電網(wǎng)。0號節(jié)點代表配電母線，代表主電源側(cè)系統(tǒng)阻抗，代表第 k 段饋線的等值阻抗，代表第 k 個節(jié)點的負(fù)荷功率，代表第 k 個節(jié)點上的分布式電源的有功功率和無功功率。

圖1 含分布式電源的配電網(wǎng)模型Fig. 1 A distribution network with distributed generation (DG)

以 k點為例，分布式電源接入配電網(wǎng)后，k點電壓偏差為

若分布式電源以單位功率因數(shù)接入電網(wǎng)時，其只發(fā)有功功率，k點電壓偏差為

可見，分布式電源的出力變化可以引起并網(wǎng)點的電壓偏差發(fā)生變化，從而影響并網(wǎng)點的電壓。故當(dāng)并網(wǎng)點電壓發(fā)生變化時，可通過控制分布式電源的有功、無功出力來調(diào)節(jié)。

1.2 分布式電源的有功無功獨立控制

大多數(shù)經(jīng)電壓源型逆變器并網(wǎng)的分布式電源，采用雙環(huán)控制，通過電壓環(huán)和電流環(huán)實現(xiàn)直流電壓和并網(wǎng)電流的控制。逆變器輸出的有功功率可通過調(diào)節(jié)d軸電流來控制出力大小，無功功率可通過調(diào)節(jié)q軸電流來控制出力情況。

如圖2所示為三相靜止坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q 之間的關(guān)系，θ為 q 軸與電網(wǎng) a相之間的夾角。

圖2 d-q 與 a-b-c 位置關(guān)系Fig. 2 Relationship between d-q and a-b-c

三相到兩相的 Park 變換為

由文獻(xiàn)[12]可知逆變器的輸出電壓方程公式如式(6)所示。

有功及無功表達(dá)式如式(7)所示。

式中：mU 為電壓峰值為角頻率。

式(8)通過派克變換可得

則將式(7)代入式(5)可得：

由式(10)可得，逆變器輸出的有功、無功功率與 dq 軸電流有關(guān)。其有功功率可通過調(diào)節(jié) d 軸電流來控制出力大小，無功功率可通過調(diào)節(jié)q軸電流來控制出力情況。

2 DG 并網(wǎng)的控制策略研究

因為分布式電源的出力對并網(wǎng)點電壓變化有影響，所以當(dāng)并網(wǎng)點電壓越上限或越下限時，可以采取本地控制僅對此接入點的分布式電源的有功、無功出力進(jìn)行控制。分布式電源經(jīng)逆變器接入配電網(wǎng)，不僅向電網(wǎng)提供有功功率，也可以向電網(wǎng)提供無功功率。經(jīng)過解耦，就可以通過分別控制 dq軸上電流來控制其有功無功的出力大小。

實際應(yīng)用中，本文描述的本地控制策略可以固定的時間間隔不斷進(jìn)行，以跟蹤自然資源(影響分布式電源的最大有功功率輸出)和負(fù)荷的變化。

2.1 只調(diào)節(jié)分布式電源的有功出力

當(dāng)分布式電源以單位功率因數(shù)方式運行時，其只發(fā)出有功功率。根據(jù)監(jiān)測到的 PCC 點電壓，可對DG 的有功出力進(jìn)行相應(yīng)的本地控制。分布式電源的本地控制以固定的間隔進(jìn)行，如圖3 流程圖所示。

對于某一輪控制：

圖3 分布式電源的單純有功出力本地控制流程圖Fig. 3 Flow chart of active power local control for DG

2.2 分布式電源的有功、無功出力協(xié)調(diào)控制

當(dāng)分布式電源既可發(fā)有功功率又可以發(fā)無功功率時，根據(jù)監(jiān)測到 PCC 點電壓，分別對其有功出力和無功出力進(jìn)行本地控制，該本地控制也是以固定的間隔進(jìn)行，如圖4流程圖所示。

圖4 分布式電源同時考慮有功無功出力時本地控制流程圖Fig. 4 Flow chart of active and reactive power local control for DG

對于某一輪控制：

(3) 令 DG 第 k+1 輪無功出力為

并返回(1)。

并返回(1)，否則直接退出。

(3)；否則，轉(zhuǎn)(4)。

并返回(1)，否則直接退出。

并返回(1)；否則轉(zhuǎn)(5)。

同時計算：

執(zhí)行一輪調(diào)節(jié)，并返回(1)；若不滿足，則直接退出。

(3)，否則直接退出。

(4) 令：

執(zhí)行一輪調(diào)節(jié)，并返回(1)。

(5) 按式(11)增加 DG 的有功功率執(zhí)行一輪調(diào)節(jié)，并返回(1)。

3 算例

本節(jié)以 IEEE33 節(jié)點配電網(wǎng)為例說明本文所提出的本地控制策略的有效性。例中，額定電壓為12.66 kV，負(fù)荷的總有功功率為 3.7150 MW，總無功功率為 2.30 Mvar。

圖5 IEEE33 節(jié)點接線圖Fig. 5 IEEE33 node system

場景 1：在某次控制時，各個 DG 正按照單位功率因數(shù)并以最大功率跟蹤方式輸出，其額定容量和實際出力情況如表1所示，此時各個節(jié)點的電壓分布情況如表2 中第 2 列所示，可見節(jié)點 11~17 的電壓均越上限。由于電壓越限的節(jié)點中 13，15，16節(jié)點接有 DG，所以按照本文所提出的方法對相應(yīng)的DG的有功出力和無功出力進(jìn)行本地控制，執(zhí)行2輪本地控制后，各節(jié)點的電壓都達(dá)到正常范圍，此時各個節(jié)點電壓和各DG 的出力分別如表2中第3列~第5列所示。

表1 場景1中DG接入的位置及容量Table 1 Condition and capacity for DG access in scene 1

表2 經(jīng) 2 輪本地控制后各節(jié)點電壓及 DG 的實際出力Table 2 Each node voltage and the actual output of DG after 2 rounds of local control

場景 2：在隨后的某次控制時，負(fù)荷節(jié)點 16 的有功功率和無功功率分別增加為 200 kW 和 20kvar；負(fù)荷節(jié)點17的有功功率和無功功率分別增加為900 kW 和 400 kvar。因自然因素好轉(zhuǎn)，各 DG 的最大有功功率輸出能力也有所增加，如表3第2列所示，此時各節(jié)點的電壓分布情況如表4中第2列所示。

經(jīng)過5輪本地控制運算后各DG的有功功率出力都達(dá)到最大有功功率輸出能力且各節(jié)點電壓也都在正常范圍，此時各個節(jié)點電壓和各DG的出力分別如表4中第3列~第 5列所示。

表3 場景2中各DG的最大有功功率輸出能力Table 3 Maximum active power capacity of DGs in scene 2

表4 經(jīng) 5 輪本地控制后各節(jié)點電壓及 DG 的實際出力Table 4 Each node voltage and the actual output of DG after 5 rounds of local control

由表3第2列可以看出，各DG的最大有功功率輸出能力有所增加，所以按照本文所提出的方法對相應(yīng)的 DG 的有功出力、無功出力進(jìn)行本地控制，執(zhí)行 5輪本地控制后，由表4第2、3列可以看出，各節(jié)點電壓都有所提高且在正常范圍內(nèi)，由表4第4列可以看出各 DG 的有功功率出力達(dá)到最大有功功率輸出能力。

4 結(jié)論

本文在基于本地控制的基礎(chǔ)上，綜合考慮了分布式電源的有功、無功出力對配電網(wǎng)的影響，并提出合理的控制策略。當(dāng)分布式電源的并網(wǎng)點電壓越上限或越下限時，利用二分法來控制分布式電源的有功、無功出力，以此改善并網(wǎng)點的電壓。并且通過算例驗證了文章所提的控制策略是有效合理的。

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Voltage performance improvement by dichotomy based local control for power distribution networks with distributed generation

LIU Jian1, YIN Haixia2, SHANG Haicang2, WEI Haokun1,2
(1. Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi'an 710054, China; 2. School of Automation and Information Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

To improve the voltage quality of distribution network with Distributed Generations (DG) and make the control independent of the communication system, a local control approach of DGs is put forward. According to the voltage of PCC, the active and reactive power of the corresponding DG are regulated to increase or decrease, the regulation is committed repeatedly with the magnitude of control adjusted based on a dichotomy process so as to make the voltage of PCC of the corresponding DG within the restriction of voltage deviation. In the suggested local control process, the regulation of the reactive power based on the residual capacity of the inverter with MPPT is of priority. The active power of a DG is decreased properly when it is necessary. The condition is monitored in real time to increase the active power output of the DG in time so as to utilize the nature resources as much as possible. The IEEE-33 system is used as an example to verify the proposed control method, showing that its feasibility and the voltage quality of the distribution network with distributed generations can be improved effectively.

distribution networks; distributed generation; local control; voltage performance; dichotomy

10.7667/PSPC151732

：2015-11-19

劉 健(1967-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，百千萬人才工程國家級人選，國家電網(wǎng)公司科技領(lǐng)軍人才，主要研 究 方 向 為 配 電 網(wǎng) 及 其 自 動 化 技 術(shù) ； E-mail: Powersys@ 263.net

(編輯 張愛琴)

國家電網(wǎng)公司科技項目“配電網(wǎng)運行優(yōu)化與控制”資助

尹海霞(1990-)，女，碩士研究生，配電網(wǎng)及其自動化技術(shù)。E-mail: yinhaixia0902@163.com