大規(guī)模分布式光伏接入的配電網(wǎng)電壓越限解決方案

王 鶴，陳玉芳，2，李國(guó)慶，莊冠群

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

大規(guī)模分布式光伏接入的配電網(wǎng)電壓越限解決方案

王 鶴1，陳玉芳1，2，李國(guó)慶1，莊冠群1

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

隨著配電網(wǎng)中接入光伏發(fā)電比例的不斷增加，大規(guī)模分布式光伏發(fā)電接入后帶來的配電網(wǎng)電壓控制問題引起了人們的廣泛關(guān)注。在分析分布式光伏發(fā)電接入點(diǎn)電壓特性的基礎(chǔ)上，提出一種能夠防止饋線電壓越限的控制方案。在配電網(wǎng)電壓將要越限時(shí)，光伏逆變器實(shí)時(shí)設(shè)定分布式光伏注入配電網(wǎng)功率的限值，防止電網(wǎng)電壓越限。通過仿真分析驗(yàn)證了所提出的方案能夠有效的對(duì)含大規(guī)模分布式光伏發(fā)電的配電網(wǎng)電壓進(jìn)行輔助管理，有效提高配電網(wǎng)中光伏發(fā)電的滲透率。

光伏發(fā)電；大規(guī)模；配電網(wǎng)電壓；有功限值

目前，以光伏、風(fēng)電為代表的分布式可再生能源蓬勃發(fā)展，其中分布式光伏發(fā)電發(fā)展最為迅速。分布式光伏發(fā)電(Photovoltaic，PV)是將分布式電源安置在用戶附近，運(yùn)行方式靈活，具有輔助管理配電網(wǎng)電壓的潛力。目前配電網(wǎng)中接入的分布式光伏發(fā)電單元一般采用單位功率因數(shù)運(yùn)行，此種運(yùn)行方式的光伏發(fā)電大量接入將改變電網(wǎng)潮流，進(jìn)一步改變配電網(wǎng)電壓分布，導(dǎo)致線路和變壓器等輸配電設(shè)備損耗增大、線路電壓越限等一系列問題，降低配電網(wǎng)中光伏發(fā)電的滲透率[1-3]。

在此背景下，大量文獻(xiàn)對(duì)分布式光伏發(fā)電接入的配電網(wǎng)電壓控制問題進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于用戶儲(chǔ)能裝置控制的無功優(yōu)化協(xié)調(diào)策略，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電壓的高效和經(jīng)濟(jì)管理。文獻(xiàn)[5-6]提出通過有載調(diào)壓變壓器和電壓自適應(yīng)控制裝置協(xié)調(diào)管理電網(wǎng)電壓。文獻(xiàn)[7-8]提出了一種利用無功補(bǔ)償提高分布式光伏接納能力的方法，使反向潮流和負(fù)載變化所引起的較大電壓波動(dòng)得到抑制。文獻(xiàn)[9-10]提出充分利用逆變器的無功調(diào)節(jié)能力為電網(wǎng)提供電壓支撐，逆變器根據(jù)自身容量最大限度的吸收無功功率以維持電壓在要求的范圍內(nèi)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)大多是利用分布式光伏無功電壓調(diào)節(jié)能力對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行控制，而通過限制光伏注入配電網(wǎng)的有功來控制電網(wǎng)電壓的研究較少。

本文通過對(duì)分布式光伏發(fā)電接入的配電網(wǎng)電壓特性的分析，提出一種針對(duì)大規(guī)模分布式光伏接入的配電網(wǎng)電壓控制方案。該方案在分布式光伏發(fā)電單元接入點(diǎn)處電壓將要發(fā)生越限時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，通過限制光伏發(fā)電單元注入配電網(wǎng)的有功，自動(dòng)避免電壓越上限，從根本上解決因大量分布式光伏發(fā)電接入導(dǎo)致的配電網(wǎng)電壓越限問題。

1 分布式光伏發(fā)電接入的配電網(wǎng)電壓特性

大規(guī)模分布式光伏發(fā)電單元接入配電網(wǎng)，存在的主要問題是發(fā)電高峰時(shí)段的饋線電壓越上限問題，而電壓越下限的情況可以通過控制光伏逆變器輸出無功功率來緩解，所以本文主要分析分布式光伏發(fā)電單元接入之后的饋線電壓越上限的電壓特性。

圖1為分布式光伏發(fā)電接入的配電網(wǎng)線路負(fù)荷分布，線路有M個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)線路的初始電壓為V0，第M個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓為Vm，視在功率Pm+jQm(m=1，2，…，M)，兩節(jié)點(diǎn)間的阻抗Rm+jXm=lm(r+jx)，其中l(wèi)m為兩節(jié)點(diǎn)間的線路長(zhǎng)度，r和x分別為單位長(zhǎng)度的電阻和電抗，節(jié)點(diǎn)p接入輸出功率為PV的分布式光伏發(fā)電單元。

圖1 光伏發(fā)電接入的配電網(wǎng)負(fù)荷分布

設(shè)線路中某一節(jié)點(diǎn)k，此節(jié)點(diǎn)位置存在兩種情形。情形1：節(jié)點(diǎn)位于光伏接入點(diǎn)之前，即0

(1)

由于居民用電功率因數(shù)很高且低壓線路電抗較小，故無功功率所起的作用可忽略，公式(1)可簡(jiǎn)化為

(2)

線路的初始電壓為V0，節(jié)點(diǎn)k的電壓為

(3)

情形2：節(jié)點(diǎn)位于光伏接入點(diǎn)之后，即p

(4)

節(jié)點(diǎn)k和節(jié)點(diǎn)k-1的電壓差：

(5)

由公式(5)可知，節(jié)點(diǎn)k電壓始終小于節(jié)點(diǎn)k-1的電壓，電壓出現(xiàn)降低趨勢(shì)。

由以上分析知，分布式光伏發(fā)電接入后，線路電壓變化趨勢(shì)為：光伏接入點(diǎn)距離初始點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，線路電壓先降低后升可高、再降低；光伏接入點(diǎn)距離初始點(diǎn)較近時(shí)，線路電壓先升高后降低。接入點(diǎn)電壓局部最大，光伏接入點(diǎn)為局部電壓極大值點(diǎn)，仿真分析得到相同的結(jié)論。

如圖2所示，第11節(jié)點(diǎn)為分布式光伏接入點(diǎn)，距饋線始端較遠(yuǎn)。隨著線路的增長(zhǎng)，線路電壓先降低，在接近分布式光伏接入點(diǎn)處電壓升高，然后再降低，光伏接入點(diǎn)為局部電壓極大值點(diǎn)。

圖2 分布式光伏接入的配電網(wǎng)饋線電壓變化曲線

圖3 p點(diǎn)功率上限值的預(yù)測(cè)

圖4 j點(diǎn)功率上限值的預(yù)測(cè)

2 防止饋線電壓越限的控制方案

由第1節(jié)可知，光伏接入點(diǎn)為局部電壓極大值點(diǎn)，可通過對(duì)光伏接入點(diǎn)的電壓進(jìn)行管理來間接管理整個(gè)配電網(wǎng)的電壓。目前文獻(xiàn)中普遍采用的電壓調(diào)整策略有：改善輸電線路阻抗參數(shù)、安裝儲(chǔ)能裝置、控制光伏發(fā)電系統(tǒng)無功功率等[11-13]。改善輸電線路阻抗參數(shù)及加強(qiáng)電網(wǎng)投資建設(shè)、安裝儲(chǔ)能裝置所需要的前期投資成本巨大，經(jīng)濟(jì)性較差；而調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)無功輸出對(duì)電網(wǎng)電壓升高的控制效果并不理想。對(duì)于配電網(wǎng)，阻抗比較大，光伏接入點(diǎn)電壓受有功功率的影響較大，限制光伏電源注入配電網(wǎng)的有功功率，可以從根本上防止過電壓發(fā)生。

因此，本文提出了一種大規(guī)模光伏接入的配電網(wǎng)饋線電壓越限的控制方案，利用光伏逆變器和通信設(shè)備采集并網(wǎng)點(diǎn)電壓和光伏輸出功率并實(shí)時(shí)的設(shè)置光伏注入配電網(wǎng)的有功從而控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓。如何合理設(shè)置注入有功上限值成為該方案的關(guān)鍵問題。

2.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布式光伏注入配單網(wǎng)功率上限值預(yù)測(cè)

設(shè)定接入點(diǎn)預(yù)警電壓值Vc1和Vc2，且Vc2>Vc1。在t0時(shí)刻接入點(diǎn)p電壓vp(t0)達(dá)到Vc1，此時(shí)光伏輸出功率Pp(t0)，對(duì)應(yīng)圖3中A點(diǎn)。實(shí)際中光伏逆變器工作時(shí)輸出電壓以0.5%步進(jìn)，可認(rèn)為下一時(shí)刻即t1時(shí)刻p點(diǎn)電壓vp(t1)為Vc1+0.5%，此時(shí)光伏的有功輸出為Pp(t1)，對(duì)應(yīng)圖3中B點(diǎn)。由于t0時(shí)刻和t1時(shí)刻間隔較短，接入點(diǎn)電壓和光伏有功輸出的關(guān)系近似為線性關(guān)系，則直線AB的斜率為

(6)

將AB延長(zhǎng)至C點(diǎn)，使C點(diǎn)的電壓值為Vc2，曲線斜率不變，可預(yù)測(cè)光伏注入配電網(wǎng)有功限值，

Pp，res(t1)=Pp(t0)+(Vc2-Vc1)/ρp.

(7)

由圖3可知，光伏注入電網(wǎng)有功限值Pref，p(t2)以下，接入點(diǎn)電壓不越限，如光伏注入電網(wǎng)有功沒有調(diào)整電壓將繼續(xù)升高，即為圖3所示D點(diǎn)，D點(diǎn)電壓Vover，p(t1)遠(yuǎn)大于預(yù)警電壓值Vc2，電壓嚴(yán)重越限。由于電網(wǎng)電壓的變化不只受本節(jié)點(diǎn)的注入有功影響，還受其他節(jié)點(diǎn)注入有功的影響，故還需對(duì)其他接入點(diǎn)處的分布式光伏輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)和調(diào)整。

2.2 其他節(jié)點(diǎn)分布式光伏注入配單網(wǎng)功率上限值預(yù)測(cè)

圖4中A′點(diǎn)與圖3中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)，同為t0時(shí)刻，此時(shí)接入點(diǎn)j的電壓為vj(t0)和光伏輸出功率為Pj(t0)；同樣B′與B對(duì)應(yīng)，同為t1時(shí)刻，此時(shí)光伏接入點(diǎn)j的電壓為vj(t1)，分布式光伏輸出功率Pj(t1)。

直線A′B′的斜率為

(8)

(9)

由上式可得出接入點(diǎn)j的電壓預(yù)警值：

(10)

(11)

小于此值電壓不發(fā)生越限，如高于此值電壓越限，如圖4所示。

圖5 多個(gè)光伏協(xié)調(diào)控制流程圖

2.3 多個(gè)分布式光伏協(xié)調(diào)控制方案

多個(gè)分布式光伏協(xié)調(diào)控制流程，如圖5所示。首先，檢測(cè)接有光伏的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓，電壓升高，到達(dá)Vc1時(shí)，通知其他各點(diǎn)光伏逆變器記錄各接入點(diǎn)電壓和光伏輸出功率，在t1時(shí)刻各接入點(diǎn)根據(jù)上述預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)光伏注入配電網(wǎng)的有功限值，預(yù)測(cè)限值為Pres(t1)，在t2時(shí)刻由最大功率跟蹤算法MPPT (Maximum Power Point Tracking)給出的光伏最大輸出功率PMPPT(t2)，為防止電壓越限，光伏逆變器調(diào)整注入配電網(wǎng)的有功調(diào)整為

Pref(t2)=min(Pres(t1)，PMPPT(t2)).

(12)

若Pres(t1)

3 仿真分析

本文對(duì)提出的控制方案進(jìn)行仿真研究，并與無功控制策略相比較，驗(yàn)證了此方案的有效性。對(duì)圖6的IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)內(nèi)總負(fù)荷為3.715 MW+2.3 MV·A。

分布式光伏的光照數(shù)據(jù)，如圖7(a)所示。節(jié)點(diǎn)8、節(jié)點(diǎn)11、節(jié)點(diǎn)14、節(jié)點(diǎn)19、節(jié)點(diǎn)22、節(jié)點(diǎn)25、節(jié)點(diǎn)27、節(jié)點(diǎn)32接入分布式光伏，仿真時(shí)每個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)一采用一種光照強(qiáng)度。分布式光伏接入后系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)電壓應(yīng)在0.95 pu～1.05 pu范圍內(nèi)。

圖6 網(wǎng)絡(luò)接線圖

圖7 不同控制策略下接入點(diǎn)電壓波形

分布式光伏單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，接入點(diǎn)電壓波形如圖7(b)所示，接入點(diǎn)電壓隨光伏出力增大而升高，bus14、bus11、bus8位于長(zhǎng)線路上，在上午10時(shí)到下午16時(shí)，電壓越限?？拷伨€末端接入點(diǎn)bus14電壓嚴(yán)重越限，電壓為1.088 pu，靠近變壓器側(cè)bus8電壓稍有越限。bus19、bus25、bus22位于較短線路上并靠近變壓器側(cè)，電壓變化較小且電壓沒有越限。

采用文獻(xiàn)[13]中提出的逆變器Q(V)無功控制策略管理電網(wǎng)電壓，各接入點(diǎn)電壓仿真波形如圖7(c)，光伏出力最大時(shí)即上午10時(shí)到下午16時(shí)，接入點(diǎn)bus14電壓最大值為1.071 pu，電壓嚴(yán)重越限；接入點(diǎn)bus11電壓最大值為1.059 pu，同樣超出電壓允許范圍。雖然靠近變壓器側(cè)的接入點(diǎn)bus8電壓能處于正常值范圍內(nèi)，但處于饋線末端接入點(diǎn)電壓依然嚴(yán)重越限。由此可知，逆變器無功控制策略抑制電壓能力弱，不能有效的管理電網(wǎng)電壓。

表1 光伏單元功率縮減

圖7(d)所示為采用分布式光伏協(xié)調(diào)控制方法接入點(diǎn)電壓波形，設(shè)定預(yù)警電壓Vc1為1.03 pu，Vc2為1.05 pu。電壓越限嚴(yán)重的接入點(diǎn)bus14、bus11、bus8電壓均在1.05 pu以下，電壓較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)瞬間越限的情況，此種控制方法改變了高于1.05 pu的節(jié)點(diǎn)電壓，低于1.05 pu的節(jié)點(diǎn)電壓沒有發(fā)生變化，沒有出現(xiàn)末端電壓過低的情況。電網(wǎng)電壓都保持在1.05 pu以下，控制效果較好。

由分析可知，逆變器無功控制策略抑制電壓能力弱，接入點(diǎn)電壓依然嚴(yán)重越限，而分布式光伏協(xié)調(diào)控制方法下的接入點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓均在0.95 pu～1.05 pu范圍內(nèi)，管理電壓能力較強(qiáng)，能夠有效避免電壓越限。

表1為14小時(shí)內(nèi)節(jié)點(diǎn)bus14、bus11、bus8處分布式光伏功率縮減量，光伏功率的縮減集中在10時(shí)到16時(shí)太陽光照較強(qiáng)時(shí)，光照較弱光伏的輸出功率全部輸送給電網(wǎng)。其他6個(gè)接入點(diǎn)電壓并沒有越限，光伏功率縮減量為零。雖然本文提出的方法縮減了個(gè)別分布式光伏注入電網(wǎng)的功率，但接入的分布光伏總數(shù)增加，從全局來看系統(tǒng)的光伏滲透率提高。

4 結(jié) 論

本文通過理論分析、仿真研究和硬件實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)分步式光伏發(fā)電的接入提升饋線電壓，光伏接入點(diǎn)為局部電壓極大值，保證接入點(diǎn)處電壓不越上限，也就確保了整個(gè)配電網(wǎng)的電壓不越上限；

(2)本文提出了一種防止電壓越限的控制方案，并與逆變器的無功控制策略進(jìn)行對(duì)比分析，仿真結(jié)果顯示本文提出的方法能夠有效的管理接入點(diǎn)電壓，避免了電網(wǎng)電壓越上限，提高電網(wǎng)電壓的管理水平，進(jìn)一步提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性和電壓質(zhì)量。

本文所采用的研究方法只考慮了采取控制分布式光伏發(fā)電輸出功率的方法管理電網(wǎng)電壓，后續(xù)將研究分布式光伏協(xié)調(diào)控制方法與饋線終端管理設(shè)備和有載調(diào)壓變壓器共同管理電網(wǎng)電壓，進(jìn)一步為分布式電源接入后電網(wǎng)電壓的管理提供科學(xué)依據(jù)。

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SolutionofVoltageBeyondLimitsinDistributionNetworkwithLargeScaleDistributedPhotovoltaicGenerators

WangHe1，ChenYufang1，2，LiGuoqing1，ZhuangGuanqun1

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.College of Physics and Electronic Information，Inner Mongolia University Nationalities，Tongliao Inner Mongolia 028000)

For distribution networks with Large-scale photovoltaic generators (PV)，overvoltage is a common and major issue that needs be addressed to not only assure reliable and secure system operation，but also to fully utilize PV generation capacity.And based on the analyzing of PV generation connection point characteristic，a control method is proposed in this paper to prevent overvoltages by adaptively setting the power caps for PV inverters in real time.This method start control when the voltage of PV generation connection point is going to beyond limits，and through by limiting photovoltaic generation to avoid overvoltage.The simulation results show that the control method proposed in this paper can manage the distribution network voltage of large-scale distributed PV effectively and improve the penetration of PV in the distribution network.

Photovoltaic power generation；Large-scale；Distribution network voltage；Active power limit

2017-05-12

吉林省教育廳"十三五"科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目([2016]87號(hào))

王 鶴(1983-)，男，博士，副教授，主要研究方向：新能源發(fā)電.

電子郵箱：wanghe_nedu@163.com(王鶴)；viccgcyf@163.com(陳玉芳)；lgq@nedu.edu.cn(李國(guó)慶)；1311246511@163.com(莊冠群)

1005-2992(2017)06-0008-07

TM615;TM464;TM732

A