基于可變下垂系數(shù)的光伏電站無(wú)功電壓控制策略

朱慧敏， 苑 舜， 李春來(lái)

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110870）

0 引言

大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)，其中電壓安全穩(wěn)定問題是制約光伏發(fā)電消納的一個(gè)重要因素[1]，[2]。光伏發(fā)電通過(guò)電力電子逆變器并網(wǎng)運(yùn)行，不具備傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的電壓支撐能力；同時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化也會(huì)對(duì)光伏并網(wǎng)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定水平帶來(lái)較大 影響[3]，[4]。

目前，針對(duì)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定提升方面的研究主要集中在兩方面：一是在外部配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備來(lái)提供無(wú)功支撐[5]，[6]；二是通過(guò)挖掘光伏逆變器的無(wú)功調(diào)節(jié)能力來(lái)支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓[7]，[8]。 在外部配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備研究方面，文獻(xiàn)[9]充分考慮了光伏、負(fù)荷出力的不確定性，以最小投資成本為優(yōu)化目標(biāo)，提出了多時(shí)間尺度下的無(wú)功優(yōu)化配置。 文獻(xiàn)[10]以系統(tǒng)總成本為目標(biāo)函數(shù)，考慮無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的費(fèi)用以及功率損耗費(fèi)用，建立了光伏電站無(wú)功優(yōu)化配置模型。 該類方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功需求且無(wú)功調(diào)節(jié)性能較好，但額外配置快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備（SVG，SVC 等）會(huì)增加系統(tǒng)的成本。在光伏逆變器的無(wú)功調(diào)節(jié)研究方面，文獻(xiàn)[11]以并網(wǎng)點(diǎn)電壓以及功率因數(shù)最優(yōu)作為目標(biāo)函數(shù)，提出了基于PQ 電源以及PV 電源的光伏電站無(wú)功電壓下垂控制策略。 文獻(xiàn)[12]以并網(wǎng)點(diǎn)電壓維持在一定水平作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功需求進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功電壓的集中控制。 上述方法雖然能夠取得一定的無(wú)功支撐效果， 但是均未考慮光伏電站內(nèi)不同光伏逆變器的無(wú)功調(diào)節(jié)裕度， 難以有效充分利用光伏電站的無(wú)功調(diào)節(jié)能力。

針對(duì)上述研究的不足， 本文提出了一種可變下垂系數(shù)的光伏電站無(wú)功電壓控制策略。 通過(guò)評(píng)估光伏電站光伏子單元當(dāng)前的有功功率， 計(jì)算不同子單元的無(wú)功裕度； 計(jì)及各個(gè)光伏子單元無(wú)功容量的差異性， 采用可變下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)光伏子單元之間無(wú)功功率的協(xié)調(diào)優(yōu)化分配， 從而最大化地利用光伏電站的無(wú)功容量， 有效改善并網(wǎng)點(diǎn)的電壓支撐性能。最后，在PSCAD/EMTDC 仿真軟件中建立大型光伏電站仿真模型， 對(duì)本文所提的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 光伏發(fā)電無(wú)功調(diào)節(jié)原理

1.1 光伏電站基本原理

圖1 光伏電站接線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Wiring structure diagram of photovoltaic power station

光伏電站電氣結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、雙分裂升壓變壓器、10 kV 母線、升壓變壓器、35 kV 母線、電網(wǎng)及輸電線路等構(gòu)成。 大型光伏電站一般采用兩個(gè)光伏并網(wǎng)逆變器接至分裂繞組低壓側(cè)構(gòu)成一個(gè)光伏發(fā)電單元，因?yàn)榈蛪豪@組之間的短路阻抗較大， 而高低繞組之間短路阻抗較小， 所以其中一低壓繞組的短路不會(huì)影響另一低壓繞組， 保證了單元內(nèi)兩光伏逆變器的獨(dú)立運(yùn)行。

1.2 無(wú)功調(diào)節(jié)原理

根據(jù)光伏電站內(nèi)逆變器的功率解耦控制原理，光伏逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率為

式中：Vd，Vq，id，iq分別為同步dq 坐標(biāo)系下光伏逆變器的電壓、電流值。

根據(jù)電力鎖相環(huán)技術(shù)，令Vq=0，則有：

上式即可實(shí)現(xiàn)光伏逆變器有功無(wú)功的解耦控制。 則通過(guò)有功無(wú)功電流給定值的設(shè)定就可以控制光伏逆變器輸出的有功無(wú)功功率。

光伏逆變器無(wú)功功率控制一般采用下垂控制策略，當(dāng)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生電壓越限時(shí)，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供一定的無(wú)功支撐， 使光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓保持在合理的范圍之內(nèi)。 圖2 為傳統(tǒng)的光伏逆變器無(wú)功下垂控制原理框圖。

圖2 光伏逆變器無(wú)功下垂控制Fig.2 Reactive power droop control of photovoltaic inverter

其控制基本過(guò)程如下：

式中：iqref為逆變器無(wú)功電流的參考值；kp和ki為PI 控制器的參數(shù)；R 為無(wú)功電壓下垂控制系數(shù)；Vref為并網(wǎng)點(diǎn)電壓指令值；Vpcc為光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓。

2 可變下垂系數(shù)的無(wú)功電壓控制

2.1 光伏逆變器無(wú)功輸出能力

光伏逆變器的輸出無(wú)功功率與其視在功率有關(guān)，若光伏逆變器輸出的有功功率越大，則無(wú)功容量會(huì)相應(yīng)的降低。一般情況下，光伏逆變器所能承受的最大功率為視在功率的1.1 倍， 在不計(jì)及逆變器無(wú)功損耗的基礎(chǔ)上， 光伏電站第i 臺(tái)逆變器輸出的有功功率Pi以及無(wú)功功率Qi的關(guān)系為

式中：Si為第i 臺(tái)逆變器的視在功率。

由于光伏電站的輸出有功功率受天氣狀況的影響，當(dāng)光照強(qiáng)度和溫度變化時(shí)，光伏陣列的輸出功率會(huì)隨著改變。由圖3 可知，光伏電站有功出力與光照強(qiáng)度和溫度具有緊密關(guān)系， 光照強(qiáng)度對(duì)輸出功率的影響程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度的影響。 有功出力隨著光照強(qiáng)度的不斷增大而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。因此，大型光伏電站不同逆變器單元輸出能力也會(huì)受到外部輸入光照強(qiáng)度的影響。

圖3 光伏逆變器輸出有功與光照強(qiáng)度、溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between output active power of photovoltaic inverters and light intensity and temperature

2.2 無(wú)功電壓控制策略

由于光伏電站內(nèi)不同光伏子單元之間光照強(qiáng)度存在差異性， 因而光伏電站內(nèi)的光伏單元具有不同的無(wú)功功率水平。 本文所提出的基于可變下垂系數(shù)的光伏電站無(wú)功電壓控制策略（圖4）旨在提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓最低點(diǎn)， 同時(shí)確保光伏子單元的安全穩(wěn)定輸出。

圖4 自適應(yīng)增益的無(wú)功電壓控制策略Fig.4 Reactive voltage control strategy with adaptive gain

在本文所提出的方案中， 下垂控制環(huán)的無(wú)功電流輸出為

式中：1/Ri（Li）為第i 個(gè)光伏子單元的無(wú)功電壓下垂增益；Li為第i 個(gè)光伏子單元的光照強(qiáng)度。

為了獲得更好的電壓調(diào)節(jié)性能并確保穩(wěn)定工作， 光伏逆變器的自適應(yīng)增益根據(jù)其最大的無(wú)功容量來(lái)設(shè)定：

即：

式中：C 為固定常數(shù)。

光伏逆變器自適應(yīng)增益下垂控制環(huán)的無(wú)功電流輸出為

Li和1/Ri（Li）之間具有時(shí)空相關(guān)特性。 首先，空間相關(guān)性的原因在于， 相鄰光伏電站子單元之間的光照強(qiáng)度可能不同， 每個(gè)光伏子單元具有空間上不同水平的無(wú)功容量。 為了獲得更好的電壓支持性能，具有更大無(wú)功容量（更少有功功率）的光伏子單元逆變器設(shè)置較大的無(wú)功電壓下垂增益，而具有更少無(wú)功容量（更大有功功率）的光伏電站子單元設(shè)置較小的增益。 另外，當(dāng)Li大于或等于額定光照強(qiáng)度時(shí)，下垂增益設(shè)定為零。這有助于光伏電站逆變器提供更多電壓支撐并確保穩(wěn)定運(yùn)行。其次，時(shí)間依賴性的原因是光伏單元的輸入光照強(qiáng)度在1 d 里隨時(shí)間變化。 因此，每個(gè)光伏單元的無(wú)功容量也是時(shí)變的， 并且隨著輸入光照強(qiáng)度的變化自適應(yīng)地調(diào)整下垂增益。

對(duì)于固定下垂增益的光伏電站無(wú)功控制策略，維持其并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平所需的無(wú)功功率為

式中：n 為光伏電站內(nèi)光伏子單元的數(shù)量；△Qi為光伏子單元i 輸出的無(wú)功功率。

同樣地，對(duì)于自適應(yīng)增益下垂控制，其無(wú)功需求為

結(jié)合式（9）和（10）可得：

將式（12）代入式（8），進(jìn)一步求得第i 個(gè)光伏子單元的無(wú)功電壓下垂增益為

3 算例分析

為驗(yàn)證本文所提光伏電站無(wú)功電壓控制策略的正確性，在PSCAD/EMTDC 軟件中建立如圖5 所示的大型光伏電站仿真模型。 光伏電站含有3 條集電線路，每條集電線路上接有2 個(gè)光伏子單元（每個(gè)光伏子單元記為PVGU）， 分別用來(lái)模擬集電線路不同位置中的PVGU，每個(gè)PVGU 容量為1.5 MW。為了區(qū)分每個(gè)PVGU， 將不同集電線路上PVGU的每列和每行分別編號(hào)， 并分別采用光照強(qiáng)度不變以及光照強(qiáng)度變化兩種場(chǎng)景進(jìn)行算例驗(yàn)證。

圖5 光伏電站仿真模型Fig.5 Simulation model of photovoltaic power plant

算例1：光照強(qiáng)度不變

假設(shè)仿真系統(tǒng)光照強(qiáng)度不變， 仿真中在第8秒投入一定的無(wú)功負(fù)荷， 系統(tǒng)由于無(wú)功缺額而發(fā)生電壓越限；同時(shí)，假設(shè)光伏電站內(nèi)不同PVGU 的輸入光照強(qiáng)度不同，則每個(gè)PVGU 并網(wǎng)的有功功率也不同。 將本文所提的基于可變下垂系數(shù)的無(wú)功電壓控制策略（簡(jiǎn)稱本文控制策略）與系統(tǒng)光伏電站不采取無(wú)功電壓控制 （簡(jiǎn)稱未采用控制策略）、傳統(tǒng)固定增益的無(wú)功控制策略（簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)控制策略）的控制效果進(jìn)行了對(duì)比，以驗(yàn)證本文控制策略的有效性。 其中本文控制策略和傳統(tǒng)控制策略的總無(wú)功輸出量相同。

根據(jù)計(jì)算首先求得光伏電站內(nèi)不同PVGU的輸入光照強(qiáng)度，然后計(jì)算每個(gè)PVGU 的無(wú)功容量和下垂控制增益，分別如表1 和表2 所示。

表1 不同PVGU 的無(wú)功容量Table 1 Reactive capacity of different PVGU Mvar

表2 不同PVGU 的下垂增益Table 2 Droop gain of different PVGU

圖6 為3 種控制策略下的光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓對(duì)比結(jié)果，未采用控制策略、傳統(tǒng)控制策略以及本文控制策略下的并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)值分別為0.86，0.91 pu 和0.96 pu。 顯然，本文控制策略下的電壓恢復(fù)效果最好， 在無(wú)功總量需求相同的情況下，比傳統(tǒng)控制策略的電壓調(diào)節(jié)效果好。

圖6 光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓Fig.6 Voltage of grid-connected point of photovoltaic power station

圖7 傳統(tǒng)控制策略下的PVGU 無(wú)功輸出Fig.7 Reactive power output of PVGU under traditional control strategy

圖7 為傳統(tǒng)控制策略下的PVGU 無(wú)功輸出結(jié)果，當(dāng)光伏電站PVGU 采用固定下垂控制增益時(shí)，PVGU 在無(wú)功充裕時(shí)的輸出無(wú)功大小相等，無(wú)功輸出值均為0.66 Mvar。 而當(dāng)無(wú)功容量不足時(shí)，過(guò)大的下垂增益使得PVGU 的無(wú)功輸出限制在較低值，如PVGU11，PVGU12，由于當(dāng)前無(wú)功容量較小，雖然和其他PVGU 具有相同的下垂控制增益，但其無(wú)功輸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他PVGU，其輸出值被限制在0.22 Mvar。

圖8 為本文控制策略下的PVGU 無(wú)功輸出結(jié)果， 光伏逆變器下垂增益根據(jù)當(dāng)前無(wú)功容量的大小進(jìn)行設(shè)置和自適應(yīng)調(diào)整，因此每個(gè)PVGU 的無(wú)功輸出也不相同。其中：PVGU11，PVGU12的無(wú)功容量最小， 其無(wú)功輸出值為0.2 Mvar；PVGU21，PVGU22的無(wú)功容量居中， 其無(wú)功輸出值為0.67 Mvar；PVGU31，PVGU32的無(wú)功容量最大，其無(wú)功輸出值為0.92 Mvar。

圖8 所提控制策略下的PVGU 無(wú)功輸出Fig.8 Reactive power output of PVGU under the proposed control strategy

算例2：光照強(qiáng)度變化

仿真中在第5 秒投入一定的無(wú)功負(fù)荷， 系統(tǒng)由于無(wú)功缺額而發(fā)生電壓越限。 在算例1 的基礎(chǔ)上，假設(shè)在第12 秒時(shí)，由于天氣原因致使光伏電站中PVGU31和PVGU32的光照強(qiáng)度發(fā)生驟降，而其他PVGU 的光照強(qiáng)度不變， 因此，PVGU31和PVGU32的有功減小和無(wú)功容量增大。

通過(guò)計(jì)算求得此條件下的PVGU31和PVGU32的無(wú)功容量為1.28 Mvar，對(duì)應(yīng)的無(wú)功電壓下垂增益為61.9，其他光伏電站PVGU 的無(wú)功容量和下垂增益同算例1 一樣而保持不變。同樣地，將本文控制策略與未采用控制策略、 傳統(tǒng)控制策略的控制效果進(jìn)行了對(duì)比， 以驗(yàn)證光照強(qiáng)度變化情況下本文控制策略的有效性。

圖9 和圖10 分別為光照強(qiáng)度變化下的光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓和不同PVGU 的無(wú)功輸出。 由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)PVGU31和PVGU32的無(wú)功容量增大且無(wú)功電壓下垂增益增大時(shí)，PVGU31和PVGU32發(fā)出的無(wú)功也會(huì)增大，在其他PVGU 輸出無(wú)功不變的情況下， 光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓進(jìn)一步得到改善。

圖9 光照強(qiáng)度變化下的光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓Fig.9 Voltage of grid-connected point of photovoltaic power station under the change of light intensity

圖10 光照強(qiáng)度變化下的PVGU 無(wú)功輸出Fig.10 Reactive power output of PVGU under the change of light intensity

由上述仿真結(jié)果可以看出， 本文控制策略相較于傳統(tǒng)控制策略， 在不犧牲有功的情況下能夠最大限度地利用光伏電站的無(wú)功支撐能力， 具有更好的電壓支撐性能， 且能夠保證光伏電站不同PVGU 電壓調(diào)節(jié)的無(wú)功輸出不超過(guò)最大容量，從而保證光伏電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于可變下垂系數(shù)的光伏電站無(wú)功電壓控制策略。 該策略中光伏電站光伏子單元無(wú)功電壓下垂控制增益根據(jù)當(dāng)前無(wú)功容量的大小進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，該無(wú)功容量的大小取決于當(dāng)前光伏單元輸入的光照強(qiáng)度，為此，文中建立了下垂增益和光照強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系。 為提高光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓支撐能力，光照強(qiáng)度小的光伏單元因具有更多的無(wú)功容量而設(shè)置更大的下垂增益，而光照強(qiáng)度大的光伏單元?jiǎng)t設(shè)置更小的下垂增益。 最后的仿真結(jié)果表明，本文控制策略相較于傳統(tǒng)控制策略具有更好的電壓支撐性能， 在不犧牲有功的情況下最大限度地利用光伏電站的無(wú)功支撐能力，且能夠保證光伏電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。