郝曉光,呂 游,李劍鋒
(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021;2.華北電力大學,河北 保定 102206)
光伏發(fā)電技術從小型離網系統(tǒng)發(fā)展為大型并網系統(tǒng),給系統(tǒng)帶來了電壓超限、功率倒掛、網損增大等影響[1],[2]。因此,對光伏并網的網源協(xié)調控制方法進行研究具有一定的實際意義。
國內學者對新能源接入后的網源協(xié)調技術進行了研究。文獻[3]研究了用于分布式新能源接入區(qū)域電網的網源協(xié)調技術,闡述了新能源接入區(qū)域網源協(xié)調技術研究的難點和主要內容,分析了潮流計算的統(tǒng)一計算方法、分布式電源輸出的隨機特性、負載的靜態(tài)特性等。文獻[4]提出了一種光儲接入的網源協(xié)調規(guī)劃方法,以光伏、儲能和電網作為市場環(huán)境下三方的博弈關系,建立了光儲網源協(xié)調規(guī)劃模型,并通過仿真驗證了該模型的實用性。文獻[5]提出了一種考慮能源互連的城市電網多能源聯(lián)合調度方法,給出了一種用于輸配電網絡的多能源垂直交互調度模式;考慮到內部設備的運行約束和網絡的安全約束,給出了大型的、間歇性的火力發(fā)電日前綜合協(xié)調調度模型。文獻[6]提出了一種資源感知的協(xié)調網絡分區(qū)模型,該模型分為兩層:上層模型旨在最小化一年的總成本,對分布式發(fā)電的網絡結構、訪問位置和容量進行優(yōu)化;下層集群分區(qū)模型基于綜合性能指標對上層的規(guī)劃結果進行集群,并使用改進的混合算法進行求解。然而,上述研究并未對各主體間的運行策略進行研究,造成電網連接容量大和投資浪費,存在一定的局限性,有待完善與提高。
基于此,本文提出了一種將變壓器有載調壓開關和光伏逆變器相結合的網源協(xié)調控制方法。根據靈敏度信息劃分不同的控制域,對光伏和有載調壓開關進行協(xié)調實現調壓。通過仿真,驗證了網源協(xié)調控制方法的優(yōu)越性。
傳統(tǒng)的網源管理模型存在諸如對底層設備的感知不足、通信能力不足、缺乏協(xié)作等問題[7]。電力物聯(lián)網的提出促進了網源協(xié)調管理的發(fā)展。如圖1所示,根據網源協(xié)調管理系統(tǒng)的特點,本文構建了設備感知層、數據傳輸層和業(yè)務應用層的網源協(xié)調管理系統(tǒng)框架。
業(yè)務應用層對采集到的數據信息進行挖掘和處理,實現故障診斷、數據分析等功能[8];通過數據傳輸層將采集數據傳輸到業(yè)務應用層,實現不同功能的開發(fā)[9];設備感知層具有許多測量點,分布范圍廣,源端數據包括位置和狀態(tài)反饋等開關信號,以及溫度和壓力等模擬信號。
光伏系統(tǒng)接入電網后,使配電網的潮流分布發(fā)生變化,有載調壓開關和就地無功補償不在是最優(yōu)的調壓方式[10]。因此,本文提出了一種將有載調壓開關和光伏逆變器相結合的網源協(xié)調控制方法,以提高系統(tǒng)的能效。
根據光伏和有載調壓開關對配電網電壓的影響情況,劃分電壓控制范圍(Voltage Control Range,VCR)。在VCR內電壓控制效果較好,在VCR外電壓控制效果不足。合理的控制區(qū)域是實現網源協(xié)調控制的關鍵。
(1)配電網電壓靈敏度
在電力系統(tǒng)中,功率與母線電壓和相角的關系分別為[11]
式中:ΔP,ΔQ,ΔV,Δδ分別為光伏注入節(jié)點的有功、無功、電壓、相角的變化量;J為雅可比矩陣。
由式(2)可知,電壓幅值和相角為狀態(tài)變量,隨光伏注入功率而變化。這里將J的逆矩陣定義為電壓靈敏度矩陣[12]:
式中:[?V/?P]和[?V/?Q]分別為電壓-有功和電壓無功靈敏度矩陣,每個子矩陣都是(n-1)×(n-1)階,n為節(jié)點數。
對于光伏接入母線j的有功和無功擾動ΔPPVj,ΔQPVj,各節(jié)點的電壓變化ΔVi為[13]
式中:i為節(jié)點編號,i=1,2,…,n;ΔVi,[?Vi/?Pj],[?Vi/?Qj]均為(n-1)階矩陣。
由式(4)可知,當光伏功率固定時,電壓靈敏度越高,對電壓的支撐越強;相反,支撐越弱[14]。
(2)光伏電壓控制域
文中的光伏無功功率輸出控制主要用于調節(jié)電壓,將控制明顯的節(jié)點劃分為同一VCR。各PV輸出的無功功率變化ΔQPV為[15]
式中:Qmax為光伏發(fā)電產生或吸收的最大無功功率;Qd為當前產生的無功功率。
通常認為光伏無功功率為正,吸收的無功功率為負,ΔQPV根據光伏實時數據計算[16]。
劃分光伏VCR的過程如下:加強光伏輸出的無功,使每個光伏輸出的ΔQPV相等,并且每個節(jié)點的電壓變化可通過式(4)獲得;設置判斷閾值ΔVth,可以更直觀地對光伏VCR進行分類,如果ΔVi>ΔVth,則將節(jié)點i劃分為光伏VCR,這意味著該節(jié)點i受到光伏的控制強,否則,認為節(jié)點受到有載分壓開關的控制強;比較每個節(jié)點的大小,ΔQPV對ΔVi影響最大,將該節(jié)點i劃分為光伏VCR,初步劃分光伏VCR[17]。
(3)有載調壓開關電壓控制域
為了使有載調壓開關參與配電網的電壓調節(jié)時具有清晰的電壓控制效果,并盡可能減少操作次數,不僅為光伏劃分VCR,有載調壓開關也需要劃分VCR。通過比較控制域邊界兩側節(jié)點電壓的影響,可以準確地劃分光伏和有載調壓開關的各個控制范圍[18]。
以雙光伏配電網為例,將VCR電壓控制域劃分為雙光伏控制域,如VCR1和VCR2。通過以下兩種方法調節(jié)VCR1邊界電壓:①僅調整光伏1的無功功率;②僅調整VCR1的檔位。通過分析兩種方法對有載調壓開關邊界兩側節(jié)點電壓的影響,對VCR1的合理性進行判斷。VCR2同VCR1一樣,最后確定光伏1、光伏2和有載調壓開關的電壓控制區(qū)域。
劃分步驟如下:
①根據潮流計算獲得J,對J-1進行實時更新[19];
②根據式(4)計算ΔVi,并與ΔVth進行比較,初步劃分多個光伏控制區(qū)域;
③在每個光伏控制域中,將光伏和有載調壓開關的電壓可調性與光伏控制域邊界兩側的節(jié)點進行比較,更改光伏控制域;
④對剩下節(jié)點的控制域進行劃分,實時調整電壓控制域。
通過適當地調節(jié)多個光伏和有載調電開關,可以提高光伏的利用效率和有載調壓開關的壽命。圖2所示為順序控制策略的流程圖。
圖2 順序控制策略流程Fig.2 Sequence control strategy flow chart
①如果光伏控制域的節(jié)點電壓超過限制,則所有調壓設備應按以下順序操作。
步驟1:控制域內的光伏工作。
步驟2:節(jié)點電壓合格,結束;節(jié)點電壓不合格,執(zhí)行非控制域中相應的從高到低的光伏動作。
步驟3:所有光伏操作均已完成,節(jié)點電壓合格,結束;節(jié)點電壓仍不合格時,調整有載調壓開關到一檔,重置所有光伏動作,返回步驟1。
②當有載調壓開關的控制區(qū)域中的節(jié)點電壓超過限值時,所有電壓調節(jié)裝置將按以下順序操作。
步驟1:將有載調壓開關調整到一檔。
步驟2:節(jié)點電壓不合格,則相應按ΔVi從高到低的光伏依次動作;合格,結束[20]。
步驟3:所有光伏動作均已完成,節(jié)點電壓合格,結束;節(jié)點電壓仍不合格,調整有載調壓開關到一檔,重置所有光伏動作并返回步驟2;檢測到節(jié)點電壓合格,結束。
為了驗證優(yōu)化方法的優(yōu)越性,采用PG&E69典型的配電系統(tǒng)進行仿真測試,如圖3所示。在仿真模型中,外部電網電壓為66 kV,有載調壓變壓器串聯(lián)在節(jié)點0-1之間,檔位為±4×2.5%。在節(jié)點27和54各接入一個光伏系統(tǒng),光伏Qmax=±1.5 Mvar。
圖3 PG&E69節(jié)點系統(tǒng)Fig.3 PG&E69 node system
光伏電壓控制域可以對該范圍的節(jié)點電壓進行有效調節(jié),但是對其他節(jié)點的支持效果不足。當節(jié)點的電壓偏差太大時,可以準確判斷需要動作的光伏進行電壓調節(jié)。為了使電壓控制區(qū)域更清晰,將各節(jié)點上負荷等比例增加1.5倍,并分別提高PV27和PV54輸出的無功功率,使二者的無功增量相同。
將決策閾值設置為0.023 p.u.,以方便每個光伏VCR的劃分??刂朴虻膭澐纸Y果如表1所示。
表1 控制域劃分結果Table 1 Control domain partition results
為了對劃分控制域進行驗證,將某些節(jié)點的電壓降低到正常工作范圍以下。比較以下3種電壓調節(jié)裝置的效果:調節(jié)有載調壓開關的位置;調節(jié)光伏27的無功;調節(jié)光伏54的無功。
情況1:有載調壓開關控制域增加負載引起的節(jié)點電壓低于下限。增加節(jié)點28~35和59~69負載,節(jié)點65~69嚴重欠壓。圖4為使用各種電壓調節(jié)裝置獲得的電壓分布曲線,具體參數見表2。
圖4 節(jié)點電壓1分布Fig.4 Node voltage distribution 1
表2 節(jié)點電壓1具體參數Table 2 Node voltage 1 specific parameters
仿真結果表明,針對VCR1的負載增加所引起的電壓下限,VCR1不在光伏27和光伏54的控制范圍內,輸出無功功率不利于調節(jié)VCR1的節(jié)點電壓。通過有載調壓開關位置的調節(jié),調壓效果明顯,與光伏27和光伏54相比,有載調壓開關的最小、最大和平均電壓都接近1,各節(jié)點處的電壓波動較小,電壓分布更加均勻。
情況2:光伏27控制域中增加負載引起的節(jié)點電壓低于下限。增加節(jié)點13~27負載,15~27節(jié)點嚴重欠壓。圖5為使用各種電壓調節(jié)裝置獲得的電壓分布曲線,具體參數見表3。
表3 節(jié)點電壓2具體參數Table 3 Node voltage 2 specific parameters
圖5 節(jié)點電壓2分布Fig.5 Node voltage distribution 2
仿真結果表明,針對VCR2負載增加導致的電壓下限,通過調節(jié)光伏27的輸出無功功率和有載調壓開關的位置,VCR2的節(jié)點電壓會顯著增加。與調節(jié)光伏54和有載調壓開關相比,光伏27的電壓方差最低,電壓分配更加平衡合理,有助于配電網穩(wěn)定運行。
為了對上述協(xié)調方法進行驗證,以典型日為例,在PG&E69節(jié)點系統(tǒng)模型中引入負荷消耗和光伏輸出曲線,如圖6所示。節(jié)點上的總負載為2~6 MW。光伏輸出時間為8:00-18:00,在13:00達到高峰,總功率為2 MW。
圖6 負荷消耗和光伏輸出曲線Fig.6 Load consumption and PV output curve
圖7所示為電壓調整前典型日的電壓曲線。在大多數情況下,節(jié)點的最小電壓超過下限,可以看出這些節(jié)點都分布在VCR3中。
圖7 調壓前日電壓曲線Fig.7 Before voltage regulation daily voltage curve
如果有載調壓開關處于三檔,則在所有光伏發(fā)出無功之后,某些節(jié)點仍超過下限。根據圖2中的協(xié)調控制策略,將有載調壓開關提前調整到二檔,然后根據超出下限的節(jié)點電壓控制域調節(jié)相應的光伏輸出無功功率。圖8所示為電壓調整后的典型日電壓曲線。
圖8 調壓后日電壓曲線Fig.8 After voltage regulation daily voltage curve
從圖8中可以看到,電壓調整后1 d中節(jié)點的最大和最小電壓均沒有超過限制。由于光伏不限操作次數,因此可以通過靈活地調整光伏輸出無功來減小電壓波動的幅度。圖9所示為各調壓設備的動作情況。
圖9 調壓設備動作情況Fig.9 Voltage regulating equipment movement
在15:00-22:00,有載調壓開關的檔位調整到一檔,其余時間調整到二檔。光伏54一直在輸出無功,光伏27在13:00,15:00-17:00,19:00-22:00輸出無功。此示例光伏僅具有兩個控制狀態(tài):輸出無功和不輸出無功。實際應用中光伏的無功輸出可以連續(xù)調節(jié),典型日電壓調節(jié)后曲線會變得更加平滑。
綜上所述,網源協(xié)調控制方法實現了精確的電壓調節(jié),確保整個配電網電壓的穩(wěn)定和安全,同時,延長了有載調壓開關的使用壽命。
本文提出了一種將變壓器有載調壓開關和光伏逆變器相結合的網源協(xié)調控制方法。根據靈敏度信息劃分不同的控制域,對光伏和有載調壓開關進行協(xié)調實現調壓。仿真結果表明,該控制策略最大程度地提高了光伏逆變器的無功裕度,實現了精確的電壓調節(jié)。