光伏高滲透率下低壓配電網(wǎng)電壓管理策略研究

鄭發(fā)松， 秦嶺， 王乃進(jìn)， 榮新瑞， 羅遠(yuǎn)國， 榮娜

(1.國家電投貴州金元威寧能源股份有限公司，貴州 畢節(jié) 550081；2.國家電投貴州金元股份有限公司，貴州 貴陽 550025；3.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司安順供電局, 貴州 安順 561000；4.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

光伏發(fā)電作為解決環(huán)境問題的有效手段之一，近年來不斷發(fā)展中。光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)在一定程度上能減少線損，但同時(shí)也可能使潮流逆流，進(jìn)而造成電壓不穩(wěn)等問題。因此，光伏滲透率較高的低壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中系統(tǒng)電壓的管理就顯得尤為重要[1]。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，有學(xué)者提出了含光伏發(fā)電的配電網(wǎng)電壓管理方法，其中，最直接的方法為電網(wǎng)改造[2]，但這種方法不夠經(jīng)濟(jì)。文獻(xiàn)[3]討論了如何協(xié)調(diào)控制變壓器有載分接頭和分布式電源，但根據(jù)文獻(xiàn)[4]，調(diào)整變壓器有載分接頭一般不能成為分布式電源電壓的主要調(diào)節(jié)方式。根據(jù)逆變器的無功功率控制能力，有文獻(xiàn)提出了含分布式電源的配電網(wǎng)電壓管理方法[5]。目前，逆變器無功控制方法包括Q(U)控制、PF(P)控制和PF(U)控制，有功控制方法主要有P(U)控制。為最大化利用光伏板效率，一般根據(jù)需要控制無功出力而盡量使有功出力最大。為抑制由于逆向潮流導(dǎo)致的過電壓，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于動(dòng)態(tài)戴維南等效的有功功率極限預(yù)測的有功削減方法，然而這種方法的有效性和準(zhǔn)確性極其依賴戴維南等效方法的參數(shù)。

因此，本文結(jié)合光伏逆變器有功和無功控制的優(yōu)點(diǎn)，研究了一種基于Q(V)&P(V)控制的低壓配電網(wǎng)電壓管理策略。案例分析在一個(gè)低壓配電饋線中展開，借助DIgSILENT的編程語言DPL，驗(yàn)證了該策略的有效性。

1 光伏逆變器Q(V)&P(V)控制

本文研究了一種Q(V)&P(V)控制的光伏逆變器本地混合控制器，原理如圖1所示。Q(V)&P(V)控制分為兩個(gè)部分，圖1(a)為Q(V)控制，橫坐標(biāo)為電壓，縱坐標(biāo)為光伏逆變器無功功率；圖1(b)為P(V)控制，橫坐標(biāo)為電壓，縱坐標(biāo)為光伏逆變器有功功率。Q(V) &P(V)控制解析式如式(1)所示。

圖1 Q(V)&P(V)控制原理

(1)

式中：PPV為光伏逆變器的有功出力計(jì)算值；QPV光伏逆變器的無功補(bǔ)償計(jì)算值；Qmax和Qmin分別為光伏逆變器的最大感性無功功率和最大容性無功功率；U為低壓系統(tǒng)實(shí)際電壓；U1和U2分別為低壓系統(tǒng)允許電壓的下限和Q(V)控制的電壓上限；Udblow和Udbup分別為Q(V)控制的電壓死區(qū)下限和上限；Pmin為光伏逆變器允許的有功削減下限；PPV0為光伏逆變器的實(shí)際有功出力；U3為低壓系統(tǒng)允許的電壓上限。

2 基于Q(V) & P(V)的光伏逆變器控制策略

本文研究的控制算法過程如圖2所示。在DIgSILENT中建立如圖2所示的低壓網(wǎng)絡(luò)模型，利用DIgSILENT DPL自定義語言編寫控制流程腳本。每隔5 min執(zhí)行一次潮流計(jì)算，模擬準(zhǔn)動(dòng)態(tài)仿真，監(jiān)視每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)電壓，判斷每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓范圍。如果電壓在允許范圍內(nèi)，則本地混合控制器不動(dòng)作，否則啟動(dòng)光伏逆變器中通過DPL預(yù)先自定義的本地混合控制器，調(diào)節(jié)該節(jié)點(diǎn)電壓。若部分節(jié)點(diǎn)的電壓依然達(dá)不到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)允許的電壓范圍，則啟動(dòng)低壓配電變壓器的有載分接頭，再次進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

圖2 控制算法過程

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)

本文使用一個(gè)三相四線制低壓輻射型居民低壓配電網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示[7]。該系統(tǒng)有10個(gè)節(jié)點(diǎn)共74戶居民，并且每戶均安裝有單相光伏，通過一臺(tái)變比為20 kV/0.4 kV、容量為0.5 MVA的配電變壓器供電，連接方式為Dyn11，uK=uK0=6%，銅耗為6 kW，空載損耗為1.4 kW。表1為系統(tǒng)中各用戶巔峰負(fù)荷分布，其中巔峰負(fù)荷為1 kV·A的用戶居多，共35個(gè)，占所有用戶數(shù)的47.3%。本文控制策略中，光伏逆變器功率因數(shù)在±0.95范圍內(nèi)可調(diào)。為了簡化分析，光伏數(shù)據(jù)[8]和負(fù)荷數(shù)據(jù)[9]僅選取具有代表性的7月份的數(shù)據(jù)。

圖3 算例系統(tǒng)

表1 系統(tǒng)中負(fù)荷分布

3.2 逆變器本地控制器之間的對(duì)比驗(yàn)證

1) 電壓對(duì)比

在光伏逆變器配置不同本地控制器下，用7月份數(shù)據(jù)分別進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)仿真，得到如圖4所示的電壓分布圖。從圖4可以看出，在所有控制器控制下，7月份節(jié)點(diǎn)68電壓均在0.90～1.10之間。但是，在cosphi(P)、Q(P)、Q(V)和PQ控制下，節(jié)點(diǎn)68的電壓均出現(xiàn)了超出1.10的情況，只有恒電壓控制和本文研究的Q(V) &P(V)控制下節(jié)點(diǎn)電壓未出現(xiàn)越限。在constV控制下，節(jié)點(diǎn)電壓基本維持在1.00附近，最為符合電壓調(diào)節(jié)目的，但constV控制通過控制無功達(dá)到電壓控制的目的，需要大量的無功作為支撐，對(duì)用戶而言，考慮到成本問題，不宜增加過多的無功裝置。綜合比較，本文研究的Q(V) &P(V)控制在達(dá)到電壓調(diào)節(jié)目的的同時(shí)也符合實(shí)際需求。

圖4 不同控制方法下節(jié)點(diǎn)68電壓

2) 系統(tǒng)損耗對(duì)比

表2為不同控制方法下系統(tǒng)月?lián)p耗及其占光伏發(fā)電系統(tǒng)月有功損耗的比例。從表2可以看出，在不同逆變器本地控制器控制下，系統(tǒng)月有功損耗占光伏發(fā)電系統(tǒng)月有功出力的比例均在6%以內(nèi)，其中cosphi(P)、Q(P)和Q(V)、PQ和Q(V)&P(V)5種本地控制器控制下系統(tǒng)損耗相對(duì)較小，占光伏發(fā)電量的比例均在1%以內(nèi)。而constV控制下，系統(tǒng)損耗相對(duì)最大，達(dá)5.91%，這其中最主要的原因是使用這種控制器時(shí)，系統(tǒng)中傳輸?shù)臒o功功率急劇增加，進(jìn)而造成線路上的有功損耗增加。光伏逆變器配置本文所研究的Q(V) &P(V)控制器后，系統(tǒng)月有功損耗為2 032 kW，占光伏發(fā)電有功出力的0.53%。在所列控制器中，本文研究的混合控制系統(tǒng)損耗最小，比cosphi(P)控制損耗少22.26%，比Q(P)控制少44.46%，比Q(V)控制少31.44%，比constV控制少90.99%。

表2 不同控制方法下系統(tǒng)有功損耗

4 結(jié)束語

本文研究了一種基于Q(V) &P(V)控制的電壓管理策略。借助DIgSILENT軟件，通過一個(gè)含74個(gè)用戶的低壓配電系統(tǒng)，驗(yàn)證了該策略的有效性，得到以下結(jié)論：

(1) cosphi(P)、Q(P)、Q(V)和constV四種逆變器的本地控制器對(duì)電壓的控制都有一定的效果，但是除了constV控制器外，其他三種本地控制器都不能將系統(tǒng)電壓控制在允許范圍內(nèi)，但constV的最大缺點(diǎn)是無功補(bǔ)償量巨大，現(xiàn)實(shí)中難以匹配。

(2) 相比于所列的逆變器本地控制器，本文研究的電壓管理策略能夠有效地將光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制在合理范圍內(nèi)。另外，該控制策略能有效減少系統(tǒng)損耗。