基于電壓調(diào)節(jié)器和多光伏系統(tǒng)的配電網(wǎng)電壓管理

潘紅武， 趙靜， 李凡， 詹銳烽， 楊宇， 王力成

(1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000；2.湖州電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 湖州 313000； 3. 浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

0 引 言

光伏發(fā)電與周圍環(huán)境密切相關(guān)，由于云的快速移動，光伏輸出功率在短期內(nèi)可能會呈現(xiàn)出較大的波動[1]。因此，在高光伏滲透率的配電網(wǎng)中，往往會存在電壓問題(例如低電壓，過電壓和大電壓波動)以及步進(jìn)電壓調(diào)節(jié)器(SVR)頻繁動作問題。

為解決上述問題，通過優(yōu)化技術(shù)將無功控制方法應(yīng)用于電壓調(diào)節(jié)中是一種常用的解決方案。文獻(xiàn)[2-3]通過協(xié)調(diào)不同的電壓調(diào)節(jié)設(shè)備以達(dá)到電壓控制與降低網(wǎng)絡(luò)損耗的目的。文獻(xiàn)[4]通過分布式控制方法將優(yōu)化問題分解。上述優(yōu)化方法大多是基于實(shí)時(shí)或預(yù)測信息來實(shí)現(xiàn)的，然而這些數(shù)據(jù)的精確性在配電網(wǎng)中難以得到保證。

另一種可行的方案是將無功控制方法與電壓調(diào)節(jié)設(shè)備相結(jié)合來管理電壓。文獻(xiàn)[5]提出了一種風(fēng)電與有載調(diào)壓變壓器協(xié)調(diào)管理電壓的方法，優(yōu)先考慮通過風(fēng)電廠提供的無功補(bǔ)償來管理電壓。文獻(xiàn)[6]提出了一種儲能系統(tǒng)與有載調(diào)壓變壓器的協(xié)調(diào)方案，儲能系統(tǒng)的使用可以有效減少變壓器分接頭的操作次數(shù)。

傳統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)設(shè)備一般適用于長時(shí)間尺度的電壓控制。為此，本文提出了一種新型的無功補(bǔ)償方法，當(dāng)系統(tǒng)電壓緩慢變化時(shí)，可通過移動SVR將電壓控制在合適的范圍內(nèi)，此時(shí)逆變器的無功輸出僅需緩解由光伏發(fā)電引起的電壓波動即可。在此基礎(chǔ)上提出一種基于一致性算法的全局協(xié)調(diào)方案，用于減小逆變器之間的無功負(fù)擔(dān)差異。

本文所提方法其優(yōu)勢主要集中于：①可以顯著減小光伏逆變器的無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)，因此可延長逆變器的設(shè)備使用壽命；②可以減少逆變器的容量和投資成本；③由于無功功率注入更少，可減小網(wǎng)絡(luò)損耗；④結(jié)合本地和全局方案，可以平衡逆變器的響應(yīng)速度和無功補(bǔ)償差異。這項(xiàng)研究對于未來的分布式光伏系統(tǒng)的無功補(bǔ)償研究具有重要的借鑒意義。

1 基于實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償?shù)谋镜仉妷嚎刂?/h2>

1.1 本地?zé)o功補(bǔ)償方法

傳統(tǒng)基于下垂曲線的無功控制方法在電壓管理中效果顯著，能夠快速響應(yīng)光伏功率的波動。若將下垂曲線應(yīng)用于光伏逆變器中，則逆變器需全天吸收無功功率以防止電壓越限。在該情況下，逆變器壽命短，維護(hù)成本高。此外，吸收大量的無功功率意味著饋線中會產(chǎn)生更大的功率流，引起饋線損耗的增加。

對此，本文提出了一種新型的本地?zé)o功補(bǔ)償方法，即SVR參與電壓調(diào)節(jié)，光伏逆變器僅需補(bǔ)償由光伏功率波動引起的過電壓變化。如圖1所示，若本地光伏功率偏差的絕對值超過預(yù)定義的限值ΔPlim,i，則逆變器將進(jìn)行比例無功補(bǔ)償以減小電壓波動；否則，執(zhí)行無功回退方案以減輕逆變器的無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)。因此，在t+Δt時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i處光伏逆變器吸收的無功功率QPV,i(t+Δt)可表示為：

圖1 本地電壓控制

QPV,i(t+Δt)=QPV,i(t)+ΔQpro,i(t+Δt)+ΔQre,i(t+Δt)

(1)

式中：ΔQpro,i(t+Δt)和ΔQre,i(t+Δt)分別為在t+Δt時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i處比例無功補(bǔ)償和無功回退方案下逆變器的無功功率變化;Δt為兩次連續(xù)測量的時(shí)間間隔。

1.2 比例無功補(bǔ)償

當(dāng)節(jié)點(diǎn)i兩個(gè)連續(xù)時(shí)刻光伏出力的差值|ΔPPV,i|超過了預(yù)定義的閾值ΔPlim,i時(shí)，比例無功補(bǔ)償將應(yīng)用于光伏逆變器，表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

式中：λ為無功補(bǔ)償?shù)谋壤齾?shù)。節(jié)點(diǎn)i預(yù)定義的閾值ΔPlim,i可表示為：

ΔPlim,i=βPrated,i

(3)

式中：Prated,i為節(jié)點(diǎn)i處光伏逆變器的額定容量；β為參數(shù)，用于調(diào)整預(yù)定義的閾值ΔPlim,i。β的值應(yīng)在最壞的情況下進(jìn)行測量，即當(dāng)光伏逆變器以ΔPlim,i/Δt的速度增加或減少時(shí)，其光伏出力不會引起過大的電壓變化。

1.3 無功回退方案

當(dāng)光伏出力波動|ΔPPV,i|小于預(yù)定義的閾值ΔPlim,i時(shí)，無功回退方案將應(yīng)用于光伏逆變器。此時(shí)，逆變器產(chǎn)生的無功功率將逐漸減小到零，而不引起明顯的電壓變化。無功回退方案中無功功率的變化如式(4)所示。

(4)

式中：ΔQr,i為節(jié)點(diǎn)i處無功功率回退的步長。為了避免無功回退方案引起過電壓事件，ΔQr,i的步長應(yīng)滿足：

(5)

即

(6)

(7)

而ΔQr,i可以表示為：

ΔQr,i=αΔQmax,i

(8)

式中：α為用于調(diào)節(jié)無功功率回退速度的比例參數(shù)，其值由配網(wǎng)運(yùn)營商決定。

2 基于無功再分配的分布式全局電壓控制

由于快速移動的云層僅能覆蓋大型配電系統(tǒng)中部分分布式光伏面板，對于云層覆蓋的光伏系統(tǒng)，逆變器需投入大量的無功以補(bǔ)償因光伏出力波動而引起的電壓變化。而對于其他不受影響的光伏系統(tǒng)，逆變器則無法提供無功功率支持。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于協(xié)調(diào)逆變器共同參與電壓管理的全局電壓控制方案。在該全局方案中，逆變器重新分配無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)來減小逆變器之間的無功補(bǔ)償差異。

2.1 結(jié)合本地和全局的控制方案

圖2為本地和全局方案的時(shí)間軸。本地?zé)o功控制方法用于實(shí)時(shí)補(bǔ)償本地光伏功率變化，全局方案可通過一定的時(shí)間間隔(基于通信延遲時(shí)間)在逆變器之間重新分配無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)。

圖2 本地和全局方案的時(shí)間軸

在t時(shí)刻對各光伏逆變器的無功補(bǔ)償量進(jìn)行測量，并在逆變器之間傳遞該通信信息?？紤]到通信延遲時(shí)間ΔT，節(jié)點(diǎn)i可根據(jù)t時(shí)刻的測量值，在t+ΔT時(shí)刻獲得無功功率再分配量ΔQglobal,i(t+ΔT)來調(diào)整本地?zé)o功功率。因此，逆變器在t+ΔT時(shí)刻產(chǎn)生的無功功率可修改為：

QPV,i(t+ΔT)=QPV,i(t+ΔT-ΔT)+ΔQglobal,i(t+ΔT)+
ΔQpro,i(t+ΔT)+ΔQre,i(t+ΔT)

(9)

式中：ΔQpro,i(t+ΔT)和ΔQre,i(t+ΔT)為本地補(bǔ)償量，分別可從式(2)和式(4)中得到。

2.2 無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)再分配

無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)再分配是基于一致性理論實(shí)現(xiàn)的，其本質(zhì)為通過本地節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)的信息交互，更新本地節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變量，無需集中的控制計(jì)算中心便可協(xié)同各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變量收斂于穩(wěn)定的一致值[7]。為充分調(diào)動用戶側(cè)光伏逆變器的潛力，本文選取光伏逆變器的無功利用率為一致性變量，旨在以逆變器容量為依據(jù)，協(xié)同各逆變器實(shí)現(xiàn)無功功率的再分配。一致性算法具體描述如式(10)、式(11)所示。

(10)

(11)

式中：l為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間有向通信鏈路的集合；Dj為節(jié)點(diǎn)j的出度；ui(t)、ci(t)為節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻的輔助變量。對于含n個(gè)逆變器(安裝在不同的節(jié)點(diǎn))的配電系統(tǒng)，其初始值u(t0)和c(t0)可設(shè)置為：

ui(t0)=QPV,i(t0)

(12)

ci(t0)=Prated,i

(13)

式中：QPV,i(t0)為在t0時(shí)刻節(jié)點(diǎn)處光伏逆變器產(chǎn)生的無功功率。

一致性算法的最終控制目標(biāo)是使所有逆變器無功利用率均收斂于穩(wěn)定的一致值，即

(14)

(15)

圖3 信息交換示意圖

(16)

式中：QPV,i(t)為由式(9)中所得本地?zé)o功功率的調(diào)整量。在t+ΔT時(shí)刻，從式(9)中獲取的QPV,i(t+ΔT)將賦值于式(10)下一次迭代的ui(t+ΔT)。

3 算例分析

本文采用如圖4所示的5.2 km的配電線路作為測試算例。節(jié)點(diǎn)3～節(jié)點(diǎn)5分別連接了三個(gè)額定容量為1.5 MW的分布式光伏系統(tǒng)。負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖5所示，分別均勻分布在節(jié)點(diǎn)3～節(jié)點(diǎn)5處。線路阻抗設(shè)置為R+jX=(0.823+j0.726)Ω，SVR延時(shí)設(shè)置為2 min。本地?zé)o功補(bǔ)償時(shí)間間隔為20 s，全局無功補(bǔ)償時(shí)間間隔為1 min。為說明本文所提方法的有效性，設(shè)置以下三種方案進(jìn)行對比：① 僅SVR控制；② 傳統(tǒng)基于下垂控制曲線的控制方法；③ 本文所提方法。

圖4 帶SVR的多個(gè)光伏系統(tǒng)

圖5 饋線1 d的總負(fù)荷曲線

3.1 本地實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償

表1對比分析了1 d內(nèi)三種控制方法下電壓波動和SVR分接頭移動次數(shù)。方案1控制下1 min相對電壓變化量>0.8%和1.3%分別為52次和11次，這違反了電壓波動標(biāo)準(zhǔn)。此外，在這1 d內(nèi)SVR分接頭移動的次數(shù)高達(dá)22次。過電壓將頻繁觸發(fā)SVR分接頭動作，從而導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短以及維護(hù)成本升高。方案2和方案3均能夠改善電壓管理性能，并減少光伏波動下頻繁SVR動作。

表1 三種方案下1 min相對電壓變化和SVR分接頭移動次數(shù)

為進(jìn)一步說明本文所提方法的優(yōu)越性，表2對比分析了方案2與方案3的無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)、線路損耗以及光伏逆變器所需的容量。方案2光伏逆變器會吸收大量無功電能(6.641 Mvar·h)以進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。因此，逆變器不得不承擔(dān)電壓調(diào)節(jié)帶來的負(fù)擔(dān)，這使其壽命縮短且需要消耗高額的維護(hù)成本。此外，無功功率注入會增加饋線電流，并產(chǎn)生更大的網(wǎng)絡(luò)損耗。本文所提方案3相較于方案2，可以節(jié)省約20%的網(wǎng)損，且可通過減小逆變器容量以節(jié)約投資成本。

表2 方案2與方案3性能對比

3.2 全局無功再分配

圖6所示為節(jié)點(diǎn)3～節(jié)點(diǎn)5處的逆變器無功功率變化曲線。初始時(shí)刻，由于節(jié)點(diǎn)5被快速移動的云層覆蓋，安裝在節(jié)點(diǎn)5處的逆變器補(bǔ)償光伏波動引起過電壓問題，此時(shí)節(jié)點(diǎn)3和4處的逆變器不提供無功功率補(bǔ)償。在2 min時(shí)，節(jié)點(diǎn)5的無功功率瞬間下降，這是因?yàn)闊o功再分配所引起的，其定量關(guān)系依賴于節(jié)點(diǎn)3～節(jié)點(diǎn)5處的無功功率在1 min前的瞬時(shí)值。與此同時(shí)，節(jié)點(diǎn)4的無功功率在2 min時(shí)瞬間增加。無功功率每分鐘進(jìn)行一次再分配，期間所有光伏逆變器均根據(jù)本地?zé)o功補(bǔ)償方案調(diào)節(jié)其無功功率。因此，全局無功協(xié)調(diào)控制方法可以平衡逆變器快速響應(yīng)本地光伏而引起的無功補(bǔ)償差異。

圖6 全局無功協(xié)調(diào)控制方法

4 結(jié)束語

本文基于SVR調(diào)節(jié)緩慢變化電壓，逆變器僅用于補(bǔ)償由劇烈光伏波動引起的電壓變化的控制策略，提出了一種本地實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償和全局無功協(xié)調(diào)相結(jié)合的控制方法。本地?zé)o功補(bǔ)償方法可減輕逆變器無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)，全局無功控制方法可協(xié)調(diào)全網(wǎng)逆變器共同參與電壓管理。與傳統(tǒng)基于下垂曲線的控制方法相比，本文所提方法可有效地降低網(wǎng)損和逆變器容量。本文研究對于分布式光伏系統(tǒng)無功補(bǔ)償具有重要的借鑒意義。