基于光伏逆變器功率協(xié)調(diào)控制的電壓調(diào)節(jié)方法研究

何嘉興，方健，張敏

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局電力試驗(yàn)研究院，廣東 廣州 510062）

資助項(xiàng)目：分布式光伏過(guò)壓減容控制裝置（GZHKJXM20200071）。

隨著公眾對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度越來(lái)越高，光伏發(fā)電技術(shù)在許多國(guó)家得以深入應(yīng)用，推動(dòng)著光伏發(fā)電的飛速發(fā)展，同時(shí)，也對(duì)配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。在配電網(wǎng)傳統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中，主要是通過(guò)隨著不同電壓波動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器分接頭促進(jìn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓能夠滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍。然而，這種方法由于需要變壓器分接頭頻繁動(dòng)作，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，導(dǎo)致很多變壓器并不具備調(diào)節(jié)電壓的能力。隨著逆變器控制技術(shù)的深入發(fā)展，通過(guò)逆變器功率協(xié)調(diào)對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠在不增加設(shè)備成本的基礎(chǔ)上最大程度上控制配電網(wǎng)電壓，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 典型的電壓調(diào)節(jié)策略

在現(xiàn)階段分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中，一般是通過(guò)調(diào)節(jié)光伏逆變器輸出的有功功率與逆變器多余容量輸出無(wú)功功率支撐兩種方式。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中分布式并網(wǎng)系統(tǒng)通常采用雙環(huán)控制，能夠在不同的電壓狀態(tài)下對(duì)輸出的有功功率以及無(wú)功功率進(jìn)行有效調(diào)整。正常情況下，光伏逆變器的額定容量要在一定程度上大于光伏列陣所能發(fā)出的最大功率，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供無(wú)功功率支撐，在配電網(wǎng)重載與輕載時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。光伏逆變器的無(wú)功控制主要分為隨電壓變化調(diào)整無(wú)功功率輸出的Q(U)控制策略與隨逆變器輸出功率變化調(diào)整無(wú)功功率輸出的Q(P)控制策略。

Q(U)控制策略如圖1所示，逆變器的無(wú)功輸出功率隨著電壓的變化而變化，當(dāng)并入節(jié)點(diǎn)電壓幅值U＞Um,min時(shí)，逆變器通過(guò)吸收無(wú)功功率進(jìn)行對(duì)電壓的調(diào)整，同時(shí)，吸收的無(wú)功功率隨著電壓的升高而增加。當(dāng)并入節(jié)點(diǎn)電壓幅值U>Um,max時(shí)，光伏逆變器能夠最大程度上吸收無(wú)功功率以降低節(jié)點(diǎn)電壓。

圖1 控制策略

Q(U)控制策略具有較高的有效性，在控制過(guò)程中能夠有效地根據(jù)電壓的變化對(duì)輸出的無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)整，消除了其他因素對(duì)無(wú)功功率輸出的影響。然而，這種控制策略存在一定的局限性，在配電網(wǎng)整個(gè)線路中，不同光伏電源并入點(diǎn)電壓存在一定的差異。通常情況下，在靠近變壓器節(jié)點(diǎn)位置的電壓幅值沒(méi)有超出限值，線路首端與末端的逆變器輸出無(wú)功功率存在一定的不同，靠近變壓器端口的逆變器無(wú)法充分參與無(wú)功輸出，無(wú)功支撐能力利用不充分，難以最大程度上發(fā)揮出光伏逆變器的作用。

Q(P)控制策略如圖2所示，逆變器的無(wú)功輸出功率隨有功功率的變化而變化，當(dāng)有功功率P＜Pm,1時(shí)，逆變器不輸出無(wú)功功率，當(dāng)有功功率P＞Pm,1時(shí)，逆變器開(kāi)始輸出無(wú)功功率，當(dāng)P＞Pm,2時(shí)，逆變器開(kāi)始最大程度上吸收無(wú)功功率。

Q(P)控制策略在電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中，能夠最大程度上發(fā)揮出逆變器的作用，在不同節(jié)點(diǎn)的逆變器都能夠參與無(wú)功調(diào)節(jié)，能夠有效調(diào)節(jié)光伏發(fā)電高峰功率與負(fù)載使用功率時(shí)間差異所產(chǎn)生的地有功倒送而產(chǎn)生的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，但是，當(dāng)光伏發(fā)生高峰與負(fù)載使用高峰時(shí)間一致（Ppv＜Pload）時(shí)，此時(shí)，并未出現(xiàn)過(guò)電壓，然而，逆變器仍然會(huì)持續(xù)工作降低電壓，導(dǎo)致線路損耗不斷增加。此外，低壓配電網(wǎng)較之高壓配電網(wǎng)X/R更低，無(wú)功控制無(wú)法有效地對(duì)配電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，逆變器容量無(wú)法滿足高有功功率輸出時(shí)段的需求，導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)難以符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)范圍，在這種情形下，調(diào)整過(guò)電壓的方法一般是APC方式。然而，APC方式本質(zhì)上是采用棄光行為來(lái)保障電壓符合正常標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致光伏能源無(wú)法得以充分利用。

2 基于功率協(xié)調(diào)控制的電壓調(diào)節(jié)方法

Q(U)、Q(P)以及APC控制策略對(duì)電壓的調(diào)節(jié)存在一定的局限性，不同并入節(jié)點(diǎn)的逆變器缺乏通信，難以適應(yīng)多點(diǎn)電壓之間的協(xié)調(diào)控制。因此，本文借助集中控制理念協(xié)調(diào)各個(gè)分布光伏電源，在保障每個(gè)逆變器能夠發(fā)揮電壓調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)上減少線路損耗，提升逆變器以及光伏能源的利用率。本文逆變器功率協(xié)調(diào)控制采取集中控制方式，控制結(jié)構(gòu)采用點(diǎn)對(duì)多的模式，即一個(gè)中央控制器通過(guò)通信鏈路連接多個(gè)底層控制器，各個(gè)底層控制器按照中央控制器發(fā)出的指令進(jìn)行動(dòng)作，整體流程如圖3所示。每個(gè)光伏并網(wǎng)逆變器將節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)通過(guò)通信鏈路上傳到中央處理器，然后，由中央處理器對(duì)所接收的電壓信號(hào)進(jìn)行判定，如果低于設(shè)定的限定值則Ualert不進(jìn)行任何操作；如果過(guò)于限定值，則Ualert根據(jù)控制方法計(jì)算功率分配至，下發(fā)到底層控制器，促使逆變器接受并執(zhí)行指令進(jìn)行動(dòng)作。為了將逆變器的功率進(jìn)行協(xié)調(diào)分配，將電壓符合規(guī)定范圍問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題，可以建立含有非線性約束條件的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，逆變器需要將電壓調(diào)整到規(guī)定電壓標(biāo)準(zhǔn)范圍的同時(shí)，還需要最大程度上降低無(wú)功功率總量，避免資源浪費(fèi)。因此，在無(wú)功功率總量最低并且不需要縮減有功功率時(shí)，Pi,curt為0，需要縮減有功功率時(shí)，Pi,curt最大程度上取最小值，在目標(biāo)函數(shù)中增加一項(xiàng)系數(shù)較大的ωPi,curt，最終目標(biāo)函數(shù)定義為：

圖3 基于有功無(wú)功協(xié)調(diào)控制的電壓調(diào)節(jié)方法流程圖

充分結(jié)合實(shí)際情況，約束條件定義如下：

（1）逆變器容量約束

逆變器額定容量是光伏電源輸出有功功率與無(wú)功功率的基礎(chǔ)，Pi,pv是第i個(gè)光伏電源按照最大功率跟蹤所輸出的有功功率，Pi,curt是第i個(gè)光伏電源輸出有功功率縮減量，Qi,pv是第i個(gè)光伏電源所吸收的無(wú)功功率，Si是第i個(gè)光伏逆變器的額定容量。

（2）光伏電源有功功率約束

Pi,curt取值范圍為非負(fù)數(shù)，并且小于有功功率Pi,pv，同時(shí)小于最大功率Pi,max。

（3）節(jié)點(diǎn)潮流約束

式中，Pi是節(jié)點(diǎn)i的有功功率，Qi是節(jié)點(diǎn)i的無(wú)功功率，Ui是節(jié)點(diǎn)i的電壓增幅，δi是節(jié)點(diǎn)i的相角，Gij和Bij是支路ij的線路參數(shù)。

（4）節(jié)點(diǎn)電壓約束

光伏并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓限定范圍需要在Umin與Umax之間。

本文使用復(fù)合形算法在滿足約束條件的可行域內(nèi)求目標(biāo)函數(shù)最小的Pi,curt與Qi,pv，復(fù)合形算法是一種較為適合解決有約束優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)算法，在變量維度較小時(shí)具有尋優(yōu)速度快和可靠性高的特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)低電壓配電網(wǎng)中并入大量光伏電源的情況，提出了基于光伏逆變器功率協(xié)調(diào)控制的電壓調(diào)節(jié)方法，通過(guò)分析比較典型的Q(U)、Q(P)電壓調(diào)節(jié)策略，有機(jī)結(jié)合APC控制方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每個(gè)逆變器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，還能最大程度上減小有功功率縮減量與吸收無(wú)功功率，降低棄光量與線路損耗。