風(fēng)電/光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定及控制分析

董玉輝 梁君亮

（華電山東新能源有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

1 風(fēng)電/光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定分析

1.1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析

電壓穩(wěn)定指的是電力系統(tǒng)受擾動(dòng)后維持母線電壓在可接受范圍內(nèi)的能力，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)小擾動(dòng)時(shí)，須采用靜態(tài)模型進(jìn)行電壓穩(wěn)定分析。在風(fēng)電接入電網(wǎng)過(guò)程中，迅速增長(zhǎng)的負(fù)荷或較大的風(fēng)速波動(dòng)都將給系統(tǒng)帶來(lái)小擾動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)短期或長(zhǎng)期電壓失穩(wěn)問(wèn)題。雙饋型、永磁型發(fā)電機(jī)則能通過(guò)變流器連接電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率解耦控制，采用無(wú)功補(bǔ)償和無(wú)功潮流調(diào)整等方式穩(wěn)定電壓。針對(duì)光伏發(fā)電入網(wǎng)環(huán)節(jié)，該文將發(fā)電機(jī)組當(dāng)成是電壓源或電流源，在靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析中，將根據(jù)節(jié)點(diǎn)潮流進(jìn)行判別，精確模擬節(jié)點(diǎn)性質(zhì)。系統(tǒng)由DC-AC變換器、控制器、光伏電池列陣、電能儲(chǔ)存單元等構(gòu)成，在產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻的交流電后并網(wǎng)，此時(shí)需要依靠控制器進(jìn)行最大功率點(diǎn)、并網(wǎng)頻率等參數(shù)跟蹤控制。

1.2 動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析

由于新能源并網(wǎng)規(guī)模呈持續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)，因此需要加強(qiáng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析，以確定機(jī)組和逆變器等設(shè)備動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性給系統(tǒng)電壓穩(wěn)定帶來(lái)的影響。對(duì)于風(fēng)電入網(wǎng)期間發(fā)生的脫網(wǎng)等事故，應(yīng)主要從增加硬件裝置和改進(jìn)控制策略兩個(gè)方面改善系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。如在轉(zhuǎn)子控制上采用撬棒電路，能夠增強(qiáng)機(jī)組低電壓穿越能力。使用柔性交流系統(tǒng)和無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供無(wú)功支持。在光伏發(fā)電并網(wǎng)期間，內(nèi)部無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備配合不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償問(wèn)題。如果根據(jù)機(jī)組低電壓穿越特性進(jìn)行建模仿真分析，則可以根據(jù)故障恢復(fù)時(shí)的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)機(jī)組電壓輸出的動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 風(fēng)電入網(wǎng)電壓分層預(yù)測(cè)控制架構(gòu)

2 風(fēng)電/光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的電壓控制策略

2.1 風(fēng)電接入電網(wǎng)的電壓控制

雖然風(fēng)電機(jī)組多能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，但要求裝設(shè)的多個(gè)無(wú)功設(shè)備可以達(dá)到電壓協(xié)調(diào)控制要求，則容易出現(xiàn)電壓滯后控制的問(wèn)題。因此該文引入分層預(yù)測(cè)模型MPC進(jìn)行無(wú)功電壓控制，通過(guò)預(yù)測(cè)電壓和無(wú)功變化實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

在電壓控制過(guò)程中，考慮到風(fēng)電機(jī)組輸出電壓較低將產(chǎn)生較大的電阻和電抗比，在一個(gè)節(jié)點(diǎn)電流不為零的情況下，可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓和該點(diǎn)功力確定有功和無(wú)功電壓靈敏度系數(shù)。因此在并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，由功率波動(dòng)引發(fā)的機(jī)組和系統(tǒng)的電壓偏差ΔU與有功和無(wú)功的關(guān)系滿足式（1）。

式中：U為并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)際電壓，ΔP為有功變化，ΔQ為無(wú)功變化。

可以根據(jù)上級(jí)發(fā)送的參考電壓和有功功率預(yù)測(cè)結(jié)果估測(cè)調(diào)壓極限，達(dá)到超前控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓的目的。根據(jù)1min內(nèi)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化軌跡，與機(jī)組調(diào)壓能力相結(jié)合，并根據(jù)極限調(diào)壓曲線和調(diào)度指令可確定有功輸出曲線，實(shí)現(xiàn)電壓自適應(yīng)調(diào)節(jié)，如圖2所示。在對(duì)最大功率曲線進(jìn)行追蹤時(shí)，應(yīng)確認(rèn)t時(shí)刻是否超出指令控制周期T，超出后需要確定新的指令，對(duì)下一控制周期進(jìn)行預(yù)測(cè)，未超出則可以在t+1時(shí)刻繼續(xù)執(zhí)行指令。而參考指令超出調(diào)節(jié)范圍，判斷機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)不足，需要使調(diào)節(jié)后電壓和節(jié)點(diǎn)指令偏差達(dá)到最小值，然后在預(yù)測(cè)有功達(dá)到最大值時(shí)進(jìn)行輸出功率調(diào)整。

圖2 風(fēng)電入網(wǎng)電壓分層預(yù)測(cè)自適應(yīng)調(diào)節(jié)

機(jī)組無(wú)功輸出上限應(yīng)取參考指令和有功上限中的最大值，輸出下限則取參考指令和有功下限中的最小值。因此在有功功率發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組無(wú)功輸出也將發(fā)生變化，通過(guò)將無(wú)功調(diào)節(jié)和節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)電壓疊加，能夠獲得極限電壓調(diào)節(jié)的上限和下限。根據(jù)預(yù)測(cè)到的最大功率值，應(yīng)在無(wú)功補(bǔ)償不足的情況下進(jìn)行有功調(diào)節(jié)，處于預(yù)測(cè)有功最大值位置的電壓偏差值ΔU可以利用式（2）計(jì)算。

式中：min F為最小偏差目標(biāo)函數(shù)。

通過(guò)分析能夠確定電壓偏差值，得到需要調(diào)節(jié)的有功輸出量。在無(wú)功協(xié)調(diào)分配方面，需要先確定控制目標(biāo)，即使節(jié)點(diǎn)電壓和參考電壓偏差達(dá)到最小值，同時(shí)使靜態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備達(dá)到最大值。在k時(shí)刻，根據(jù)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓和參考指令偏差，能夠確定母線電壓和參考電壓偏差，如公式（3）所示。

式中：U為母線實(shí)際電壓；ΔP（k）和ΔQ（k）分別為k時(shí)刻的有功和無(wú)功變化。

將參考指令電壓當(dāng)成目標(biāo)，利用靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)電壓跟蹤控制，能夠避免出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的問(wèn)題。在提供足夠無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r下，可以及時(shí)響應(yīng)調(diào)節(jié)指令。但在實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)法做到向各機(jī)組等比例分配無(wú)功輸出，這將使部分機(jī)組無(wú)功輸出無(wú)法得到有效利用，對(duì)此需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，如公式（4）所示。

式中： Q為無(wú)功參考指令；Q無(wú)功補(bǔ)償需求，n為風(fēng)機(jī)數(shù)量，δ為風(fēng)機(jī)i的無(wú)功分配系數(shù)，根據(jù)其最大無(wú)功值Q，Q為全部風(fēng)機(jī)最大無(wú)功輸出。

通過(guò)合理分配能夠做到有效利用風(fēng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償性能。在實(shí)現(xiàn)MPC控制方面，為實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，可對(duì)無(wú)功電壓進(jìn)行跟蹤。對(duì)于風(fēng)電入網(wǎng)的弱連接性問(wèn)題，需要建立狀態(tài)空間模型，結(jié)合風(fēng)機(jī)特性對(duì)控制輸入和外部干擾等變量進(jìn)行離散化處理，然后進(jìn)行有功和無(wú)功輸出跟蹤。令轉(zhuǎn)子d軸和q軸電流分量分別表示有功和無(wú)功輸出，能夠得到電流輸出參考值，建立機(jī)組輸出控制目標(biāo)函數(shù)，使輸出變化達(dá)到最小，如公式（5）所示。

式中：minF為機(jī)組輸出控制目標(biāo)函數(shù)；M指的是預(yù)測(cè)時(shí)間段，y為有功輸出參考值，y（k+m|k）為k時(shí)刻、m步的有功預(yù)測(cè)控制輸出結(jié)果，y為電流輸出參考值，W和W分別為系統(tǒng)控制的輸出和輸入權(quán)重，Δu（k+m|k）為系統(tǒng)控制輸入變化。

通過(guò)實(shí)現(xiàn)分層預(yù)測(cè)控制，能夠提升風(fēng)機(jī)風(fēng)速，使有功出力漸漸達(dá)到飽和狀態(tài)。未進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)將利用靜態(tài)發(fā)生器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，如果未能滿足需求，系統(tǒng)將進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，使裕度取得理想的電壓控制效果。

2.2 光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的電壓控制

光伏發(fā)電帶有分散性，通常單點(diǎn)容量較小，需要就近接入電網(wǎng)。受負(fù)荷密度低、供電距離長(zhǎng)等多種因素的影響，在機(jī)組發(fā)電高峰時(shí)段，光伏發(fā)電可能引發(fā)電網(wǎng)潮流分布變化迅速造成沿線電壓升高，因此需要采取適當(dāng)?shù)臋C(jī)組接入方式，并做好電壓調(diào)整，綜合運(yùn)用不同策略加強(qiáng)電壓控制。

在光伏發(fā)電接入過(guò)程中，需要根據(jù)并網(wǎng)容量、電站電壓等級(jí)等多項(xiàng)因素確定電壓水平。從理論層面來(lái)看，應(yīng)確保機(jī)組負(fù)荷距比最大負(fù)荷距的運(yùn)行電壓小，以滿足并網(wǎng)要求。如10kV光伏電站的接入容量和距離應(yīng)滿足表1的要求，即接入容量為1800 kW～2500 kW。在光資源相對(duì)集中的區(qū)域，考慮到裝機(jī)位置已經(jīng)固定，為確保接入容量和配電變壓器相互匹配，并確保尚未接入容量不超變壓器的一半，可以采取增設(shè)變壓器數(shù)量或減小供電半徑等措施，避免光伏發(fā)電機(jī)組在入網(wǎng)過(guò)程中引發(fā)電壓升高問(wèn)題。如果光伏發(fā)電接入的配電網(wǎng)為中低壓等級(jí)，應(yīng)通過(guò)末端接入電網(wǎng)，并通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備或變壓器變比進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。通常情況下，35kV光伏電站均配有動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，入網(wǎng)后帶來(lái)的電壓波動(dòng)較小，可以滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。而通過(guò)10kV線路接入電網(wǎng)時(shí)，可以加裝調(diào)壓器來(lái)應(yīng)對(duì)光伏發(fā)電功率變化，實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)。如果為屋頂光伏發(fā)電機(jī)組，在分散接入電網(wǎng)的過(guò)程中可以在進(jìn)線側(cè)使用雙向調(diào)壓器來(lái)進(jìn)行高、低電壓調(diào)節(jié)。

表1 10kV光伏電站接入容量表

對(duì)于目前需要接入大量光伏發(fā)電機(jī)組的情況，應(yīng)實(shí)施動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，以免出現(xiàn)電壓嚴(yán)重越限問(wèn)題。該文應(yīng)用自適應(yīng)模型進(jìn)行功率預(yù)測(cè)，運(yùn)用智能控制算法進(jìn)行電壓控制，以保障電壓的穩(wěn)定性。具體來(lái)講，就是在當(dāng)前時(shí)刻建立預(yù)測(cè)模型，使控制量u（k）進(jìn)入實(shí)際和預(yù)測(cè)的被控制對(duì)象模型，通過(guò)分析得出下一刻的實(shí)際和預(yù)測(cè)輸出，如圖3所示。根據(jù)二者差值確定預(yù)測(cè)誤差，能夠?qū)ο乱豢填A(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正。

在逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率不可控的情況下，需要利用傳感器進(jìn)行信息采集和傳遞，然后通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算確定線路負(fù)載情況。保持四象限運(yùn)行，可以使逆變器滿足視在功率，然后產(chǎn)生任意輸出。通過(guò)控制無(wú)功輸出，可以達(dá)到電壓升高上限控制要求，如圖4所示。將1s看作一個(gè)周期，各周期開(kāi)始時(shí)預(yù)測(cè)模型無(wú)變化，根據(jù)上個(gè)周期a等模型參數(shù)和有功功率輸出P能夠?qū)δ孀兤鬏敵鰺o(wú)功值Q進(jìn)行確認(rèn)。實(shí)現(xiàn)無(wú)功輸出的目的是使節(jié)點(diǎn)電壓V下降。無(wú)功輸出達(dá)到負(fù)值，說(shuō)明存在有功引起的電壓越限問(wèn)題，需要對(duì)感性無(wú)功進(jìn)行吸收；無(wú)功輸出為正值，說(shuō)明有功輸出較小，不會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓越限，無(wú)需吸收無(wú)功。在誤差允許的條件下，節(jié)點(diǎn)電壓將與調(diào)度層預(yù)定值相等，說(shuō)明不存在電壓越限問(wèn)題，因此模型不會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)實(shí)際輸出的無(wú)功值，可以對(duì)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行更新。在模型發(fā)生變化時(shí)，則需要進(jìn)行電壓反饋調(diào)節(jié)，在電壓超出上限時(shí)使系統(tǒng)吸收更多的無(wú)功，否則應(yīng)減少無(wú)功吸收。

3 結(jié)論

受發(fā)電間歇性特性影響，風(fēng)電/光伏發(fā)電接入電網(wǎng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題，導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)較大電壓波動(dòng)，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)威脅。該文結(jié)合不同發(fā)電項(xiàng)目特點(diǎn)，在風(fēng)電入網(wǎng)階段采用分層預(yù)測(cè)電壓控制策略，充分利用了機(jī)組無(wú)功補(bǔ)償。在光伏發(fā)電入網(wǎng)階段，對(duì)接入方式和電壓控制策略等進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，以滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行要求?？梢?jiàn)，解決新能源消納問(wèn)題，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，能夠推動(dòng)電力事業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

圖3 光伏發(fā)電入網(wǎng)電壓自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)算法