分布式光伏電站監(jiān)控裝置的研究和設計

甘 雯，石博隆，姚 瑛，林承錢，韓其國，羅 平，王 瀚，黃 淼

（1.國網浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.浙江泰倫電力集團有限責任公司，浙江 湖州 313000；4.杭州電子科技大學，杭州 310018；5.杭州東華電力設備有限公司，杭州 311121）

0 引言

“雙碳”背景下，我國大力推進可再生能源發(fā)展，促進能源綠色低碳轉型。但大量分布式光伏電站接入電網后，會對電網產生諸多影響。光伏的接入改變了配電網原有的單向潮流模式，使得潮流分布更加復雜多變難以控制。光伏頻繁的隨機波對電網無功平衡造成沖擊，進而導致母線電壓大幅波動，甚至導致電壓越限。光伏也會對電網有功平衡造成沖擊，進而影響到電力系統(tǒng)的一次、二次調頻［1］。為解決上述問題，大部分分布式光伏電站通常會配置一定比例的無功補償設備及自動電壓控制系統(tǒng)［2-3］以保證電站功率因數(shù)和電壓保持在一定范圍內。此外，為應對光伏對電網頻率的影響，通常通過增加調峰電源或提高調頻能力快的機組的比例［4］。

根據(jù)GB/T 19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》以及GB/T 29321—2012《光伏發(fā)電站無功補償技術規(guī)范》，光伏發(fā)電站應充分發(fā)揮并網逆變器的無功容量及其調節(jié)能力，必要情況下為光伏發(fā)電站配置集中無功補償裝置。文獻［5］指出大部分光伏逆變器無功補償能力可以替代SVG（靜止無功發(fā)生器）。為了提高光伏逆變器利用率，不少學者針對光伏逆變器調壓控制策略進行了研究［6］。文獻［7］協(xié)調SVG和逆變器無功容量為電網提供電壓支持，在無功分配時考慮線路損耗，優(yōu)先使用SVG及靠近并網點的逆變器。文獻［8］考慮低壓配電網線路阻抗對電壓降落的影響，采用功率外環(huán)與電流內環(huán)雙環(huán)控制并網點電壓。文獻［9］提出了基于功率動態(tài)調整電壓控制方法，在出現(xiàn)電壓越限時優(yōu)先使用逆變器無功進行調壓，并在必要的時候動態(tài)減小有功輸出。文獻［10］通過劃分控制域，將有載開關調壓和光伏逆變器調壓相結合。文獻［11］提出了根據(jù)模型預測算法實現(xiàn)滾動優(yōu)化，實時修正模型參數(shù)，改進了常規(guī)電壓控制算法。

在有功/頻率控制方面，根據(jù)GB/T 33593—2017《分布式電源并網技術要求》，分布式電源輸出功率偏差應在電網調度機構的給定范圍內，并能根據(jù)電網頻率值、電網調度機構指令等信號調節(jié)電源有功輸出。文獻［12］提出兩種不同調頻策略，一種為光伏單元根據(jù)頻率偏差直接調整有功輸出；另一種為場站級調控，由上層對可用逆變器進行整體調控。通過仿真對比了兩種策略的特點并分析了各自的適用情況。

綜上所述，現(xiàn)有研究仍集中在控制策略的仿真研究階段，且控制功能相對單一。因此，本文研發(fā)了一種分布式光伏電站監(jiān)控裝置，集成了無功/電壓和有功/頻率的控制策略和數(shù)據(jù)采集功能，以保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。該裝置充分利用逆變器的無功調節(jié)能力，根據(jù)調度中心對電壓/無功的控制要求，使用改進的增量式PID（比例積分微分）算法實現(xiàn)無功控制，采用折線函數(shù)設定調頻死區(qū)、調差率，根據(jù)頻率偏差實現(xiàn)一次調頻功能，從而保證分布式光伏電站和電網的安全穩(wěn)定運行。

1 逆變器調壓原理

分布式光伏電站的逆變器容量通常為發(fā)電容量的1.1 倍，則第i個逆變器輸出的有功功率和無功功率的關系為：

式中：Pi和Qi分別為第i個逆變器輸出的總有功和總無功功率；Si為第i個逆變器所接光伏單元的額定容量。

光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網，當出力增大時逆變器并網點電壓易發(fā)生電壓越上限。圖1為光伏電站并網示意圖，其中為電網側電壓；為逆變器并網點電壓；R和X分別為配電網的等效電阻和電抗；P和Q分別為負荷的有功和無功功率。

圖1 分布式光伏電站并網示意圖

式中：m為逆變器的總數(shù)。

忽略電壓降落的縱分量后有：

實際運行中，光伏單元輸出的有功功率由光伏逆變器本身的最大功率跟蹤功能和太陽的輻照強度決定，很多時候發(fā)電量會低于裝機容量。由此通過控制逆變器輸出的無功功率可在一定范圍內改變分布式光伏電站并網點的電壓?？紤]到逆變器與主控距離的遠近，將其分為快、慢兩組以提升調控速度。

2 裝置硬件設計

分布式光伏電站監(jiān)控裝置框架如圖2所示。

圖2 分布式光伏電站監(jiān)控裝置通信示意圖

該裝置可采集相電壓、相電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和并網點頻率等信息，并將這些信息及并網點斷路器開合狀態(tài)、裝置閉鎖狀態(tài)、運行方式等信號上報調度主站。調度主站根據(jù)上報信息，制定對有功/頻率、無功/電壓、斷路器開合和運行方式等的控制要求并下發(fā)。根據(jù)調度主站要求或結合配電網模型和電站發(fā)電單元的工況，裝置求解電網穩(wěn)定安全運行需要的無功和有功功率優(yōu)化值，并分解下發(fā)給各個發(fā)電單元，進行控制調節(jié)。

分布式光伏電站協(xié)調裝置采用后插拔式結構，裝置硬件使用模塊化設計，各模塊之間采用并行總線、雙端口存貯器技術進行數(shù)據(jù)交換，保證整體系統(tǒng)的高速運行和實時性。裝置結構示意圖如圖3所示。

圖3 分布式光伏電站監(jiān)控裝置功能示意圖

其中，CPU采用32位處理器，基于FPGA的系列外圍擴展模件構成簡潔高效的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。插件包括：電源插件（交直流兩用）、交流輸入插件、開入插件、開出插件、通信插件以及備用插件。裝置的通信插件支持IEC 61850、IEC 60870-5-104、IEC 60870-5-103、Modbus等多種通信規(guī)約，協(xié)調整合不同設備的通信規(guī)約，實現(xiàn)電站內所有發(fā)電單元間的通信及裝置和電網主控站間的通信。此外，通信結構還有RS-485、100M-T 以太網接口用于與其他設備的通信和裝置調試。根據(jù)實際通信條件，該裝置與主站之間的通信為光纖或無線通信。

3 裝置軟件設計

3.1 控制方式設計

考慮到調度中心不同的控制需求，裝置具備多種控制方式，具體如圖4所示。

圖4 分布式光伏電站監(jiān)控裝置控制方式

裝置作為從站時，可切換到有功/無功直接控制方式，根據(jù)上級調度中心指令輸出給定功率；作為主站時，可根據(jù)采集的信息，制定控制方式。裝置在恒功率因數(shù)自動控制時，可以靈活地調整光伏電站有功和無功輸出比例。當光伏電站需要承擔調壓任務時，裝置可切換到母線電壓自動控制，保證電壓的穩(wěn)定及快速電壓跟蹤。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，裝置還可進行一次調頻及振蕩抑制，確保系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。另外，當主站通信出現(xiàn)故障等特殊情況時，裝置還可以切換到就地控制方式，根據(jù)預先設定實現(xiàn)全站控制，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

電氣設備的安全運行是最基本的要求，裝置出現(xiàn)異常時，需要及時閉鎖，防止事故進一步擴大。裝置設置了多種閉鎖情況以保證裝置的安全運行，具體如圖5所示。

圖5 分布式光伏電站監(jiān)控裝置異常閉鎖情況

3.2 無功調壓策略優(yōu)化

將圖1 中實際測量電壓值U2與設定的并網點電壓相比，如果低于其設定值，則增加光伏電站輸出的無功功率；反之則降低光伏電站輸出的無功功率。

增量式PID控制相較普通PID具有計算簡單、誤差小的特點［13］。但是增量式PID 也存在積分不飽和、系統(tǒng)的動態(tài)過程被破壞，溢出的影響較大、積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差等缺點［14］。為進一步加快算法速度、減小誤差，考慮在增量式PID算法的基礎上采用積分分離、死區(qū)特性和分段固定系數(shù)相融合的方法對其進行改進。具體算法如下［15］：

1）積分分離的PID算法

積分分離的PID控制算法是在偏差值較大時，讓積分效果失效，只進行PD控制；當偏差值較小時，進行PID 控制以達到提升控制精度的目的。算法如式（4）所示：

式中：k為采樣序列號；Δu（k）為第k次與第k-1次采樣時刻控制系統(tǒng)輸出的增量；Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；e（k）為第k次采樣輸入的偏差量；T為采樣時間；β為積分項開關系數(shù)；ε為設定的閾值，可設置為目標電壓偏差的15%～20%。

2）帶死區(qū)的PID算法

帶死區(qū)的PID 控制算法就是設定控制死區(qū)，當偏差值在設定死區(qū)范圍外才需進行調節(jié)，從而防止頻繁操作而引起的振蕩現(xiàn)象。其算法如式（5）所示：

式中：α為設定的偏差信號死區(qū)，可設定為目標電壓的0.5%～1%。

3）分段固定系數(shù)微分PID算法

通常來說在一定范圍內增大微分系數(shù)可以提高控制穩(wěn)定性和加快響應速度。但當微分系數(shù)超出一定范圍時會產生波動，導致超調效果變差?？紤]將微分項乘以一個分段變化的函數(shù)以達到更好的效果，使其在微分項的值較小時正常輸出；而當微分項的值較大時，去除微分項的作用；當處于兩者之間時，微分系數(shù)取值呈梯度衰減。在合理的分段取值范圍內盡可能發(fā)揮微分環(huán)節(jié)的積極作用，有效抑制外界擾動帶來的微分飽和效應，減弱劇烈變化而引起的波動現(xiàn)象。其算法如式（6）所示：

式中：Δe（k）為第k次采樣時刻與第k-1 次采樣時刻輸入的偏差值；F［Δe2（k）］為分段固定系數(shù)。F[Δe2(k) ]如式（7）所示：

式中：M和N取值由實驗獲得；c為階梯下降的常數(shù)，0

在實際應用中，根據(jù)控制目標要求精度，響應時間和超調等使用經驗數(shù)據(jù)法并進行調試獲得α、ε、M、N及c的取值。對上述3 種算法進行融合，形成改進的增量式PID 算法，其具體流程如圖6所示。

圖6 改進的增量式PID算法流程

在獲得分布式光伏電站所需調節(jié)的總無功功率后還需要將其分配給每一個逆變器?，F(xiàn)有研究中大多根據(jù)各逆變器無功裕量按比例進行分配。但由于RS-485通信速度較慢且分布式電站中各逆變器距離分布式光伏電站協(xié)調監(jiān)控裝置遠近不同，每個逆變器響應時間可能存在較大差距。為了進一步提升調壓速度，根據(jù)各逆變器和裝置間通信傳遞時間，將逆變器分為快、慢響應兩組。其中小于等于30～50 ms 的為快響應組，大于30～50 ms的為慢響應組。在現(xiàn)場可以通過測試監(jiān)控裝置功率調控命令發(fā)出到并網點做出功率變化的時間來確定逆變器的響應速度。裝置進行調壓時，優(yōu)先使用快響應組逆變器，根據(jù)各逆變器無功裕量按比例分配，如果超過其調節(jié)范圍，將剩余待分配無功按照比例分配給慢響應組逆變器。

3.3 有功/頻率調節(jié)

并網點頻率波動時，一次調頻通過設定頻率與有功功率折線函數(shù)實現(xiàn)，具體如式（8）所示：

式中：ΔP為一次調頻有功變化值；P0和PN分別為分布式光伏電站的有功功率初值和額定值；δ%為一次調差率；f為實際頻率；fd為一次調頻死區(qū)；fN為額定頻率50 Hz。

其控制策略如圖7 所示。當頻率處于49.95～50.05 Hz時，為調頻死區(qū)，有功功率不發(fā)生改變。當頻率低于49.87 Hz 或高于50.13 Hz 時，有功按照最大調節(jié)至10%PN進行調節(jié)。

圖7 一次調頻控制策略

4 仿真與試驗

為驗證改進的增量式PID 算法性能，利用Simulink仿真對比改進前后增量式PID算法的電壓跟蹤效果。為測試分布式光伏電站協(xié)調監(jiān)控裝置無功調節(jié)性能，首先在實驗室使用繼保儀進行無功跟隨和有功/頻率調節(jié)試驗。然后，在湖州某光伏電站進行現(xiàn)場試驗驗證監(jiān)控裝置的無功/電壓調節(jié)能力。為驗證分布式光伏電站監(jiān)控裝置無功/調壓能力，將其結果與SVG 的Simulink 電壓跟蹤仿真結果進行了對比。

4.1 改進的增量式PID算法電壓跟蹤仿真

設定目標電壓，將電壓調節(jié)范圍設定為9.7～10.3 kV，得到的增量式PID 算法改進前后的仿真結果如圖8所示。從圖8可以看出改進后的算法相較改進前，速度更快、精度更高，具有更好的控制效果。

圖8 PID算法改進前后對比

4.2 無功跟隨試驗

使用繼保儀設定電壓波動曲線，連接分布式光伏電站監(jiān)控裝置，使用數(shù)采設備采集無功輸出值，其具體結果如圖9所示。

圖9 無功跟隨試驗結果

其中，前44 s 為電壓大范圍波動試驗，電壓在第9 s達到1 s內最大波動10.49%，電壓在第20 s達到最大值13.16 kV，第37 s 達到最小值6.9 kV。第45—84 s 為電壓持續(xù)小范圍波動試驗，期間電壓每秒最大波動4.10%，最小波動0.74%，平均波動1.01%。結果顯示分布式光伏電站監(jiān)控裝置根據(jù)電壓變化可快速、準確地對無功輸出進行調節(jié)，能夠有效應對不同類型的電壓波動。

4.3 一次調頻試驗

設定調節(jié)限幅為ΔPmax=10%PN，PN=5 000 kW；P0=1 498 kW；δ%=0.02%；fd=0.03 Hz。使用繼電保護試驗儀進行一次調頻試驗，測試結果如表1所示。

表1 監(jiān)控裝置一次調頻試驗數(shù)據(jù)

從表1 可以發(fā)現(xiàn)，當調節(jié)量超過調節(jié)限幅（頻率低于49.87 Hz 或高于50.13 Hz）時，調整功率為最大值500 kW；在調節(jié)死區(qū)范圍（49.95～50.05 Hz）內裝置不進行調整；在正常的調節(jié)范圍內（49.87～49.97 Hz 和50.03～50.13 Hz），裝置調整的有功輸出誤差小于0.063%，滿足一次調頻要求。

4.4 電壓跟蹤現(xiàn)場試驗與仿真

使用分布式光伏電站監(jiān)控裝置進行現(xiàn)場試驗時，其面板顯示界面如圖10所示。

圖10 分布式光伏電站監(jiān)控裝置運行狀態(tài)界面

在電壓跟蹤試驗時，電壓調節(jié)范圍在9.7～10.3 kV，電壓死區(qū)設置為0.02 kV。分別使用改進后的增量式PID 和普通增量式PID 無功調壓策略進行試驗，結果如圖11 所示?？梢钥闯龈倪M后的增量式PID調壓策略相較于改進前響應更加及時、誤差更小。其中，改進前的調壓策略在調節(jié)范圍內電壓調節(jié)的最大誤差、最小誤差和平均誤差分別為2.4%、0.01%和1.4%。而改進后的調壓策略在調節(jié)范圍內電壓調節(jié)的最大誤差、最小誤差和平均誤差分別為2%、0.01%和0.1%。改進后的調壓策略調節(jié)效果有明顯提高，當目標電壓在調節(jié)范圍內時電壓跟蹤正確，響應及時，有良好的電壓調節(jié)能力。

圖11 分布式光伏電站監(jiān)控裝置電壓跟蹤結果

為了進一步對比驗證監(jiān)控裝置的無功/電壓調節(jié)能力，利用Simulink 進行了SVG［16-17］的調壓仿真。設定和圖11 中相同的目標電壓，其電壓跟蹤效果如圖12 所示，電壓調節(jié)的最大誤差、最小誤差和平均誤差分別為0.68%、0.01%、0.4%。

對比圖11和圖12可以發(fā)現(xiàn)，分布式光伏電站監(jiān)控裝置實測結果相較于SVG仿真結果雖然響應速度略慢，但其平均電壓跟蹤誤差更小。另外，SVG只具備單一的電壓/無功調節(jié)功能，本文研發(fā)的裝置還具備強大的通信能力、數(shù)據(jù)儲存能力以及有功/頻率控制功能。

圖12 SVG電壓跟蹤仿真結果

5 結語

本文研發(fā)了一種分布式光伏電站監(jiān)控裝置，仿真和現(xiàn)場試驗驗證了該裝置具有良好的無功/電壓和有功/頻率調節(jié)能力。此外該裝置還具備強大的通信功能支持多設備間的互聯(lián)，可采集豐富的數(shù)據(jù)信息。用戶可以根據(jù)自身需求使用備用插件進一步拓展該裝置功能，具有較大的推廣與應用價值。

在未來的研究中，將進一步優(yōu)化裝置軟件，提升性能，為光伏的大量接入提供強大的技術支持。