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

中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司 孫浩然

國家電網(wǎng)在我國生產(chǎn)和建設(shè)中承擔(dān)著不可或缺的責(zé)任，不只是國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的基石，也同群眾的日常生活有著密不可分的聯(lián)系。我國每年都會在電力建設(shè)方面投放大量的資金，為保證國家電網(wǎng)電壓的平穩(wěn)運(yùn)行。同時，我國相關(guān)單位在近年來的發(fā)展工作中，也對其所涉及的技術(shù)方法和管理方法都進(jìn)行了更新改造，并以此來保障國家電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為減少對不可再生資源的開采和利用，增加電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，近年來我國進(jìn)一步增加了對風(fēng)能利用和光伏發(fā)電的關(guān)注，并且成立了大量的技術(shù)隊伍探討其運(yùn)行機(jī)理，并由此來尋找更加合理的把控舉措，為我國電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，電力的穩(wěn)定輸送創(chuàng)造了有利條件。

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

穩(wěn)定電壓電流運(yùn)行穩(wěn)定分析能力從廣義上來看，指能源控制系統(tǒng)電網(wǎng)在出現(xiàn)電壓異常之后，國家電網(wǎng)在不會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電壓系統(tǒng)崩潰的條件情形下，保持并及時恢復(fù)電壓，使其回到正常運(yùn)作狀態(tài)的處理能力。目前，傳統(tǒng)民用電力中對電壓穩(wěn)定的理論分析，主要有電壓靈敏度分析法和V/PV電壓變化曲線解析法。

隨著我國風(fēng)電和太陽能的不斷深入開發(fā)，風(fēng)能/光伏的發(fā)電項目將被視為發(fā)展我國新能源的關(guān)鍵突破口。在對現(xiàn)代傳統(tǒng)光伏電網(wǎng)線路電壓穩(wěn)定性能的分析基礎(chǔ)上，我國相關(guān)研究人員就太陽、風(fēng)電與光伏風(fēng)能機(jī)組并網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)電壓波穩(wěn)定性能方面，開展了較深入性的研究探討[1]。華北大規(guī)模風(fēng)能電站和光伏共混發(fā)電站，由于使用離散式的充電管理樞紐方式較遠(yuǎn)，匯聚在我國西北和華北等地區(qū)，采取弱供電連接方式和強(qiáng)啟動系統(tǒng)的新型遠(yuǎn)傳充電方法，為大規(guī)模風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)和光伏混合發(fā)電系統(tǒng)，增加了較大的供電不確定性，也嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的負(fù)載電壓性和穩(wěn)定性。

目前，對含風(fēng)電和光伏電站電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析方式，多使用確定性分析方法，應(yīng)用特性結(jié)構(gòu)分析法，研究了風(fēng)電場并網(wǎng)后對電網(wǎng)電壓平衡穩(wěn)定性的影響意義，應(yīng)用PV曲線分析研究了風(fēng)電場連接體系的電壓變化規(guī)律、靜電平衡范圍和負(fù)荷裕度，并利用分叉理論研究，對光伏電站連接體系的電壓平衡穩(wěn)定性作出了理論研究剖析[2]。但是，風(fēng)電場和光伏電站出力有較大的隨機(jī)性。因此，一些想換學(xué)者開始研究能夠深刻全面反映隨機(jī)因子對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響的概率分析方式，一般有蒙特卡洛模擬法和解析法。

利用隨機(jī)響應(yīng)面分析法和連續(xù)潮流法，構(gòu)建了風(fēng)電場接入網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)電壓安全性概率評價模式，并利用連續(xù)潮流方法得到了負(fù)荷裕度的概率分布情況。又利用點(diǎn)估計方法和柯尼-費(fèi)歇爾級數(shù)，對含分布式電源的配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)電壓安全穩(wěn)定性概率評價。由于同一區(qū)域的新能源技術(shù)發(fā)電存在一定的關(guān)聯(lián)性，如果忽略相關(guān)性的電壓穩(wěn)定性概率評價模型，則會和實(shí)際狀況背道而馳，評價結(jié)果也可能存在相應(yīng)偏差。因此，應(yīng)用正交變換方法研究風(fēng)電場間的出力關(guān)系，并通過隨機(jī)響應(yīng)面法和非線性規(guī)劃模型計算負(fù)荷裕度的概率分布數(shù)值[3]。

在我國風(fēng)能電力機(jī)組的開發(fā)初期，因為部分大中型風(fēng)能電力機(jī)組在正常工作時需要一直耗費(fèi)巨大的無功功率，風(fēng)電站相應(yīng)的設(shè)備一直處于不滿足實(shí)際需求的狀態(tài)，這致使主流電力系統(tǒng)的電壓運(yùn)行穩(wěn)定性出現(xiàn)大幅度下降。這一情形下，風(fēng)電驅(qū)動系統(tǒng)基本可把其當(dāng)成一個有功接收功率和間接吸收無功功率的驅(qū)動接收端風(fēng)電系統(tǒng)，故而目前困擾著我國風(fēng)能系統(tǒng)，在接入其他供電系統(tǒng)時的電壓驅(qū)動穩(wěn)定性能的最重要制約問題之一，就是其對電壓的直接承載牽引還存在缺陷。

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

由于風(fēng)電機(jī)組大多數(shù)情形下都具備動態(tài)無功補(bǔ)償功能，但是要想發(fā)揮這一功能的效用，則需要有諸多無功設(shè)備的支持，要將這些設(shè)備依照詳細(xì)情況進(jìn)行安置，如此一來，才能有效實(shí)現(xiàn)電壓協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)，但是其面臨著一個問題，那便是電壓滯后控制情況出現(xiàn)的頻次會偏高。為此，在接下來的闡述中，將借助分層預(yù)測模型展開相關(guān)闡述，以此來實(shí)現(xiàn)對無功電壓的管理把控，在預(yù)測電壓以及無功變化的基礎(chǔ)上，高效達(dá)到自適應(yīng)調(diào)節(jié)的目的。

2.1.1 控制架構(gòu)

首先明確分層架構(gòu)，這樣可以有效降低時段預(yù)測過程中出現(xiàn)的偏差。如圖1所示，是風(fēng)電入網(wǎng)電壓控制架構(gòu)，其中涵蓋多個層級。依照上一層級控制中心下放的命令UrefPCC，以UPCC為參照，在自適應(yīng)調(diào)節(jié)層級中設(shè)定有功預(yù)測功能，然后還要輸出Ppre，以此來完成自適應(yīng)調(diào)節(jié)目標(biāo)。無功協(xié)調(diào)分配層將對母線實(shí)際電壓UCB、風(fēng)電輸出最大有功功率Pmax等參數(shù)進(jìn)行匯集，輸出有功參考指令Qrefwi和無功參考指令Qrefwi。通過跟蹤控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓，能夠輸出靜態(tài)無功補(bǔ)償Qs，最終得到實(shí)際的有功輸出P和無功輸出Q的數(shù)值。

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

2.1.2 策略實(shí)現(xiàn)

風(fēng)電、光伏等發(fā)電計劃運(yùn)行體系中電壓模型的計算方面屬非線性規(guī)劃的一類，關(guān)注這方面內(nèi)容的深入研究，對于建立科學(xué)合理的電力控制措施具有很重要的幫助。在一般情況下，相關(guān)工作團(tuán)隊都會選擇二類方法對模型難題加以解決，一類是常規(guī)的算法，另一類則是高度人工智能的計算方法。盡管第一類算法的范圍相當(dāng)寬泛，對線性規(guī)劃內(nèi)容和非線性規(guī)劃內(nèi)容均有涵蓋，同時也可以對具體的模型難題做出適當(dāng)?shù)奶幚怼５?，由于傳統(tǒng)求解方法的計算精確度較低，同時在計算過程中所耗費(fèi)的時間也相當(dāng)漫長，從而對一些傳統(tǒng)電力模型的計算內(nèi)容也具有一定的約束。但智能算法卻可以有效地避免上述現(xiàn)象，并且有著很明顯的精準(zhǔn)特性與高效率的優(yōu)勢，是近年來風(fēng)能、光伏發(fā)電電網(wǎng)控制系統(tǒng)中，電壓模型求解問題時常使用的方法。所以重視對智能算法的深入研究，可以促進(jìn)電壓控制策略的制定。

電壓控制操作中，需要明確一點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組輸出電壓水平若偏低，則電阻以及電抗比會偏大。一個節(jié)點(diǎn)電流，若其數(shù)值水平并不為零，在這一情形下，可以將節(jié)點(diǎn)電壓以及其功率視為依照根據(jù)，由此獲得有功和無功電壓靈敏度系數(shù)。由此看來，在并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上，因為功率變化而導(dǎo)致的機(jī)組與系統(tǒng)電壓偏差和有功、無功之間的關(guān)聯(lián)可以從下文公式中了解。

因此，在并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，由功率波動引發(fā)的機(jī)組和系統(tǒng)的電壓偏差ΔU與有功和無功的關(guān)系滿足式。

式中：UPCC代表的含義時并網(wǎng)點(diǎn)電壓的實(shí)際數(shù)值水平，ΔP代表的是有功變化程度，ΔQ代表的是無功變化程度。

如圖2所示，在追蹤最大功率曲線時，需要明確t時刻這一節(jié)點(diǎn)是否處于周期T中，若不在這一周期內(nèi)，則需要再次下發(fā)新指令，從而實(shí)現(xiàn)對下一周期的預(yù)測把控，若處于這一周期內(nèi)，則需要在t+1時刻時執(zhí)行指令。參考指令若并未處于調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)，評估機(jī)組無功調(diào)節(jié)不理想，因而應(yīng)確保調(diào)節(jié)后電壓和節(jié)點(diǎn)指令偏差數(shù)值水平處于最小狀態(tài)，繼而在預(yù)測有功達(dá)到最大值時進(jìn)行輸出功率調(diào)整。

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

處于預(yù)測有功最大值位置的電壓偏差值ΔUpre可以利用公式（2）計算。

式中：minF1代表的含義是最小偏差目標(biāo)函數(shù)。

在k時刻，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：UCB代表的是母線實(shí)際電壓；ΔP（k）和ΔQ（k）分別為k時刻的有功和無功變化。

對電壓的分層模擬研究，也對制定風(fēng)能、光伏發(fā)電接入電壓系統(tǒng)的控制策略,具有至關(guān)重要的意義。電壓分層模型的管理把控在一定意義上和調(diào)控設(shè)備的特點(diǎn)存在聯(lián)系，所以專業(yè)研發(fā)隊伍在針對調(diào)控設(shè)備的特點(diǎn)研究電壓分層的同時，針對風(fēng)能和光伏發(fā)電預(yù)測數(shù)據(jù)的落實(shí)提出恰當(dāng)?shù)姆旨壙刂妻k法。通常的電網(wǎng)控制系統(tǒng)電壓分級可以從兩個角度進(jìn)行考察。

第一層面研究的重點(diǎn)為電容器組與變壓器等。由于電網(wǎng)處于工作狀態(tài)時，上述提及的這兩類設(shè)備作業(yè)時間都會較長，并且工作人員無法對其進(jìn)行持續(xù)性的調(diào)節(jié)。因而，在有關(guān)辦法制定時，電容器以及變壓器電網(wǎng)設(shè)備都會被視為基準(zhǔn)控制量，從而為工作人員提供參照標(biāo)準(zhǔn)。此外，控制團(tuán)隊會通過有關(guān)功率信息的展示來操控電壓偏差較小的對象，以此保證電網(wǎng)的工作狀態(tài)保持良好。

第二層次分析的研究對象則以風(fēng)電場、光伏電站以及動態(tài)調(diào)整裝置為主。由于電網(wǎng)控制系統(tǒng)在日常運(yùn)營的過程中，這三個組成部分都會更多地反映出微調(diào)設(shè)備的功能，從而可以對無功電壓系統(tǒng)發(fā)揮相應(yīng)的調(diào)節(jié)功能。在傳輸電壓的過程中，三者間的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)將會有效提升其平衡穩(wěn)定程度，同時還可以對動態(tài)無功調(diào)整裝置做出適當(dāng)?shù)南拗疲瑥亩岣咂錈o功出力的效能與品質(zhì)。而一旦相關(guān)工作人員在將某些更優(yōu)秀的控制舉措與此結(jié)合時，則不但將會為分層模型的監(jiān)控工作創(chuàng)造了有利條件，而且還可提高風(fēng)能、光伏發(fā)電電網(wǎng)的運(yùn)營管理水平。

2.2 調(diào)節(jié)設(shè)備的控制

要想有效提升風(fēng)能、光伏發(fā)電接入電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行能力，必須要求專業(yè)項目隊伍能夠注重對控制裝置的管理。無功電壓控制裝置是輸配電設(shè)備中關(guān)鍵的裝置，其是保障輸配電安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。無功電壓調(diào)控裝置是由許多元器件所構(gòu)成的大功率控制裝置，當(dāng)中包含了無功補(bǔ)償器、調(diào)壓變壓器和電容器組等。這些元器件并不僅僅是電壓控制裝置中的主要部分，而且還和整個輸配電系統(tǒng)的安全工作有著密切的關(guān)系。

在風(fēng)電電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓調(diào)節(jié)領(lǐng)域，有關(guān)工程技術(shù)隊伍必須重視對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)用，由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠按照相關(guān)調(diào)速裝置的指示，給電網(wǎng)系統(tǒng)中供給適當(dāng)?shù)臒o功功率，不但能夠合理地適應(yīng)供電體系中電壓需求，還能夠在一定程度上改善供電系統(tǒng)的運(yùn)營效果，從而便于有效電壓控制策略的實(shí)現(xiàn)。在光伏開發(fā)領(lǐng)域，相關(guān)隊伍對于并網(wǎng)逆變器的實(shí)際利用情況較為關(guān)注，由于該設(shè)備在一定程度上關(guān)系著無功出力效率、質(zhì)量和數(shù)量，所以若其在電網(wǎng)工作中發(fā)生異常故障，則除了會干擾到光伏發(fā)電系統(tǒng)工作安全系數(shù)之外，還會致使系統(tǒng)電壓控制成效大大下降，因而需要就這一問題展開深度探析。

但是，由于風(fēng)能與光伏發(fā)電裝置在實(shí)際運(yùn)行中，對所需要到的并聯(lián)電容器組沒有進(jìn)行良好的控制。因此，雖然電容器組可以在一定程度上減少經(jīng)濟(jì)成本，并可以為整個電網(wǎng)的養(yǎng)護(hù)創(chuàng)造有利環(huán)境，可是一旦處理不當(dāng)便會導(dǎo)致電容器組無法呈現(xiàn)出理想的補(bǔ)償狀態(tài)，并且也會降低并聯(lián)電容器的正常運(yùn)行。而且，當(dāng)并聯(lián)電容器的分組量較少時，補(bǔ)償容量梯度也將隨之增大，會對整個供電系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾；當(dāng)并聯(lián)電容器的分組量過多時，也將增加經(jīng)濟(jì)損耗。所以，相關(guān)項目的技術(shù)人員必須針對現(xiàn)場狀況，對電容器設(shè)計做出相應(yīng)的調(diào)整，特別是在風(fēng)能或光伏發(fā)電出力變化明顯偏大的地方，更應(yīng)對電容器設(shè)計方案加以適當(dāng)調(diào)整。而采用這樣的方法，不但可以合理地確定了電網(wǎng)對電壓的調(diào)節(jié)要求，而且還可以對無功補(bǔ)償裝置的連續(xù)調(diào)節(jié)發(fā)揮推動作用。

3 總結(jié)

綜上所述，要想使風(fēng)能和光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮出真正的利用價值，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓平衡穩(wěn)定，不僅僅需要全方位的理解和認(rèn)識風(fēng)能、光伏發(fā)電和電網(wǎng)系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，還必須建立科學(xué)的控制措施，并對其涉及的數(shù)據(jù)、模型和信號等方面做出更深層次的剖析和探究。如此，可以為管理策略的建立，以及供電體系的穩(wěn)定運(yùn)營提供可借鑒的基礎(chǔ)和保證。

但是，有些地方在進(jìn)行風(fēng)能、光伏發(fā)電電網(wǎng)運(yùn)營的時候，還是會因為有關(guān)技術(shù)措施使用不到位，或是環(huán)境條件的因素影響而產(chǎn)生問題，進(jìn)而干擾到電網(wǎng)中電壓的穩(wěn)定性能。所以，各地區(qū)在進(jìn)行風(fēng)電、光伏發(fā)電電網(wǎng)運(yùn)作之前，必須事先對地區(qū)的環(huán)境特征和工程團(tuán)隊技術(shù)情況進(jìn)行全面剖析，以選取最合理的方法開展風(fēng)電、光伏發(fā)電電網(wǎng)的建設(shè)。此外，有關(guān)工程團(tuán)隊，則需要進(jìn)一步增強(qiáng)對清潔能源的認(rèn)識與理解，以提升相關(guān)科技的運(yùn)用水平，如此才可保障電網(wǎng)電壓平穩(wěn)運(yùn)營。