含高滲透率光伏的低壓配電網電壓控制方法

楊昌海，彭 婧，妥建軍，田云飛

（國網甘肅省電力公司經濟技術研究院，蘭州730000）

高滲透率分布式電源的接入給配電網帶來了很大的效益，相應地也會給配電網各方面帶來深遠的影響， 主要包括電能質量和供電可靠性等方面。面對全球范圍內智能電網的快速發展，為實現自我控制，形成能夠實現孤島運行的智能微電網。為了改善含高滲透率的低壓配電網電壓控制帶來的挑戰，許多國家都在調整能源結構，制定一系列標準規范，利用不同的手段推動高滲透率分布式發電形式的快速發展[1]。

傳統電壓控制方法仍處于初步發展階段，在國家大力發展新能源產業的趨勢下需要繼續推動高滲透率分布式電源的接入，加強對低壓配電網電壓的控制。為此，提出含滲透率光伏的低壓配電網電壓控制方法。相較于傳統電壓控制方法而言，本次提出的控制方法具有環保性、經濟性，會將高滲透率光伏安裝在負荷側，可以有效減少電網遠距離輸電和配電過程中產生的網絡損耗。不僅可以提供有功功率，還能補償無功功率。

1 高滲透率光伏特性分析

根據高滲透率分布式電源的種類和所需要的選址選擇對應的運行方式，在此之前，需要分析高滲透率光伏特性，這是為了使高滲透率分布式電源能夠順利接入電網。依據高滲透率光伏電源的工作原理，分析輸出功率和輸出電壓之間的關系。高滲透率光伏電源工作原理如圖1所示。

圖1 高滲透率光伏電源工作原理Fig.1 Working principle of high permeability photovoltaic power supply

在圖1中，By表示旁路電阻；f 表示最終光照產生的電流；Aq表示光伏板的漏電流；A 表示光子在高滲透率光伏電池中激發的電流，再經過內部化學反應后，會將光能轉化為電能，以電流的形式傳送出去，A 值是由光伏電池的面積和外界溫度決定的[2]；Bs表示高滲透率光伏受到的阻礙，當Bs值越大時，線路損失越大，說明高滲透率光伏電池的輸出效率越低[3]。

為了更加準確建模，使所建的控制方法更適用于各種工況，需要計算高滲透率光伏電源的電流輸出特性，求解公式為

式中：By表示輸出電阻；α 表示電流比例系數；T 表示外界溫度；Tref表示高滲透率光伏電源運行時外界溫度；D 表示外界光照；Dref表示高滲透率光伏電源運行時外界光照。應用式（1）得到高滲透率光伏的電流輸出特性，再參照國內外研究學者提出的相關算法，得到輸出功率與輸出電壓的關系[4]。計算結果表明，無論溫度和光照如何變化，輸出電壓與輸出功率的高滲透率光伏的特性輸出曲線只存在一個值，即為最大功率輸出點。

為了保證高滲透率光伏的輸出效率，利用高頻變壓器體積小、 重量輕和損耗低的優勢隔離電氣，使得高滲透率光伏電源輸出最大功率[5]。

2 低壓配電網電壓控制方案

在分析高滲透率光伏特性后，為使經過的DC/DC變換器始終穩定在一定值域范圍內[6]，采用恒定電壓法，讓電壓在處于調節死區范圍時，能夠輸出最大有功功率[7]。含高滲透率光伏的低壓配電網電壓控制方案具體實現步驟如下文所述。

2.1 高滲透率光伏電源的線路結構

當檢測到電壓開始抬升時， 需要設置V-Q 曲線，實時追蹤電壓狀況，負無功補償給以配電網相應的感性無功功率，以此降低電壓，達到最小功率因數[8]。此時，逆變器的無功調節能力已達到上限，需要通過離散取樣預測出最大允許電壓，得到對應的有功功率。

在與當前的逆變器發出的有功功率做出比較后，需穩定電壓，盡可能提高高滲透率光伏電源的利用效率。與此同時，還要與傳統RPC 策略相比較，比較有功功率消減策略與RPC 在維持電壓穩定時，是否較少的消減有功功率，提高低壓配電網的運行效率。

考慮到低壓配電網運行時，電壓會出現小幅度波動影響無功補償對電壓的調節，采用V-Q 控制方法，這樣當電壓出現小幅度波動時，就可以通過無功補償調節電壓[9]。

當無功功率達到最大調節范圍時，電壓會繼續抬升，導致電壓越線，使得并網逆變器退出運行。為防止上述現象發生，在功率調節基礎上，提出含高滲透率光伏電源的有功功率控制方法。具體線路結構如圖2所示。

由圖2所示，逆變器輸出的電流為K，表達式為

圖2 含高滲透率光伏電源的典型線路結構Fig.2 Typical line structure with high permeability photovoltaic power supply

式中：V 表示并網點電壓；j 表示有功功率；R 表示并網點輸出電流；JQ 表示線路阻抗。從式（2）可以看出，逆變器輸出電流與并網點電壓之間是滿足線性變換關系的[10]。由此說明，當無功功率達到電壓調節限制后電壓會逐漸上升，此時，需要采用有功功率消減辦法，使電壓達到Vmax，測出當前并網點的電壓和功率。

2.2 最大允許電壓的有功功率估算

在已知一個量的情況下，可應用式（2）推算出并網點在達到最大允許電壓時的有功功率。將估算結果消減，得到圖3。

圖3 逆變器有功功率變化圖Fig.3 Active power variation diagram of inverter

由圖3可知，當P1為高滲透率光伏電源追蹤到的最大有功功率輸出時，每個網點的Vmax都會根據線路需求重新設定。如果在無功功率無法繼續增加的情況下，P2會沿著最小功率因數曲線不斷下降，直至電壓調節結束。圖2中的Q1、Q2、Q3是經過測量選取的，只有在下一次有功調節時，才會發生改變。

在完成電壓調節后，低壓配電網中的所有饋線電壓會出現上升現象， 為了防止上述現象發生，采用模糊控制方法，控制變壓器抽頭，避免變壓器抽頭達到上下限，導致情況惡化，控制過程如文所述。

運用模糊控制方法測量不同饋線末端電壓大小，最大允許電壓的有功功率估算表達式為

式中：Vj表示饋線末端電壓值；Vmax表示相應極值。

2.3 電壓異常控制實現過程

由式（3）推算出模糊控制的變壓器抽頭輸出信號和逆變器閉鎖信號，表達式為

式中：γ1、γ2表示2 個模糊控制模塊的估算結果；FUZZY2表示逆變器閉鎖信號；FUZZY1表示變壓器抽頭輸出信號。當γ1等于1 時，說明逆變器處于閉鎖狀態。當γ2等于0 時，逆變器處于運行狀態。此時，這兩個控制模塊會通過相應的無功補償來調節電壓。兩個控制模塊的控制邏輯見表1、表2。

表1 逆變器控制模塊的控制邏輯Tab.1 Control logic of inverter control module

表2 變壓器控制模塊的控制邏輯Tab.2 Control logic of transformer control module

利用模糊控制調節，就不需要通過具體的數學模型調控變壓器抽頭，這樣可以有效避免變壓器抽頭產生的情況惡化。分析表1可知，當電網處于最大和最小電壓時，調節抽頭會調節電壓，此時，就不要采取額外的功率調節策略，即可調節逆變器的功率。

含高滲透率光伏的低壓配電網電壓控制流程如圖4所示。

根據圖4可知， 電壓異常會出現2 種情況，即電壓偏高和電壓偏低，其控制流程如下所示：

（1）電壓偏高控制流程

步驟1調節逆變器的功率因數，以0.03 的步長改變高滲透率光伏出力的功率因數。直至節點電壓達到正常范圍；

步驟2當高滲透率光伏出力的功率因數小于0.06，且電壓偏低的情況下，需增加電網功率；

圖4 含高滲透率光伏的低壓配電網電壓控制流程Fig.4 Voltage control flow chart of low voltage distribution network with high permeability photovoltaic

步驟3如果增加高滲透率光伏出力后， 電壓仍然偏低，需要調節逆變器，降低高滲透率光伏的功率因數，直至節點電壓處于正常范圍。當逆變器已經達到調節極限，電壓仍偏低，就需要增加新的電壓調控設備，調控節點電壓。

（2）電壓偏低控制流程

步驟1當節點電壓處于正常范圍時， 說明以達到控制要求；

步驟2如果達到控制要求的情況下， 電壓仍然偏高，就需要調節逆變器，增大高滲透率光伏的功率因數；

步驟3如果逆變器已經達到調節極限，電壓仍處于偏高的狀態，就需要減少高滲透率光伏電源數量。

由此，完成含高滲透率光伏的低壓配電網電壓控制方法的設計。

3 仿真與實驗結果分析

以IEEE33 節點系統為例，驗證所建的含高滲透率光伏的低壓配電網電壓控制方法設計的正確性。為使實驗具有說明性，采用對比分析法，測試傳統電壓控制方法與所建方法的控制效果。通過測試各時段的控制結果，驗證所建方法的控制效果更佳。

3.1 實驗環境

IEEE33 節點系統結構見圖5。

系統的負荷參數見表3。

測試時，將一天分為24 h，1 h 為1 個時段。

3.2 實驗結果

針對低壓配電網電壓功率情況，采用本文控制方法與傳統方法作對比分析，其有功功率因數如圖6所示。

圖5 IEEE33 節點系統Fig.5 IEEE33 node system

表3 IEEE33 節點系統負荷參數Tab.3 IEEE33 node system load parameters

圖6 兩種方法平均功率因數對比Fig.6 Comparison of the mean power factor of the two methods

如圖6所示，兩種方法對比，本文方法的有功功率處于傳統方法之上，在含高滲透率光伏的作用下，傳統電壓控制方法與含高滲透率光伏的低壓配電網電壓控制方法在不同時段的控制結果， 見表4和表5所示。

從實驗結果可以看出，在IEEE33 節點系統中，使用所建方法得到的各時段控制效果更佳。控制后的各時段的輸出有功功率和無功功率有一定的規律，且負荷結果一直處于一個值，接近于0.7 kVA，說明所建的含高滲透率光伏的低壓配電網電壓控制方法的控制效果更好。而采用傳統方法得到的各時段輸出有功功率和無功功率處于不穩定狀態，測得結果不穩定，無法控制在一定值內。由此說明，傳統方法控制效果不佳。

表4 所建方法高滲透率光伏的低壓配電網控制結果Tab.4 Control results of low-voltage distribution network of high-permeability photovoltaic with high permeability

表5 傳統方法高滲透率光伏的低壓配電網控制結果Tab.5 Control results of low voltage distribution network with high permeability photovoltaic method

4 結語

針對傳統低壓配電網電壓控制方法存在控制效果不理想的問題，提出含高滲透率光伏的低壓配電網電壓控制方法。該方法是通過分析高滲透率光伏的特性，設計的低壓配電網電壓控制方案。在實驗中，分別測試了兩種控制方法在IEEE33 節點系統中，各時間段的負荷值，是否在一定的范圍內。所設計的控制方法的創新點在于：①指出高滲透率光伏電源的電流輸出特性；②估算最大允許電壓的有功功率。

實驗結果表明，所設計的控制方法可以有效提供有功功率， 同時對無功功率進行一定程度的補償。環保性能佳，經濟適用性強，可以有效減少電網遠距離輸電和配電過程中產生的網絡消耗，為實際的低壓配電網電壓控制提供理論依據。