基于光伏逆變器調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)電壓控制策略分析

殷志龍，薛水蓮

（西安德納檢驗檢測有限公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

光伏發(fā)電屬于新型發(fā)電技術(shù)，具有獨立性、并網(wǎng)性和環(huán)保性。伴隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣泛建設(shè)，越來越多的自發(fā)電光伏電源將接入配電網(wǎng)，引起配電網(wǎng)電壓波動，不利于配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。引入光伏逆變器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，能夠為配電網(wǎng)電壓控制提供支持。因此，應(yīng)對基于光伏逆變器調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)電壓控制策略展開研究，從而使配電網(wǎng)能夠穩(wěn)定輸送電源。

1 光伏電源接入對配電網(wǎng)電壓的影響

配電網(wǎng)建設(shè)和運行控制對電力負(fù)荷預(yù)測的精準(zhǔn)性要求較高，而不斷接入的光伏電源將影響甚至打破負(fù)荷測算的一般規(guī)律，影響配電網(wǎng)輸電功率的穩(wěn)定性，引起配電網(wǎng)電壓波動。大規(guī)模進(jìn)行光伏電源接入，將造成配電網(wǎng)電壓失調(diào)、配電網(wǎng)保護(hù)部分失效等問題。為保證配電網(wǎng)供電可靠，先要加強對配電網(wǎng)電壓的控制。從配電網(wǎng)側(cè)采取電壓控制策略的直接措施是增大配電網(wǎng)線路截面積，即通過更換更高線徑的電纜或更多回數(shù)的電纜，以降低線路阻抗。但是，更換線路將耗費過多資金，實施周期長，管理成本高且效果甚微。利用有載調(diào)壓變壓器的分接頭進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，雖可實現(xiàn)電壓波動調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)精確度有限，難以解決末端電壓越限問題，且頻繁調(diào)節(jié)抽頭易影響機構(gòu)壽命，系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性差。利用電抗器組、電容器組等阻容設(shè)備進(jìn)行電壓和無功調(diào)節(jié)，投切瞬間將產(chǎn)生大的瞬態(tài)沖擊，易出現(xiàn)系統(tǒng)諧振問題。引入STATCOM雖可實現(xiàn)電壓快速且精準(zhǔn)調(diào)控，但投資較大。因此，為應(yīng)對光伏電源接入給配電網(wǎng)電壓帶來的影響，最經(jīng)濟(jì)可行的措施是從光伏側(cè)采取電壓調(diào)節(jié)措施[1]。并網(wǎng)逆變器作為光伏接入配電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，具有較強的無功輸出能力和快速的調(diào)節(jié)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制。

2 基于光伏逆變器的配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制

2.1 電壓調(diào)節(jié)思路

在配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制上，可以將上級輸配電系統(tǒng)看成恒壓源，通過有載調(diào)壓變壓器與饋線連接。沿著饋線可以進(jìn)行分布式光伏系統(tǒng)PV接入，利用逆變器和變壓器并網(wǎng)。圖1為配電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在逆變器側(cè)，各接入節(jié)點對應(yīng)線路阻抗，連接負(fù)荷與分布式電源DG單元，包含光伏系統(tǒng)組件、逆變器和變壓器。在饋線阻抗比固定的情況下，電壓最高點則為有功或無功功率注入點，即分布式PV接入節(jié)點。采用逆變器實現(xiàn)配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制，主要是由于通過節(jié)點對有功功率進(jìn)行注入，即便節(jié)點發(fā)生了無功調(diào)整也不會給其他節(jié)點輸入帶來影響，避免了電壓控制不穩(wěn)問題。從并網(wǎng)點對有功功率進(jìn)行虛擬注入，從安全區(qū)向過電壓區(qū)過渡的過程中，注入功率將逐步減小。而在注入的有功功率與電壓閾值相等時，逆變器無功輸出將達(dá)到零。在超出電壓閾值后，將吸收無功功率，因此逆變器無功輸出能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)節(jié)。

圖1 配電網(wǎng)接入光伏電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2.2 電壓調(diào)節(jié)流程

由于光伏發(fā)電會輸出無功功率，如果實現(xiàn)恒功率控制將導(dǎo)致配電網(wǎng)產(chǎn)生較大損耗。如果單純利用有功率輸出進(jìn)行控制，逆變器無功輸出無法對電壓變化進(jìn)行響應(yīng)，在負(fù)載增加時易導(dǎo)致接入點出現(xiàn)電壓超限問題，使設(shè)備無功輸出較多，配電網(wǎng)損耗較大[2]。針對接入光伏電源造成配電網(wǎng)節(jié)點電壓超限的情況，利用逆變器對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。在考慮電壓調(diào)節(jié)需求的同時，想要盡量減少配電網(wǎng)損耗，可將電壓調(diào)節(jié)劃分為無功補償、容量約束和功率約束3個階段。在無功補償階段，逆變器能夠維持有功功率穩(wěn)定。在設(shè)備功率因數(shù)角變大的情況下，設(shè)備無功功率有所增加。根據(jù)逆變器各參量關(guān)系可知，設(shè)備達(dá)到最大功率時，功率因數(shù)角為容量約束角。在容量約束階段，設(shè)備功率始終為最大值，輸出無功功率隨著功率因數(shù)角增加而增加，設(shè)備輸出有功功率則有所減小。在功率因數(shù)約束階段，設(shè)備最大功率因數(shù)角不變，功率有所縮減。經(jīng)過無功補償，設(shè)備可能出現(xiàn)最大功率因數(shù)角最大，但功率未能達(dá)到最大，造成設(shè)備不會出現(xiàn)容量約束現(xiàn)象。將變壓器看成是理想模型，不考慮線路間分布電容、互感等裝置影響，將負(fù)荷變化看成是較小，可以對接入點電壓控制問題展開線性分析，確定利用逆變器有功和無功功率調(diào)整實現(xiàn)電壓控制的策略。采用逆變器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，利用功率因數(shù)角的感性無功功率參與電壓調(diào)整，提升設(shè)備容量利用率，并減少線路無功功率，因此能夠減少配電網(wǎng)功率和電壓損失。

2.3 電壓控制策略

2.3.1 調(diào)節(jié)策略

在接入光伏電源過程中，節(jié)點電壓之所以出現(xiàn)超限問題，與有功功率過剩有直接關(guān)系。在功率因數(shù)約束階段，逆變器會部分消耗對光伏電源輸出的有功功率，以免電壓超限問題的發(fā)生給配電網(wǎng)設(shè)備和線路帶來損害。但與此同時，光伏電源有功出力也將減少，造成運行經(jīng)濟(jì)性較低，因此應(yīng)盡可能避免對逆變器有功功率進(jìn)行削減。調(diào)整設(shè)備功率因數(shù)角，可以在接入配電網(wǎng)后將節(jié)點k的目標(biāo)電壓限值設(shè)定為Uk,lim，然后將逆變器功率因數(shù)角設(shè)定為θmax。通過實時監(jiān)測節(jié)點電壓Uk、逆變器功率S及功率因數(shù)角θ，能夠根據(jù)各參數(shù)關(guān)系進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)控制。在節(jié)點電壓Uk＞Uk,lim的條件下，設(shè)備功率S未能達(dá)到最大值，而功率因數(shù)角θ＜θmax，設(shè)備將進(jìn)行無功功率補償。此時，調(diào)節(jié)功率因數(shù)角θ使其接近最大值，能夠避免設(shè)備有功功率損失，并利用感性無功功率使線路得到補償。在節(jié)點電壓Uk＞Uk,lim、設(shè)備功率S達(dá)到最大值而功率因數(shù)角θ＜θmax時，設(shè)備將進(jìn)行最大功率調(diào)整。此時，調(diào)節(jié)功率因數(shù)角θ使其進(jìn)一步增加，使設(shè)備有功功率被犧牲，能夠增加設(shè)備輸出無功功率，達(dá)到對配電網(wǎng)進(jìn)行補償?shù)哪康?。在?jié)點電壓Uk＞Uk,lim且功率因數(shù)角θ=θmax時，設(shè)備將進(jìn)行功率削減，有效控制配電網(wǎng)電壓。在電壓調(diào)節(jié)過程中，可以測量線路阻抗，獲得準(zhǔn)確調(diào)節(jié)量。但是，考慮到測量存在誤差，還要結(jié)合控制參數(shù)加強策略靈敏度分析，根據(jù)接入點電壓、線路阻抗偏差得到有功功率和無功功率的靈敏度矩陣，通過潮流計算確定偏差。根據(jù)偏差調(diào)節(jié)接入點電壓，通過修正逆變器輸出功率，能夠通過設(shè)備調(diào)節(jié)實現(xiàn)配電網(wǎng)電壓的有效控制。

2.3.2 控制實現(xiàn)

在策略實現(xiàn)方面，需要結(jié)合光伏電源接入所在地負(fù)荷狀況確認(rèn)接入點目標(biāo)電壓限值和最大功率因數(shù)角。利用式（1）能夠根據(jù)監(jiān)測得到的節(jié)點電壓、功率等數(shù)據(jù)，計算容量約束角θlim。式中，PPV為逆變器輸出有功功率，Smax為設(shè)備功率最大值。

在節(jié)點電壓超出限值的情況下，根據(jù)功率因數(shù)角和容量約束角的關(guān)系，可以采取不同的策略。在監(jiān)測得到的數(shù)值未達(dá)到設(shè)定的容量約束角時，設(shè)備進(jìn)行無功補償，利用式（2）計算需要輸出的感性無功功率QPV,b。式中，XΣk為節(jié)點阻抗，通過修正后可以實現(xiàn)電壓控制量輸出，以達(dá)到電壓控制目標(biāo)，然后返回繼續(xù)進(jìn)行逆變器輸出監(jiān)測。

在檢測發(fā)現(xiàn)節(jié)點電壓超限同時設(shè)備容量最大且功率因數(shù)角未達(dá)到約束角大小時，可以調(diào)整設(shè)備最大功率，通過計算設(shè)備有功功率進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。在設(shè)備達(dá)到最大功率因數(shù)角時，需要完成縮減后的有功功率計算，修正后進(jìn)行功率輸出調(diào)節(jié)。整個過程中發(fā)現(xiàn)節(jié)點電壓超限問題先通過對設(shè)備功率因數(shù)角進(jìn)行調(diào)節(jié)實現(xiàn)電壓控制，直至無法通過該參數(shù)調(diào)節(jié)削減光伏有功出力，從而有效減少配電網(wǎng)損失[3]。通過對光伏最大功率進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)接入點電壓超限問題，并通過有效調(diào)節(jié)保證配電網(wǎng)運行安全。不同于恒功率控制或有功功率控制策略，采用該策略擁有較高靈活性，能夠綜合考量網(wǎng)損和電壓波動因素。通過調(diào)節(jié)逆變器參數(shù)調(diào)節(jié)有功功率和無功功率輸出，保證光伏發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)性的同時，能夠滿足配電網(wǎng)電壓控制要求。

2.4 電壓控制效果

為確定采用上述策略能否有效實現(xiàn)配電網(wǎng)電壓控制，還要開展仿真實驗。具體來講，就是在IEE 33節(jié)點配電網(wǎng)中節(jié)點15的位置接入有功功率為2.5 MW的光伏電源。負(fù)荷為靜態(tài)，采用三相平衡模型[4]，逆變器功率最大為2.5 MVA，最低功率因數(shù)為0.98，節(jié)點電壓上限為1.05 p.u.。在并網(wǎng)發(fā)電過程中，24 h光照強度呈正態(tài)分布變化，節(jié)點電壓經(jīng)歷先上升后下降變化趨勢，在中午11:00—13:00達(dá)到最大，約1.058 p.u.。從逆變器輸出功率來看，從11:20開始，逆變器進(jìn)入無功功率補償階段，輸出功率達(dá)0.249 MVar，使節(jié)點電壓下降至1.05 p.u.。為確認(rèn)其他策略有效性，在節(jié)點18位置接入新的光伏電源，有功功率為2.5 MW，節(jié)點電壓為1.075 p.u.。在節(jié)點電壓超限后，逆變器先進(jìn)行無功功率補償。在設(shè)備最大功率達(dá)到最大后，功率因數(shù)為0.99，設(shè)備輸出0.353 MVar無功功率，電壓仍然存在超限問題。設(shè)備進(jìn)入最大功率調(diào)整階段，逆變器有功功率調(diào)節(jié)為2.45 MW，輸出無功功率為0.497 MVar，節(jié)點電壓超限問題依然未能解決，使得設(shè)備開始進(jìn)行功率縮減。直至設(shè)備功率縮減為2.38 MW，節(jié)點電壓達(dá)到1.051 5 p.u.，能夠滿足電壓控制要求。從控制參數(shù)誤差分析情況來看，電阻抗偏差和母線電壓偏差均為1%，但經(jīng)過修正后可以實現(xiàn)電壓準(zhǔn)確控制。因此，從仿真結(jié)果可知，采用逆變器參數(shù)進(jìn)行有功和無功功率輸出調(diào)節(jié)，能夠達(dá)到精準(zhǔn)控制配電網(wǎng)電壓的目標(biāo)。

3 結(jié) 論

綜上所述，在配電網(wǎng)電壓控制方面，從配電網(wǎng)側(cè)采取策略難以達(dá)到有效調(diào)節(jié)電壓和減少損失的目標(biāo)。而光伏逆變器作為連接光伏電源和配電網(wǎng)的重要設(shè)備，能夠從光伏側(cè)對接入節(jié)點電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)設(shè)備功率因數(shù)角，能夠調(diào)節(jié)設(shè)備有功和無功功率輸出，消除節(jié)點電壓超限情況，同時盡可能減少有功功率的縮減，減少配電網(wǎng)損失。因此，從配電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行的角度來看，采用光伏逆變器調(diào)節(jié)方法實現(xiàn)配電網(wǎng)電壓控制擁有良好的發(fā)展前景。