基于光伏逆變器調相的網源協調調控運行技術研究

郝曉光，呂 游，李劍鋒

（1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021；2.華北電力大學，河北 保定 102206）

0 引言

光伏發電技術從小型離網系統發展為大型并網系統，給系統帶來了電壓超限、功率倒掛、網損增大等影響[1]，[2]。因此，對光伏并網的網源協調控制方法進行研究具有一定的實際意義。

國內學者對新能源接入后的網源協調技術進行了研究。文獻[3]研究了用于分布式新能源接入區域電網的網源協調技術，闡述了新能源接入區域網源協調技術研究的難點和主要內容，分析了潮流計算的統一計算方法、分布式電源輸出的隨機特性、負載的靜態特性等。文獻[4]提出了一種光儲接入的網源協調規劃方法，以光伏、儲能和電網作為市場環境下三方的博弈關系，建立了光儲網源協調規劃模型，并通過仿真驗證了該模型的實用性。文獻[5]提出了一種考慮能源互連的城市電網多能源聯合調度方法，給出了一種用于輸配電網絡的多能源垂直交互調度模式；考慮到內部設備的運行約束和網絡的安全約束，給出了大型的、間歇性的火力發電日前綜合協調調度模型。文獻[6]提出了一種資源感知的協調網絡分區模型，該模型分為兩層:上層模型旨在最小化一年的總成本，對分布式發電的網絡結構、訪問位置和容量進行優化；下層集群分區模型基于綜合性能指標對上層的規劃結果進行集群，并使用改進的混合算法進行求解。然而，上述研究并未對各主體間的運行策略進行研究，造成電網連接容量大和投資浪費，存在一定的局限性，有待完善與提高。

基于此，本文提出了一種將變壓器有載調壓開關和光伏逆變器相結合的網源協調控制方法。根據靈敏度信息劃分不同的控制域，對光伏和有載調壓開關進行協調實現調壓。通過仿真，驗證了網源協調控制方法的優越性。

1 網源協調管理平臺結構

傳統的網源管理模型存在諸如對底層設備的感知不足、通信能力不足、缺乏協作等問題[7]。電力物聯網的提出促進了網源協調管理的發展。如圖1所示，根據網源協調管理系統的特點，本文構建了設備感知層、數據傳輸層和業務應用層的網源協調管理系統框架。

業務應用層對采集到的數據信息進行挖掘和處理，實現故障診斷、數據分析等功能[8]；通過數據傳輸層將采集數據傳輸到業務應用層，實現不同功能的開發[9]；設備感知層具有許多測量點，分布范圍廣，源端數據包括位置和狀態反饋等開關信號，以及溫度和壓力等模擬信號。

2 網源協調控制策略

光伏系統接入電網后，使配電網的潮流分布發生變化，有載調壓開關和就地無功補償不在是最優的調壓方式[10]。因此，本文提出了一種將有載調壓開關和光伏逆變器相結合的網源協調控制方法，以提高系統的能效。

2.1 電壓控制域劃分

根據光伏和有載調壓開關對配電網電壓的影響情況，劃分電壓控制范圍（Voltage Control Range，VCR）。在VCR內電壓控制效果較好，在VCR外電壓控制效果不足。合理的控制區域是實現網源協調控制的關鍵。

（1）配電網電壓靈敏度

在電力系統中，功率與母線電壓和相角的關系分別為[11]

式中:ΔP，ΔQ，ΔV，Δδ分別為光伏注入節點的有功、無功、電壓、相角的變化量；J為雅可比矩陣。

由式（2）可知，電壓幅值和相角為狀態變量，隨光伏注入功率而變化。這里將J的逆矩陣定義為電壓靈敏度矩陣[12]:

式中:[?V/?P]和[?V/?Q]分別為電壓-有功和電壓無功靈敏度矩陣，每個子矩陣都是（n-1）×（n-1）階，n為節點數。

對于光伏接入母線j的有功和無功擾動ΔPPVj，ΔQPVj，各節點的電壓變化ΔVi為[13]

式中:i為節點編號，i=1，2，…，n；ΔVi，[?Vi/?Pj]，[?Vi/?Qj]均為（n-1）階矩陣。

由式（4）可知，當光伏功率固定時，電壓靈敏度越高，對電壓的支撐越強；相反，支撐越弱[14]。

（2）光伏電壓控制域

文中的光伏無功功率輸出控制主要用于調節電壓，將控制明顯的節點劃分為同一VCR。各PV輸出的無功功率變化ΔQPV為[15]

式中:Qmax為光伏發電產生或吸收的最大無功功率；Qd為當前產生的無功功率。

通常認為光伏無功功率為正，吸收的無功功率為負，ΔQPV根據光伏實時數據計算[16]。

劃分光伏VCR的過程如下:加強光伏輸出的無功，使每個光伏輸出的ΔQPV相等，并且每個節點的電壓變化可通過式（4）獲得；設置判斷閾值ΔVth，可以更直觀地對光伏VCR進行分類，如果ΔVi＞ΔVth，則將節點i劃分為光伏VCR，這意味著該節點i受到光伏的控制強，否則，認為節點受到有載分壓開關的控制強；比較每個節點的大小，ΔQPV對ΔVi影響最大，將該節點i劃分為光伏VCR，初步劃分光伏VCR[17]。

（3）有載調壓開關電壓控制域

為了使有載調壓開關參與配電網的電壓調節時具有清晰的電壓控制效果，并盡可能減少操作次數，不僅為光伏劃分VCR，有載調壓開關也需要劃分VCR。通過比較控制域邊界兩側節點電壓的影響，可以準確地劃分光伏和有載調壓開關的各個控制范圍[18]。

以雙光伏配電網為例，將VCR電壓控制域劃分為雙光伏控制域，如VCR1和VCR2。通過以下兩種方法調節VCR1邊界電壓:①僅調整光伏1的無功功率；②僅調整VCR1的檔位。通過分析兩種方法對有載調壓開關邊界兩側節點電壓的影響，對VCR1的合理性進行判斷。VCR2同VCR1一樣，最后確定光伏1、光伏2和有載調壓開關的電壓控制區域。

劃分步驟如下:

①根據潮流計算獲得J，對J-1進行實時更新[19]；

②根據式（4）計算ΔVi，并與ΔVth進行比較，初步劃分多個光伏控制區域；

③在每個光伏控制域中，將光伏和有載調壓開關的電壓可調性與光伏控制域邊界兩側的節點進行比較，更改光伏控制域；

④對剩下節點的控制域進行劃分，實時調整電壓控制域。

2.2 控制策略

通過適當地調節多個光伏和有載調電開關，可以提高光伏的利用效率和有載調壓開關的壽命。圖2所示為順序控制策略的流程圖。

圖2 順序控制策略流程Fig.2 Sequence control strategy flow chart

①如果光伏控制域的節點電壓超過限制，則所有調壓設備應按以下順序操作。

步驟1:控制域內的光伏工作。

步驟2:節點電壓合格，結束；節點電壓不合格，執行非控制域中相應的從高到低的光伏動作。

步驟3:所有光伏操作均已完成，節點電壓合格，結束；節點電壓仍不合格時，調整有載調壓開關到一檔，重置所有光伏動作，返回步驟1。

②當有載調壓開關的控制區域中的節點電壓超過限值時，所有電壓調節裝置將按以下順序操作。

步驟1:將有載調壓開關調整到一檔。

步驟2:節點電壓不合格，則相應按ΔVi從高到低的光伏依次動作；合格，結束[20]。

步驟3:所有光伏動作均已完成，節點電壓合格，結束；節點電壓仍不合格，調整有載調壓開關到一檔，重置所有光伏動作并返回步驟2；檢測到節點電壓合格，結束。

3 仿真分析

3.1 仿真參數

為了驗證優化方法的優越性，采用PG＆E69典型的配電系統進行仿真測試，如圖3所示。在仿真模型中，外部電網電壓為66 kV，有載調壓變壓器串聯在節點0-1之間，檔位為±4×2.5%。在節點27和54各接入一個光伏系統，光伏Qmax=±1.5 Mvar。

圖3 PG&E69節點系統Fig.3 PG＆E69 node system

3.2 電壓控制域分析

光伏電壓控制域可以對該范圍的節點電壓進行有效調節，但是對其他節點的支持效果不足。當節點的電壓偏差太大時，可以準確判斷需要動作的光伏進行電壓調節。為了使電壓控制區域更清晰，將各節點上負荷等比例增加1.5倍，并分別提高PV27和PV54輸出的無功功率，使二者的無功增量相同。

將決策閾值設置為0.023 p.u.，以方便每個光伏VCR的劃分?？刂朴虻膭澐纸Y果如表1所示。

表1 控制域劃分結果Table 1 Control domain partition results

為了對劃分控制域進行驗證，將某些節點的電壓降低到正常工作范圍以下。比較以下3種電壓調節裝置的效果:調節有載調壓開關的位置；調節光伏27的無功；調節光伏54的無功。

情況1:有載調壓開關控制域增加負載引起的節點電壓低于下限。增加節點28～35和59～69負載，節點65～69嚴重欠壓。圖4為使用各種電壓調節裝置獲得的電壓分布曲線，具體參數見表2。

圖4 節點電壓1分布Fig.4 Node voltage distribution 1

表2 節點電壓1具體參數Table 2 Node voltage 1 specific parameters

仿真結果表明，針對VCR1的負載增加所引起的電壓下限，VCR1不在光伏27和光伏54的控制范圍內，輸出無功功率不利于調節VCR1的節點電壓。通過有載調壓開關位置的調節，調壓效果明顯，與光伏27和光伏54相比，有載調壓開關的最小、最大和平均電壓都接近1，各節點處的電壓波動較小，電壓分布更加均勻。

情況2:光伏27控制域中增加負載引起的節點電壓低于下限。增加節點13～27負載，15～27節點嚴重欠壓。圖5為使用各種電壓調節裝置獲得的電壓分布曲線，具體參數見表3。

表3 節點電壓2具體參數Table 3 Node voltage 2 specific parameters

圖5 節點電壓2分布Fig.5 Node voltage distribution 2

仿真結果表明，針對VCR2負載增加導致的電壓下限，通過調節光伏27的輸出無功功率和有載調壓開關的位置，VCR2的節點電壓會顯著增加。與調節光伏54和有載調壓開關相比，光伏27的電壓方差最低，電壓分配更加平衡合理，有助于配電網穩定運行。

3.3 網源協調控制策略分析

為了對上述協調方法進行驗證，以典型日為例，在PG＆E69節點系統模型中引入負荷消耗和光伏輸出曲線，如圖6所示。節點上的總負載為2～6 MW。光伏輸出時間為8:00-18:00，在13:00達到高峰，總功率為2 MW。

圖6 負荷消耗和光伏輸出曲線Fig.6 Load consumption and PV output curve

圖7所示為電壓調整前典型日的電壓曲線。在大多數情況下，節點的最小電壓超過下限，可以看出這些節點都分布在VCR3中。

圖7 調壓前日電壓曲線Fig.7 Before voltage regulation daily voltage curve

如果有載調壓開關處于三檔，則在所有光伏發出無功之后，某些節點仍超過下限。根據圖2中的協調控制策略，將有載調壓開關提前調整到二檔，然后根據超出下限的節點電壓控制域調節相應的光伏輸出無功功率。圖8所示為電壓調整后的典型日電壓曲線。

圖8 調壓后日電壓曲線Fig.8 After voltage regulation daily voltage curve

從圖8中可以看到，電壓調整后1 d中節點的最大和最小電壓均沒有超過限制。由于光伏不限操作次數，因此可以通過靈活地調整光伏輸出無功來減小電壓波動的幅度。圖9所示為各調壓設備的動作情況。

圖9 調壓設備動作情況Fig.9 Voltage regulating equipment movement

在15:00-22:00，有載調壓開關的檔位調整到一檔，其余時間調整到二檔。光伏54一直在輸出無功，光伏27在13:00，15:00-17:00，19:00-22:00輸出無功。此示例光伏僅具有兩個控制狀態:輸出無功和不輸出無功。實際應用中光伏的無功輸出可以連續調節，典型日電壓調節后曲線會變得更加平滑。

綜上所述，網源協調控制方法實現了精確的電壓調節，確保整個配電網電壓的穩定和安全，同時，延長了有載調壓開關的使用壽命。

4 結論

本文提出了一種將變壓器有載調壓開關和光伏逆變器相結合的網源協調控制方法。根據靈敏度信息劃分不同的控制域，對光伏和有載調壓開關進行協調實現調壓。仿真結果表明，該控制策略最大程度地提高了光伏逆變器的無功裕度，實現了精確的電壓調節。