基于光伏逆變器功率協調控制的電壓調節方法研究

何嘉興，方健，張敏

（廣東電網有限責任公司廣州供電局電力試驗研究院，廣東 廣州 510062）

資助項目：分布式光伏過壓減容控制裝置（GZHKJXM20200071）。

隨著公眾對環境保護的重視程度越來越高，光伏發電技術在許多國家得以深入應用，推動著光伏發電的飛速發展，同時，也對配電網電壓調節帶來了新的挑戰。在配電網傳統的電壓調節過程中，主要是通過隨著不同電壓波動調節變壓器分接頭促進各個節點電壓能夠滿足規定標準范圍。然而，這種方法由于需要變壓器分接頭頻繁動作，并且結構復雜、成本較高，導致很多變壓器并不具備調節電壓的能力。隨著逆變器控制技術的深入發展，通過逆變器功率協調對電壓進行調節，能夠在不增加設備成本的基礎上最大程度上控制配電網電壓，具有積極的現實意義。

1 典型的電壓調節策略

在現階段分布式光伏并網點電壓調節過程中，一般是通過調節光伏逆變器輸出的有功功率與逆變器多余容量輸出無功功率支撐兩種方式。在實際的應用過程中分布式并網系統通常采用雙環控制，能夠在不同的電壓狀態下對輸出的有功功率以及無功功率進行有效調整。正常情況下，光伏逆變器的額定容量要在一定程度上大于光伏列陣所能發出的最大功率，能夠為電網提供無功功率支撐，在配電網重載與輕載時對電壓進行調節。光伏逆變器的無功控制主要分為隨電壓變化調整無功功率輸出的Q(U)控制策略與隨逆變器輸出功率變化調整無功功率輸出的Q(P)控制策略。

Q(U)控制策略如圖1所示，逆變器的無功輸出功率隨著電壓的變化而變化，當并入節點電壓幅值U＞Um,min時，逆變器通過吸收無功功率進行對電壓的調整，同時，吸收的無功功率隨著電壓的升高而增加。當并入節點電壓幅值U>Um,max時，光伏逆變器能夠最大程度上吸收無功功率以降低節點電壓。

圖1 控制策略

Q(U)控制策略具有較高的有效性，在控制過程中能夠有效地根據電壓的變化對輸出的無功功率進行調整，消除了其他因素對無功功率輸出的影響。然而，這種控制策略存在一定的局限性，在配電網整個線路中，不同光伏電源并入點電壓存在一定的差異。通常情況下，在靠近變壓器節點位置的電壓幅值沒有超出限值，線路首端與末端的逆變器輸出無功功率存在一定的不同，靠近變壓器端口的逆變器無法充分參與無功輸出，無功支撐能力利用不充分，難以最大程度上發揮出光伏逆變器的作用。

Q(P)控制策略如圖2所示，逆變器的無功輸出功率隨有功功率的變化而變化，當有功功率P＜Pm,1時，逆變器不輸出無功功率，當有功功率P＞Pm,1時，逆變器開始輸出無功功率，當P＞Pm,2時，逆變器開始最大程度上吸收無功功率。

Q(P)控制策略在電壓調節過程中，能夠最大程度上發揮出逆變器的作用，在不同節點的逆變器都能夠參與無功調節，能夠有效調節光伏發電高峰功率與負載使用功率時間差異所產生的地有功倒送而產生的過電壓問題，但是，當光伏發生高峰與負載使用高峰時間一致（Ppv＜Pload）時，此時，并未出現過電壓，然而，逆變器仍然會持續工作降低電壓，導致線路損耗不斷增加。此外，低壓配電網較之高壓配電網X/R更低，無功控制無法有效地對配電網電壓進行調節，逆變器容量無法滿足高有功功率輸出時段的需求，導致電壓調節難以符合實際標準范圍，在這種情形下，調整過電壓的方法一般是APC方式。然而，APC方式本質上是采用棄光行為來保障電壓符合正常標準，導致光伏能源無法得以充分利用。

2 基于功率協調控制的電壓調節方法

Q(U)、Q(P)以及APC控制策略對電壓的調節存在一定的局限性，不同并入節點的逆變器缺乏通信，難以適應多點電壓之間的協調控制。因此，本文借助集中控制理念協調各個分布光伏電源，在保障每個逆變器能夠發揮電壓調節能力的基礎上減少線路損耗，提升逆變器以及光伏能源的利用率。本文逆變器功率協調控制采取集中控制方式，控制結構采用點對多的模式，即一個中央控制器通過通信鏈路連接多個底層控制器，各個底層控制器按照中央控制器發出的指令進行動作，整體流程如圖3所示。每個光伏并網逆變器將節點電壓信號通過通信鏈路上傳到中央處理器，然后，由中央處理器對所接收的電壓信號進行判定，如果低于設定的限定值則Ualert不進行任何操作；如果過于限定值，則Ualert根據控制方法計算功率分配至，下發到底層控制器，促使逆變器接受并執行指令進行動作。為了將逆變器的功率進行協調分配，將電壓符合規定范圍問題轉化為數學問題，可以建立含有非線性約束條件的數學優化模型。在調節過程中，逆變器需要將電壓調整到規定電壓標準范圍的同時，還需要最大程度上降低無功功率總量，避免資源浪費。因此，在無功功率總量最低并且不需要縮減有功功率時，Pi,curt為0，需要縮減有功功率時，Pi,curt最大程度上取最小值，在目標函數中增加一項系數較大的ωPi,curt，最終目標函數定義為：

圖3 基于有功無功協調控制的電壓調節方法流程圖

充分結合實際情況，約束條件定義如下：

（1）逆變器容量約束

逆變器額定容量是光伏電源輸出有功功率與無功功率的基礎，Pi,pv是第i個光伏電源按照最大功率跟蹤所輸出的有功功率，Pi,curt是第i個光伏電源輸出有功功率縮減量，Qi,pv是第i個光伏電源所吸收的無功功率，Si是第i個光伏逆變器的額定容量。

（2）光伏電源有功功率約束

Pi,curt取值范圍為非負數，并且小于有功功率Pi,pv，同時小于最大功率Pi,max。

（3）節點潮流約束

式中，Pi是節點i的有功功率，Qi是節點i的無功功率，Ui是節點i的電壓增幅，δi是節點i的相角，Gij和Bij是支路ij的線路參數。

（4）節點電壓約束

光伏并網節點電壓限定范圍需要在Umin與Umax之間。

本文使用復合形算法在滿足約束條件的可行域內求目標函數最小的Pi,curt與Qi,pv，復合形算法是一種較為適合解決有約束優化問題的數學算法，在變量維度較小時具有尋優速度快和可靠性高的特點。

3 結語

本文針對低電壓配電網中并入大量光伏電源的情況，提出了基于光伏逆變器功率協調控制的電壓調節方法，通過分析比較典型的Q(U)、Q(P)電壓調節策略，有機結合APC控制方法，不僅能夠實現對每個逆變器的統一協調控制，還能最大程度上減小有功功率縮減量與吸收無功功率，降低棄光量與線路損耗。