新能源光伏電站AVC系統應用研究

摘 要：為有效改進電網分布式光伏電站并網的無功電壓調節方法，研究基于《西北區域新版“兩個細則”》實施背景下的新能源光伏電站有功和無功控制系統的可用率、調節精度、響應時間、合格率等高指標要求分析，針對某地新能源光伏電站配網負荷日益增加問題，構建了AVC（自動電壓控制）系統實施電網多級電壓節點控制，同時運用協調控制策略達到提升配網自動化和運行效率、降低配網損耗目的。通過AVC系統設計及應用實現電廠電壓、無功的實時監測，即在AVC系統判斷電壓或無功越限時，及時進行新能源電站調節，保證新能源光伏電站的無功電壓始終處于最優狀態。

關鍵詞：無功補償；配電網絡；自動電壓控制；協同控制

中圖分類號：TP273；TM762G64 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0121-04

Study on the application of AVC system in new energyphotovoltaic power plant

WEN Le 1 ，GENG Qingqing 2 ，LI Jianwu 3 ，LIANG Yongji 3 ，ZHANG Yang 3 ，XU Xiaoqiang 3 ，YUAN Quan 4

（1. Huanneng Shaanxi Power Generation Co.，Ltd.， Xi’an 712000，China；2. Xi’an Guanglinhui Intelligent Energy Technology Co.，Ltd.，Xi’an 712000，China；3. Huanneng Shaanxi New Energy Branch Company，Xi’an 710000，China；4.Xi’an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710000，China）

Abstract： In order to effectively improve the reactive voltage regulation method of grid-connected distributed photo?voltaic power plants，based on the analysis of high index requirements such as the availability rate，adjustment accu?racy，response time，and qualification rate of the active and reactive power control systems of new energy photovolta?ic power stations under the background of the implementation of the new version of the“Two Detailed Rules”in theNorthwest Region，an AVC（automatic voltage control）system was constructed to implement multi-level voltagenode control of the power grid in view of the increasing distribution network load of new energy photovoltaic power sta?tions in a certain place. At the same time，the coordinated control strategy was used to improve the automation and op?eration efficiency of the distribution network and reduce the loss of the distribution network. Through the design andapplication of AVC system，real-time monitoring of power plant voltage and reactive power is realized，that is，when the AVC system judged that the voltage or reactive power exceeds the limit，the new energy power station is adjustedin time to ensure that the reactive voltage of the new energy photovoltaic power station is always in the optimal state.

Keywords：reactive power compensation；distribution networks；automatic voltage control；cooperative control

加強對于新能源光伏電站AVC（自動電壓控制）系統的科學應用，不僅能穩定提升電網電壓質量和自動化水平，還能極大地縮減電力網絡用工成本，避免電壓越限問題及其他電力故障問題發生。實質上看，電力配網是一個較為復雜的時變系統，業界針對電壓多級控制作了大量研究。如結合某電廠AVC異常調節情況分析，通過現場檢測和故障診斷手段，測出異常調節的直接原因為測控裝置I/O單元硬件及DCS增減磁輸出邏輯存在設計缺陷，并在對I/O單元輸出邏輯進行適度優化及改進增減磁輸出邏輯后，有效避免了同一時刻 2 個遙控同時輸出問題，AVC未出現類似故障，電網運行安全穩定性得到了極大的保障 [1] 。本文針對某地新能源光伏電站配網負荷日益增加問題構建了AVC系統實施電網多級電壓節點控制，同時運用協調控制策略達到提升配網自動化和運行效率、降低配網損耗目的。

1 AVC基本原理及模型簡介

AVC（自動電壓控制）的核心功能是調節站廠線路的無功優化，并處理與上下級變電站的協同問題。

主網AVC負責設定子站的電壓和無功目標范圍 [2] 。光伏電站配電網包含兩段輸配電母線，通過控制開關實現線路的輸入輸出。

AVC系統通過數據采集和監控系統實時收集各節點電壓和無功數據，傳輸至電力調度中心進行最優潮流計算，以最小化電網損耗并優化電壓 [3] 。無功、網損與電壓不平衡波動的關系見式（1）：

式中： DU 1?2 為1、2節點間的電壓差； P 為節點間傳輸線路傳輸的有功功率； Q 為節點間傳輸線路傳輸的無功功率； R 為節點間傳輸線路阻抗；DP 1?2 為1、2節點間傳輸有功功率差；U為線路額定電壓。

AVC系統的應用目標是最小化兩節點間的傳輸線損，同時考慮電壓狀態和網損狀況。在這一過程中，必須考慮3個關鍵約束：電壓約束，確保各節點電壓幅值在安全范圍內，保障電能質量；潮流約束，控制各支路功率在允許范圍內，以符合系統參數和條件；電壓穩定性，確保系統電壓在額定范圍內。這些因素共同構成了AVC系統的優化目標函數 [4] 。目標函數表達式見式（2）：

式中： P i 為節點處注入的有功功率； Q i 為節點處注入的無功功率； θ ij 為節點間的電導、電納和電壓之差角； U i 為實時電壓； K t 為實時調節系數； U max 為節點電壓最大值； U min 為節點電壓最小值； K max 為調節系數最大值； K min 為調節系數最小值。

2 新能源AVC系統總體技術框架

2. 1 總體原則

本研究依托含分布式光伏電源的配電網故障特征建立AVC系統模型 [5] 。AVC主站主要以新能源電站并網點母線電壓或無功作為控制目標，負責控制目標值下發控制。AVC子站主要負責AVC主站下發的控制指令接受，并根據指令進行風機、逆變器等無功資源控制與無功補償，以滿足電壓快速恢復運行要求的動態無功儲備量，應對光伏電站電力輸出過程中較強時間性問題 [6] 。系統建設中，AVC主站調節指令與無功電壓計劃曲線下發給遠動通信設備，再經綜合監控系統轉發至AVC子站，實現電源并網容量配置優化 [7] 。當電網狀態穩定時，新能源光伏電站實施分鐘級無功電壓自動控制；當存在新能源光伏電站事故或AVC主站與AVC子站數據異常、系統功能異常時，系統應立即自動閉鎖或退出AVC，確保電網結構穩定 [8] 。

2. 2 新能源AVC系統框架

主站主要目標為并網電壓合格、并網關口功率因素與無功最優 [9] ，并輔以無功調節設備動作次數最少為約束條件 [10] 。由于子站具備遙控遙調功能，因而在主站AVC下發給新能源子站AVC電壓調節指令后，子站AVC即可進行站內無功電壓調節設備控制，以達到對新能源光伏電站閉環控制目的。

2. 3 新能源AVC控制方案

2. 3. 1 新能源控制模型

在新能源光伏電站AVC主站的建模過程中，通過科學設定運行參數，如站廠控制模型、調節方式、死區值、步長和周期等，以確保模型支持有效 [11] 。建模完成后，進行策略運算和控制驗證以確保模型的完善性。根結點的劃分通常依據供電區域的最高等級電壓母線節點或主編確定的控制區域，一般設定220 kV節點作為主變區域 [12] 。

2. 3. 2 新能源AVC控制策略

在AVC系統中，主站與子站的功能分工明確：主站負責實時計算和關口控制目標的下發，而子站則專注于控制目標的細化和具體調節，以達到最優的電壓無功控制 [13] 。主站不直接控制光伏設備，僅在故障或斷信時子站啟動自主控制以穩定電壓。

驗證系統運行有效性的方法是通過主站AVC對并網端的電壓、無功狀態進行實時監控、檢測。若不在允許電壓范圍內，就產生相應的調節；若對當前網損檢測時發現其不在允許范圍內，則會產生相應的調節策略，見表達式（4）：在滿足任一條件情況下，策略 f（x）=1 操作，而f（x）=0 不觸發。

2. 3. 3 新能源AVC定值

新能源AVC（自動電壓控制）定值決定了系統如何響應電網狀況，是維持電壓穩定和有效管理無功功率的基礎。這些定值包括電壓目標值、無功功率目標值、控制步長、控制周期等，它們根據電網的實際運行狀態和光伏電站的特性進行設定 [14] 。電壓目標值是AVC系統試圖維持的電壓水平，通常根據電網的需求和運行條件設定。無功功率目標值則指定了電站應生成或吸收的無功功率量，以支持電網的穩定運行。控制步長決定了AVC系統調節無功輸出時的靈敏度，較小的步長可以提高調節的精度，但可能增加系統的響應時間。而控制周期則定義了系統多久調整一次其輸出，這影響著系統對電網狀況變化的反應速度 [15] 。

3 光伏AVC子站系統建設

3. 1 光伏電站AVC控制目標

光伏電站的AVC控制目標專注于維護電站的電壓穩定性和無功功率平衡。通過實時監控電站的運行狀況，AVC系統調整無功功率輸出，確保電壓水平保持在預設范圍內。如對光伏逆變器、動態無功補償裝置等關鍵設備的精確控制，以適應電網需求和運行變化 [16] 。此外，AVC還負責協調電站內部的設備和系統，以優化整體電壓質量和提升電能效率，從而實現高效和可靠的電力供應。

3. 2 光伏電站AVC子站運行邏輯

光伏電站的AVC子站運行邏輯以確保電壓穩定和無功功率的有效管理為核心。子站接收來自主站的控制目標，并據此調整光伏逆變器和其他關鍵設備的無功輸出。這涉及對實時數據的監控和分析，以及根據電網條件和光伏電站的實際運行狀況進行動態調節 [17] 。子站還負責實施本地控制策略，在主站控制不可用或通信中斷的情況下，確保電壓和無功功率的穩定。此外，AVC子站還會根據需求優化電壓調節步長和策略，以提高調節效率和響應速度。

4 新能源AVC運行存在的問題分析

4. 1 調試階段功率因數不達標

新能源光伏電站在閉環調試階段通常維持正常的功率因數。進行升降電壓調試時，需注意控制功率因數不低于0.9，通常維持在0.9～1.0 [18] 。

4. 2 運行階段功率因數不達標

新能源光伏電站在發電與非發電過渡期間面臨功率因數不達標的挑戰，可依托功率因數計算公式幫助理解和解決這一問題。

在新能源光伏電站的過渡階段，功率（ P ）逐漸減少，導致無功功率（ Q ）增加。當 P 降至一定水平，功率因數可能會低于0.9，此時AVC系統會自動介入，通過下發電壓增量至新能源電站，進行無功調節。當光伏電站逐步過渡為電力消費者時， P 可能會降至零甚至成為負值。這種情況下，若 Q 與 P 相近或遠大于P，將使功率因數不合格。盡管AVC系統持續調節并下發電壓增量，但由于站端的無功調節依賴于固定步長的電壓增量，這限制了調節的智能化和有效性，從而無法確保功率因數達標。

4. 3 步長調節不夠智能

接入AVC系統后，面對無功功率越限或優化時，其調節智能化水平顯得不足。比如，在系統運行至最低限度時，實時無功值為-1.2，無功下限為-1。此時，主站發出固定步長的電壓增量，使無功上升至8。5 min 后，再下發固定步長的電壓減量，無功降至-0.9。這樣的調節方式使無功功率始終徘徊在越限邊緣，顯示出調節策略的局限性。

4. 4 調節方式針對性不強

在AVC主站的調節過程中，電壓增量首先轉換為電壓目標值，然后這一目標值再轉化為需調整的無功增量。這個轉換流程相對復雜，加之電壓補償是人為設定的，因此在實施無功調節時，步長的設定不夠精確，導致調節效果不理想。

4. 5 子站程序出現誤判

主站每分鐘向子站發送電壓增量為零的平調指令，以維護實時通信。然而，部分新能源電站的程序誤解這一指令為低壓維持命令，導致通過頻繁調節無功以維持電壓，結果引發無功功率的劇烈波動，進而造成功率因數不達標的問題。

4. 6 調度AVC目標分配策略簡單

現場AVC分配策略為平均分配方式，導致由于個別逆變器受環境和自身性能影響，不能正常跟進目標，目標值和實際調節值存在差異，降低了電廠的有效發電量。

5 新能源AVC存在問題解決思路

（1）引入更先進的算法和數據分析技術。針對智能化調節不足的問題，可通過引入機器學習和人工智能技術，提升系統的響應性和精準度，更準確地預測電網負荷變化，從而實現更靈活和高效的無功功率調節；

（2）調節步長。根據電網的實時狀態和光伏發電的變化動態來調整步長，以適應不同的電網需求和運行條件；

（3）改進子站的軟件邏輯。對于子站程序誤判的問題，需要改進子站的軟件邏輯，通過對軟件更新和系統重新配置，以確保所有組件都能準確響應控制信號。

（4）提高主站與子站之間的通信效率和可靠性。改進通信基礎設施，或者采用更先進的通信技術，如光纖通信或無線通信技術，以減少延遲和通信中斷。

6 結語

本文主要針對新能源光伏電站AVC運行問題進行分析，展開有功功率自動控制、無功功率控制、一次調頻技術優化研究，找出被控制裝置的設備特性進行建模，試制新能源光伏AVC和一次調頻控制功能系統，針對不同發電單元進行精細化控制及整體功率可分區控制，結果表明，AVC系統投運能夠有效提升電能質量，滿足電網調度對一次調頻、AVC等功能考核標準，可為現代電力系統發展提供重要技術支撐。

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