風力及光伏發電技術接入電網電壓控制方法分析

上海勘測設計研究院有限公司 任 鋒

國家電網在人們生活和社會生產中發揮保障作用，但由于傳統發電技術需要消耗大量煤炭、核能、天然氣等資源，所以會加劇各地區能源危機，并對生態環境造成嚴重污染。在這一背景下，我國相關單位對發電技術進行了一系列優化和改造，促進風力發電和光伏發電技術應運而生。將這些技術接入電網，能夠有效減少不可再生資源的使用量，同時提高電網運行的安全性。而如何對電網中的電壓進行有效控制，成為電力行業必須深入研究和探索的重要課題，只有保證電壓控制得當，才能夠為電力穩定輸出奠定良好基礎。

1 風力和光伏發電技術接入電網的電壓穩定性分析

在國家電網中接入風力發電技術和光伏發電技術，需要對電壓穩定性進行合理分析。所謂穩定電壓，就是在電網運行過程中，電壓受各種因素影響出現異常現象，但通過控制電壓，能夠保證穩態電壓系統在短時間內不崩潰，并在處理后快速恢復正常運行狀態。現階段，相關專家和學者在電壓穩定研究中，大多會采用電壓靈敏度分析方法判斷電壓是否處于穩定狀態。

近年來，世界各國均加大了清潔型能源開發力度，且風力發電技術和光伏發電技術日益成熟。在分析傳統光伏電網線路電壓穩定性的情況下，越來越多的學者建議投入風力和光伏發電技術接入電網，以促進電壓穩定性。例如，我國華北地區在電網建設中就廣泛使用了風力和光伏發電技術，但由于充電管理樞紐主要位于華北、西北等地區，所以需要通過遠傳充電方式為電網供電，這也為電網運行帶來了諸多隱患[1]。

現如今，在分析包含風力發電系統和光伏發電系統的電網電壓時，大多數學者都會選擇確定性分析方式，基于電網的特性結構，采用PV 曲線對電壓變化情況和靜電平衡范圍進行合理分析；同時使用分叉理論剖析電網電壓的平衡性和穩定性。但結合實踐來看，由于風力和光伏發電技術接入電網后，二者出力具有隨機性特點，所以一些學者會選擇解析法或蒙特·卡羅模擬法來分析電網電壓的穩定性。結合實踐來看，位于同一區域的新能源技術，在發電過程中存在一定聯系，所以一旦忽略該聯系，那么電壓穩定性分析準確性也會大幅度降低。

我國在開發風力發電和光伏發電機組初期階段，由于機組正常運行會產生巨大無功功率。所以無法充分滿足電能實際生產需求，這也導致電壓運行的穩定性不高。在這一形勢下，風電驅動系統能夠將其作為一個有共接收功率的接收器，來驅動風電系統有效運行，進而切實解決電壓不穩問題。

2 風力和光伏發電技術接入電網的電壓控制方法

2.1 風力發電技術接入電網的電壓控制方法

將風力發電技術接入電網后，雖然能夠滿足動態無功補償要求，但想要保證所有無功設備在運行過程中滿足電壓控制要求，就不可避免地產生電壓滯后控制等問題[2]。所以，本文主要通過構建MPC模型，對風力發電技術接入電網的電壓進行控制，通過無功變化及電壓預測方式，保證電壓始終處于穩定狀態。

2.1.1 建立分層控制構架

通過建立構架，可以從源頭降低不同時段電壓預測中存在的誤差。圖1為預測控制構架示意圖。該框架共分為三個層次。第一層為并網自適應調節層，能夠通過有功預測信息，按照1次/1min 的速度，實現有功出力自適應調節需求。第二層為無功協調分配層，能夠按照1次/1s 的速度對無功進行協調和分配。第三層為跟蹤控制層，風機采用MPC 追蹤功率參考指令，MPC 采用恒電壓控制追蹤控制并網點電壓。在該框架中，上級控制中心通過下達參考指令對電壓進行控制，能夠通過自適應系統順利完成有功預測工作，進而輸出預測值，并完成自適應調節工作。另外，無功協調分配層中匯集了大量電壓相關參數，包括風電輸出功率、母線電壓等。在此基礎上，可以輸出有功和無功參考指令。最后進入跟蹤控制層，對并網電壓進行跟蹤控制，并輸出靜態無功補償數值。

圖1 風力發電技術接入電網分層預測控制構架示意圖

2.1.2 電壓穩定控制策略的實現

在對電網電壓進行控制時，由于電機組運行過程輸出較低電壓，所以必然會產生電阻比和電抗比，此時，如果其中某一節點的電流大于零，那么可以結合這一點的功率和電壓，對有功電壓和無功電壓的靈敏度系數進行確定。在此過程中，可以結合上級控制中心傳遞給風電場的參考電壓指令，預測電壓調節的極限，進而實現超前控制電網電壓的目的。另外，可以結合電壓在1min 內的運行狀態，充分利用機組調節能力，并根據調節極限值，確定有功輸出曲線，滿足電壓自適應調節的最終目的。在追蹤最大功率曲線過程中，需要對控制時間是否超出指令控制周期進行判斷，如果超出，需要重新下達指令，并按照以上流程預測下一控制周期；如果沒有超出，則需要保證指令繼續執行。如果上級控制中心下達的指令超出電壓調節范圍，則意味著機組無功調節不足，此時應保證調節后的指令達到最小值，而后在預測有功達到最大值基礎上，合理調整輸出功率。

在確定機組無功上限過程中，需要將其設置為電壓參考指令和有功輸出上限中的最大值。反之，則最小值作為機組無功下限。所以，在有功功率處于動態變化狀態時，機組無功輸出也會隨之發生一系列變化，一般疊加節點預測電壓和無功調節電壓，能夠得出調節上限和下限。結合預測過程得到功率的最大值，需要在無功補償不到位的情況進行合理調節。如果機組運行過程中存在電壓值偏低問題，應對有功輸出量進行合理調節。在調節無功分配過程中，要提前確定控制目標，也就是對節點電壓進行控制，保證其達到參考電壓的最小值，同時還要對靜態無功進行控制，確保其達到無功儲備最大值。將參考質量作為調節電壓的目標后，通過無功發生器跟蹤控制電壓，可以從源頭規避電壓不穩問題。另外，在無功補償足夠的情況下，還能夠及時響應調節指令。

2.2 光伏發電技術接入電網的電壓控制方法

光伏發電本身具有分散性特點，并且單點容量相對較小，因此，將光伏發電技術接入電網，需要遵循就近原則。在機組運行過程中，如果處于發電高峰期，一旦供電距離過長，或者負荷密度較低，則會加快電網潮流分布變化速度，進而使電壓沿著線路方向持續升高。所以，選擇切實可行的方式將光伏發電技術接入電網，并合理調整電壓，是電壓控制的最有效方式。

2.2.1 接入機組

在電網中接入光伏發電技術，需要合理確定電壓水平。為了滿足這一需求，必須充分考慮光伏電站電壓等級、并網容量等實際情況。從理論角度進行分析，為了達到并網要求，需要確保機組在運行過程中，負荷距比的運行電壓低于最大負荷距比。以10kV 光伏電站為例進行分析，在電網中接入光伏發電技術，必須保證距離和容量滿足標準要求。也就是將接入量控制在1800～2500kW 范圍內[3]。另外，光伏發電需要具備一個光源集中的位置，由于該位置的裝機位置已經提前確定，所以為了確保光伏發電技術的接入容量與配電變壓器相符，同時將沒有接入電網的容量控制在變壓器1/2范圍內，就要通過減小供電半徑或增加變壓器數量等方式來實現，如此能夠從源頭規避光伏發電機組運行過程出現電壓持續升高這一問題。

假設在光伏發電技術接入電網后，電壓等級為中低壓，那么需要采用末端接入方式，在此基礎上，利用變壓器的變比合理調節電壓，或者通過無功補償設備調節電壓。結合大量實踐來看，我國建立的35kV光伏發電站，大多配備了無功補償設備，如此能夠保證光伏發電技術接入電網后，不會產生過大的電壓波動現象，這也充分滿足了電壓安全運行要求。但各地區建立的10kV 光伏發電站，很少配備無功補償設備，所以為了滿足電壓自動調節需求，需要加裝調壓器，對發電功率變化進行靈活控制[4]。另外，如果使用屋頂光伏發電機組，那么在接入電網時，則可以利用雙向調壓器對進線側的電壓進行調節，進而保證電壓處于穩定狀態。

2.2.2 調節電壓

在光伏發電廠中，往往會有光伏發電機組大規模接入情況，對此，為了避免電壓受各種因素影響出現越限問題，需要通過實施動態無功補償策略的方式對電壓進行控制。新時期，在科學技術迅速發展背景下，越來越多智能化控制算法應運而生，能夠對電壓進行自動控制，進而保證電壓始終處于穩定狀態。在實施過程中，需要基于機組運行現狀，建立電壓預測模型，并在模型中體現控制量，進而分析出下一刻的電壓輸出值。結合二者差值，對預測過程中產生的誤差進行精準預測，有利于為下一刻預測模型的優化和改進提供有利依據。在逆變器運行過程中，輸出的無功功率或有功功率如果控制難度較大，則需要充分發揮傳感器的作用，及時收集和傳遞各種數據信息[5]，在此基礎上，利用準確運算公式，對線路負載情況進行確定。

另外，逆變器應始終按照四象限軌跡運行，如此可以充分滿足逆變器的視在功率，同時輸出任意功率。在對無功輸出進行嚴格控制的基礎上，電壓能夠滿足最上限的控制要求。在實際操作中，可以將每秒作為一個周期，在每一周期開始的情況下，預測模型無變化。結合上一個周期an-1等模型參數和有功功率輸出Pn，可以確定逆變器的輸出無功值。結合大量實踐可知，之所以實現無功輸出，主要目標就是降低節點電壓，如果機組在運行過程中，無功輸出值為負數，就意味著該機組在運行中，受有功輸出影響會出現電壓越限現象，此時應在系統中加入無功補償設備，如電容器或靜止無功補償器，可以提供或吸收必要的無功功率。如果機組在運行過程中，無功輸出值為正數，則意味著有功輸出相對較小，此時節點電壓幾乎不會發生越限問題，所以不需要對無功進行吸收。

在量誤差允許值控制在合理范圍內的情況下，節點電壓如果等于調度層預定值，此時充分說明電壓不存在越限情況，所以模型也不會發生變化。另外，工作人員可以結合實際輸出的無功值更新模型結構參數，在模型發生變化時，應結合電壓反饋做好合理調節工作。

3 結語

綜上所述，近年來，我國風電場和光電廠建設規模逐漸擴大，但在發電過程中，由于存在間歇性特點，所以在風力發電技術和光伏發電技術接入電網時，容易導致電壓在多種因素影響下出現各種問題，最終導致電力系統電壓波動較大，不僅影響供電質量，還無法充分發揮電網的作用。因此，為了充分保證風力和光伏發電技術在接入電網時，電壓始終處于穩定運行狀態，需要根據發電項目實際情況，做好分層預測電壓工作，并制定行之有效的電壓控制策略，進而為電網安全供電奠定良好基礎。