分布式光伏并網電壓和功率因數協調控制策略

趙偉然, 汪海蛟， 李光輝， 何國慶， 孫 健

(1. 新能源與儲能運行控制國家重點實驗室(中國電力科學研究院)，北京 100192；2. 國網北京市電力公司，北京 100031)

·分布式光伏并網技術·

分布式光伏并網電壓和功率因數協調控制策略

趙偉然1, 汪海蛟1， 李光輝1， 何國慶1， 孫 健2

(1. 新能源與儲能運行控制國家重點實驗室(中國電力科學研究院)，北京 100192；2. 國網北京市電力公司，北京 100031)

為應對分布式光伏并網引起的電壓越限和功率因數超標問題，提出了一種改進的分布式光伏并網電壓和功率因數協調控制策略。該策略包括電壓控制策略和功率因數控制策略，電壓控制策略采用優先控制光伏發出的無功功率,當無功容量不足時降低有功功率的方法調節并網點電壓；功率因數控制策略控制光伏發出的無功功率以調節用戶考核點功率因數。針對2種控制策略分別設計了比例積分控制器，最后通過算例，在RT-LAB仿真環境中驗證了所提控制策略的有效性。

分布式光伏;電壓控制；功率因數控制；比例積分控制

0 引言

近年來我國分布式光伏發電獲得了快速的發展，分布式光伏的大量接入給配電網無功電壓帶來了一定的影響，容易引起并網點電壓越限、用戶功率因數超標等問題，成為制約分布式光伏發展的主要因素之一[1-5]。

針對分布式光伏接入配電網引起的電壓升高越限問題，可以采用安裝無功補償設備、逆變器控制、安裝儲能、調節有載調壓變壓器分接頭等措施[6，7]，但安裝無功補償設備和儲能將增加大量投資，我國配電網中變壓器多為無載調壓變壓器。德國電氣工程師協會提出了4種分布式電源本地無功電壓調節策略[8]，包括定無功控制、定功率因數控制、基于有功的功率因數控制和基于電壓的無功控制。

在分布式光伏無功電壓分層集中控制方面，現有的主要方法如下：基于有功和電壓相結合的Q(U,P)控制策略，目的是使所有的光伏逆變器均參與電壓調節且所發出無功總量最小[9]；基于智能算法的分布式光伏分層無功控制策略，實現了光伏本地無功電壓控制和上層優化控制的統一[10，11]；光伏無功功率控制和有功功率抑制相結合的調壓方法，采用優化模型求解逆變器的有功和無功指令[12]。基于上層協調優化的光伏無功控制策略對通信通道要求較高，但目前我國大量10 kV并網分布式光伏項目通過無線、公網等方式接入調度機構，380 V并網分布式光伏項目只將發電量信息通過智能電表上傳給電網，上層優化控制所需的通信通道不滿足要求，因此本地無功電壓控制成為解決分布式光伏并網引起的電壓和功率因數問題的必然選擇。理論分析表明分布式電源的接入點是電壓變化的極大值點，只要消除分布式電源接入點的電壓越上限現象，就可以解決配電網的電壓越上限問題[13]。有研究人員提出了一種利用光伏逆變器實現的自動電壓控制方法，設計了V/Q曲線，通過調節光伏逆變器功率因數實現并網點電壓調節[14]。

分布式光伏運行數據表明分布式光伏接入后可能會造成用戶功率因數降低，導致用戶出現功率因數調節費(力調電費)損失[15]。有研究人員提出了分布式光伏參與電網電壓和功率因數調節的控制策略[16，17]，為光伏逆變器設定了電壓調節和功率因數調節2種工作模式，根據并網點不同的狀態使逆變器在2種工作模式間切換。電壓和功率因數調節模式均使用線性函數進行控制，易出現超調或欠調。所設計的電壓調節模式在并網點電壓越上限時直接限制光伏有功功率會帶來較大發電量損失；功率因數調節模式沒有考慮在并網點向電網倒送有功功率和無功功率的情況下對功率因數進行控制，而功率因數考核計算方法采用正向無功和反向無功絕對值之和計算用戶功率因數，會導致用戶出現反向功率因數超標。

文中設計了分布式光伏電壓-功率因數協調控制策略，設計了電壓和功率因數調節比例積分控制器，設計了考慮并網點正反向無功潮流的12區圖控制策略，仿真驗證了控制策略的有效性。

1 理論分析

分布式光伏并網示意圖如圖1所示，其中U為電網電壓；UPV為并網點電壓；R，X為線路電阻、電抗。

圖1 分布式光伏并網示意圖Fig. 1 Distributed PV integration diagram

當光伏系統接入電網之后,電網電壓為：

(1)

式中：Ppv，Qpv分別為光伏系統向電網注入的有功、無功功率；Pload，Qload分別為本地負載有功、無功消耗。可以得到：

(2)

(3)

從式(2)和式(3)可以得出，光伏有功功率和無功功率與并網點電壓呈線性關系，由于配電網線路阻抗比R/X一般較大，并網點電壓對光伏有功和無功的靈敏度較為接近，因此通過調節光伏發電系統輸出的有功功率或無功功率，均可以達到調節并網點電壓的效果。

圖1中A點為用戶功率因數考核點(同為分布式光伏并網點和公共連接點)，該點功率因數為：

(4)

通過調節分布式光伏發出的無功功率，可以改善并網點功率因數。

2 電壓-功率因數協調控制策略

當光伏逆變器采用電流源輸出方式、恒功率控制策略(即PQ模式)時，光伏逆變器可等效為PQ可控電源。由于多臺PQ模式光伏逆變器間不存在無功環流，可以將在一個并網點并聯運行的多臺光伏逆變器視作一個整體，在此基礎上設計分布式光伏并網電壓-功率因數控制策略。

2.1 電壓控制策略

電壓控制策略通過調節分布式光伏發出的無功功率和有功功率，將并網點電壓控制在一定的范圍內。當并網點電壓升高越上限時，首先調節分布式光伏發出的無功功率來降低并網點電壓；當分布式光伏發出感性無功達到最大值后并網點電壓仍然不滿足要求時，降低光伏發出的有功功率，直至電壓滿足要求。當并網點電壓降低超出下限時，增大分布式光伏發出的無功功率，直至電壓滿足要求或分布式光伏發出容性無功達到最大值。光伏發出的有功、無功功率與并網點電壓呈線性關系，可采用比例積分控制器實現并網點電壓幅值的無差控制。針對分布式光伏發出感性無功達到最大值和未達到最大值2種情況，設計了2種電壓控制策略。

(1) 無功-電壓控制策略。當分布式光伏仍有無功裕度時，使用無功調節并網點電壓，如圖2所示。

圖2 光伏發出感性無功未達到最大值時的控制框圖Fig. 2 Control block when PV inductive reactive power haven’t reached the limit

圖2中，kp1，ki1，kp2，ki2為比例積分控制器參數；Uref為電壓調節目標值，當電壓越上限時Uref=Umax-ΔU，當電壓越下限時Uref=Umin-ΔU，ΔU大于比例積分控制器控死區；Qref為將并網點電壓維持在目標值所需的無功參考；QPV_ref為分布式光伏應發出的無功功率。當一個并網點有多臺分布式光伏逆變器時，QPV_ref按不同逆變器額定容量等比例分配。

(2) 有功-電壓控制策略。當并網點電壓越上限后，啟動無功-電壓控制策略使分布式光伏發出感性無功功率調低并網點電壓。當分布式光伏達到感性無功上限而并網點電壓仍未達到目標值時，啟動有功-電壓控制策略，降低分布式光伏發出的有功功率以調低電壓，直至電壓達到目標值或分布式光伏有功被控制到0，如圖3所示。

圖3 光伏發出感性無功達到最大值后的控制框圖Fig. 3 Control block when PV inductive reactive power reaches the limit

圖3中，kp3，ki3，kp4，ki4為比例積分控制器參數；Uref為電壓調節目標值，當電壓越上限時Uref=Umax-ΔU，ΔU大于比例積分控制器控制死區；Pref為將并網點電壓維持在目標值所需的有功參考值；PPV_ref為分布式光伏發出的無功上限值。當一個并網點有多臺分布式光伏逆變器時，PPV_ref按不同逆變器額定容量等比例分配。

2.2 功率因數控制策略

功率因數控制策略下，經調節分布式光伏出的無功功率，將公共連接點處的功率因數控制在合格范圍內。公共連接點功率因數控制目標可直接轉化為無功功率控制目標，設計控制框圖如圖4所示。

圖4 功率因數控制框圖Fig.4 Control block of power factor control strategy

圖4中，kp5，ki5為比例積分控制器參數；cosφref為功率因數目標值，當并網點存在倒送給電網的無功功率時cosφref=-cosφmin-Δcosφ，當并網點沒有倒送給電網的無功功率時cosφref=cosφmin+Δcosφ，Δcosφ大于比例積分控制器控制死區。PPCC和QPCC為公共連接點處有功和無功功率，Qref為將功率因數維持在目標值所需的無功參考值，QPV_ref為分布式光伏應發出的無功功率。當一個并網點有多臺分布式光伏逆變器時，QPV_ref按不同逆變器額定容量等比例分配。

2.3 電壓和功率因數協調控制

分布式光伏并網點的電壓升高問題可能會導致光伏逆變器跳閘、損壞用戶用電設備等，并網點的電壓降低可能會導致用戶用電設備無法啟動等問題。公共連接點的功率因數超標問題可能會導致功率因數調節費損失。電壓超標問題關系用電安全，而功率因數考核是按月執行，短時的功率因數超標不一定導致月底出現功率因數調節費損失。電壓和功率因數協調控制流程圖如圖5所示。

圖5 電壓和功率因數協調控制流程Fig.5 Flowchart of voltage and power factor coordination control

將電壓控制置于較高的優先級，當電壓越限時優先控制電壓，只有當電壓在正常范圍內且功率因數超標時才調節功率因數。當電壓在合格范圍內而功率因數超標，需進行功率因數調節時，為避免因調節功率因數導致電壓超標，將功率因數調節模式中比例積分控制器調節速度降低，減小每一步無功功率調節幅度。

電壓和功率因數協調控制可能出現的12種工況如圖6所示。

圖6 電壓和功率因數協調控制12種工況Fig. 6 12 operation conditions of voltage and power factor coordination control

(1) 無需調節工況。1區和7區電壓和功率因數都在正常范圍內，不需要進行調節。

(2) 需下調電壓工況。2區、3區、8區和9區電壓越上限，需向下調節電壓。以2區為例，向下調節并網點電壓后，分布式光伏發出的無功功率減少，可能進入1區，也有可能導致功率因數超標而進入4區、7區或10區。

(3) 需上調電壓工況。5區、6區、11區和12區電壓越下限，需上調電壓。以6區為例，向上調節并網點電壓后，分布式光伏發出的無功功率增加，可能進入1區，也有可能導致功率因數超標而進入4區、7區或10區。

(4) 需上調功率因數工況。4區電壓在正常范圍內，功率因數超標，需向上調節功率因數。調節后分布式光伏發出的無功功率增加，可能進入1區，也可能因分布式光伏發出的無功功率增加后面臨電壓越上限問題而停留在4區。

(5) 需下調功率因數工況。10區電壓在正常范圍內，功率因數超標，需向下調節功率因數。調節后分布式光伏發出的無功功率減少，可能進入7區，也可能因分布式光伏發出的無功功率減少后面臨電壓越下限問題而停留在10區。

3 算例分析

在RT-LAB中建立了圖1所示典型分布式光伏接入配電網仿真模型，驗證文中所提控制策略的有效性。分布式光伏裝機容量為500 kW，光伏逆變器功率因數可調范圍為超前0.9～滯后0.9，負荷有功功率400 kW，功率因數0.92，接入10 kV電網，線路為YJV22-3×185電纜線路，每千米電阻為0.099 Ω，每千米電抗為 0.105 Ω，每千米電納為0.34 mF。線路長度10 km，電網短路容量100 MV·A。實際分布式光伏工程中逆變器有功、無功控制多采用Modbus-RTU通信，通信周期在1 s左右，因此設置仿真模型中比例積分控制器控制周期為1 s。電壓控制策略1中比例積分控制器參數kp1，ki1，kp2，ki2分別為0.5，0.5，0.1和0.33，電壓控制策略2中比例積分控制器參數kp3，ki3，kp4，ki4分別為0.5，0.4，0.1和0.25，功率因數控制策略中比例積分控制器參數kp5，ki5分別為0.2和0.2。

3.1 單臺光伏逆變器

算例中的分布式光伏只有1臺500 kW逆變器，對文中所提控制策略進行仿真驗證。

(1) 電壓越上限。設置電壓控制目標值上下限位1.03 p.u.和1.0 p.u.，在第14 s時出現電壓擾動，電壓升高至1.08 p.u.。首先啟動電壓控制策略1，降低光伏逆變器發出的無功功率至-242 kvar，此時電壓仍不滿足控制目標要求，啟動電壓控制策略2，降低光伏逆變器發出的有功功率至273 kW左右，電壓被控制在1.03 p.u.左右，調節過程耗時5 s左右。如圖7所示。

圖7 電壓越上限后的電壓和有功無功變化Fig. 7 Voltage, active power and reactive power when voltage exceeds the upper limit

(2) 電壓越下限。在第8 s時出現電壓擾動，電壓跌落至0.96 p.u.，啟動電壓控制策略1，增加光伏逆變器輸出的無功功率至192 kvar左右，此時電壓被控制在1 p.u.左右，調節過程耗時4 s左右。如圖8所示。

圖8 電壓越下限后的電壓和無功變化Fig. 8 Voltage and reactive power when voltage exceeds the lower limit

(3) 功率因數越上限。電壓在正常范圍內，設置功率因數目標值為1(-1)，即控制光伏逆變器發出的無功功率等于負荷消耗的無功功率，在第12 s時功率因數從1跌落至0.06，啟動功率因數控制策略，增加光伏發出的無功功率至142 kvar，將功率因數重新控制為1，調節過程耗時9 s左右。如圖9所示。

圖9 功率因數越上限后的功率因數和無功變化Fig. 9 Power factor and reactive power when power factor exceeds the upper limit

(4) 功率因數越下限。當光伏輸出的有功功率大于負荷，則會出現潮流流向電網的現象，此時功率因數為負值。在第9 s時功率因數從-1跌落至-0.91，啟動功率因數控制策略，降低光伏逆變器發出的無功功率至-174 kvar左右，功率因數恢復到-1左右。如圖10所示。

圖10 功率因數越下限后的功率因數和無功變化Fig.10 Power factor and reactive power when power factor exceeds the lower limit

3.2 2臺光伏逆變器并聯運行

算例中的分布式光伏由1臺200 kW和1臺300 kW逆變器并聯運行，逆變器功率因數可調范圍為超前0.9～滯后0.9，即1號和2號光伏逆變器無功分別在-97～97 kvar和-144～144 kvar范圍內可調，對文中所提控制策略進行仿真驗證。

(1) 電壓越上限。出現電壓擾動后，首先啟動無功-電壓控制策略，降低1號和2號光伏逆變器發出的無功功率，所需降低的總無功功率按逆變器額定容量在1號和2號光伏逆變器間等比例分配，即1號光伏逆變器降低的無功功率是2號光伏逆變器降低的無功功率的2/3。當1號和2號光伏逆變器無功出力分別降低至-97 kvar和-144 kvar時，電壓仍不滿足控制目標要求，啟動有功-電壓控制策略，所需降低的總有功功率按逆變器額定容量在1號和2號光伏逆變器間等比例分配，即1號光伏逆變器降低的有功功率是2號光伏逆變器降低的有功功率的2/3，當1號和2號光伏逆變器發出的有功功率分別降低至109 kW和164 kW左右時，電壓被控制在1.03 p.u.左右。如圖11所示。

圖11 電壓越上限后電壓和2臺逆變器有功無功變化Fig.11 Voltage, active power and reactive power of two inverters when voltage exceeds the upper limit

(2) 功率因數越下限。功率因數跌落后，啟動功率因數控制策略，降低1號和2號光伏逆變器發出的無功功率，所需降低的總無功功率按逆變器額定容量在1號和2號光伏逆變器間等比例分配，當1號和2號光伏逆變器無功出力分別降低至-69 kvar和-105 kvar左右時，功率因數恢復到-1左右。如圖12所示。

圖12 功率因數越下限后功率因數和2臺逆變器無功變化Fig. 12 Power factor and reactive power of two inverters when power factor exceeds the lower limit

電壓越下限和功率因數越上限的情況，與3.1節中仿真分析結果類似。

4 結論

文中分析了分布式光伏并網的電壓和功率因數問題，設計了考慮并網點正反向無功潮流的分布式光伏電壓-功率因數協調控制策略，算例分析驗證了控制策略的有效性。所設計的分布式光伏電壓-功率因數協調控制策略能夠充分利用分布式光伏的有功、無功調節能力，較好地解決了并網點電壓越限和用戶功率因數超標問題，對提高配電網接納分布式光伏的能力具有一定的促進作用。

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趙偉然

趙偉然(1987—)，男，河南許昌人，碩士，工程師，從事新能源發電并網技術研究工作(E-mail：zhaoweiran@epri.sgcc. com.cn)；

汪海蛟(1988—)，男，河南新鄉人，博士，工程師，從事新能源發電并網技術研究工作；李光輝(1984—)，男，天津人，碩士，高級工程師，從事新能源發電并網和運行控制技術研究工作；

何國慶(1981—)，男，江西南昌人，碩士，高級工程師，從事新能源發電并網技術研究工作；

孫 健(1981—)，男，黑龍江勃利人，博士，高級工程師，從事新能源發電并網技術研究工作。

(編輯錢 悅)

VoltageandPowerFactorCoordinationControlforDistributedPhotovoltaicIntegration

ZHAO Weiran1, WANG Haijiao1, LI Guanghui1, HE Guoqing1, SUN Jian2

(1. State Key Laboratory of Operation and Control of Renewable Energy&Storage Systems( China Electric Power Research Institute), Beijing 100192, China;2. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

To deal with the problem of voltage and power factor exceeding limits caused by distributed PV integration, an improved voltage and power factor coordination control strategy of distributed PV is proposed. The strategy includes voltage control strategy and power factor control strategy, voltage control strategy regulates the voltage of integration by controlling PV reactive power firstly and reducing PV reactive power when PV reactive power reach lower limit, power factor control strategy regulates reactive power of PV and power factor of the point of common coupling, proportional integral controller is designed for two control strategies. Finally, an example is given to demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy in a RT-LAB simulation environment.

distributed PV; voltage control; power factor control; proportional integral control

TM615;TM712

A

2096-3203(2017)06-0020-07

2017-06-25；

2017-07-28

國家重點研發計劃(2017YFB0903300);國家電網公司科技項目(分布式光伏發電集群運行調控關鍵技術研究)