含高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制方法

楊昌海，彭 婧，妥建軍，田云飛

（國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，蘭州730000）

高滲透率分布式電源的接入給配電網(wǎng)帶來了很大的效益，相應(yīng)地也會給配電網(wǎng)各方面帶來深遠的影響， 主要包括電能質(zhì)量和供電可靠性等方面。面對全球范圍內(nèi)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，為實現(xiàn)自我控制，形成能夠?qū)崿F(xiàn)孤島運行的智能微電網(wǎng)。為了改善含高滲透率的低壓配電網(wǎng)電壓控制帶來的挑戰(zhàn)，許多國家都在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，制定一系列標準規(guī)范，利用不同的手段推動高滲透率分布式發(fā)電形式的快速發(fā)展[1]。

傳統(tǒng)電壓控制方法仍處于初步發(fā)展階段，在國家大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)的趨勢下需要繼續(xù)推動高滲透率分布式電源的接入，加強對低壓配電網(wǎng)電壓的控制。為此，提出含滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制方法。相較于傳統(tǒng)電壓控制方法而言，本次提出的控制方法具有環(huán)保性、經(jīng)濟性，會將高滲透率光伏安裝在負荷側(cè)，可以有效減少電網(wǎng)遠距離輸電和配電過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)損耗。不僅可以提供有功功率，還能補償無功功率。

1 高滲透率光伏特性分析

根據(jù)高滲透率分布式電源的種類和所需要的選址選擇對應(yīng)的運行方式，在此之前，需要分析高滲透率光伏特性，這是為了使高滲透率分布式電源能夠順利接入電網(wǎng)。依據(jù)高滲透率光伏電源的工作原理，分析輸出功率和輸出電壓之間的關(guān)系。高滲透率光伏電源工作原理如圖1所示。

圖1 高滲透率光伏電源工作原理Fig.1 Working principle of high permeability photovoltaic power supply

在圖1中，By表示旁路電阻；f 表示最終光照產(chǎn)生的電流；Aq表示光伏板的漏電流；A 表示光子在高滲透率光伏電池中激發(fā)的電流，再經(jīng)過內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)后，會將光能轉(zhuǎn)化為電能，以電流的形式傳送出去，A 值是由光伏電池的面積和外界溫度決定的[2]；Bs表示高滲透率光伏受到的阻礙，當Bs值越大時，線路損失越大，說明高滲透率光伏電池的輸出效率越低[3]。

為了更加準確建模，使所建的控制方法更適用于各種工況，需要計算高滲透率光伏電源的電流輸出特性，求解公式為

式中：By表示輸出電阻；α 表示電流比例系數(shù)；T 表示外界溫度；Tref表示高滲透率光伏電源運行時外界溫度；D 表示外界光照；Dref表示高滲透率光伏電源運行時外界光照。應(yīng)用式（1）得到高滲透率光伏的電流輸出特性，再參照國內(nèi)外研究學(xué)者提出的相關(guān)算法，得到輸出功率與輸出電壓的關(guān)系[4]。計算結(jié)果表明，無論溫度和光照如何變化，輸出電壓與輸出功率的高滲透率光伏的特性輸出曲線只存在一個值，即為最大功率輸出點。

為了保證高滲透率光伏的輸出效率，利用高頻變壓器體積小、 重量輕和損耗低的優(yōu)勢隔離電氣，使得高滲透率光伏電源輸出最大功率[5]。

2 低壓配電網(wǎng)電壓控制方案

在分析高滲透率光伏特性后，為使經(jīng)過的DC/DC變換器始終穩(wěn)定在一定值域范圍內(nèi)[6]，采用恒定電壓法，讓電壓在處于調(diào)節(jié)死區(qū)范圍時，能夠輸出最大有功功率[7]。含高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制方案具體實現(xiàn)步驟如下文所述。

2.1 高滲透率光伏電源的線路結(jié)構(gòu)

當檢測到電壓開始抬升時， 需要設(shè)置V-Q 曲線，實時追蹤電壓狀況，負無功補償給以配電網(wǎng)相應(yīng)的感性無功功率，以此降低電壓，達到最小功率因數(shù)[8]。此時，逆變器的無功調(diào)節(jié)能力已達到上限，需要通過離散取樣預(yù)測出最大允許電壓，得到對應(yīng)的有功功率。

在與當前的逆變器發(fā)出的有功功率做出比較后，需穩(wěn)定電壓，盡可能提高高滲透率光伏電源的利用效率。與此同時，還要與傳統(tǒng)RPC 策略相比較，比較有功功率消減策略與RPC 在維持電壓穩(wěn)定時，是否較少的消減有功功率，提高低壓配電網(wǎng)的運行效率。

考慮到低壓配電網(wǎng)運行時，電壓會出現(xiàn)小幅度波動影響無功補償對電壓的調(diào)節(jié)，采用V-Q 控制方法，這樣當電壓出現(xiàn)小幅度波動時，就可以通過無功補償調(diào)節(jié)電壓[9]。

當無功功率達到最大調(diào)節(jié)范圍時，電壓會繼續(xù)抬升，導(dǎo)致電壓越線，使得并網(wǎng)逆變器退出運行。為防止上述現(xiàn)象發(fā)生，在功率調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，提出含高滲透率光伏電源的有功功率控制方法。具體線路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2所示，逆變器輸出的電流為K，表達式為

圖2 含高滲透率光伏電源的典型線路結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical line structure with high permeability photovoltaic power supply

式中：V 表示并網(wǎng)點電壓；j 表示有功功率；R 表示并網(wǎng)點輸出電流；JQ 表示線路阻抗。從式（2）可以看出，逆變器輸出電流與并網(wǎng)點電壓之間是滿足線性變換關(guān)系的[10]。由此說明，當無功功率達到電壓調(diào)節(jié)限制后電壓會逐漸上升，此時，需要采用有功功率消減辦法，使電壓達到Vmax，測出當前并網(wǎng)點的電壓和功率。

2.2 最大允許電壓的有功功率估算

在已知一個量的情況下，可應(yīng)用式（2）推算出并網(wǎng)點在達到最大允許電壓時的有功功率。將估算結(jié)果消減，得到圖3。

圖3 逆變器有功功率變化圖Fig.3 Active power variation diagram of inverter

由圖3可知，當P1為高滲透率光伏電源追蹤到的最大有功功率輸出時，每個網(wǎng)點的Vmax都會根據(jù)線路需求重新設(shè)定。如果在無功功率無法繼續(xù)增加的情況下，P2會沿著最小功率因數(shù)曲線不斷下降，直至電壓調(diào)節(jié)結(jié)束。圖2中的Q1、Q2、Q3是經(jīng)過測量選取的，只有在下一次有功調(diào)節(jié)時，才會發(fā)生改變。

在完成電壓調(diào)節(jié)后，低壓配電網(wǎng)中的所有饋線電壓會出現(xiàn)上升現(xiàn)象， 為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生，采用模糊控制方法，控制變壓器抽頭，避免變壓器抽頭達到上下限，導(dǎo)致情況惡化，控制過程如文所述。

運用模糊控制方法測量不同饋線末端電壓大小，最大允許電壓的有功功率估算表達式為

式中：Vj表示饋線末端電壓值；Vmax表示相應(yīng)極值。

2.3 電壓異常控制實現(xiàn)過程

由式（3）推算出模糊控制的變壓器抽頭輸出信號和逆變器閉鎖信號，表達式為

式中：γ1、γ2表示2 個模糊控制模塊的估算結(jié)果；FUZZY2表示逆變器閉鎖信號；FUZZY1表示變壓器抽頭輸出信號。當γ1等于1 時，說明逆變器處于閉鎖狀態(tài)。當γ2等于0 時，逆變器處于運行狀態(tài)。此時，這兩個控制模塊會通過相應(yīng)的無功補償來調(diào)節(jié)電壓。兩個控制模塊的控制邏輯見表1、表2。

表1 逆變器控制模塊的控制邏輯Tab.1 Control logic of inverter control module

表2 變壓器控制模塊的控制邏輯Tab.2 Control logic of transformer control module

利用模糊控制調(diào)節(jié)，就不需要通過具體的數(shù)學(xué)模型調(diào)控變壓器抽頭，這樣可以有效避免變壓器抽頭產(chǎn)生的情況惡化。分析表1可知，當電網(wǎng)處于最大和最小電壓時，調(diào)節(jié)抽頭會調(diào)節(jié)電壓，此時，就不要采取額外的功率調(diào)節(jié)策略，即可調(diào)節(jié)逆變器的功率。

含高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制流程如圖4所示。

根據(jù)圖4可知， 電壓異常會出現(xiàn)2 種情況，即電壓偏高和電壓偏低，其控制流程如下所示：

（1）電壓偏高控制流程

步驟1調(diào)節(jié)逆變器的功率因數(shù)，以0.03 的步長改變高滲透率光伏出力的功率因數(shù)。直至節(jié)點電壓達到正常范圍；

步驟2當高滲透率光伏出力的功率因數(shù)小于0.06，且電壓偏低的情況下，需增加電網(wǎng)功率；

圖4 含高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制流程Fig.4 Voltage control flow chart of low voltage distribution network with high permeability photovoltaic

步驟3如果增加高滲透率光伏出力后， 電壓仍然偏低，需要調(diào)節(jié)逆變器，降低高滲透率光伏的功率因數(shù)，直至節(jié)點電壓處于正常范圍。當逆變器已經(jīng)達到調(diào)節(jié)極限，電壓仍偏低，就需要增加新的電壓調(diào)控設(shè)備，調(diào)控節(jié)點電壓。

（2）電壓偏低控制流程

步驟1當節(jié)點電壓處于正常范圍時， 說明以達到控制要求；

步驟2如果達到控制要求的情況下， 電壓仍然偏高，就需要調(diào)節(jié)逆變器，增大高滲透率光伏的功率因數(shù)；

步驟3如果逆變器已經(jīng)達到調(diào)節(jié)極限，電壓仍處于偏高的狀態(tài)，就需要減少高滲透率光伏電源數(shù)量。

由此，完成含高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制方法的設(shè)計。

3 仿真與實驗結(jié)果分析

以IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)為例，驗證所建的含高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制方法設(shè)計的正確性。為使實驗具有說明性，采用對比分析法，測試傳統(tǒng)電壓控制方法與所建方法的控制效果。通過測試各時段的控制結(jié)果，驗證所建方法的控制效果更佳。

3.1 實驗環(huán)境

IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

系統(tǒng)的負荷參數(shù)見表3。

測試時，將一天分為24 h，1 h 為1 個時段。

3.2 實驗結(jié)果

針對低壓配電網(wǎng)電壓功率情況，采用本文控制方法與傳統(tǒng)方法作對比分析，其有功功率因數(shù)如圖6所示。

圖5 IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)Fig.5 IEEE33 node system

表3 IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)負荷參數(shù)Tab.3 IEEE33 node system load parameters

圖6 兩種方法平均功率因數(shù)對比Fig.6 Comparison of the mean power factor of the two methods

如圖6所示，兩種方法對比，本文方法的有功功率處于傳統(tǒng)方法之上，在含高滲透率光伏的作用下，傳統(tǒng)電壓控制方法與含高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制方法在不同時段的控制結(jié)果， 見表4和表5所示。

從實驗結(jié)果可以看出，在IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)中，使用所建方法得到的各時段控制效果更佳。控制后的各時段的輸出有功功率和無功功率有一定的規(guī)律，且負荷結(jié)果一直處于一個值，接近于0.7 kVA，說明所建的含高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制方法的控制效果更好。而采用傳統(tǒng)方法得到的各時段輸出有功功率和無功功率處于不穩(wěn)定狀態(tài)，測得結(jié)果不穩(wěn)定，無法控制在一定值內(nèi)。由此說明，傳統(tǒng)方法控制效果不佳。

表4 所建方法高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)控制結(jié)果Tab.4 Control results of low-voltage distribution network of high-permeability photovoltaic with high permeability

表5 傳統(tǒng)方法高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)控制結(jié)果Tab.5 Control results of low voltage distribution network with high permeability photovoltaic method

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)電壓控制方法存在控制效果不理想的問題，提出含高滲透率光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制方法。該方法是通過分析高滲透率光伏的特性，設(shè)計的低壓配電網(wǎng)電壓控制方案。在實驗中，分別測試了兩種控制方法在IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)中，各時間段的負荷值，是否在一定的范圍內(nèi)。所設(shè)計的控制方法的創(chuàng)新點在于：①指出高滲透率光伏電源的電流輸出特性；②估算最大允許電壓的有功功率。

實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的控制方法可以有效提供有功功率， 同時對無功功率進行一定程度的補償。環(huán)保性能佳，經(jīng)濟適用性強，可以有效減少電網(wǎng)遠距離輸電和配電過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)消耗，為實際的低壓配電網(wǎng)電壓控制提供理論依據(jù)。