光伏高滲透率下低壓配電網電壓管理策略研究

鄭發松， 秦嶺， 王乃進， 榮新瑞， 羅遠國， 榮娜

(1.國家電投貴州金元威寧能源股份有限公司，貴州 畢節 550081；2.國家電投貴州金元股份有限公司，貴州 貴陽 550025；3.貴州電網有限責任公司安順供電局, 貴州 安順 561000；4.貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

光伏發電作為解決環境問題的有效手段之一，近年來不斷發展中。光伏發電接入配電網在一定程度上能減少線損，但同時也可能使潮流逆流，進而造成電壓不穩等問題。因此，光伏滲透率較高的低壓系統運行過程中系統電壓的管理就顯得尤為重要[1]。

在現有文獻中，有學者提出了含光伏發電的配電網電壓管理方法，其中，最直接的方法為電網改造[2]，但這種方法不夠經濟。文獻[3]討論了如何協調控制變壓器有載分接頭和分布式電源，但根據文獻[4]，調整變壓器有載分接頭一般不能成為分布式電源電壓的主要調節方式。根據逆變器的無功功率控制能力，有文獻提出了含分布式電源的配電網電壓管理方法[5]。目前，逆變器無功控制方法包括Q(U)控制、PF(P)控制和PF(U)控制，有功控制方法主要有P(U)控制。為最大化利用光伏板效率，一般根據需要控制無功出力而盡量使有功出力最大。為抑制由于逆向潮流導致的過電壓，文獻[6]提出了一種基于動態戴維南等效的有功功率極限預測的有功削減方法，然而這種方法的有效性和準確性極其依賴戴維南等效方法的參數。

因此，本文結合光伏逆變器有功和無功控制的優點，研究了一種基于Q(V)&P(V)控制的低壓配電網電壓管理策略。案例分析在一個低壓配電饋線中展開，借助DIgSILENT的編程語言DPL，驗證了該策略的有效性。

1 光伏逆變器Q(V)&P(V)控制

本文研究了一種Q(V)&P(V)控制的光伏逆變器本地混合控制器，原理如圖1所示。Q(V)&P(V)控制分為兩個部分，圖1(a)為Q(V)控制，橫坐標為電壓，縱坐標為光伏逆變器無功功率；圖1(b)為P(V)控制，橫坐標為電壓，縱坐標為光伏逆變器有功功率。Q(V) &P(V)控制解析式如式(1)所示。

圖1 Q(V)&P(V)控制原理

(1)

式中：PPV為光伏逆變器的有功出力計算值；QPV光伏逆變器的無功補償計算值；Qmax和Qmin分別為光伏逆變器的最大感性無功功率和最大容性無功功率；U為低壓系統實際電壓；U1和U2分別為低壓系統允許電壓的下限和Q(V)控制的電壓上限；Udblow和Udbup分別為Q(V)控制的電壓死區下限和上限；Pmin為光伏逆變器允許的有功削減下限；PPV0為光伏逆變器的實際有功出力；U3為低壓系統允許的電壓上限。

2 基于Q(V) & P(V)的光伏逆變器控制策略

本文研究的控制算法過程如圖2所示。在DIgSILENT中建立如圖2所示的低壓網絡模型，利用DIgSILENT DPL自定義語言編寫控制流程腳本。每隔5 min執行一次潮流計算，模擬準動態仿真，監視每個節點的實時電壓，判斷每個節點的電壓范圍。如果電壓在允許范圍內，則本地混合控制器不動作，否則啟動光伏逆變器中通過DPL預先自定義的本地混合控制器，調節該節點電壓。若部分節點的電壓依然達不到系統網絡允許的電壓范圍，則啟動低壓配電變壓器的有載分接頭，再次進行電壓調節。

圖2 控制算法過程

3 算例分析

3.1 算例系統

本文使用一個三相四線制低壓輻射型居民低壓配電網絡，如圖3所示[7]。該系統有10個節點共74戶居民，并且每戶均安裝有單相光伏，通過一臺變比為20 kV/0.4 kV、容量為0.5 MVA的配電變壓器供電，連接方式為Dyn11，uK=uK0=6%，銅耗為6 kW，空載損耗為1.4 kW。表1為系統中各用戶巔峰負荷分布，其中巔峰負荷為1 kV·A的用戶居多，共35個，占所有用戶數的47.3%。本文控制策略中，光伏逆變器功率因數在±0.95范圍內可調。為了簡化分析，光伏數據[8]和負荷數據[9]僅選取具有代表性的7月份的數據。

圖3 算例系統

表1 系統中負荷分布

3.2 逆變器本地控制器之間的對比驗證

1) 電壓對比

在光伏逆變器配置不同本地控制器下，用7月份數據分別進行準動態仿真，得到如圖4所示的電壓分布圖。從圖4可以看出，在所有控制器控制下，7月份節點68電壓均在0.90～1.10之間。但是，在cosphi(P)、Q(P)、Q(V)和PQ控制下，節點68的電壓均出現了超出1.10的情況，只有恒電壓控制和本文研究的Q(V) &P(V)控制下節點電壓未出現越限。在constV控制下，節點電壓基本維持在1.00附近，最為符合電壓調節目的，但constV控制通過控制無功達到電壓控制的目的，需要大量的無功作為支撐，對用戶而言，考慮到成本問題，不宜增加過多的無功裝置。綜合比較，本文研究的Q(V) &P(V)控制在達到電壓調節目的的同時也符合實際需求。

圖4 不同控制方法下節點68電壓

2) 系統損耗對比

表2為不同控制方法下系統月損耗及其占光伏發電系統月有功損耗的比例。從表2可以看出，在不同逆變器本地控制器控制下，系統月有功損耗占光伏發電系統月有功出力的比例均在6%以內，其中cosphi(P)、Q(P)和Q(V)、PQ和Q(V)&P(V)5種本地控制器控制下系統損耗相對較小，占光伏發電量的比例均在1%以內。而constV控制下，系統損耗相對最大，達5.91%，這其中最主要的原因是使用這種控制器時，系統中傳輸的無功功率急劇增加，進而造成線路上的有功損耗增加。光伏逆變器配置本文所研究的Q(V) &P(V)控制器后，系統月有功損耗為2 032 kW，占光伏發電有功出力的0.53%。在所列控制器中，本文研究的混合控制系統損耗最小，比cosphi(P)控制損耗少22.26%，比Q(P)控制少44.46%，比Q(V)控制少31.44%，比constV控制少90.99%。

表2 不同控制方法下系統有功損耗

4 結束語

本文研究了一種基于Q(V) &P(V)控制的電壓管理策略。借助DIgSILENT軟件，通過一個含74個用戶的低壓配電系統，驗證了該策略的有效性，得到以下結論：

(1) cosphi(P)、Q(P)、Q(V)和constV四種逆變器的本地控制器對電壓的控制都有一定的效果，但是除了constV控制器外，其他三種本地控制器都不能將系統電壓控制在允許范圍內，但constV的最大缺點是無功補償量巨大，現實中難以匹配。

(2) 相比于所列的逆變器本地控制器，本文研究的電壓管理策略能夠有效地將光伏并網點電壓控制在合理范圍內。另外，該控制策略能有效減少系統損耗。