基于逆變器控制調度的分布式光伏系統分析

許偉欣 駱海琦 楊 明 柏厚超

（1.國網江蘇省電力有限公司揚州供電分公司 2.江蘇蘇源高科技有限公司 3.江蘇思邁特軟件工程有限公司 4.江蘇拓浦高科技有限公司）

0 引言

隨著光伏發電在配電網中應用越來越普遍，最近的研究試圖探索現有配電網能夠處理的光伏發電量物理限制因素。先進的逆變器控制可以允許光伏逆變器提供無功功率支持，當可用或削減其實際功率輸出時，以保持網絡必要的運行。本研究的目的在于探討如何利用智慧型逆變器控制，以降低因配電饋線分布大量光伏發電而造成的網路電壓上升。比較了幾種基于網絡條件的光伏逆變器控制策略，它們既可以減少實際功率輸出，又可以提供無功功率支持。每種控制策略的目標都是在一年中的任何時候減輕光伏發電造成的所有過電壓超標，最小化光伏發電中斷或無功發電的總量，最大限度地提高所有光伏系統中任何控制行為的有效性。測試利用本地測量的控件，以及較為完整的通信網絡的控件。

最近的研究表明，在光伏逆變器中加入無源電壓監測局部控制，可以減輕分布式光伏系統造成的許多不利影響。如果通過使用PV 逆變器無功功率的最優分配或實際有功和無功功率的最優分配，逆變器之間存在某種程度的通信，那么改進的功能是可行的。理想情況下，光伏逆變器的控制應該與現有的電壓調節器相協調，以達到最佳效果。最優電力調度方法通常是計算密集型的，只研究短時間周期。局部控制方法在大的時間序列中更容易研究，但是調整它們的控制參數以產生最佳結果并不容易實現。因此，由于仿真時間的巨大差異，長時間內局部控制和集中控制的性能比較會越來越復雜。

1 控制類型分析

為了研究控制類型對棄電的有效性，探討幾種不同的控制類型：零電流注入，基于局部電壓的光伏；局部基于電壓的無功控制；集中削減調度以及通過光伏電壓靈敏度的調度。每個控制器的設計都是為了減輕過電壓，同時根據所使用的控制動作的數量進行比較，這些控制動作可以限制有功功率，也可以產生無功變量，以及研究了控制動作在整個網絡中的PV 群體中應用的平衡性。

光伏發電系統只能產生足夠的電力供應當地負荷，而不能向配電網注入電力。這種控制可以防止逆向潮流和與之相關的電壓上升。這是用作基準的最保守的情況。

使用當地可用的測量方式，在每個光伏系統的輸出可以削減的基礎上，共同耦合（PCC）電壓點的各自的相位。為了保持平穩的控制操作，棄電通常是作為一個有源功率輸出的斜坡下降開始，如圖1 所示。通過測量電壓v1，如果電壓繼續上升，逆變器將繼續斜坡降低其輸出，直到它完全削減在測量電壓v2。這種類型的控制曲線稱為“V/W 下降”。 光伏并網逆變器可以向電網提供無功功率，通過相對于PCC 電壓注入的電流進行相移來輔助調節線路電壓。然而，逆變器提供無功功率的能力受到額定功率的限制。

圖1 局部光伏斷電中V/W 下降曲線

1.1 集中削減調度

相關文獻研究方法都假定沒有通信網絡來協助控制PV 逆變器，因此它們只能依賴于本地測量。如果光伏逆變器能夠與集中控制器進行通信，那么該控制器將具備所有網絡電壓的信息，并能夠全局性地將控制信號分配給最適合于減輕過電壓超標的特定逆變器。然后，在網絡上簡單地控制光伏逆變器，將緩解過電壓出現。采用集中控制的方法，在網絡通過控制算法，意味著每個逆變器本身可以實現控制電壓的有效結果。

本文研究了之前文獻的集中化方法，了解逆變器如何通過在每個時間步驟中削減所有不等比例的過電壓來有效地緩解過電壓。為此，研發一種調節器，如式（1）所示，以根據偏離網絡中最大電壓Vlim的期望電壓極限的偏差設定，確定每個PV 在每個時刻應削減其可用功率的百分比。在每個離散時間步長k時，將式（1）中的棄流比a分配給每個逆變器。慣性增益KΦ可以調整加權，是該步驟實現的關鍵一步。這個調節器的速度可以通過增益KR來設定，增益KR必須根據信號發送到PV 的速率來調節。由于這是一個具有物理約束的離散控制器，因此存在一個KR的上限，超過這個上限，控制器將在飽和狀態之間振蕩。這個上限與控制更新的速率和逆變器響應的速率成正比。控制的局部實現在式（2）中給出。當逆變器i 接收到中心削減比a(k)時，它設置其功率參考信號Pi(k)作為其最大功率點（MPP）功率和當時步驟Ii(k)的局部輻照度的函數，按比例削減其功率輸出：

1.2 基于光伏電壓靈敏度的調度

基于已建立的線性電壓靈敏度，可以更優化地調度光伏系統，以減輕過電壓，總光伏能量最有效地削減饋線電壓。這是以消耗對用戶的經濟性為代價的，而這種經濟性可能會受到更多限制。一階近似假定每個被測節點上網絡電壓的變化可以通過式（3）來近似：

在式（3）中，系數矩陣A是通過削減每個PV 系統j的單位額定值的百分比得到的，例如，Pj=Pj0-Δp。然后，實際功率靈敏度矩陣列可以填充與零限流情況V0所產生的電壓差，如式（4）所示。無功功率靈敏度矩陣B也是通過對每個PV 系統的輸出進行Δq的調整而得到的：

由于在可用的測量和通信類型方面的一些假定的限制，以及要研究的時間數據的范圍，暫不考慮每個時間步驟的最佳解決方案。相反，類似的方法可以作為集中程度削減而運用，以整合每個光伏逆變器的功率，隨著時間的變化達到期望的變化。因此，每個逆變器的縮減Δp，成為一個狀態變量，更新和傳遞兩者之間的時間序列，然后在適當的時間間隔輸出到PV。在后面的模擬中，時間步長k表示1min 或5min 輸出到PV 的量。截斷向量通過逆靈敏度矩陣乘以期望的電壓變化和可調增益KA來更新，如式（5）所示：

通過添加式（5）中的不等式約束以使控制操作受物理約束。在式（5）式第二行顯示，一個逆變器無法削減更多的功率。為了防止控制器之間的振蕩，每個PV 可以在迭代之間斜坡的數量被限制在每分鐘額定功率的20%，通過在式（5）的第三行設置ΔPlim= 0.2 來實現。

2 實驗分析設計

本文主要研究智能逆變器控制在大量高分布光伏系統中的應用。為了有效地研究光伏的時間依賴性和不可預測性，研究一整年的輻照度和負荷數據。為了確保全年白天期間的過電壓問題，在網絡上安裝足夠數量的光伏發電設備。

首先，在考慮日常負荷及正常光伏發電情況下，對基本情況（不采用任何無功控制）進行三相時間序列潮流模擬。使用當地標準對模擬結果進行評估，以研究由于高光伏比例引起的潛在電壓超標。根據電力公司分布式發電機與配電系統互連的指導方針：① 電壓變化的法定公差限值應在-6%和+10%之間（0.94和1.1 pu）。② DG 系統應保持功率因數在0.85 滯后至0.9 領先之間。

正如設定的情況，相當數量的用戶被記錄為由于太陽能光伏滲透率高而違反了電壓上限（1.1 pu）。根據仿真結果，最大記錄電壓報告在107 節點的網絡，這也是距離配電變壓器最遠的節點。連接到關鍵節點（即第107 節點）的PV 逆變器的終端電壓及有功和無功功率輸出的日變化如圖2 所示。

圖2 光伏逆變器的功率關鍵節點

2.1 集中削減調度仿真

本文使用一種集中的方法，向所有逆變器發送一個相等的比例截流信號。由于所有逆變器削減的功率大致相同，削減的規模應該基本效果一致。如圖3 所示，在分析所有逆變器之間的棄電累積分布時，此效果更加明顯。削減的輕微度受地理差異、輻照度變化等原因。總之，此類控制對所有用戶都是完全有效且平衡的。除了云覆蓋的可變性，這種可變性在不同的時間為一些用戶提供比其他電網更強大的電力總量。所以，此類控制在緩解過電壓和削減總功率方面比本地伏特/瓦特控制效果更好，符合預期設計效果。

圖3 集中削減一周一年以上的斷電累積分配

2.2 基于光伏電壓靈敏度的調度仿真

本文著重研究的削減策略，即使用電壓靈敏度的調度來控制每個PV 逆變器，以調節標準限制范圍內的所有電壓。圖4 顯示所有PV 逆變器的能量削減百分比的分布情況。這種控制類型是在最低限度能源下最有效的，可以實現削減所有電壓超標。在圖4 中，可以看到一些用戶削減的能源比其余相鄰用戶多幾倍。在調整的一周期間，此類控制是最有效的，在整個一年期間，它實際上比地方和集中的平衡削減控制表現得更優良。這表明這個控件的參數對它們被調整的時間周期更為敏感。

圖4 靈敏度調度一周內和一年以上的斷電累積分布

3 結束語

本文研究不同的光伏系統逆變器控制策略，設計了不同的控制目標，以便及時運行在一整年的時間步驟以及準靜態時間序列方式中。開發的兩個集中控制策略能夠利用來自系統數千個分布式PV 的數據，并能在幾分之一秒內快速計算出最優模擬的控制行為。本文對光伏逆變器的無功控制進行研究，確定在不增加逆變器額定功率的情況下，可以在97%以上的時間內避免實際功率的削減。比較了基于反向潮流的削減光伏發電輸出的遺留控制作用，以及更先進的基于電壓的削減方法。控制方法的使用長達一年，持續驗證實現了在饋線上由PV 產生的不到3%凈千瓦時的削減，可以保持饋線在大于98%的時間內電壓符合我國電壓標準。