劉　輝，鄧長虹，張志剛，李　苗，鄭　峰

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢　430072)

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基于光伏逆變器功率協(xié)調(diào)控制的電壓調(diào)節(jié)方法

劉輝，鄧長虹，張志剛，李苗，鄭峰

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072)

0　引　言

目前，光伏發(fā)電技術(shù)在很多國家都被廣泛開展，根據(jù)美國世界觀察所的報告預(yù)測，太陽能電池產(chǎn)業(yè)將成為發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)，到21世紀中葉，光伏發(fā)電量將占世界總發(fā)電量的20%[1]。

分布式光伏發(fā)電快速發(fā)展的同時也給電網(wǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)，其接入引起潮流大小和方向發(fā)生變化[2]，導(dǎo)致原先處于受端的節(jié)點電壓抬高，出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。過電壓問題是制約分布式光伏滲透率進一步增加的一個重要因素，不僅影響用戶側(cè)電能質(zhì)量，而且還降低了用戶側(cè)低壓電網(wǎng)的安全性和可靠性，解決此問題具有重大的實際意義。

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，有功、無功負荷隨時間變化會引起系統(tǒng)電壓波動，一般通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭使得線路各節(jié)點的電壓處于規(guī)定范圍之內(nèi)。由于分布式光伏出力具有隨機性，這種方法的局限性在于變壓器分接頭要頻繁地動作，另外限于成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，很多變壓器不具備有載調(diào)壓的能力。根據(jù)目前的研究成果，解決分布式光伏的接入引起的電壓問題的方法有以下幾種，接入點并聯(lián)電抗器補償，加裝儲能裝置，基于逆變器自身進行控制[3-5]。鑒于逆變器控制技術(shù)逐步成熟，采用逆變器電壓控制的方法可以在不增加設(shè)備成本的前提下充分利用逆變器，具有較為深遠的研究意義。

目前，基于逆變器的并網(wǎng)點電壓控制策略的研究可以分為兩類。一種是對逆變器無功功率Q的輸出按照某種規(guī)律進行調(diào)節(jié)，如德國電氣工程師協(xié)會提出的，恒無功功率Q控制、恒功率因數(shù)cos(φ)控制以及基于電壓幅值U的Q(U)控制策略[6-9]；另一種是縮減逆變器輸出的有功功率來抑制過電壓，即APC(active power curtailment)調(diào)壓策略[10-12]。目前這些研究均是針對光伏電源單點集中接入情況下的過電壓抑制，沒有考慮到多個光伏滲透率較高情況下各逆變器之間的協(xié)調(diào)。

本文首先對現(xiàn)有的逆變器調(diào)壓策略做了深入的研究，分析比較了這些方法的優(yōu)缺點，然后將無功功率調(diào)節(jié)類方法和APC類方法相結(jié)合，并且考慮到各分布式光伏電源之間的協(xié)調(diào)，提出了一種新的基于光伏逆變器的電壓調(diào)節(jié)方法。最后，建立了典型的含分布式光伏的低壓配電網(wǎng)模型，以此模型為研究對象，對比現(xiàn)有的Q(U)和Q(P)控制策略，對所提出電壓調(diào)節(jié)策略的優(yōu)越性做了詳細的分析。

1　典型的電壓調(diào)節(jié)策略

通過調(diào)節(jié)逆變器發(fā)出的有功或者充分利用逆變器多余容量提供無功支撐均可以對分布式光伏并網(wǎng)點的電壓進行調(diào)整。目前，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器普遍使用雙環(huán)控制，具備對輸出的有功功率和無功功率在一定條件下調(diào)整的能力。

一般情況下，逆變器的額定容量比光伏陣列所能發(fā)出的功率要大，逆變器有多余的容量為電網(wǎng)提供無功支撐，無功控制策略就是充分利用逆變器的無功支撐能力，調(diào)節(jié)并網(wǎng)點的電壓。逆變器無功控制策略大致可以分為兩類，一類是隨著測量電壓的變化調(diào)整無功輸出，即Q(U)控制策略；另一類是隨著逆變器輸出功率P的變化調(diào)整無功輸出，即Q(P)控制策略。

基于電壓幅值的Q(U)控制策略如圖1(a)所示，逆變器的無功輸出取決于并網(wǎng)點的電壓幅值。當(dāng)并網(wǎng)點電壓幅值U>Um,min時，逆變器開始吸收無功功率，且電壓越高，吸收的無功功率就越多，當(dāng)U>Um,max時，逆變器最大限度地吸收無功功率以降低電壓幅值。

基于電壓幅值的Q(U)控制策略的優(yōu)點在于，可以直接根據(jù)并網(wǎng)點的電壓調(diào)整無功輸出，避免了其他因素對無功輸出的影響，控制策略的可靠性較高。但是這種方法的局限性在于，線路上不同并網(wǎng)點的電壓水平有差異，接近變壓器的位置電壓幅值一般都并未越限，這就導(dǎo)致處于線路首端和處于線路末端的逆變器調(diào)節(jié)無功功率的能力有很大的差異，處于線路首端的逆變器并不參與無功調(diào)節(jié)，無功支撐能力沒有被充分利用，處于線路末端的逆變器相比處于線路首端的逆變器吸收更多的無功功率。

基于有功功率的Q(P)控制策略如圖1(b)所示，當(dāng)有功功率PPm,1時，逆變器開始吸收無功功率，當(dāng)有功功率P>Pm,2時，逆變器最大限度地吸收無功功率。

Q(P)控制策略的優(yōu)點在于，線路上各節(jié)點的逆變器均參與無功調(diào)節(jié)，可以充分利用各逆變器的電壓調(diào)節(jié)能力?；谟泄β蕼y量的Q(P)控制策略可以很好地解決分布式光伏發(fā)電功率的高峰時間段與負荷需求的高峰時間段不一致，分布式光伏發(fā)電功率的高峰時間段有功倒送所導(dǎo)致的過電壓問題，但是此方法的局限性在于，當(dāng)光伏有功出力很大，恰好是用戶用電高峰期時，即Ppv

圖1　無功控制策略

另外，在低壓配電網(wǎng)中，X/R比相對高壓配電網(wǎng)較低，無功控制對電壓的影響有限，在高有功功率輸出的時間段，逆變器容量留作無功控制的大小不多，此時，只調(diào)整無功功率可能不足以保持電壓在可接受的水平，這時候使用 APC方法是避免出現(xiàn)過電壓的一個有效手段。但APC類方法的實質(zhì)上是以棄光行為換取電壓不越限，降低了光伏的利用率。

2　基于功率協(xié)調(diào)控制的電壓調(diào)節(jié)方法

Q(U)、Q(P)以及各種APC類控制的方法各有優(yōu)缺點，且均屬于本地控制，每個逆變器根據(jù)各自PCC點的電壓或者輸出功率對功率進行獨立控制，各逆變器之間沒有通信，這種控制策略較適合單個集中型接入的光伏并網(wǎng)的電壓控制。當(dāng)有大量的逆變器分散在多個接入點并網(wǎng)時，這種基于本地控制思想的方法已經(jīng)不能很好地解決多點電壓協(xié)調(diào)控制的問題。

所以，為了克服上述的問題，本文基于集中控制的思想，提出了一種多個逆變器的有功無功協(xié)調(diào)控制的方法。對配變下所接的多個逆變器進行協(xié)調(diào)控制，既能夠充分利用每個逆變器的電壓調(diào)節(jié)能力，又可以避免電壓正常時大量吸收無功功率。同時，在低X/R比的線路條件下，無功調(diào)整不足以使電壓維持在可接受水平時，無功控制與有功縮減(APC)同時進行，APC空余出的容量留作吸收無功功率，確保電壓在設(shè)定的范圍之內(nèi)。

本文所提出的控制方法屬于集中控制，控制結(jié)構(gòu)包括一個中央控制器與多個底層控制器，依賴通信鏈路，中央控制器與各底層控制器進行信號傳遞，各底層控制器之間不能相互通信，按照中央控制器的指令動作，不考慮通信延遲等干擾因素，整個方法的流程如圖2所示。每個逆變器將PCC點的電壓信號上傳到中央控制器，中央控制器接收每個逆變器的測量信號之后，判斷是否有節(jié)點電壓超過設(shè)定的警告值Ualert，如果沒有，不執(zhí)行任何操作，如果有電壓超過警告值，根據(jù)所提出的方法計算滿足目標(biāo)函數(shù)和約束條件的功率分配值，下發(fā)到每個逆變器，逆變器作為本地控制器接收并執(zhí)行指令。

圖2　基于有功無功協(xié)調(diào)控制的電壓調(diào)節(jié)方法流程圖

通過建立含有非線性約束條件的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，將如何對逆變器的功率進行協(xié)調(diào)分配，保證電壓在合格范圍內(nèi)的問題，轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題。逆變器通過功率控制參與電壓調(diào)節(jié)，不僅應(yīng)該能夠?qū)㈦妷赫{(diào)整到規(guī)定范圍內(nèi)，而且要盡量減少無功功率的總量，以避免過多的線路損耗，為了達到這樣的調(diào)節(jié)效果，目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該為所有逆變器的無功功率調(diào)整量之和；又考慮到當(dāng)無功調(diào)節(jié)不足以使得電壓保持在限值范圍內(nèi)時，應(yīng)該盡量減小逆變器有功功率縮減量，最小化棄光量。所以，為了保證逆變器輸出無功功率之和最小，并且使不需縮減有功功率時，Pi,curt為0，需要縮減有功功率時，Pi,curt盡量小，在目標(biāo)函數(shù)中增加一項系數(shù)較大的ωPi,curt，ω為一個常量，是為了盡量減少目標(biāo)函數(shù)中逆變器有功功率抑制量所定義的一個系數(shù)，最終將目標(biāo)函數(shù)定義為

(1)

考慮到實際情況，約束條件定義如下：

① 逆變器容量約束

(2)

光伏電源所能發(fā)出的有功功率和無功功率受逆變器額定容量的限制。Pi,pv為第i個光伏電源按照最大功率跟蹤所可以發(fā)出的有功功率，Pi,curt為第i個光伏電源的有功功率縮減量，Qi,pv為第i個光伏電源所吸收的無功功率，Si為第i個逆變器的額定容量。

② 光伏電源有功功率約束

(3)

第i個光伏電源的有功功率縮減量的范圍應(yīng)該為非負數(shù)，且小于同時刻光伏電源按照最大功率跟蹤所發(fā)出的有功功率Pi,pv，Pi,pv又小于光伏陣列在最佳光照條件下所能發(fā)出的最大功率。

③ 節(jié)點潮流約束

節(jié)點潮流約束為使用牛頓拉夫遜法節(jié)點潮流方程。式中：Pi和Qi分別為節(jié)點i的有功和無功功率；Ui和δi為節(jié)點i的電壓幅值與相角；Gij與Bij為支路ij的線路參數(shù)。

(4)

④ 節(jié)點電壓約束

(5)

所有節(jié)點的電壓限制在Umin與Umax之間，通常在低壓配電網(wǎng)中，電壓允許范圍在額定值的-10%與+7%之間。為了預(yù)留以一定的裕度，令Umin=0.9p.u.，Umax=1.065p.u.。

⑤ 各逆變器參與功率調(diào)整的權(quán)重系數(shù)約束

(6)

wi為約束條件里面給每個逆變器所定義的一個權(quán)重系數(shù)，目的是為了表示每個接入點的逆變器在功率調(diào)節(jié)過程中的參與程度。根據(jù)實際情況，可以設(shè)定為各接入點的逆變器以相同的權(quán)重系數(shù)參與功率調(diào)整，也可以設(shè)定為按照接入位置的電壓靈敏度進行分配。由于光伏所發(fā)電量直接與用戶的經(jīng)濟利益相關(guān)，按照靈敏度的比例對權(quán)重系數(shù)進行分配將使得某些逆變器有功縮減量過大，損害用戶的經(jīng)濟利益，所以本文設(shè)定各逆變器權(quán)重系數(shù)相等。

所建立的數(shù)學(xué)模型為典型的包含約束條件的非線性最優(yōu)化問題，自變量為每個光伏電源的Pi,curt、Qi,pv。本文使用復(fù)合形算法在滿足約束條件的可行域內(nèi)求目標(biāo)函數(shù)最小的Pi,curt與Qi,pv，復(fù)合形算法是一種較為適合解決有約束優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)算法，在變量維度較小時具有尋優(yōu)速度快和可靠性高的特點。本文的約束優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中雖然變量較多，但是由于引入了權(quán)重約束條件⑤，將類似傳統(tǒng)無功優(yōu)化的問題降維處理，使用復(fù)合形算法可以準確快速地求得最優(yōu)解。

3　算例分析

基于國內(nèi)某地區(qū)低壓配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立接入分布式光伏的典型低壓配電網(wǎng)模型，如圖3所示。圖中的0.4kV線路采用YJV-70電纜，每千米電纜正序阻抗為(0.268+j0.101)Ω，線路總長500m。負荷均勻分布在線路上，每個節(jié)點所接負荷大小相等，負荷峰值大小為0.05MW。各逆變器容量為0.051MVA，逆變器所連接的光伏陣列組串所能輸出的最大有功功率為0.05MW。基于所建立的配電網(wǎng)模型，設(shè)置典型的電壓越限場景驗證所提出的方法是否具有有效性和優(yōu)越性。

圖3　典型低壓配電網(wǎng)模型

為了在相同條件下對比已有的電壓控制策略與本文所提出的控制策略對電壓的控制效果，現(xiàn)設(shè)定場景1。在場景1中，各接入點負荷均為0.03MW+j0.005Mvar，各光伏陣列輸出功率為最大有功功率0.05MW， 變壓器分接頭處于某個檔位，使得在逆變器無電壓調(diào)節(jié)能力，各光伏電源的輸出功率因數(shù)為1時，各節(jié)點電壓情況如表1。

表1　場景1不調(diào)壓時各節(jié)點電壓

各逆變器使用圖1(a)所示的Q(U)控制策略，其中，Um,1=1.05p.u.，Um,max=1.07p.u.。由于使用Q(U)控制策略對電壓進行調(diào)節(jié)時，需要根據(jù)反饋的電壓信號調(diào)整無功功率，在調(diào)整的過程中電壓是不斷變化的，需要經(jīng)過幾個調(diào)整周期電壓才能收斂。結(jié)果如表2所示。

表2　場景1 Q(U)控制策略效果

各逆變器使用圖1(b)所示的Q(P)控制策略，其中Pm,1=0.6Pmax，Pm,2=0.9Pmax，計算結(jié)果如表3所示。

表3　場景1 Q(P)控制策略效果

各逆變器按照所提出的優(yōu)化方法進行控制，設(shè)定約束條件(4)中電壓約束上限為1.065p.u.，以保留一定的裕度使電壓不會越限，可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整，設(shè)定每個逆變器以同等權(quán)重參與功率調(diào)整，即w1=w2=…wi。場景1下采用本文提出的有功無功協(xié)調(diào)控制策略的計算結(jié)果如表4所示。

表4　場景1本文提出的控制策略效果

對比表2、表3和表4可以看出，在場景1的電壓情況下，若逆變器使用Q(U)控制策略，線路首端接入的逆變器不參與電壓調(diào)節(jié)，接入點越靠近線路末端，逆變器吸收的無功功率越多，電壓穩(wěn)定后吸收的無功總量Q=0.021 6Mvar；若逆變器使用Q(P)控制策略，每個逆變器均參與調(diào)節(jié)，但是各接入點的逆變器均最大限度地吸收無功功率，吸收的無功總量Q=0.05Mvar。本文所提出的控制策略，在保證了每個接入點的逆變器均以相同的權(quán)重系數(shù)參與到電壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，將吸收的無功最小化，以減小線路損耗，吸收的無功總量Q=0.037 5Mvar，即綜合了Q(U)與Q(P)的優(yōu)點，由于無功功率調(diào)整已經(jīng)可以保證電壓在約束條件內(nèi)，各逆變器的有功功率不參與調(diào)整，以減小棄光量，最大限度利用太陽能。

由于成本限制，逆變器留作無功調(diào)節(jié)的容量是有限的，在電壓進一步增大時，只調(diào)整無功已經(jīng)不足以使電壓限制在規(guī)定范圍內(nèi)。為了研究各節(jié)點初始電壓進一步增大時各控制策略的效果，設(shè)定場景2，相對場景1，不改變負荷大小與光伏電源的出力，改變變壓器的分接頭使得線路電壓進一步增大，各節(jié)點電壓情況如表5所示。

表5　場景2不調(diào)壓時各節(jié)點電壓

場景2下使用Q(U)控制策略，接入節(jié)點4和節(jié)點5的逆變器最大限度地吸收無功功率，處于線路首端節(jié)點1的逆變器卻幾乎不參與電壓調(diào)節(jié)，線路末端仍然存在電壓越限的現(xiàn)象，如表6所示。使用Q(P)控制策略，各逆變器均最大限度地吸收無功功率，由于此時逆變器輸出的有功功率較大，逆變器留作無功調(diào)節(jié)的容量有限，雖然調(diào)節(jié)后節(jié)點電壓比Q(U)控制策略下的節(jié)點電壓小，但是仍然處于越限的狀態(tài)，如表7所示。

表6　場景2 Q(U)控制策略效果

表7　場景2 Q(P)控制策略效果

按照所提出的優(yōu)化方法，同時考慮有功和無功控制，在只采用無功功率調(diào)整不足以使電壓限制在規(guī)定范圍內(nèi)時，縮減光伏電源的有功功率輸出，同時將縮減有功功率所增加的容量用作無功功率調(diào)整，以無功功率的吸收總量最小為目標(biāo)，計算出滿足約束條件的各逆變器有功功率和無功功率，結(jié)果如表8所示，每個逆變器縮減有功功率0.005 2MW，吸收無功0.014 8Mvar。

表8　場景2本文提出的控制策略效果

根據(jù)實際測量的某地區(qū)晴天光照數(shù)據(jù)，使用時序潮流計算的方法，對比無調(diào)壓手段、Q(P)調(diào)壓方法和本文調(diào)壓方法下節(jié)點5的電壓波動曲線。數(shù)據(jù)采樣周期為5min，每個采樣周期內(nèi)逆變器的無功功率指令保持不變，設(shè)定電壓預(yù)警上限為1.04p.u.，即線路上指定監(jiān)測點電壓超過1.04p.u.時，啟動逆變器功率調(diào)節(jié)，求解數(shù)學(xué)模型計算逆變器有功無功指令。為了避免在采樣間隔時間內(nèi)負荷的波動造成電壓越限，將電壓約束上限設(shè)為1.065p.u.。

從圖4可以看出，無任何電壓調(diào)節(jié)手段時，在光照較強的時段電壓將會越過1.07p.u.的上限，使用本文所述的調(diào)壓方法，當(dāng)開始啟動電壓調(diào)節(jié)之后，節(jié)點5的最高電壓被鉗制在1.065p.u.，即使負荷在采樣周期內(nèi)出現(xiàn)變化導(dǎo)致電壓波動，也不至于越上限，從Q(P)調(diào)壓方法可以看出，在輸出有功功率較大的正午時段，由于逆變器剩余無功調(diào)節(jié)容量有限，電壓仍然高出上限標(biāo)準，本文所提方法能夠有效地解決此缺陷。

圖4　有無調(diào)壓時日電壓曲線對比

4　結(jié)束語

本文針對大量分布式光伏接入低壓配電網(wǎng)的情況，采用集中控制的思想，提出了一種基于逆變器功率協(xié)調(diào)控制的電壓調(diào)節(jié)方法，在所建立的典型配電網(wǎng)模型下，比較分析了現(xiàn)有的Q(U)和Q(P)逆變器功率控制策略和本文所提出的逆變器協(xié)調(diào)功率控制策略對電壓調(diào)節(jié)的效果。算例分析結(jié)果表明，本方法結(jié)合了Q(U)和Q(P)策略的優(yōu)點，不僅可以協(xié)調(diào)控制線路上的每個逆變器，使每個均參與到電壓調(diào)節(jié)，彌補了Q(U)控制策略的缺點，而且可以盡量減小有功功率縮減量和吸收的無功功率，降低棄光量和網(wǎng)絡(luò)損耗。

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(責(zé)任編輯：楊秋霞)

A Voltage Regulation Method Based on the Coordinated Power Control of Distributed Photovoltaic Inverter

LIU Hui, DENG Changhong, ZHANG Zhigang, LI Miao,ZHENG Feng

(School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

分布式光伏的大量接入會引起接入點出現(xiàn)過電壓問題，對逆變器的功率進行控制可以達到調(diào)節(jié)電壓的目的，為此，在深入研究有功功率抑制(active power curtailment ,APC)調(diào)壓方法和Q(U)與Q(P)等調(diào)壓方法的基礎(chǔ)上，提出了一種協(xié)調(diào)控制區(qū)域內(nèi)各逆變器輸出功率的電壓調(diào)節(jié)方法。該方法將APC與無功功率控制的方法相結(jié)合，考慮到各分布式光伏電源之間的協(xié)調(diào)，采用集中控制的思想，建立典型的約束優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，使用復(fù)合形算法優(yōu)化求解各逆變器的有功和無功功率指令值，以此保證線路上各節(jié)點的電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。最后建立典型的低壓配電網(wǎng)模型，對比現(xiàn)有Q(U)和Q(P)控制策略，驗證了該方法的優(yōu)越性。

分布式光伏；配電網(wǎng)；有功無功協(xié)調(diào)控制；逆變器；電壓調(diào)節(jié)

The increasing integration of distributed photovoltaic results in the overvoltage problem at the point of interconnection, which can be regulated by controlling the active and reactive power of inverters, so a voltage regulation method is presented based on the coordinated power control of inverters in control area by studying such typical voltage regulation methods as Active Power Curtailment (APC) method and reactive power controlling methods includingQ(U) andQ(P). By combing the APC andQ(U) method and considering the coordination between each distributed inverters, the constrained optimization mathematical model is built, which can solve active and reactive power reference value using complex method and guaranteeing the voltage level on buses within the limits. At last, a typical low voltage distributed network is used to verify the superiority of proposed method by comparing with the existing methods.

distributed photovoltaic; distribution network; coordinated active and reactive power control; inverter; voltage regulation

1007-2322(2016)05-0018-06

A

TM721

國家科技支撐計劃(2013BAA02B02)；武漢科技創(chuàng)新計劃(2013072304020824)

2015-08-03

劉輝(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為分布式發(fā)電及其控制技術(shù)，E-mail：1601677824@qq.com;

鄧長虹(1963-)，女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為分布式發(fā)電及其控制技術(shù)，E-mail：dengch-whu@163.com。