許偉欣 駱海琦 楊 明 柏厚超

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)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(fā)電在配電網(wǎng)中應(yīng)用越來越普遍，最近的研究試圖探索現(xiàn)有配電網(wǎng)能夠處理的光伏發(fā)電量物理限制因素。先進(jìn)的逆變器控制可以允許光伏逆變器提供無功功率支持，當(dāng)可用或削減其實(shí)際功率輸出時(shí)，以保持網(wǎng)絡(luò)必要的運(yùn)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(fā)電而造成的網(wǎng)路電壓上升。比較了幾種基于網(wǎng)絡(luò)條件的光伏逆變器控制策略，它們既可以減少實(shí)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(biāo)都是在一年中的任何時(shí)候減輕光伏發(fā)電造成的所有過電壓超標(biāo)，最小化光伏發(fā)電中斷或無功發(fā)電的總量，最大限度地提高所有光伏系統(tǒng)中任何控制行為的有效性。測(cè)試?yán)帽镜販y(cè)量的控件，以及較為完整的通信網(wǎng)絡(luò)的控件。

最近的研究表明，在光伏逆變器中加入無源電壓監(jiān)測(cè)局部控制，可以減輕分布式光伏系統(tǒng)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(yōu)分配或?qū)嶋H有功和無功功率的最優(yōu)分配，逆變器之間存在某種程度的通信，那么改進(jìn)的功能是可行的。理想情況下，光伏逆變器的控制應(yīng)該與現(xiàn)有的電壓調(diào)節(jié)器相協(xié)調(diào)，以達(dá)到最佳效果。最優(yōu)電力調(diào)度方法通常是計(jì)算密集型的，只研究短時(shí)間周期。局部控制方法在大的時(shí)間序列中更容易研究，但是調(diào)整它們的控制參數(shù)以產(chǎn)生最佳結(jié)果并不容易實(shí)現(xiàn)。因此，由于仿真時(shí)間的巨大差異，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)局部控制和集中控制的性能比較會(huì)越來越復(fù)雜。

1 控制類型分析

為了研究控制類型對(duì)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(diào)度以及通過光伏電壓靈敏度的調(diào)度。每個(gè)控制器的設(shè)計(jì)都是為了減輕過電壓，同時(shí)根據(jù)所使用的控制動(dòng)作的數(shù)量進(jìn)行比較，這些控制動(dòng)作可以限制有功功率，也可以產(chǎn)生無功變量，以及研究了控制動(dòng)作在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的PV 群體中應(yīng)用的平衡性。

光伏發(fā)電系統(tǒng)只能產(chǎn)生足夠的電力供應(yīng)當(dāng)?shù)刎?fù)荷，而不能向配電網(wǎng)注入電力。這種控制可以防止逆向潮流和與之相關(guān)的電壓上升。這是用作基準(zhǔn)的最保守的情況。

使用當(dāng)?shù)乜捎玫臏y(cè)量方式，在每個(gè)光伏系統(tǒng)的輸出可以削減的基礎(chǔ)上，共同耦合（PCC）電壓點(diǎn)的各自的相位。為了保持平穩(wěn)的控制操作，棄電通常是作為一個(gè)有源功率輸出的斜坡下降開始，如圖1 所示。通過測(cè)量電壓v1，如果電壓繼續(xù)上升，逆變器將繼續(xù)斜坡降低其輸出，直到它完全削減在測(cè)量電壓v2。這種類型的控制曲線稱為“V/W 下降”。 光伏并網(wǎng)逆變器可以向電網(wǎng)提供無功功率，通過相對(duì)于PCC 電壓注入的電流進(jìn)行相移來輔助調(diào)節(jié)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(diào)度

相關(guān)文獻(xiàn)研究方法都假定沒有通信網(wǎng)絡(luò)來協(xié)助控制PV 逆變器，因此它們只能依賴于本地測(cè)量。如果光伏逆變器能夠與集中控制器進(jìn)行通信，那么該控制器將具備所有網(wǎng)絡(luò)電壓的信息，并能夠全局性地將控制信號(hào)分配給最適合于減輕過電壓超標(biāo)的特定逆變器。然后，在網(wǎng)絡(luò)上簡(jiǎn)單地控制光伏逆變器，將緩解過電壓出現(xiàn)。采用集中控制的方法，在網(wǎng)絡(luò)通過控制算法，意味著每個(gè)逆變器本身可以實(shí)現(xiàn)控制電壓的有效結(jié)果。

本文研究了之前文獻(xiàn)的集中化方法，了解逆變器如何通過在每個(gè)時(shí)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(fā)一種調(diào)節(jié)器，如式（1）所示，以根據(jù)偏離網(wǎng)絡(luò)中最大電壓Vlim的期望電壓極限的偏差設(shè)定，確定每個(gè)PV 在每個(gè)時(shí)刻應(yīng)削減其可用功率的百分比。在每個(gè)離散時(shí)間步長(zhǎng)k時(shí)，將式（1）中的棄流比a分配給每個(gè)逆變器。慣性增益KΦ可以調(diào)整加權(quán)，是該步驟實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步。這個(gè)調(diào)節(jié)器的速度可以通過增益KR來設(shè)定，增益KR必須根據(jù)信號(hào)發(fā)送到PV 的速率來調(diào)節(jié)。由于這是一個(gè)具有物理約束的離散控制器，因此存在一個(gè)KR的上限，超過這個(gè)上限，控制器將在飽和狀態(tài)之間振蕩。這個(gè)上限與控制更新的速率和逆變器響應(yīng)的速率成正比?？刂频木植繉?shí)現(xiàn)在式（2）中給出。當(dāng)逆變器i 接收到中心削減比a(k)時(shí)，它設(shè)置其功率參考信號(hào)Pi(k)作為其最大功率點(diǎn)（MPP）功率和當(dāng)時(shí)步驟Ii(k)的局部輻照度的函數(shù)，按比例削減其功率輸出：

1.2 基于光伏電壓靈敏度的調(diào)度

基于已建立的線性電壓靈敏度，可以更優(yōu)化地調(diào)度光伏系統(tǒng)，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(duì)用戶的經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的，而這種經(jīng)濟(jì)性可能會(huì)受到更多限制。一階近似假定每個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)絡(luò)電壓的變化可以通過式（3）來近似：

在式（3）中，系數(shù)矩陣A是通過削減每個(gè)PV 系統(tǒng)j的單位額定值的百分比得到的，例如，Pj=Pj0-Δp。然后，實(shí)際功率靈敏度矩陣列可以填充與零限流情況V0所產(chǎn)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(duì)每個(gè)PV 系統(tǒng)的輸出進(jìn)行Δq的調(diào)整而得到的：

由于在可用的測(cè)量和通信類型方面的一些假定的限制，以及要研究的時(shí)間數(shù)據(jù)的范圍，暫不考慮每個(gè)時(shí)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(yùn)用，以整合每個(gè)光伏逆變器的功率，隨著時(shí)間的變化達(dá)到期望的變化。因此，每個(gè)逆變器的縮減Δp，成為一個(gè)狀態(tài)變量，更新和傳遞兩者之間的時(shí)間序列，然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔輸出到PV。在后面的模擬中，時(shí)間步長(zhǎng)k表示1min 或5min 輸出到PV 的量。截?cái)嘞蛄客ㄟ^逆靈敏度矩陣乘以期望的電壓變化和可調(diào)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(gè)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(gè)PV 可以在迭代之間斜坡的數(shù)量被限制在每分鐘額定功率的20%，通過在式（5）的第三行設(shè)置ΔPlim= 0.2 來實(shí)現(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)

本文主要研究智能逆變器控制在大量高分布光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用。為了有效地研究光伏的時(shí)間依賴性和不可預(yù)測(cè)性，研究一整年的輻照度和負(fù)荷數(shù)據(jù)。為了確保全年白天期間的過電壓?jiǎn)栴}，在網(wǎng)絡(luò)上安裝足夠數(shù)量的光伏發(fā)電設(shè)備。

首先，在考慮日常負(fù)荷及正常光伏發(fā)電情況下，對(duì)基本情況（不采用任何無功控制）進(jìn)行三相時(shí)間序列潮流模擬。使用當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，以研究由于高光伏比例引起的潛在電壓超標(biāo)。根據(jù)電力公司分布式發(fā)電機(jī)與配電系統(tǒng)互連的指導(dǎo)方針：① 電壓變化的法定公差限值應(yīng)在-6%和+10%之間（0.94和1.1 pu）。② DG 系統(tǒng)應(yīng)保持功率因數(shù)在0.85 滯后至0.9 領(lǐng)先之間。

正如設(shè)定的情況，相當(dāng)數(shù)量的用戶被記錄為由于太陽(yáng)能光伏滲透率高而違反了電壓上限（1.1 pu）。根據(jù)仿真結(jié)果，最大記錄電壓報(bào)告在107 節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這也是距離配電變壓器最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)。連接到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（即第107 節(jié)點(diǎn)）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(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

2.1 集中削減調(diào)度仿真

本文使用一種集中的方法，向所有逆變器發(fā)送一個(gè)相等的比例截流信號(hào)。由于所有逆變器削減的功率大致相同，削減的規(guī)模應(yīng)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(shí)，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?？傊?，此類控制對(duì)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(shí)間為一些用戶提供比其他電網(wǎng)更強(qiáng)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(yù)期設(shè)計(jì)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(diào)度仿真

本文著重研究的削減策略，即使用電壓靈敏度的調(diào)度來控制每個(gè)PV 逆變器，以調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)限制范圍內(nèi)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(shí)現(xiàn)削減所有電壓超標(biāo)。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(diào)整的一周期間，此類控制是最有效的，在整個(gè)一年期間，它實(shí)際上比地方和集中的平衡削減控制表現(xiàn)得更優(yōu)良。這表明這個(gè)控件的參數(shù)對(duì)它們被調(diào)整的時(shí)間周期更為敏感。

圖4 靈敏度調(diào)度一周內(nèi)和一年以上的斷電累積分布

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究不同的光伏系統(tǒng)逆變器控制策略，設(shè)計(jì)了不同的控制目標(biāo)，以便及時(shí)運(yùn)行在一整年的時(shí)間步驟以及準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)間序列方式中。開發(fā)的兩個(gè)集中控制策略能夠利用來自系統(tǒng)數(shù)千個(gè)分布式PV 的數(shù)據(jù)，并能在幾分之一秒內(nèi)快速計(jì)算出最優(yōu)模擬的控制行為。本文對(duì)光伏逆變器的無功控制進(jìn)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(shí)間內(nèi)避免實(shí)際功率的削減。比較了基于反向潮流的削減光伏發(fā)電輸出的遺留控制作用，以及更先進(jìn)的基于電壓的削減方法?？刂品椒ǖ氖褂瞄L(zhǎng)達(dá)一年，持續(xù)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了在饋線上由PV 產(chǎn)生的不到3%凈千瓦時(shí)的削減，可以保持饋線在大于98%的時(shí)間內(nèi)電壓符合我國(guó)電壓標(biāo)準(zhǔn)。