摘 要：為有效改進電網(wǎng)分布式光伏電站并網(wǎng)的無功電壓調(diào)節(jié)方法，研究基于《西北區(qū)域新版“兩個細(xì)則”》實施背景下的新能源光伏電站有功和無功控制系統(tǒng)的可用率、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時間、合格率等高指標(biāo)要求分析，針對某地新能源光伏電站配網(wǎng)負(fù)荷日益增加問題，構(gòu)建了AVC（自動電壓控制）系統(tǒng)實施電網(wǎng)多級電壓節(jié)點控制，同時運用協(xié)調(diào)控制策略達(dá)到提升配網(wǎng)自動化和運行效率、降低配網(wǎng)損耗目的。通過AVC系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用實現(xiàn)電廠電壓、無功的實時監(jiān)測，即在AVC系統(tǒng)判斷電壓或無功越限時，及時進行新能源電站調(diào)節(jié)，保證新能源光伏電站的無功電壓始終處于最優(yōu)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：無功補償；配電網(wǎng)絡(luò)；自動電壓控制；協(xié)同控制

中圖分類號：TP273；TM762G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0121-04

Study on the application of AVC system in new energyphotovoltaic power plant

WEN Le 1 ，GENG Qingqing 2 ，LI Jianwu 3 ，LIANG Yongji 3 ，ZHANG Yang 3 ，XU Xiaoqiang 3 ，YUAN Quan 4

（1. Huanneng Shaanxi Power Generation Co.，Ltd.， Xi’an 712000，China；2. Xi’an Guanglinhui Intelligent Energy Technology Co.，Ltd.，Xi’an 712000，China；3. Huanneng Shaanxi New Energy Branch Company，Xi’an 710000，China；4.Xi’an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710000，China）

Abstract： In order to effectively improve the reactive voltage regulation method of grid-connected distributed photo?voltaic power plants，based on the analysis of high index requirements such as the availability rate，adjustment accu?racy，response time，and qualification rate of the active and reactive power control systems of new energy photovolta?ic power stations under the background of the implementation of the new version of the“Two Detailed Rules”in theNorthwest Region，an AVC（automatic voltage control）system was constructed to implement multi-level voltagenode control of the power grid in view of the increasing distribution network load of new energy photovoltaic power sta?tions in a certain place. At the same time，the coordinated control strategy was used to improve the automation and op?eration efficiency of the distribution network and reduce the loss of the distribution network. Through the design andapplication of AVC system，real-time monitoring of power plant voltage and reactive power is realized，that is，when the AVC system judged that the voltage or reactive power exceeds the limit，the new energy power station is adjustedin time to ensure that the reactive voltage of the new energy photovoltaic power station is always in the optimal state.

Keywords：reactive power compensation；distribution networks；automatic voltage control；cooperative control

加強對于新能源光伏電站AVC（自動電壓控制）系統(tǒng)的科學(xué)應(yīng)用，不僅能穩(wěn)定提升電網(wǎng)電壓質(zhì)量和自動化水平，還能極大地縮減電力網(wǎng)絡(luò)用工成本，避免電壓越限問題及其他電力故障問題發(fā)生。實質(zhì)上看，電力配網(wǎng)是一個較為復(fù)雜的時變系統(tǒng)，業(yè)界針對電壓多級控制作了大量研究。如結(jié)合某電廠AVC異常調(diào)節(jié)情況分析，通過現(xiàn)場檢測和故障診斷手段，測出異常調(diào)節(jié)的直接原因為測控裝置I/O單元硬件及DCS增減磁輸出邏輯存在設(shè)計缺陷，并在對I/O單元輸出邏輯進行適度優(yōu)化及改進增減磁輸出邏輯后，有效避免了同一時刻 2 個遙控同時輸出問題，AVC未出現(xiàn)類似故障，電網(wǎng)運行安全穩(wěn)定性得到了極大的保障 [1] 。本文針對某地新能源光伏電站配網(wǎng)負(fù)荷日益增加問題構(gòu)建了AVC系統(tǒng)實施電網(wǎng)多級電壓節(jié)點控制，同時運用協(xié)調(diào)控制策略達(dá)到提升配網(wǎng)自動化和運行效率、降低配網(wǎng)損耗目的。

1 AVC基本原理及模型簡介

AVC（自動電壓控制）的核心功能是調(diào)節(jié)站廠線路的無功優(yōu)化，并處理與上下級變電站的協(xié)同問題。

主網(wǎng)AVC負(fù)責(zé)設(shè)定子站的電壓和無功目標(biāo)范圍 [2] 。光伏電站配電網(wǎng)包含兩段輸配電母線，通過控制開關(guān)實現(xiàn)線路的輸入輸出。

AVC系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)實時收集各節(jié)點電壓和無功數(shù)據(jù)，傳輸至電力調(diào)度中心進行最優(yōu)潮流計算，以最小化電網(wǎng)損耗并優(yōu)化電壓 [3] 。無功、網(wǎng)損與電壓不平衡波動的關(guān)系見式（1）：

式中： DU 1?2 為1、2節(jié)點間的電壓差； P 為節(jié)點間傳輸線路傳輸?shù)挠泄β剩?Q 為節(jié)點間傳輸線路傳輸?shù)臒o功功率； R 為節(jié)點間傳輸線路阻抗；DP 1?2 為1、2節(jié)點間傳輸有功功率差；U為線路額定電壓。

AVC系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)是最小化兩節(jié)點間的傳輸線損，同時考慮電壓狀態(tài)和網(wǎng)損狀況。在這一過程中，必須考慮3個關(guān)鍵約束：電壓約束，確保各節(jié)點電壓幅值在安全范圍內(nèi)，保障電能質(zhì)量；潮流約束，控制各支路功率在允許范圍內(nèi)，以符合系統(tǒng)參數(shù)和條件；電壓穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)電壓在額定范圍內(nèi)。這些因素共同構(gòu)成了AVC系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) [4] 。目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式見式（2）：

式中： P i 為節(jié)點處注入的有功功率； Q i 為節(jié)點處注入的無功功率； θ ij 為節(jié)點間的電導(dǎo)、電納和電壓之差角； U i 為實時電壓； K t 為實時調(diào)節(jié)系數(shù)； U max 為節(jié)點電壓最大值； U min 為節(jié)點電壓最小值； K max 為調(diào)節(jié)系數(shù)最大值； K min 為調(diào)節(jié)系數(shù)最小值。

2 新能源AVC系統(tǒng)總體技術(shù)框架

2. 1 總體原則

本研究依托含分布式光伏電源的配電網(wǎng)故障特征建立AVC系統(tǒng)模型 [5] 。AVC主站主要以新能源電站并網(wǎng)點母線電壓或無功作為控制目標(biāo)，負(fù)責(zé)控制目標(biāo)值下發(fā)控制。AVC子站主要負(fù)責(zé)AVC主站下發(fā)的控制指令接受，并根據(jù)指令進行風(fēng)機、逆變器等無功資源控制與無功補償，以滿足電壓快速恢復(fù)運行要求的動態(tài)無功儲備量，應(yīng)對光伏電站電力輸出過程中較強時間性問題 [6] 。系統(tǒng)建設(shè)中，AVC主站調(diào)節(jié)指令與無功電壓計劃曲線下發(fā)給遠(yuǎn)動通信設(shè)備，再經(jīng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至AVC子站，實現(xiàn)電源并網(wǎng)容量配置優(yōu)化 [7] 。當(dāng)電網(wǎng)狀態(tài)穩(wěn)定時，新能源光伏電站實施分鐘級無功電壓自動控制；當(dāng)存在新能源光伏電站事故或AVC主站與AVC子站數(shù)據(jù)異常、系統(tǒng)功能異常時，系統(tǒng)應(yīng)立即自動閉鎖或退出AVC，確保電網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 [8] 。

2. 2 新能源AVC系統(tǒng)框架

主站主要目標(biāo)為并網(wǎng)電壓合格、并網(wǎng)關(guān)口功率因素與無功最優(yōu) [9] ，并輔以無功調(diào)節(jié)設(shè)備動作次數(shù)最少為約束條件 [10] 。由于子站具備遙控遙調(diào)功能，因而在主站AVC下發(fā)給新能源子站AVC電壓調(diào)節(jié)指令后，子站AVC即可進行站內(nèi)無功電壓調(diào)節(jié)設(shè)備控制，以達(dá)到對新能源光伏電站閉環(huán)控制目的。

2. 3 新能源AVC控制方案

2. 3. 1 新能源控制模型

在新能源光伏電站AVC主站的建模過程中，通過科學(xué)設(shè)定運行參數(shù)，如站廠控制模型、調(diào)節(jié)方式、死區(qū)值、步長和周期等，以確保模型支持有效 [11] 。建模完成后，進行策略運算和控制驗證以確保模型的完善性。根結(jié)點的劃分通常依據(jù)供電區(qū)域的最高等級電壓母線節(jié)點或主編確定的控制區(qū)域，一般設(shè)定220 kV節(jié)點作為主變區(qū)域 [12] 。

2. 3. 2 新能源AVC控制策略

在AVC系統(tǒng)中，主站與子站的功能分工明確：主站負(fù)責(zé)實時計算和關(guān)口控制目標(biāo)的下發(fā)，而子站則專注于控制目標(biāo)的細(xì)化和具體調(diào)節(jié)，以達(dá)到最優(yōu)的電壓無功控制 [13] 。主站不直接控制光伏設(shè)備，僅在故障或斷信時子站啟動自主控制以穩(wěn)定電壓。

驗證系統(tǒng)運行有效性的方法是通過主站AVC對并網(wǎng)端的電壓、無功狀態(tài)進行實時監(jiān)控、檢測。若不在允許電壓范圍內(nèi)，就產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)節(jié)；若對當(dāng)前網(wǎng)損檢測時發(fā)現(xiàn)其不在允許范圍內(nèi)，則會產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)節(jié)策略，見表達(dá)式（4）：在滿足任一條件情況下，策略 f（x）=1 操作，而f（x）=0 不觸發(fā)。

2. 3. 3 新能源AVC定值

新能源AVC（自動電壓控制）定值決定了系統(tǒng)如何響應(yīng)電網(wǎng)狀況，是維持電壓穩(wěn)定和有效管理無功功率的基礎(chǔ)。這些定值包括電壓目標(biāo)值、無功功率目標(biāo)值、控制步長、控制周期等，它們根據(jù)電網(wǎng)的實際運行狀態(tài)和光伏電站的特性進行設(shè)定 [14] 。電壓目標(biāo)值是AVC系統(tǒng)試圖維持的電壓水平，通常根據(jù)電網(wǎng)的需求和運行條件設(shè)定。無功功率目標(biāo)值則指定了電站應(yīng)生成或吸收的無功功率量，以支持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行?？刂撇介L決定了AVC系統(tǒng)調(diào)節(jié)無功輸出時的靈敏度，較小的步長可以提高調(diào)節(jié)的精度，但可能增加系統(tǒng)的響應(yīng)時間。而控制周期則定義了系統(tǒng)多久調(diào)整一次其輸出，這影響著系統(tǒng)對電網(wǎng)狀況變化的反應(yīng)速度 [15] 。

3 光伏AVC子站系統(tǒng)建設(shè)

3. 1 光伏電站AVC控制目標(biāo)

光伏電站的AVC控制目標(biāo)專注于維護電站的電壓穩(wěn)定性和無功功率平衡。通過實時監(jiān)控電站的運行狀況，AVC系統(tǒng)調(diào)整無功功率輸出，確保電壓水平保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。如對光伏逆變器、動態(tài)無功補償裝置等關(guān)鍵設(shè)備的精確控制，以適應(yīng)電網(wǎng)需求和運行變化 [16] 。此外，AVC還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電站內(nèi)部的設(shè)備和系統(tǒng)，以優(yōu)化整體電壓質(zhì)量和提升電能效率，從而實現(xiàn)高效和可靠的電力供應(yīng)。

3. 2 光伏電站AVC子站運行邏輯

光伏電站的AVC子站運行邏輯以確保電壓穩(wěn)定和無功功率的有效管理為核心。子站接收來自主站的控制目標(biāo)，并據(jù)此調(diào)整光伏逆變器和其他關(guān)鍵設(shè)備的無功輸出。這涉及對實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，以及根據(jù)電網(wǎng)條件和光伏電站的實際運行狀況進行動態(tài)調(diào)節(jié) [17] 。子站還負(fù)責(zé)實施本地控制策略，在主站控制不可用或通信中斷的情況下，確保電壓和無功功率的穩(wěn)定。此外，AVC子站還會根據(jù)需求優(yōu)化電壓調(diào)節(jié)步長和策略，以提高調(diào)節(jié)效率和響應(yīng)速度。

4 新能源AVC運行存在的問題分析

4. 1 調(diào)試階段功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)

新能源光伏電站在閉環(huán)調(diào)試階段通常維持正常的功率因數(shù)。進行升降電壓調(diào)試時，需注意控制功率因數(shù)不低于0.9，通常維持在0.9～1.0 [18] 。

4. 2 運行階段功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)

新能源光伏電站在發(fā)電與非發(fā)電過渡期間面臨功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的挑戰(zhàn)，可依托功率因數(shù)計算公式幫助理解和解決這一問題。

在新能源光伏電站的過渡階段，功率（ P ）逐漸減少，導(dǎo)致無功功率（ Q ）增加。當(dāng) P 降至一定水平，功率因數(shù)可能會低于0.9，此時AVC系統(tǒng)會自動介入，通過下發(fā)電壓增量至新能源電站，進行無功調(diào)節(jié)。當(dāng)光伏電站逐步過渡為電力消費者時， P 可能會降至零甚至成為負(fù)值。這種情況下，若 Q 與 P 相近或遠(yuǎn)大于P，將使功率因數(shù)不合格。盡管AVC系統(tǒng)持續(xù)調(diào)節(jié)并下發(fā)電壓增量，但由于站端的無功調(diào)節(jié)依賴于固定步長的電壓增量，這限制了調(diào)節(jié)的智能化和有效性，從而無法確保功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。

4. 3 步長調(diào)節(jié)不夠智能

接入AVC系統(tǒng)后，面對無功功率越限或優(yōu)化時，其調(diào)節(jié)智能化水平顯得不足。比如，在系統(tǒng)運行至最低限度時，實時無功值為-1.2，無功下限為-1。此時，主站發(fā)出固定步長的電壓增量，使無功上升至8。5 min 后，再下發(fā)固定步長的電壓減量，無功降至-0.9。這樣的調(diào)節(jié)方式使無功功率始終徘徊在越限邊緣，顯示出調(diào)節(jié)策略的局限性。

4. 4 調(diào)節(jié)方式針對性不強

在AVC主站的調(diào)節(jié)過程中，電壓增量首先轉(zhuǎn)換為電壓目標(biāo)值，然后這一目標(biāo)值再轉(zhuǎn)化為需調(diào)整的無功增量。這個轉(zhuǎn)換流程相對復(fù)雜，加之電壓補償是人為設(shè)定的，因此在實施無功調(diào)節(jié)時，步長的設(shè)定不夠精確，導(dǎo)致調(diào)節(jié)效果不理想。

4. 5 子站程序出現(xiàn)誤判

主站每分鐘向子站發(fā)送電壓增量為零的平調(diào)指令，以維護實時通信。然而，部分新能源電站的程序誤解這一指令為低壓維持命令，導(dǎo)致通過頻繁調(diào)節(jié)無功以維持電壓，結(jié)果引發(fā)無功功率的劇烈波動，進而造成功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的問題。

4. 6 調(diào)度AVC目標(biāo)分配策略簡單

現(xiàn)場AVC分配策略為平均分配方式，導(dǎo)致由于個別逆變器受環(huán)境和自身性能影響，不能正常跟進目標(biāo)，目標(biāo)值和實際調(diào)節(jié)值存在差異，降低了電廠的有效發(fā)電量。

5 新能源AVC存在問題解決思路

（1）引入更先進的算法和數(shù)據(jù)分析技術(shù)。針對智能化調(diào)節(jié)不足的問題，可通過引入機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，提升系統(tǒng)的響應(yīng)性和精準(zhǔn)度，更準(zhǔn)確地預(yù)測電網(wǎng)負(fù)荷變化，從而實現(xiàn)更靈活和高效的無功功率調(diào)節(jié)；

（2）調(diào)節(jié)步長。根據(jù)電網(wǎng)的實時狀態(tài)和光伏發(fā)電的變化動態(tài)來調(diào)整步長，以適應(yīng)不同的電網(wǎng)需求和運行條件；

（3）改進子站的軟件邏輯。對于子站程序誤判的問題，需要改進子站的軟件邏輯，通過對軟件更新和系統(tǒng)重新配置，以確保所有組件都能準(zhǔn)確響應(yīng)控制信號。

（4）提高主站與子站之間的通信效率和可靠性。改進通信基礎(chǔ)設(shè)施，或者采用更先進的通信技術(shù)，如光纖通信或無線通信技術(shù)，以減少延遲和通信中斷。

6 結(jié)語

本文主要針對新能源光伏電站AVC運行問題進行分析，展開有功功率自動控制、無功功率控制、一次調(diào)頻技術(shù)優(yōu)化研究，找出被控制裝置的設(shè)備特性進行建模，試制新能源光伏AVC和一次調(diào)頻控制功能系統(tǒng)，針對不同發(fā)電單元進行精細(xì)化控制及整體功率可分區(qū)控制，結(jié)果表明，AVC系統(tǒng)投運能夠有效提升電能質(zhì)量，滿足電網(wǎng)調(diào)度對一次調(diào)頻、AVC等功能考核標(biāo)準(zhǔn)，可為現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。

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