上海勘測設計研究院有限公司 任 鋒

國家電網在人們生活和社會生產中發(fā)揮保障作用，但由于傳統(tǒng)發(fā)電技術需要消耗大量煤炭、核能、天然氣等資源，所以會加劇各地區(qū)能源危機，并對生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染。在這一背景下，我國相關單位對發(fā)電技術進行了一系列優(yōu)化和改造，促進風力發(fā)電和光伏發(fā)電技術應運而生。將這些技術接入電網，能夠有效減少不可再生資源的使用量，同時提高電網運行的安全性。而如何對電網中的電壓進行有效控制，成為電力行業(yè)必須深入研究和探索的重要課題，只有保證電壓控制得當，才能夠為電力穩(wěn)定輸出奠定良好基礎。

1 風力和光伏發(fā)電技術接入電網的電壓穩(wěn)定性分析

在國家電網中接入風力發(fā)電技術和光伏發(fā)電技術，需要對電壓穩(wěn)定性進行合理分析。所謂穩(wěn)定電壓，就是在電網運行過程中，電壓受各種因素影響出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，但通過控制電壓，能夠保證穩(wěn)態(tài)電壓系統(tǒng)在短時間內不崩潰，并在處理后快速恢復正常運行狀態(tài)。現(xiàn)階段，相關專家和學者在電壓穩(wěn)定研究中，大多會采用電壓靈敏度分析方法判斷電壓是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。

近年來，世界各國均加大了清潔型能源開發(fā)力度，且風力發(fā)電技術和光伏發(fā)電技術日益成熟。在分析傳統(tǒng)光伏電網線路電壓穩(wěn)定性的情況下，越來越多的學者建議投入風力和光伏發(fā)電技術接入電網，以促進電壓穩(wěn)定性。例如，我國華北地區(qū)在電網建設中就廣泛使用了風力和光伏發(fā)電技術，但由于充電管理樞紐主要位于華北、西北等地區(qū)，所以需要通過遠傳充電方式為電網供電，這也為電網運行帶來了諸多隱患[1]。

現(xiàn)如今，在分析包含風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網電壓時，大多數(shù)學者都會選擇確定性分析方式，基于電網的特性結構，采用PV 曲線對電壓變化情況和靜電平衡范圍進行合理分析；同時使用分叉理論剖析電網電壓的平衡性和穩(wěn)定性。但結合實踐來看，由于風力和光伏發(fā)電技術接入電網后，二者出力具有隨機性特點，所以一些學者會選擇解析法或蒙特·卡羅模擬法來分析電網電壓的穩(wěn)定性。結合實踐來看，位于同一區(qū)域的新能源技術，在發(fā)電過程中存在一定聯(lián)系，所以一旦忽略該聯(lián)系，那么電壓穩(wěn)定性分析準確性也會大幅度降低。

我國在開發(fā)風力發(fā)電和光伏發(fā)電機組初期階段，由于機組正常運行會產生巨大無功功率。所以無法充分滿足電能實際生產需求，這也導致電壓運行的穩(wěn)定性不高。在這一形勢下，風電驅動系統(tǒng)能夠將其作為一個有共接收功率的接收器，來驅動風電系統(tǒng)有效運行，進而切實解決電壓不穩(wěn)問題。

2 風力和光伏發(fā)電技術接入電網的電壓控制方法

2.1 風力發(fā)電技術接入電網的電壓控制方法

將風力發(fā)電技術接入電網后，雖然能夠滿足動態(tài)無功補償要求，但想要保證所有無功設備在運行過程中滿足電壓控制要求，就不可避免地產生電壓滯后控制等問題[2]。所以，本文主要通過構建MPC模型，對風力發(fā)電技術接入電網的電壓進行控制，通過無功變化及電壓預測方式，保證電壓始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.1 建立分層控制構架

通過建立構架，可以從源頭降低不同時段電壓預測中存在的誤差。圖1為預測控制構架示意圖。該框架共分為三個層次。第一層為并網自適應調節(jié)層，能夠通過有功預測信息，按照1次/1min 的速度，實現(xiàn)有功出力自適應調節(jié)需求。第二層為無功協(xié)調分配層，能夠按照1次/1s 的速度對無功進行協(xié)調和分配。第三層為跟蹤控制層，風機采用MPC 追蹤功率參考指令，MPC 采用恒電壓控制追蹤控制并網點電壓。在該框架中，上級控制中心通過下達參考指令對電壓進行控制，能夠通過自適應系統(tǒng)順利完成有功預測工作，進而輸出預測值，并完成自適應調節(jié)工作。另外，無功協(xié)調分配層中匯集了大量電壓相關參數(shù)，包括風電輸出功率、母線電壓等。在此基礎上，可以輸出有功和無功參考指令。最后進入跟蹤控制層，對并網電壓進行跟蹤控制，并輸出靜態(tài)無功補償數(shù)值。

圖1 風力發(fā)電技術接入電網分層預測控制構架示意圖

2.1.2 電壓穩(wěn)定控制策略的實現(xiàn)

在對電網電壓進行控制時，由于電機組運行過程輸出較低電壓，所以必然會產生電阻比和電抗比，此時，如果其中某一節(jié)點的電流大于零，那么可以結合這一點的功率和電壓，對有功電壓和無功電壓的靈敏度系數(shù)進行確定。在此過程中，可以結合上級控制中心傳遞給風電場的參考電壓指令，預測電壓調節(jié)的極限，進而實現(xiàn)超前控制電網電壓的目的。另外，可以結合電壓在1min 內的運行狀態(tài)，充分利用機組調節(jié)能力，并根據(jù)調節(jié)極限值，確定有功輸出曲線，滿足電壓自適應調節(jié)的最終目的。在追蹤最大功率曲線過程中，需要對控制時間是否超出指令控制周期進行判斷，如果超出，需要重新下達指令，并按照以上流程預測下一控制周期；如果沒有超出，則需要保證指令繼續(xù)執(zhí)行。如果上級控制中心下達的指令超出電壓調節(jié)范圍，則意味著機組無功調節(jié)不足，此時應保證調節(jié)后的指令達到最小值，而后在預測有功達到最大值基礎上，合理調整輸出功率。

在確定機組無功上限過程中，需要將其設置為電壓參考指令和有功輸出上限中的最大值。反之，則最小值作為機組無功下限。所以，在有功功率處于動態(tài)變化狀態(tài)時，機組無功輸出也會隨之發(fā)生一系列變化，一般疊加節(jié)點預測電壓和無功調節(jié)電壓，能夠得出調節(jié)上限和下限。結合預測過程得到功率的最大值，需要在無功補償不到位的情況進行合理調節(jié)。如果機組運行過程中存在電壓值偏低問題，應對有功輸出量進行合理調節(jié)。在調節(jié)無功分配過程中，要提前確定控制目標，也就是對節(jié)點電壓進行控制，保證其達到參考電壓的最小值，同時還要對靜態(tài)無功進行控制，確保其達到無功儲備最大值。將參考質量作為調節(jié)電壓的目標后，通過無功發(fā)生器跟蹤控制電壓，可以從源頭規(guī)避電壓不穩(wěn)問題。另外，在無功補償足夠的情況下，還能夠及時響應調節(jié)指令。

2.2 光伏發(fā)電技術接入電網的電壓控制方法

光伏發(fā)電本身具有分散性特點，并且單點容量相對較小，因此，將光伏發(fā)電技術接入電網，需要遵循就近原則。在機組運行過程中，如果處于發(fā)電高峰期，一旦供電距離過長，或者負荷密度較低，則會加快電網潮流分布變化速度，進而使電壓沿著線路方向持續(xù)升高。所以，選擇切實可行的方式將光伏發(fā)電技術接入電網，并合理調整電壓，是電壓控制的最有效方式。

2.2.1 接入機組

在電網中接入光伏發(fā)電技術，需要合理確定電壓水平。為了滿足這一需求，必須充分考慮光伏電站電壓等級、并網容量等實際情況。從理論角度進行分析，為了達到并網要求，需要確保機組在運行過程中，負荷距比的運行電壓低于最大負荷距比。以10kV 光伏電站為例進行分析，在電網中接入光伏發(fā)電技術，必須保證距離和容量滿足標準要求。也就是將接入量控制在1800～2500kW 范圍內[3]。另外，光伏發(fā)電需要具備一個光源集中的位置，由于該位置的裝機位置已經提前確定，所以為了確保光伏發(fā)電技術的接入容量與配電變壓器相符，同時將沒有接入電網的容量控制在變壓器1/2范圍內，就要通過減小供電半徑或增加變壓器數(shù)量等方式來實現(xiàn)，如此能夠從源頭規(guī)避光伏發(fā)電機組運行過程出現(xiàn)電壓持續(xù)升高這一問題。

假設在光伏發(fā)電技術接入電網后，電壓等級為中低壓，那么需要采用末端接入方式，在此基礎上，利用變壓器的變比合理調節(jié)電壓，或者通過無功補償設備調節(jié)電壓。結合大量實踐來看，我國建立的35kV光伏發(fā)電站，大多配備了無功補償設備，如此能夠保證光伏發(fā)電技術接入電網后，不會產生過大的電壓波動現(xiàn)象，這也充分滿足了電壓安全運行要求。但各地區(qū)建立的10kV 光伏發(fā)電站，很少配備無功補償設備，所以為了滿足電壓自動調節(jié)需求，需要加裝調壓器，對發(fā)電功率變化進行靈活控制[4]。另外，如果使用屋頂光伏發(fā)電機組，那么在接入電網時，則可以利用雙向調壓器對進線側的電壓進行調節(jié)，進而保證電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2 調節(jié)電壓

在光伏發(fā)電廠中，往往會有光伏發(fā)電機組大規(guī)模接入情況，對此，為了避免電壓受各種因素影響出現(xiàn)越限問題，需要通過實施動態(tài)無功補償策略的方式對電壓進行控制。新時期，在科學技術迅速發(fā)展背景下，越來越多智能化控制算法應運而生，能夠對電壓進行自動控制，進而保證電壓始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。在實施過程中，需要基于機組運行現(xiàn)狀，建立電壓預測模型，并在模型中體現(xiàn)控制量，進而分析出下一刻的電壓輸出值。結合二者差值，對預測過程中產生的誤差進行精準預測，有利于為下一刻預測模型的優(yōu)化和改進提供有利依據(jù)。在逆變器運行過程中，輸出的無功功率或有功功率如果控制難度較大，則需要充分發(fā)揮傳感器的作用，及時收集和傳遞各種數(shù)據(jù)信息[5]，在此基礎上，利用準確運算公式，對線路負載情況進行確定。

另外，逆變器應始終按照四象限軌跡運行，如此可以充分滿足逆變器的視在功率，同時輸出任意功率。在對無功輸出進行嚴格控制的基礎上，電壓能夠滿足最上限的控制要求。在實際操作中，可以將每秒作為一個周期，在每一周期開始的情況下，預測模型無變化。結合上一個周期an-1等模型參數(shù)和有功功率輸出Pn，可以確定逆變器的輸出無功值。結合大量實踐可知，之所以實現(xiàn)無功輸出，主要目標就是降低節(jié)點電壓，如果機組在運行過程中，無功輸出值為負數(shù)，就意味著該機組在運行中，受有功輸出影響會出現(xiàn)電壓越限現(xiàn)象，此時應在系統(tǒng)中加入無功補償設備，如電容器或靜止無功補償器，可以提供或吸收必要的無功功率。如果機組在運行過程中，無功輸出值為正數(shù)，則意味著有功輸出相對較小，此時節(jié)點電壓幾乎不會發(fā)生越限問題，所以不需要對無功進行吸收。

在量誤差允許值控制在合理范圍內的情況下，節(jié)點電壓如果等于調度層預定值，此時充分說明電壓不存在越限情況，所以模型也不會發(fā)生變化。另外，工作人員可以結合實際輸出的無功值更新模型結構參數(shù)，在模型發(fā)生變化時，應結合電壓反饋做好合理調節(jié)工作。

3 結語

綜上所述，近年來，我國風電場和光電廠建設規(guī)模逐漸擴大，但在發(fā)電過程中，由于存在間歇性特點，所以在風力發(fā)電技術和光伏發(fā)電技術接入電網時，容易導致電壓在多種因素影響下出現(xiàn)各種問題，最終導致電力系統(tǒng)電壓波動較大，不僅影響供電質量，還無法充分發(fā)揮電網的作用。因此，為了充分保證風力和光伏發(fā)電技術在接入電網時，電壓始終處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，需要根據(jù)發(fā)電項目實際情況，做好分層預測電壓工作，并制定行之有效的電壓控制策略，進而為電網安全供電奠定良好基礎。