大规模分布式光伏并网无功电压控制方法综述

李翠萍，曹璞佳，李军徽，赵 冰

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网吉林省电力有限公司 长春供电公司，吉林 长春 130021)



大规模分布式光伏并网无功电压控制方法综述

李翠萍1，曹璞佳1，李军徽1，赵 冰2

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网吉林省电力有限公司 长春供电公司，吉林 长春 130021)

分布式光伏并网发电系统因具有就地消纳、运行灵活、可降低网损等特性，其并网规模迅速扩大，而随着分布式光伏并网渗透率不断提高，其对配电网电压质量的影响已不容忽视。针对大规模分布式光伏发电并入配电网所引起的电压越限问题，对国内外无功电压控制方式的研究现状进行综述。主要内容包括：对分布式光伏并网系统各个模块的控制原理、数学模型及控制模型进行了简要介绍，并分析了分布式光伏电源有功功率输出及并网逆变器无功功率输出对配电网无功电压的影响，最后总结了传统电压越限控制方式及新兴无功电压控制方式，并对各种控制方式的优缺点进行评述。

分布式光伏；数学模型；控制模型；电压越限；无功电压控制

随着能源问题和环境问题日益突出，世界各国对于改变能源结构、发展可再生能源已达成共识。许多国家已经做出大规模开发利用太阳能发电的规划。由于分布式光伏电源接入配电网可实现能量的就地平衡，避免远距离输电引起的投资和损耗，且运行灵活，所以近年来我国分布式光伏发电的并网规模迅速扩大。

但随着分布式光伏发电的并网规模逐渐扩大，光伏发电系统对配电网的影响也越来越显著，主要体现在光伏电源的无功支撑能力较弱，使得并网点电压发生电压越限的风险加大[1]。所以配电网无功和电压的管理问题已成为大规模分布式光伏并网面临的最大挑战之一，而大规模分布式光伏并网的无功电压控制策略的研究也越来越受到学术界和工程界的关注。

本文的目的在于，对国内外有关大规模分布式光伏并网电压越限问题及无功电压控制方式的研究现状和成果进行梳理和综述，为后续展开更深入的研究提供参考。

1 光伏发电系统的建模与控制

分布式光伏并网发电系统是指经低压线路直接接入配电网的光伏发电系统，因其具有可就地消纳、网损低、运行灵活等优点而被广泛应用，其并网规模也迅速扩大。

按能转换方式光伏并网发电逆变器通常分为双级式和单级式两大类，由于单级式并网光伏逆变器拓扑结构中只有一个DC-AC环节进行能量转换，其中的最大功率跟踪(Maximum Power Point Track，MPPT)控制、电网电压同步、输出电流正弦控制和功率解耦控制等均需由此DC-AC环节实现，控制比较复杂。而双级式光伏并网逆变器拓扑结构中含有DC-DC和DC-AC两个能量转换环节，MPPT和并网控制分别由DC-DC和DC-AC两个变流环节独立控制，互不干扰，使整个系统更加灵活可靠，而对逆变器内部控制策略要求较高的分布式光伏并网系统大多采用双级式光伏并网逆变器[2]。

本文以双级式光伏并网系统为研究对象，介绍分布式光伏并网系统的建模与控制，包括光伏列阵的建模、逆变器的建模和最大功率点跟踪控制建模，以及大规模分布式光伏并网的整体建模方法。

1.1 光伏列阵的数学模型

光伏电池的工作原理是基于二极管的光生伏特效应将光能转化成电能[3]。由于单个光伏电池输出功率较小，大规模光伏列阵由大量光伏电池进行串并联组成[4]。所以，大规模光伏列阵模型可根据光伏电池模型的串并联等效得到。

图1为光伏电池基于单二极管模型的等效电路，其中，ISC代表光伏电池的短路电流，Rs和Rsh分别为等效串联阻抗和并联阻抗，RL为光伏电池的外接负载。根据基尔霍夫定电流定理得出光伏电池模型的数学表达式[4]，再通过对理论计算公式进行简化，并利用光伏电池的出厂技术参数：短路电流ISC、开路电压Uoc、最大功率点电流Im、最大功率点电压Um，得到适用于工程计算的模型表达式[5]。

图1 光伏电池的单二极管等效电路

图2 VSC内环电流控制模型

图3 VSC内环控制简化模型

1.2 光伏并网逆变器及控制建模

在并网光伏发电系统中，逆变器的主要作用是控制直流电压的幅值，并把光伏阵列输出的直流电能转换成所需的交流电能[6]，在上层控制下，逆变器可以选择工作于远程控制或本地控制[7]。远程控制模式下，逆变器按照中央控制器分配的指令运行；本地控制模式下，逆变器按照本地设置参数运行。由于中央控制需要附加通讯设备的投资，对于大规模分布式光伏并网系统而言，应优先考虑采用本地控制，但就控制效果而言，远程控制模式更优。

根据矢量定向和控制变量的不同，并网逆变器的控制策略分为以下四类：基于电压定向的矢量控制、基于电压定向的直接功率控制、基于虚拟磁链定向的矢量控制和基于虚拟磁链定向的直接功率控制[3]。目前主流的电压源型变流器(VoltageSourceConverter，VSC)的控制一般采用基于电流内环的电网电压定向矢量控制，控制系统由电压外环和有功、无功电流内环组成。电压外环经过控制器产生电流内环所需的电流参考值，主要起到调节VSC直流侧电压的作用。而电流内环则根据电压外环生成的电流参考值，经过内环控制器，实现电流入网。

1.2.1VSC及其电流内环控制模型

电流内环的矢量控制策略根据参考坐标系的选择不同分为基于同步旋转坐标系控制和无静差控制[8]。对于三相VSC的控制，采用基于同步旋转坐标系控制设计十分方便，并具有有功分量和无功分量的解耦控制特性。因而，为了简化VSC控制器的设计，VSC的内环控制一般采用基于同步旋转坐标系控制的前馈解耦控制策略，将VSC在dq同步旋转坐标系下的d、q轴电压、电流进行解耦。VSC内环控制模型如图2所示，其内环控制简化模型如图3所示，可见采用前馈解耦控制策略，能够使并网逆变器实现有功、无功的解耦控制。

1.2.2 电压外环控制模型

图4为电压外环控制器的恒电压控制和恒无功控制策略的实现框图。在恒直流电压控制模式中，电压参考值一般为光伏列阵最大功率点所对应的直流侧电压参考值。在恒无功控制模式中，无功功率参考值一般根据所选的无功控制策略不同而采用不同的依据去设定。

图4 三相VSC电压外环简化模型

1.3 光伏并网系统的MPPT控制建模

大规模分布式光伏发电系统的光伏发电利用率直接取决于MPPT算法的有效性，其作用是使光伏列阵的输出功率始终保持在最大功率点处。MPPT的数学模型的建立按照其跟踪方法不同分为两大类[9]，一类是在已知光伏电池P-U特性的基础上，通过求解dP/dU=0求出最大功率点对应的光伏阵列电压U和输出功率P的计算式，构造MPPT模型；另一类是通过自寻优的方法寻找最大功率点，包括恒电压控制法、爬山法、扰动观察法和电导增量法等。

1.4 大规模分布式光伏发电系统的整体建模

大规模分布式光伏发电系统的特点是所有光伏电源出力直接分配到用户负载上[10]，大规模分布式光伏发电系统的建模方法分为独立核心器件建模方法和整体系统建模方法[11]。独立核心器件建模方法的原理是以VSC器件为核心，将VSC两侧元件按照VSC拓扑结构的要求进行化简而得到光伏发电系统等值模型。整体系统建模方法包括方程组法[12]、等效二端口网络模型、简化等值电路模型、受控源模型等，其中方程组法因更为直观、简便而应用较广。

1.5 展 望

在光伏系统建模和控制研究领域，针对现有研究，下一步研究重点在于，综合考虑光伏列阵、逆变器的拓扑结构和控制系统，以及配电线路、变压器参数，研究更为科学、实用的大规模分布式光伏并网系统等值建模的理论、方法和模型。

2 分布式光伏并网对配电系统无功电压的影响

由于大规模分布式光伏并入配电网，改变了配电网原有的辐射状网架结构，及其单一的电源模式，而且光伏电源出力具有随机波动性，容易引起电压波动与闪变[13]、谐波污染[14-15]、电压越限[16]等电能质量问题，随着分布式光伏并网渗透率不断提高，其影响也越来越严重[17]。文献[18-19]指出，在大规模分布式光伏并网发电系统中，电压越限问题已成为限制光伏并网发电系统渗透率提高的重要因素之一。

2.1 电压越限的基本原理

所谓大规模分布式光伏并网，即光伏电源安装量大于负荷平均值，在这种情况下很容易引起光伏电源接入点发生电压越限。下面本文将以大规模分布式光伏并网为背景，以单点分布式光伏并网情况为例，简要分析大规模分布式光伏并网引起配电系统发生电压越限的基本原理[20，21]。

分布式光伏并网系统的等效电路如图5所示。图中PV为分布式光伏电源；US为并网点电压；线路阻抗为R+jX；P和Q为光伏电源的有功和无功功率；PL和QL为光伏电源并网点的本地有功和无功负载。从图5可以看出，光伏电源接入后，可直接为负载进行供电，实现了功率就地平衡，从而减少线路上因传输功率而产生的功率损耗，提高了并网点电压。而光伏电源注入并网点的有功功率越多，并网点电压升高越多，从而增加了发生电压越限的风险。但光伏并网逆变器可以同时充当无功补偿电源，通过从系统吸收感性无功功率来降低并网点电压越限程度。

图5 光伏并网系统的等效电路

图6 光伏并网系统的有功及无功功率特性曲线[22]

图6为文献[22]给出的光伏并网发电系统的输出功率特性曲线，如图所示：(1)实线代表的是光伏系统在额定运行条件下的输出特性曲线，(2)虚线代表大容量逆变器的无功输出能力。从图6可知，逆变器工作在Q≥0，P≥0时，光伏电源有功出力越多，电压越限风险也越大；而工作于Q≤0，P≥0时，则可有效降低电压升高的幅度。由此可见在保证光伏发电系统输出有功功率不减少的情况下，大容量逆变器无功输出能力对电网电压支撑起重要作用。

2.2 对无功电压的影响规律

大规模分布式光伏并网系统中，配电网无功电压的变化趋势与各个光伏电源的接入容量、系统的线路参数、光伏电源的接入位置密切相关，而光伏电源的出力对配电系统各节点电压的幅值影响最大。文献[23]从线路参数、用户负荷大小、光伏电源的出力大小及光伏电源的接入位置等多个角度分析了大规模分布式光伏并网对配电网无功电压的影响情况。主要结论为同等容量分布式光伏电源分散接入对电压的提升幅度要低于集中接入线路末端时引起电压升高的幅度，高于集中接入线路前端时引起电压升高的幅度。文献[17]利用IEEE13节点系统模型，详细分析了在大规模分布式光伏并网系统中变化的光伏电源渗透率对配电系统无功电压的影响规律，主要结论为当光伏电源渗透率超过50%时，会引起节点电压越限。

2.3 展 望

通过对已有分布式光伏并网引起无功电压波动的研究进行总结，建议下一步研究重点：

(1)基于大规模分布式光伏集中、分散接入配电网等典型场景，分析规模化的分布式光伏接入对配电网无功电压的影响情况；

(2)研究不同规模下的分布式光伏接入时，分布式光伏的渗透率对配电系统电压越限程度的影响情况。

3 大规模分布式光伏并网系统现有无功电压控制方式评述

随着分布式光伏并网规模逐渐扩大，配电网中由光伏并网引起的电压越限问题越来越严重，下面将分别介绍针对大规模分布式光伏并网系统无功电压越限问题的传统控制方法和近年来新兴的利用逆变器调压方法，并对各种控制方案的优缺点进行比较，为后续研究提供参考。

3.1 传统电压越限控制方案

针对光伏并网引起的电压越限问题最直接的解决方法就是增大导线半径、减小线路阻抗，然而此方法经济性太差。就大规模分布式光伏并网系统而言，传统的电压越限控制方法包括：通过改变有载调压变压器的分接头调节分布式光伏电源接入引起的电压波动[24]，但该方法不能有效解决配电网末端的电压越限情况，并且我国大部分低压配电网未配置有载调压变压器；光伏并网点安装电抗器[23]，但是文献[25]提出电抗器投切瞬间可能因为其暂态冲击较大而引起谐振等问题；安装静止无功同步补偿器(D-STATCOM)[26]，但大容量的无功补偿装置会增大系统成本，而且在有功过剩的光伏并网系统中其控制效果将受到一定影响；利用储能装置控制无功电压[27～29]，光伏阵列工作于最大功率输出状态，储能装置通过充放电来维持系统的功率平衡，保证直流母线电压的稳定，但是需要附加安装储能装置的成本，并且控制技术复杂；削减有功出力的方法[30]，即在发生电压越限时削减光伏电源的有功出力，以降低电压，但同时也降低了光伏利用率。

3.2 利用逆变器的无功功率吸收能力进行调压

从2010年开始，越来越多的研究者提出，对于大规模分布式光伏并网系统应在并网点利用光伏逆变器解决电压越限问题[23，31，32]。并网逆变器在上层控制策略下可以进行中央控制或本地控制[35]，并网逆变器的中央控制需要重新定义和重新设计配电网的主要操作，在传感器和通讯系统的设施建设上投资较大，但其可以调动各个并网点的逆变器相互协调工作；而本地控制方式无需通讯设备，能够对环境变化做出更加快速的反应[36]，但无法调动所有逆变器互相协调工作。下面将分别介绍几种基于中央控制和本地控制的逆变器无功电压控制策略。

文献[31]、文献[33]、文献[34]详细介绍了以下四种逆变器中央控制下的无功控制策略的控制原理及控制性能，包括：(1)恒无功功率控制，在精确调查负荷功率曲线及光伏出力曲线的基础上设定恒无功参考值，但大规模分布式光伏并网使得用户负荷预测难度增大，导致该方法实现困难；(2)基于并网点电压的Q(U)控制策略，该方法利用无功与电压的下垂特性，逆变器的无功输出取决于电压水平，可避免不必要的无功吸收，因而网损小，但是不能调动所有逆变器均参与电网电压调节，对大规模分布式光伏并网系统的电压调节能力有限；(3)恒功率因数cosφ控制策略，逆变器的无功功率吸收量正比于光伏电源有功输出量，该方法无疑会吸收多余无功而增加网损；(4)基于光伏电源有功功率输出的cosφ(P)控制，根据光伏系统有功出力的大小设定功率因数值，该控制策略假定并网点电压幅值始终随光伏有功出力增大而升高，但当光伏有功出力很大时恰好是用户用电高峰时，此时并网点电压未越限，大量的无功传输仍然会给电网带来很大的损耗。

由于在大规模分布式光伏并网系统中，馈线损耗和光伏渗透率已成为衡量其无功电压控制性能的重要指标[37]，各国学者开始致力于对利用逆变器的无功调压方法进行改进和创新。文献[31]在以上四种无功控制策略的基础上，基于敏感性分析提出具有位置相关性的cosφ(P，U)控制方法，即根据光伏电源有功功率输出和并网点电压幅值确定逆变器的功率因数，进而控制逆变器的无功功率输出，该方法采用就地控制，不需要附加通讯设施，而且不吸收多余无功，网损小。受该文献启发，许多文献在此基础上提出改进的无功控制方法。

文献[21]提出一种结合储能控制的cosφ(U)，该控制方法优先考虑采用本地控制，根据并网点电压幅值确定逆变器吸收的无功功率，当某个逆变器调压能力不足时，将切换到中央控制，协调其余逆变器共同调压。必要时将削减有功出力，并被存储于蓄电池等储能装置中。

文献[36]提出了适用于线路阻抗比R/X较高的配电网中的逆变器无功功率控制策略，利用采用电子抽头变换的配电变压器(Transformer Electronic Tap Changing，TETC)调压结合光伏并网逆变器本地控制。该控制策略能同时满足调压快速性和线路功率损耗最低的要求。但该策略控制成本较高。

表1 几种无功电压控制策略的比较

表1所示为对文中所介绍的传统电压越限控制方法和新兴的利用逆变器的无功电压控制方法及各种方法的优缺点所做的总结。

3.3 展 望

(1)针对大规模分布式光伏规模化接入配电网，对现有并网逆变器无功调压控制策略进行改进，研究适用于大规模分布式光伏并网的分层分区、多级协调并网逆变器无功调压自动控制技术。

(2)在对并网逆变器无功调压策略的创新研究中，应综合考虑在对逆变器的容量需求合理的前提下，同时兼顾电网功率损耗的降低和光伏并网渗透率的提高。

(3)可以考虑将并网逆变器无功调压控制策略与他电压控制方法相结合使用，而各个控制方案之间的切换将是技术难点。

4 结 论

本文从大规模分布式光伏并网系统的建模、大规模分布式光伏并网引起的电压越限问题、大规模分布式光伏并网无功电压控制方法三个方面对国内外研究现状进行了归纳和总结，主要结论如下：

(1)针对大规模分布式光伏并网引起的电压越限问题，应优先考虑利用光伏并网逆变器的无功输出能力进行就地控制，可以省去安装通讯设备的费用，经济性高，但其对逆变器的内部控制策略要求较高；

(2)对于并网逆变器的无功控制策略的改进和创新，应主要考虑在对逆变器的容量需求合理的前提下，同时兼顾电网损耗的降低和光伏并网渗透率的提高，结合大规模分布式光伏并网的渗透率和配电网的基本结构等情况考虑采用何种控制方式；

(3)目前主流的研究方向趋向于结合逆变器的无功吸收能力和其他控制方式共同作用，通过各种策略的相互协调到达兼顾有效性和经济性的最佳控制效果。

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Review on Reactive Voltage Control Methods for Large-Scale Distributed PV Integrated Grid

Li Cuiping1，Cao Pujia1，Li Junhui1，Zhao Bing2

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Changchun Electric Power Supply Company，State Grid Jilin Electric Power Company，Changchun Jilin 130021)

The scale of integration of the distributed photovoltaic (PV) into the power system is expand gradually with the characteristics of elimination on the spot，flexible operation，lower feeder power losses，et al.Voltage exceeding caused by the huge PV system generation in low-voltage feeders cannot be ignored any more.The purpose of this paper is to review the globe status of reactive voltage control strategies for overvoltage caused by large-scale distributed PV connected into the distribution network.The main contents include the control principle，mathematical model and control model of various blocks in distributed PV grid-connected system are briefly introduced，and analyses for the influences of higher PV generation and PV inverters’ reactive power to the reactive voltage are given.Finally，traditional and emerging reactive voltage control strategies are summarized respectively，and reviews of superiority-inferiority for each reactive voltage control methods are also given.

Distributed photovoltaic；Mathematical model；Control model；Overvoltage；Reactive voltage control

2016-07-26

吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目(吉教合字[2016]第92号)；吉林市科技发展计划(201464038)；东北电力大学博士点基金资助(BSJXM-201303)

李翠萍(1982-)，女，博士，副教授，主要研究方向：新能源发电与运行控制，电动汽车设计与控制技术.

1005-2992(2017)02-0082-06

TM464；TM615

A

电子邮箱： 71352014@qq.com(李翠萍)；1403066976@qq.com(曹璞佳)；11812029@qq.com(李军徽)；478677305@qq.com(赵冰)