大规模分布式光伏接入的配电网电压越限解决方案

王 鹤，陈玉芳，2，李国庆，庄冠群

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.内蒙古民族大学 物理与电子信息学院，内蒙古 通辽 028000)

大规模分布式光伏接入的配电网电压越限解决方案

王 鹤1，陈玉芳1，2，李国庆1，庄冠群1

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.内蒙古民族大学 物理与电子信息学院，内蒙古 通辽 028000)

随着配电网中接入光伏发电比例的不断增加，大规模分布式光伏发电接入后带来的配电网电压控制问题引起了人们的广泛关注。在分析分布式光伏发电接入点电压特性的基础上，提出一种能够防止馈线电压越限的控制方案。在配电网电压将要越限时，光伏逆变器实时设定分布式光伏注入配电网功率的限值，防止电网电压越限。通过仿真分析验证了所提出的方案能够有效的对含大规模分布式光伏发电的配电网电压进行辅助管理，有效提高配电网中光伏发电的渗透率。

光伏发电；大规模；配电网电压；有功限值

目前，以光伏、风电为代表的分布式可再生能源蓬勃发展，其中分布式光伏发电发展最为迅速。分布式光伏发电(Photovoltaic，PV)是将分布式电源安置在用户附近，运行方式灵活，具有辅助管理配电网电压的潜力。目前配电网中接入的分布式光伏发电单元一般采用单位功率因数运行，此种运行方式的光伏发电大量接入将改变电网潮流，进一步改变配电网电压分布，导致线路和变压器等输配电设备损耗增大、线路电压越限等一系列问题，降低配电网中光伏发电的渗透率[1-3]。

在此背景下，大量文献对分布式光伏发电接入的配电网电压控制问题进行了深入的研究。文献[4]提出了一种基于用户储能装置控制的无功优化协调策略，实现配电网电压的高效和经济管理。文献[5-6]提出通过有载调压变压器和电压自适应控制装置协调管理电网电压。文献[7-8]提出了一种利用无功补偿提高分布式光伏接纳能力的方法，使反向潮流和负载变化所引起的较大电压波动得到抑制。文献[9-10]提出充分利用逆变器的无功调节能力为电网提供电压支撑，逆变器根据自身容量最大限度的吸收无功功率以维持电压在要求的范围内。现有文献大多是利用分布式光伏无功电压调节能力对电网电压进行控制，而通过限制光伏注入配电网的有功来控制电网电压的研究较少。

本文通过对分布式光伏发电接入的配电网电压特性的分析，提出一种针对大规模分布式光伏接入的配电网电压控制方案。该方案在分布式光伏发电单元接入点处电压将要发生越限时自动启动，通过限制光伏发电单元注入配电网的有功，自动避免电压越上限，从根本上解决因大量分布式光伏发电接入导致的配电网电压越限问题。

1 分布式光伏发电接入的配电网电压特性

大规模分布式光伏发电单元接入配电网，存在的主要问题是发电高峰时段的馈线电压越上限问题，而电压越下限的情况可以通过控制光伏逆变器输出无功功率来缓解，所以本文主要分析分布式光伏发电单元接入之后的馈线电压越上限的电压特性。

图1为分布式光伏发电接入的配电网线路负荷分布，线路有M个节点，设线路的初始电压为V0，第M个节点的电压为Vm，视在功率Pm+jQm(m=1，2，…，M)，两节点间的阻抗Rm+jXm=lm(r+jx)，其中lm为两节点间的线路长度，r和x分别为单位长度的电阻和电抗，节点p接入输出功率为PV的分布式光伏发电单元。

图1 光伏发电接入的配电网负荷分布

设线路中某一节点k，此节点位置存在两种情形。情形1：节点位于光伏接入点之前，即0

(1)

由于居民用电功率因数很高且低压线路电抗较小，故无功功率所起的作用可忽略，公式(1)可简化为

(2)

线路的初始电压为V0，节点k的电压为

(3)

情形2：节点位于光伏接入点之后，即p

(4)

节点k和节点k-1的电压差：

(5)

由公式(5)可知，节点k电压始终小于节点k-1的电压，电压出现降低趋势。

由以上分析知，分布式光伏发电接入后，线路电压变化趋势为：光伏接入点距离初始点较远时，线路电压先降低后升可高、再降低；光伏接入点距离初始点较近时，线路电压先升高后降低。接入点电压局部最大，光伏接入点为局部电压极大值点，仿真分析得到相同的结论。

如图2所示，第11节点为分布式光伏接入点，距馈线始端较远。随着线路的增长，线路电压先降低，在接近分布式光伏接入点处电压升高，然后再降低，光伏接入点为局部电压极大值点。

图2 分布式光伏接入的配电网馈线电压变化曲线

图3 p点功率上限值的预测

图4 j点功率上限值的预测

2 防止馈线电压越限的控制方案

由第1节可知，光伏接入点为局部电压极大值点，可通过对光伏接入点的电压进行管理来间接管理整个配电网的电压。目前文献中普遍采用的电压调整策略有：改善输电线路阻抗参数、安装储能装置、控制光伏发电系统无功功率等[11-13]。改善输电线路阻抗参数及加强电网投资建设、安装储能装置所需要的前期投资成本巨大，经济性较差；而调整光伏发电系统无功输出对电网电压升高的控制效果并不理想。对于配电网，阻抗比较大，光伏接入点电压受有功功率的影响较大，限制光伏电源注入配电网的有功功率，可以从根本上防止过电压发生。

因此，本文提出了一种大规模光伏接入的配电网馈线电压越限的控制方案，利用光伏逆变器和通信设备采集并网点电压和光伏输出功率并实时的设置光伏注入配电网的有功从而控制并网点电压。如何合理设置注入有功上限值成为该方案的关键问题。

2.1 关键节点分布式光伏注入配单网功率上限值预测

设定接入点预警电压值Vc1和Vc2，且Vc2>Vc1。在t0时刻接入点p电压vp(t0)达到Vc1，此时光伏输出功率Pp(t0)，对应图3中A点。实际中光伏逆变器工作时输出电压以0.5%步进，可认为下一时刻即t1时刻p点电压vp(t1)为Vc1+0.5%，此时光伏的有功输出为Pp(t1)，对应图3中B点。由于t0时刻和t1时刻间隔较短，接入点电压和光伏有功输出的关系近似为线性关系，则直线AB的斜率为

(6)

将AB延长至C点，使C点的电压值为Vc2，曲线斜率不变，可预测光伏注入配电网有功限值，

Pp，res(t1)=Pp(t0)+(Vc2-Vc1)/ρp.

(7)

由图3可知，光伏注入电网有功限值Pref，p(t2)以下，接入点电压不越限，如光伏注入电网有功没有调整电压将继续升高，即为图3所示D点，D点电压Vover，p(t1)远大于预警电压值Vc2，电压严重越限。由于电网电压的变化不只受本节点的注入有功影响，还受其他节点注入有功的影响，故还需对其他接入点处的分布式光伏输出功率进行预测和调整。

2.2 其他节点分布式光伏注入配单网功率上限值预测

图4中A′点与图3中A点对应，同为t0时刻，此时接入点j的电压为vj(t0)和光伏输出功率为Pj(t0)；同样B′与B对应，同为t1时刻，此时光伏接入点j的电压为vj(t1)，分布式光伏输出功率Pj(t1)。

直线A′B′的斜率为

(8)

(9)

由上式可得出接入点j的电压预警值：

(10)

(11)

小于此值电压不发生越限，如高于此值电压越限，如图4所示。

图5 多个光伏协调控制流程图

2.3 多个分布式光伏协调控制方案

多个分布式光伏协调控制流程，如图5所示。首先，检测接有光伏的关键节点电压，电压升高，到达Vc1时，通知其他各点光伏逆变器记录各接入点电压和光伏输出功率，在t1时刻各接入点根据上述预测方法预测光伏注入配电网的有功限值，预测限值为Pres(t1)，在t2时刻由最大功率跟踪算法MPPT (Maximum Power Point Tracking)给出的光伏最大输出功率PMPPT(t2)，为防止电压越限，光伏逆变器调整注入配电网的有功调整为

Pref(t2)=min(Pres(t1)，PMPPT(t2)).

(12)

若Pres(t1)

3 仿真分析

本文对提出的控制方案进行仿真研究，并与无功控制策略相比较，验证了此方案的有效性。对图6的IEEE33节点配电网络进行仿真，系统内总负荷为3.715 MW+2.3 MV·A。

分布式光伏的光照数据，如图7(a)所示。节点8、节点11、节点14、节点19、节点22、节点25、节点27、节点32接入分布式光伏，仿真时每个光伏发电系统统一采用一种光照强度。分布式光伏接入后系统各节点的稳态电压应在0.95 pu～1.05 pu范围内。

图6 网络接线图

图7 不同控制策略下接入点电压波形

分布式光伏单位功率因数运行时，接入点电压波形如图7(b)所示，接入点电压随光伏出力增大而升高，bus14、bus11、bus8位于长线路上，在上午10时到下午16时，电压越限。靠近馈线末端接入点bus14电压严重越限，电压为1.088 pu，靠近变压器侧bus8电压稍有越限。bus19、bus25、bus22位于较短线路上并靠近变压器侧，电压变化较小且电压没有越限。

采用文献[13]中提出的逆变器Q(V)无功控制策略管理电网电压，各接入点电压仿真波形如图7(c)，光伏出力最大时即上午10时到下午16时，接入点bus14电压最大值为1.071 pu，电压严重越限；接入点bus11电压最大值为1.059 pu，同样超出电压允许范围。虽然靠近变压器侧的接入点bus8电压能处于正常值范围内，但处于馈线末端接入点电压依然严重越限。由此可知，逆变器无功控制策略抑制电压能力弱，不能有效的管理电网电压。

表1 光伏单元功率缩减

图7(d)所示为采用分布式光伏协调控制方法接入点电压波形，设定预警电压Vc1为1.03 pu，Vc2为1.05 pu。电压越限严重的接入点bus14、bus11、bus8电压均在1.05 pu以下，电压较稳定，没有出现瞬间越限的情况，此种控制方法改变了高于1.05 pu的节点电压，低于1.05 pu的节点电压没有发生变化，没有出现末端电压过低的情况。电网电压都保持在1.05 pu以下，控制效果较好。

由分析可知，逆变器无功控制策略抑制电压能力弱，接入点电压依然严重越限，而分布式光伏协调控制方法下的接入点稳态电压均在0.95 pu～1.05 pu范围内，管理电压能力较强，能够有效避免电压越限。

表1为14小时内节点bus14、bus11、bus8处分布式光伏功率缩减量，光伏功率的缩减集中在10时到16时太阳光照较强时，光照较弱光伏的输出功率全部输送给电网。其他6个接入点电压并没有越限，光伏功率缩减量为零。虽然本文提出的方法缩减了个别分布式光伏注入电网的功率，但接入的分布光伏总数增加，从全局来看系统的光伏渗透率提高。

4 结 论

本文通过理论分析、仿真研究和硬件实验得出以下结论：

(1)分步式光伏发电的接入提升馈线电压，光伏接入点为局部电压极大值，保证接入点处电压不越上限，也就确保了整个配电网的电压不越上限；

(2)本文提出了一种防止电压越限的控制方案，并与逆变器的无功控制策略进行对比分析，仿真结果显示本文提出的方法能够有效的管理接入点电压，避免了电网电压越上限，提高电网电压的管理水平，进一步提高电网电压的稳定性和电压质量。

本文所采用的研究方法只考虑了采取控制分布式光伏发电输出功率的方法管理电网电压，后续将研究分布式光伏协调控制方法与馈线终端管理设备和有载调压变压器共同管理电网电压，进一步为分布式电源接入后电网电压的管理提供科学依据。

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SolutionofVoltageBeyondLimitsinDistributionNetworkwithLargeScaleDistributedPhotovoltaicGenerators

WangHe1，ChenYufang1，2，LiGuoqing1，ZhuangGuanqun1

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.College of Physics and Electronic Information，Inner Mongolia University Nationalities，Tongliao Inner Mongolia 028000)

For distribution networks with Large-scale photovoltaic generators (PV)，overvoltage is a common and major issue that needs be addressed to not only assure reliable and secure system operation，but also to fully utilize PV generation capacity.And based on the analyzing of PV generation connection point characteristic，a control method is proposed in this paper to prevent overvoltages by adaptively setting the power caps for PV inverters in real time.This method start control when the voltage of PV generation connection point is going to beyond limits，and through by limiting photovoltaic generation to avoid overvoltage.The simulation results show that the control method proposed in this paper can manage the distribution network voltage of large-scale distributed PV effectively and improve the penetration of PV in the distribution network.

Photovoltaic power generation；Large-scale；Distribution network voltage；Active power limit

2017-05-12

吉林省教育厅"十三五"科学技术研究项目([2016]87号)

王 鹤(1983-)，男，博士，副教授，主要研究方向：新能源发电.

电子邮箱：wanghe_nedu@163.com(王鹤)；viccgcyf@163.com(陈玉芳)；lgq@nedu.edu.cn(李国庆)；1311246511@163.com(庄冠群)

1005-2992(2017)06-0008-07

TM615;TM464;TM732

A