基于光伏逆变器调节的配电网电压控制策略分析

殷志龙，薛水莲

（西安德纳检验检测有限公司，陕西 西安 710000）

0 引 言

光伏发电属于新型发电技术，具有独立性、并网性和环保性。伴随着光伏发电系统的广泛建设，越来越多的自发电光伏电源将接入配电网，引起配电网电压波动，不利于配电网的稳定运行。引入光伏逆变器进行电压调节，能够为配电网电压控制提供支持。因此，应对基于光伏逆变器调节的配电网电压控制策略展开研究，从而使配电网能够稳定输送电源。

1 光伏电源接入对配电网电压的影响

配电网建设和运行控制对电力负荷预测的精准性要求较高，而不断接入的光伏电源将影响甚至打破负荷测算的一般规律，影响配电网输电功率的稳定性，引起配电网电压波动。大规模进行光伏电源接入，将造成配电网电压失调、配电网保护部分失效等问题。为保证配电网供电可靠，先要加强对配电网电压的控制。从配电网侧采取电压控制策略的直接措施是增大配电网线路截面积，即通过更换更高线径的电缆或更多回数的电缆，以降低线路阻抗。但是，更换线路将耗费过多资金，实施周期长，管理成本高且效果甚微。利用有载调压变压器的分接头进行电压调节，虽可实现电压波动调节，但调节精确度有限，难以解决末端电压越限问题，且频繁调节抽头易影响机构寿命，系统运行经济性差。利用电抗器组、电容器组等阻容设备进行电压和无功调节，投切瞬间将产生大的瞬态冲击，易出现系统谐振问题。引入STATCOM虽可实现电压快速且精准调控，但投资较大。因此，为应对光伏电源接入给配电网电压带来的影响，最经济可行的措施是从光伏侧采取电压调节措施[1]。并网逆变器作为光伏接入配电网的关键设备，具有较强的无功输出能力和快速的调节能力，能够实现配电网电压调节控制。

2 基于光伏逆变器的配电网电压调节控制

2.1 电压调节思路

在配电网电压调节控制上，可以将上级输配电系统看成恒压源，通过有载调压变压器与馈线连接。沿着馈线可以进行分布式光伏系统PV接入，利用逆变器和变压器并网。图1为配电网系统拓扑结构。在逆变器侧，各接入节点对应线路阻抗，连接负荷与分布式电源DG单元，包含光伏系统组件、逆变器和变压器。在馈线阻抗比固定的情况下，电压最高点则为有功或无功功率注入点，即分布式PV接入节点。采用逆变器实现配电网电压调节控制，主要是由于通过节点对有功功率进行注入，即便节点发生了无功调整也不会给其他节点输入带来影响，避免了电压控制不稳问题。从并网点对有功功率进行虚拟注入，从安全区向过电压区过渡的过程中，注入功率将逐步减小。而在注入的有功功率与电压阈值相等时，逆变器无功输出将达到零。在超出电压阈值后，将吸收无功功率，因此逆变器无功输出能够实现平滑调节。

图1 配电网接入光伏电源系统拓扑结构示意图

2.2 电压调节流程

由于光伏发电会输出无功功率，如果实现恒功率控制将导致配电网产生较大损耗。如果单纯利用有功率输出进行控制，逆变器无功输出无法对电压变化进行响应，在负载增加时易导致接入点出现电压超限问题，使设备无功输出较多，配电网损耗较大[2]。针对接入光伏电源造成配电网节点电压超限的情况，利用逆变器对电压进行调节控制。在考虑电压调节需求的同时，想要尽量减少配电网损耗，可将电压调节划分为无功补偿、容量约束和功率约束3个阶段。在无功补偿阶段，逆变器能够维持有功功率稳定。在设备功率因数角变大的情况下，设备无功功率有所增加。根据逆变器各参量关系可知，设备达到最大功率时，功率因数角为容量约束角。在容量约束阶段，设备功率始终为最大值，输出无功功率随着功率因数角增加而增加，设备输出有功功率则有所减小。在功率因数约束阶段，设备最大功率因数角不变，功率有所缩减。经过无功补偿，设备可能出现最大功率因数角最大，但功率未能达到最大，造成设备不会出现容量约束现象。将变压器看成是理想模型，不考虑线路间分布电容、互感等装置影响，将负荷变化看成是较小，可以对接入点电压控制问题展开线性分析，确定利用逆变器有功和无功功率调整实现电压控制的策略。采用逆变器进行电压调节，利用功率因数角的感性无功功率参与电压调整，提升设备容量利用率，并减少线路无功功率，因此能够减少配电网功率和电压损失。

2.3 电压控制策略

2.3.1 调节策略

在接入光伏电源过程中，节点电压之所以出现超限问题，与有功功率过剩有直接关系。在功率因数约束阶段，逆变器会部分消耗对光伏电源输出的有功功率，以免电压超限问题的发生给配电网设备和线路带来损害。但与此同时，光伏电源有功出力也将减少，造成运行经济性较低，因此应尽可能避免对逆变器有功功率进行削减。调整设备功率因数角，可以在接入配电网后将节点k的目标电压限值设定为Uk,lim，然后将逆变器功率因数角设定为θmax。通过实时监测节点电压Uk、逆变器功率S及功率因数角θ，能够根据各参数关系进行电压调节控制。在节点电压Uk＞Uk,lim的条件下，设备功率S未能达到最大值，而功率因数角θ＜θmax，设备将进行无功功率补偿。此时，调节功率因数角θ使其接近最大值，能够避免设备有功功率损失，并利用感性无功功率使线路得到补偿。在节点电压Uk＞Uk,lim、设备功率S达到最大值而功率因数角θ＜θmax时，设备将进行最大功率调整。此时，调节功率因数角θ使其进一步增加，使设备有功功率被牺牲，能够增加设备输出无功功率，达到对配电网进行补偿的目的。在节点电压Uk＞Uk,lim且功率因数角θ=θmax时，设备将进行功率削减，有效控制配电网电压。在电压调节过程中，可以测量线路阻抗，获得准确调节量。但是，考虑到测量存在误差，还要结合控制参数加强策略灵敏度分析，根据接入点电压、线路阻抗偏差得到有功功率和无功功率的灵敏度矩阵，通过潮流计算确定偏差。根据偏差调节接入点电压，通过修正逆变器输出功率，能够通过设备调节实现配电网电压的有效控制。

2.3.2 控制实现

在策略实现方面，需要结合光伏电源接入所在地负荷状况确认接入点目标电压限值和最大功率因数角。利用式（1）能够根据监测得到的节点电压、功率等数据，计算容量约束角θlim。式中，PPV为逆变器输出有功功率，Smax为设备功率最大值。

在节点电压超出限值的情况下，根据功率因数角和容量约束角的关系，可以采取不同的策略。在监测得到的数值未达到设定的容量约束角时，设备进行无功补偿，利用式（2）计算需要输出的感性无功功率QPV,b。式中，XΣk为节点阻抗，通过修正后可以实现电压控制量输出，以达到电压控制目标，然后返回继续进行逆变器输出监测。

在检测发现节点电压超限同时设备容量最大且功率因数角未达到约束角大小时，可以调整设备最大功率，通过计算设备有功功率进行电压调节。在设备达到最大功率因数角时，需要完成缩减后的有功功率计算，修正后进行功率输出调节。整个过程中发现节点电压超限问题先通过对设备功率因数角进行调节实现电压控制，直至无法通过该参数调节削减光伏有功出力，从而有效减少配电网损失[3]。通过对光伏最大功率进行跟踪监测，能够及时发现接入点电压超限问题，并通过有效调节保证配电网运行安全。不同于恒功率控制或有功功率控制策略，采用该策略拥有较高灵活性，能够综合考量网损和电压波动因素。通过调节逆变器参数调节有功功率和无功功率输出，保证光伏发电效率和经济性的同时，能够满足配电网电压控制要求。

2.4 电压控制效果

为确定采用上述策略能否有效实现配电网电压控制，还要开展仿真实验。具体来讲，就是在IEE 33节点配电网中节点15的位置接入有功功率为2.5 MW的光伏电源。负荷为静态，采用三相平衡模型[4]，逆变器功率最大为2.5 MVA，最低功率因数为0.98，节点电压上限为1.05 p.u.。在并网发电过程中，24 h光照强度呈正态分布变化，节点电压经历先上升后下降变化趋势，在中午11:00—13:00达到最大，约1.058 p.u.。从逆变器输出功率来看，从11:20开始，逆变器进入无功功率补偿阶段，输出功率达0.249 MVar，使节点电压下降至1.05 p.u.。为确认其他策略有效性，在节点18位置接入新的光伏电源，有功功率为2.5 MW，节点电压为1.075 p.u.。在节点电压超限后，逆变器先进行无功功率补偿。在设备最大功率达到最大后，功率因数为0.99，设备输出0.353 MVar无功功率，电压仍然存在超限问题。设备进入最大功率调整阶段，逆变器有功功率调节为2.45 MW，输出无功功率为0.497 MVar，节点电压超限问题依然未能解决，使得设备开始进行功率缩减。直至设备功率缩减为2.38 MW，节点电压达到1.051 5 p.u.，能够满足电压控制要求。从控制参数误差分析情况来看，电阻抗偏差和母线电压偏差均为1%，但经过修正后可以实现电压准确控制。因此，从仿真结果可知，采用逆变器参数进行有功和无功功率输出调节，能够达到精准控制配电网电压的目标。

3 结 论

综上所述，在配电网电压控制方面，从配电网侧采取策略难以达到有效调节电压和减少损失的目标。而光伏逆变器作为连接光伏电源和配电网的重要设备，能够从光伏侧对接入节点电压进行调节。通过调节设备功率因数角，能够调节设备有功和无功功率输出，消除节点电压超限情况，同时尽可能减少有功功率的缩减，减少配电网损失。因此，从配电网稳定、经济运行的角度来看，采用光伏逆变器调节方法实现配电网电压控制拥有良好的发展前景。