光伏高渗透率下低压配电网电压管理策略研究

郑发松， 秦岭， 王乃进， 荣新瑞， 罗远国， 荣娜

(1.国家电投贵州金元威宁能源股份有限公司，贵州 毕节 550081；2.国家电投贵州金元股份有限公司，贵州 贵阳 550025；3.贵州电网有限责任公司安顺供电局, 贵州 安顺 561000；4.贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引 言

光伏发电作为解决环境问题的有效手段之一，近年来不断发展中。光伏发电接入配电网在一定程度上能减少线损，但同时也可能使潮流逆流，进而造成电压不稳等问题。因此，光伏渗透率较高的低压系统运行过程中系统电压的管理就显得尤为重要[1]。

在现有文献中，有学者提出了含光伏发电的配电网电压管理方法，其中，最直接的方法为电网改造[2]，但这种方法不够经济。文献[3]讨论了如何协调控制变压器有载分接头和分布式电源，但根据文献[4]，调整变压器有载分接头一般不能成为分布式电源电压的主要调节方式。根据逆变器的无功功率控制能力，有文献提出了含分布式电源的配电网电压管理方法[5]。目前，逆变器无功控制方法包括Q(U)控制、PF(P)控制和PF(U)控制，有功控制方法主要有P(U)控制。为最大化利用光伏板效率，一般根据需要控制无功出力而尽量使有功出力最大。为抑制由于逆向潮流导致的过电压，文献[6]提出了一种基于动态戴维南等效的有功功率极限预测的有功削减方法，然而这种方法的有效性和准确性极其依赖戴维南等效方法的参数。

因此，本文结合光伏逆变器有功和无功控制的优点，研究了一种基于Q(V)&P(V)控制的低压配电网电压管理策略。案例分析在一个低压配电馈线中展开，借助DIgSILENT的编程语言DPL，验证了该策略的有效性。

1 光伏逆变器Q(V)&P(V)控制

本文研究了一种Q(V)&P(V)控制的光伏逆变器本地混合控制器，原理如图1所示。Q(V)&P(V)控制分为两个部分，图1(a)为Q(V)控制，横坐标为电压，纵坐标为光伏逆变器无功功率；图1(b)为P(V)控制，横坐标为电压，纵坐标为光伏逆变器有功功率。Q(V) &P(V)控制解析式如式(1)所示。

图1 Q(V)&P(V)控制原理

(1)

式中：PPV为光伏逆变器的有功出力计算值；QPV光伏逆变器的无功补偿计算值；Qmax和Qmin分别为光伏逆变器的最大感性无功功率和最大容性无功功率；U为低压系统实际电压；U1和U2分别为低压系统允许电压的下限和Q(V)控制的电压上限；Udblow和Udbup分别为Q(V)控制的电压死区下限和上限；Pmin为光伏逆变器允许的有功削减下限；PPV0为光伏逆变器的实际有功出力；U3为低压系统允许的电压上限。

2 基于Q(V) & P(V)的光伏逆变器控制策略

本文研究的控制算法过程如图2所示。在DIgSILENT中建立如图2所示的低压网络模型，利用DIgSILENT DPL自定义语言编写控制流程脚本。每隔5 min执行一次潮流计算，模拟准动态仿真，监视每个节点的实时电压，判断每个节点的电压范围。如果电压在允许范围内，则本地混合控制器不动作，否则启动光伏逆变器中通过DPL预先自定义的本地混合控制器，调节该节点电压。若部分节点的电压依然达不到系统网络允许的电压范围，则启动低压配电变压器的有载分接头，再次进行电压调节。

图2 控制算法过程

3 算例分析

3.1 算例系统

本文使用一个三相四线制低压辐射型居民低压配电网络，如图3所示[7]。该系统有10个节点共74户居民，并且每户均安装有单相光伏，通过一台变比为20 kV/0.4 kV、容量为0.5 MVA的配电变压器供电，连接方式为Dyn11，uK=uK0=6%，铜耗为6 kW，空载损耗为1.4 kW。表1为系统中各用户巅峰负荷分布，其中巅峰负荷为1 kV·A的用户居多，共35个，占所有用户数的47.3%。本文控制策略中，光伏逆变器功率因数在±0.95范围内可调。为了简化分析，光伏数据[8]和负荷数据[9]仅选取具有代表性的7月份的数据。

图3 算例系统

表1 系统中负荷分布

3.2 逆变器本地控制器之间的对比验证

1) 电压对比

在光伏逆变器配置不同本地控制器下，用7月份数据分别进行准动态仿真，得到如图4所示的电压分布图。从图4可以看出，在所有控制器控制下，7月份节点68电压均在0.90～1.10之间。但是，在cosphi(P)、Q(P)、Q(V)和PQ控制下，节点68的电压均出现了超出1.10的情况，只有恒电压控制和本文研究的Q(V) &P(V)控制下节点电压未出现越限。在constV控制下，节点电压基本维持在1.00附近，最为符合电压调节目的，但constV控制通过控制无功达到电压控制的目的，需要大量的无功作为支撑，对用户而言，考虑到成本问题，不宜增加过多的无功装置。综合比较，本文研究的Q(V) &P(V)控制在达到电压调节目的的同时也符合实际需求。

图4 不同控制方法下节点68电压

2) 系统损耗对比

表2为不同控制方法下系统月损耗及其占光伏发电系统月有功损耗的比例。从表2可以看出，在不同逆变器本地控制器控制下，系统月有功损耗占光伏发电系统月有功出力的比例均在6%以内，其中cosphi(P)、Q(P)和Q(V)、PQ和Q(V)&P(V)5种本地控制器控制下系统损耗相对较小，占光伏发电量的比例均在1%以内。而constV控制下，系统损耗相对最大，达5.91%，这其中最主要的原因是使用这种控制器时，系统中传输的无功功率急剧增加，进而造成线路上的有功损耗增加。光伏逆变器配置本文所研究的Q(V) &P(V)控制器后，系统月有功损耗为2 032 kW，占光伏发电有功出力的0.53%。在所列控制器中，本文研究的混合控制系统损耗最小，比cosphi(P)控制损耗少22.26%，比Q(P)控制少44.46%，比Q(V)控制少31.44%，比constV控制少90.99%。

表2 不同控制方法下系统有功损耗

4 结束语

本文研究了一种基于Q(V) &P(V)控制的电压管理策略。借助DIgSILENT软件，通过一个含74个用户的低压配电系统，验证了该策略的有效性，得到以下结论：

(1) cosphi(P)、Q(P)、Q(V)和constV四种逆变器的本地控制器对电压的控制都有一定的效果，但是除了constV控制器外，其他三种本地控制器都不能将系统电压控制在允许范围内，但constV的最大缺点是无功补偿量巨大，现实中难以匹配。

(2) 相比于所列的逆变器本地控制器，本文研究的电压管理策略能够有效地将光伏并网点电压控制在合理范围内。另外，该控制策略能有效减少系统损耗。