基于电压调节器和多光伏系统的配电网电压管理

潘红武， 赵静， 李凡， 詹锐烽， 杨宇， 王力成

(1. 国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000；2.湖州电力设计院有限公司，浙江 湖州 313000； 3. 浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023)

0 引 言

光伏发电与周围环境密切相关，由于云的快速移动，光伏输出功率在短期内可能会呈现出较大的波动[1]。因此，在高光伏渗透率的配电网中，往往会存在电压问题(例如低电压，过电压和大电压波动)以及步进电压调节器(SVR)频繁动作问题。

为解决上述问题，通过优化技术将无功控制方法应用于电压调节中是一种常用的解决方案。文献[2-3]通过协调不同的电压调节设备以达到电压控制与降低网络损耗的目的。文献[4]通过分布式控制方法将优化问题分解。上述优化方法大多是基于实时或预测信息来实现的，然而这些数据的精确性在配电网中难以得到保证。

另一种可行的方案是将无功控制方法与电压调节设备相结合来管理电压。文献[5]提出了一种风电与有载调压变压器协调管理电压的方法，优先考虑通过风电厂提供的无功补偿来管理电压。文献[6]提出了一种储能系统与有载调压变压器的协调方案，储能系统的使用可以有效减少变压器分接头的操作次数。

传统电压调节设备一般适用于长时间尺度的电压控制。为此，本文提出了一种新型的无功补偿方法，当系统电压缓慢变化时，可通过移动SVR将电压控制在合适的范围内，此时逆变器的无功输出仅需缓解由光伏发电引起的电压波动即可。在此基础上提出一种基于一致性算法的全局协调方案，用于减小逆变器之间的无功负担差异。

本文所提方法其优势主要集中于：①可以显著减小光伏逆变器的无功补偿负担，因此可延长逆变器的设备使用寿命；②可以减少逆变器的容量和投资成本；③由于无功功率注入更少，可减小网络损耗；④结合本地和全局方案，可以平衡逆变器的响应速度和无功补偿差异。这项研究对于未来的分布式光伏系统的无功补偿研究具有重要的借鉴意义。

1 基于实时无功补偿的本地电压控制

1.1 本地无功补偿方法

传统基于下垂曲线的无功控制方法在电压管理中效果显著，能够快速响应光伏功率的波动。若将下垂曲线应用于光伏逆变器中，则逆变器需全天吸收无功功率以防止电压越限。在该情况下，逆变器寿命短，维护成本高。此外，吸收大量的无功功率意味着馈线中会产生更大的功率流，引起馈线损耗的增加。

对此，本文提出了一种新型的本地无功补偿方法，即SVR参与电压调节，光伏逆变器仅需补偿由光伏功率波动引起的过电压变化。如图1所示，若本地光伏功率偏差的绝对值超过预定义的限值ΔPlim,i，则逆变器将进行比例无功补偿以减小电压波动；否则，执行无功回退方案以减轻逆变器的无功补偿负担。因此，在t+Δt时刻节点i处光伏逆变器吸收的无功功率QPV,i(t+Δt)可表示为：

图1 本地电压控制

QPV,i(t+Δt)=QPV,i(t)+ΔQpro,i(t+Δt)+ΔQre,i(t+Δt)

(1)

式中：ΔQpro,i(t+Δt)和ΔQre,i(t+Δt)分别为在t+Δt时刻节点i处比例无功补偿和无功回退方案下逆变器的无功功率变化;Δt为两次连续测量的时间间隔。

1.2 比例无功补偿

当节点i两个连续时刻光伏出力的差值|ΔPPV,i|超过了预定义的阈值ΔPlim,i时，比例无功补偿将应用于光伏逆变器，表达式如式(2)所示。

(2)

式中：λ为无功补偿的比例参数。节点i预定义的阈值ΔPlim,i可表示为：

ΔPlim,i=βPrated,i

(3)

式中：Prated,i为节点i处光伏逆变器的额定容量；β为参数，用于调整预定义的阈值ΔPlim,i。β的值应在最坏的情况下进行测量，即当光伏逆变器以ΔPlim,i/Δt的速度增加或减少时，其光伏出力不会引起过大的电压变化。

1.3 无功回退方案

当光伏出力波动|ΔPPV,i|小于预定义的阈值ΔPlim,i时，无功回退方案将应用于光伏逆变器。此时，逆变器产生的无功功率将逐渐减小到零，而不引起明显的电压变化。无功回退方案中无功功率的变化如式(4)所示。

(4)

式中：ΔQr,i为节点i处无功功率回退的步长。为了避免无功回退方案引起过电压事件，ΔQr,i的步长应满足：

(5)

即

(6)

(7)

而ΔQr,i可以表示为：

ΔQr,i=αΔQmax,i

(8)

式中：α为用于调节无功功率回退速度的比例参数，其值由配网运营商决定。

2 基于无功再分配的分布式全局电压控制

由于快速移动的云层仅能覆盖大型配电系统中部分分布式光伏面板，对于云层覆盖的光伏系统，逆变器需投入大量的无功以补偿因光伏出力波动而引起的电压变化。而对于其他不受影响的光伏系统，逆变器则无法提供无功功率支持。因此，本文设计了一个用于协调逆变器共同参与电压管理的全局电压控制方案。在该全局方案中，逆变器重新分配无功补偿负担来减小逆变器之间的无功补偿差异。

2.1 结合本地和全局的控制方案

图2为本地和全局方案的时间轴。本地无功控制方法用于实时补偿本地光伏功率变化，全局方案可通过一定的时间间隔(基于通信延迟时间)在逆变器之间重新分配无功补偿负担。

图2 本地和全局方案的时间轴

在t时刻对各光伏逆变器的无功补偿量进行测量，并在逆变器之间传递该通信信息。考虑到通信延迟时间ΔT，节点i可根据t时刻的测量值，在t+ΔT时刻获得无功功率再分配量ΔQglobal,i(t+ΔT)来调整本地无功功率。因此，逆变器在t+ΔT时刻产生的无功功率可修改为：

QPV,i(t+ΔT)=QPV,i(t+ΔT-ΔT)+ΔQglobal,i(t+ΔT)+
ΔQpro,i(t+ΔT)+ΔQre,i(t+ΔT)

(9)

式中：ΔQpro,i(t+ΔT)和ΔQre,i(t+ΔT)为本地补偿量，分别可从式(2)和式(4)中得到。

2.2 无功补偿负担再分配

无功补偿负担再分配是基于一致性理论实现的，其本质为通过本地节点与相邻节点的信息交互，更新本地节点的状态变量，无需集中的控制计算中心便可协同各节点的状态变量收敛于稳定的一致值[7]。为充分调动用户侧光伏逆变器的潜力，本文选取光伏逆变器的无功利用率为一致性变量，旨在以逆变器容量为依据，协同各逆变器实现无功功率的再分配。一致性算法具体描述如式(10)、式(11)所示。

(10)

(11)

式中：l为节点i和节点j之间有向通信链路的集合；Dj为节点j的出度；ui(t)、ci(t)为节点i在t时刻的辅助变量。对于含n个逆变器(安装在不同的节点)的配电系统，其初始值u(t0)和c(t0)可设置为：

ui(t0)=QPV,i(t0)

(12)

ci(t0)=Prated,i

(13)

式中：QPV,i(t0)为在t0时刻节点处光伏逆变器产生的无功功率。

一致性算法的最终控制目标是使所有逆变器无功利用率均收敛于稳定的一致值，即

(14)

(15)

图3 信息交换示意图

(16)

式中：QPV,i(t)为由式(9)中所得本地无功功率的调整量。在t+ΔT时刻，从式(9)中获取的QPV,i(t+ΔT)将赋值于式(10)下一次迭代的ui(t+ΔT)。

3 算例分析

本文采用如图4所示的5.2 km的配电线路作为测试算例。节点3～节点5分别连接了三个额定容量为1.5 MW的分布式光伏系统。负荷数据如图5所示，分别均匀分布在节点3～节点5处。线路阻抗设置为R+jX=(0.823+j0.726)Ω，SVR延时设置为2 min。本地无功补偿时间间隔为20 s，全局无功补偿时间间隔为1 min。为说明本文所提方法的有效性，设置以下三种方案进行对比：① 仅SVR控制；② 传统基于下垂控制曲线的控制方法；③ 本文所提方法。

图4 带SVR的多个光伏系统

图5 馈线1 d的总负荷曲线

3.1 本地实时无功补偿

表1对比分析了1 d内三种控制方法下电压波动和SVR分接头移动次数。方案1控制下1 min相对电压变化量>0.8%和1.3%分别为52次和11次，这违反了电压波动标准。此外，在这1 d内SVR分接头移动的次数高达22次。过电压将频繁触发SVR分接头动作，从而导致设备寿命缩短以及维护成本升高。方案2和方案3均能够改善电压管理性能，并减少光伏波动下频繁SVR动作。

表1 三种方案下1 min相对电压变化和SVR分接头移动次数

为进一步说明本文所提方法的优越性，表2对比分析了方案2与方案3的无功补偿负担、线路损耗以及光伏逆变器所需的容量。方案2光伏逆变器会吸收大量无功电能(6.641 Mvar·h)以进行电压调节。因此，逆变器不得不承担电压调节带来的负担，这使其寿命缩短且需要消耗高额的维护成本。此外，无功功率注入会增加馈线电流，并产生更大的网络损耗。本文所提方案3相较于方案2，可以节省约20%的网损，且可通过减小逆变器容量以节约投资成本。

表2 方案2与方案3性能对比

3.2 全局无功再分配

图6所示为节点3～节点5处的逆变器无功功率变化曲线。初始时刻，由于节点5被快速移动的云层覆盖，安装在节点5处的逆变器补偿光伏波动引起过电压问题，此时节点3和4处的逆变器不提供无功功率补偿。在2 min时，节点5的无功功率瞬间下降，这是因为无功再分配所引起的，其定量关系依赖于节点3～节点5处的无功功率在1 min前的瞬时值。与此同时，节点4的无功功率在2 min时瞬间增加。无功功率每分钟进行一次再分配，期间所有光伏逆变器均根据本地无功补偿方案调节其无功功率。因此，全局无功协调控制方法可以平衡逆变器快速响应本地光伏而引起的无功补偿差异。

图6 全局无功协调控制方法

4 结束语

本文基于SVR调节缓慢变化电压，逆变器仅用于补偿由剧烈光伏波动引起的电压变化的控制策略，提出了一种本地实时无功补偿和全局无功协调相结合的控制方法。本地无功补偿方法可减轻逆变器无功补偿负担，全局无功控制方法可协调全网逆变器共同参与电压管理。与传统基于下垂曲线的控制方法相比，本文所提方法可有效地降低网损和逆变器容量。本文研究对于分布式光伏系统无功补偿具有重要的借鉴意义。