含分布式光伏发电的中压配电网电压控制策略

贺新禹，陈众，刘星，张特能，陈李杰

(长沙理工大学 智能电网运行与控制重点实验室，长沙 410004)

0 引 言

随着全球能源格局的调整，我国逐步开启了能源转型的道路，以太阳能、风能为代表的可再生能源成为人类可持续发展的重要选择。由于政策、电价、消纳等多方面因素，光伏发电正逐渐由大型集中式并网朝着大规模分布式并网方向发展[1]，分布式光伏接入配电网可以避免传统远距离输电的建设投资与功率损耗，能够实现能源的就地消纳。但在大量分布式光伏并网后，整个配电系统将由传统的单向辐射状网络变成多电源网络，从而引起系统潮流及电压分布的变化。同时，由于典型居民负荷与光伏出力的高峰时段往往不匹配，造成配电网在强光照时段容易出现功率倒送引发电压越上限风险，而负荷高峰时段又容易面临电压越下限风险，还会增加线路网损，影响到光伏及配电网系统的正常运行[2-4]。因此，配电网电压控制问题是分布式光伏并网亟需解决的问题。

目前各国均已开展对含分布式发电的配电网的电压控制策略的研究。针对配电网电压越限问题，最直接的解决方案是改变导线半径及线路阻抗，但这涉及配电网的升级改造，经济性较差。传统配电网的调压手段主要包括借变压器调压及安装补偿设备。文献[5]考虑通过改变有载调压变压器的分接头对节点电压进行控制，但该方案对配电网末端节点的调节能力十分有限，只适用于系统无功可以平衡或具有一定储备的场合。同时受响应速度等因素限制，有载调压变压器很难快速响应光伏并网功率的变化，频繁操作有载调压变压器还会加快设备的磨损老化；文献[6]指出现今配电网调节电压使用最广泛的方法是增设无功功率补偿装置，但传统的无功补偿装置作用时间较长，其电压调节作用同样具有一定的局限性，且提高了设备的投资和维护成本。因此有学者提出将光伏并网发电与无功功率补偿一体化，构建光伏并网功率调节系统，用于提升配电网的电压水平[7]。

随着分布式光伏发电在配电网中渗透率的逐步提高，有学者开展了基于逆变器的电压控制策略研究，主要是通过调节逆变器的无功和有功输出控制电压[8-14]。文献[8-10]为抑制电压越上限提出了有功功率削减控制策略，这种策略不利于提升配电网的光伏消纳能力，缺乏对配网电压越下限问题的考虑，也缺乏对逆变器无功调节能力的利用；文献[11]相比于有功功率削减，通过调节光伏逆变器无功功率的输出实现电压控制更具经济性；文献[12]指出在线路电阻R和电抗X数值相当的配电网中，逆变器无功调节是一种更为有效的电压调节手段，其无功调节能力较调整变压器、储能以及增设无功补偿装置等调压方式更加经济、高效，在含高渗透率分布式光伏发电的配电网中具有明显的优势；文献[13]采用蒙特卡洛随机法模拟评估了配电网的光伏消纳能力，并提出基于光伏逆变器的电压阶段控制策略以缓解电压越限问题；文献[14]提出了基于规则的分布式电压控制策略，综合了逆变器无功调节与有功削减对电压进行协调控制，但其有功削减方案并未充分考虑经济性。

针对以上问题，提出了一种新的无功/有功协调控制策略。根据电压幅值对节点电压进行分区，按照无功功率调控策略Q(cos(φU))对配电网进行无功补偿，使电压更趋于理想范围，同时可减少不必要的有功削减；若逆变器无功调节能力达到上限后仍存在电压越限情况，则再通过动态最优潮流对配电网节点电压和分布式光伏发电量进行管理，保证有功削减的经济性。采用IEEE 33节点配电网系统对提出的电压控制策略进行验证。

1 光伏接入点的电压分析及无功/有功调压分析

图1 光伏并网等值电路Fig.1 Equivalent circuit of grid-connected PV system

根据功率守恒原理可得：

(1)

(2)

对式(1)整理并按实部、虚部分别展开，得：

(3)

消去式(2)中的(δ2-δ1)项，得：

(4)

式中：

对式(4)求解，取可行解为：

(5)

在给定负荷功率的情况下，分别调整光伏的有功和无功输出，分析在不同的R/X比例下光伏渗透率容量变化导致的并网点电压E2变化情况，可以得到图2所示曲线。

从图2(a)中可以看出，仅调整光伏有功出力时，线路的R/X越大，则dE2/dPPV越大，电压上升/下降的幅度越大，电压越上/下限的风险越大；从图 2(b)中可以看出，仅调整光伏无功出力时，线路的R/X越小，则dE2/dQPV越大，电压上升/下降的幅度越大，电压越上/下限的风险越大。当对电压精度要求不高时，dE2/dPPV可近似等于R，dE2/dQPV可近似等于X。因此，线路的R/X比可反映出系统中的有功功率和无功功率对节点电压变化的影响程度。R/X比越大，表示节点电压越易受有功功率变化的影响，反之则更易受无功功率变化的影响；同时，R/X比越大，系统在调节由有功功率引起的电压变化时消耗的无功功率就越大。

图2 E2在不同R/X比例下随光伏出力变化曲线Fig.2 E2 varies with PV output at different R/X ratios

2 无功/有功协调控制策略

由于中压配电网线路阻抗R/X较大，因此在上节光伏接入点的电压分析及无功/有功调压分析的基础上，提出了一种无功/有功协调控制策略。当配电网节点电压存在电压越限风险时，先考虑利用逆变器的可调无功容量进行调压，减少不必要的有功削减；当逆变器无功调节能力达到上限仍有越限情况时，采用有功功率调控策略进行有功削减，保证电压处于安全范围。

2.1 无功功率控制策略

在正常运行时，光伏电源可等效为出力随光照强度变化的直流源，采用最大功率点跟踪(MPPT)方式跟踪到最大有功功率Pmppt。目前的光伏逆变器具备一定的无功调节能力，其可调无功容量与逆变器容量的关系为：

(6)

实时监测配电网节点电压，根据电压幅值大小进行分区调节。设置电压死区，死区范围为[U1，U2]，当电压位于死区范围内时，功率因数不跟随电压状态改变；当电压大小超出电压死区且未越上/下限时，根据并网点电压幅值设定功率因数cosφ(U)；当电压幅值越上/下限时，根据逆变器最小的运行功率因数值设置cosφ(U)。考虑功率因数的下垂特性，对逆变器输出功率因数进行控制，其设置方式如式(7)所示。C为逆变器输出的最小功率因数值，Umax、Umin分别为配电网安全运行允许的电压上、下限；k1,k2,k3,k4,k5均为无功调节系数，可根据不同的线路情况(如线路容量)和用户实际需求进行调整，设定不同的无功调节能力。若仅研究节点电压水平，可设置k1～k5均为1。根据式(7)可推得逆变器输出的无功功率值，如式(8)所示：

(7)

Q=P·tanφ(U)

(8)

利用式(7)、式(8)，根据当前测得的电压大小控制逆变器输出相应的无功功率进行补偿，达到维持光伏并网点的电压在限定范围之内的目的。逆变器的逆变器有功/无功关系及无功输出设定如图3所示。

图3 逆变器有功/无功关系及Q(cos(φU))设定Fig.3 Inverter active/reactive relationship and the setting of Q (cosφU))

图3中设定的Q-U曲线为设置调节系数k1～k5均为1时的情形，α为最大功率因数角，Qmax为最大无功输出容量。当电压高于U2时，输出的感性无功功率增加；当电压低于U1时，则输出的容性无功功率增加，达到稳定电压的目的；当电压位于U1～U2之间，仅根据设定的调节系数确定逆变器输出的无功功率，调节系数设为1时，逆变器运行在单位功率因数下；当电压出现越限情况，调节系数设为1时，逆变器以最大功率因数角运行，输出当前的最大无功功率。

2.2 有功功率控制策略

当逆变器无功功率达到其最大调节能力时，电压仍有越限情况，可能会导致并网逆变器退出运行。为防止这种现象发生，在使用无功功率调节策略基础上，提出一种新型的有功功率控制方法，对光伏有功功率的削减量进行优化管理，保证配电网电压处于安全范围内。被削减的有功可存储于蓄电池等储能装置或消纳于具备频繁启停特性的灵活负载上。

文中提出的有功功率控制策略是一种对配电网节点电压和分布式发电量进行管理的最佳调度策略算法。其调度的目标是通过最小化fmin来尽可能减小配电网中的总的光伏分布式发电量的减少：

fmin=w1P1,cut+w2P2,cut+.....wnPn,cut

(9)

式中Pn,cut是第n个光伏的有功削减量；wn为第n个光伏的削减系数，其与配电网中每个光伏的发电成本相关，发电成本越高的光伏配置的削减系数越大。例如，某配电网中含4个光伏系统，若4个光伏的发电成本比为R1:R2:R3:R4(R3>R1>R2>R4)，则w1:w2:w3:w4可设为1/R2:1/R1:1/R4:1/R3，这样可使配电网中发电成本低的光伏尽可能多发电，更符合经济性。如果w1,w2,…wn均设置为1，那么目标函数就不考虑发电成本而只是为了保证电压的安全性和光伏的利用效率。

最优化方程的约束条件包括：

(1)功率平衡方程

(10)

式中Pload、Ploss、Pn,PV、Ptrans分别为实际负载的有功功率、实际有功损耗、第n个光伏提供的有功功率、以及来自电网的有功功率(通过变电站提供)；Qload、Qloss、Qn,PV、Qtrans分别为实际负载的无功功率、实际无功损耗、第n个光伏提供的无功功率、以及来自电网的无功功率。

(2)光伏发电量的限制

Pn,MPPT=Pn,cut+Pn,PV

(11)

式中Pn,MPPT为第n个PV跟踪到的最大有功功率；Pn,PV为电压安全限制下的第n个PV实际发电量；Pn,cut为第n个PV的有功削减量。

(3)电压安全限制：

Un≤Umax

(12)

式中Umax为配电网安全运行允许的电压上限。有功功率控制策略针对的是电压越上限问题，因此在求解最优目标函数时仅对电压上限作限制。

综上所述，无功/有功综合控制策略流程图如图4所示。

图4 无功/有功协调控制策略流程图Fig.4 Reactive/active coordination control strategy flow chart

3 仿真分析

以图5所示的IEEE 33节点配电网系统为例，对所提出的无功/有功协调控制策略的有效性进行验证。该系统的基准容量为1 MV·A，基准电压为12.66 kV，设定配电网正常运行允许的电压范围为[0.95 p.u.，1.05 p.u.]。由于光伏接入末端节点对电压的提升作用最为明显，考虑在第15节点、17节点、30节点、32节点处分别接入光伏，逆变器的最小运行功率因数均设为0.98[15]。设定Umin=0.95 p.u.，U1=0.97 p.u.，U2=1.03 p.u.，Umax=1.05 p.u.。选取我国某地夏季典型日为例，系统在一天24 h内的光伏总有功出力和总负荷的变化情况如图6所示。

图5 IEEE 33节点配电网系统Fig.5 IEEE 33-node distribution network system

图6 系统24 h的光伏出力及负荷曲线Fig.6 PV output and load curve of system within 24 h

3.1 不采用电压控制策略

在不采用电压控制策略时，经过仿真计算，接入光伏的系统关键节点24 h的电压变化曲线如图7所示，各光伏接入点的电压信息如表1所示。结合图6、图7可看出，随着光伏出力的增加，线路倒送功率也随之增加，系统电压上升的效果越来越明显，在8： 00～17： 00期间，光伏安装节点均出现了不同程度的电压越上限情况；同时，由于光伏安装节点为于线路末端，在光伏出力较小及不出力的时间段，出现了不同程度的电压越下限情况。为使电压趋于理想范围，应采取一定的电压控制策略。

表1 不采用电压控制策略时光伏的电压信息Tab.1 Voltage information of PVs without adopting voltage control strategy

图7 不采用控制策略时的关键节点电压变化情况Fig.7 Critical node voltage changes without control strategy

3.2 仅采用无功功率控制策略

分析无功功率控制策略对配电网电压的调节作用。为体现逆变器最大的无功调节能力，设定调节系数k1～k5均取为1。观察采用逆变器无功功率控制策略后光伏接入节点的电压变化情况，如图8所示。表2列出了仅采用无功功率控制策略时各光伏的电压信息。

结合图7、图8、表1、表2可看出，在采用无功功率控制策略前，光伏接入点出现电压越限情况，超出安全范围；通过使用无功功率控制策略，当电压低于U1存在越下限风险时，逆变器根据Q(cos(φU))发出容性无功功率，光伏接入点平均电压有所上升；当电压高于U2而存在越上限风险时，逆变器根据Q(cos(φU))发出感性无功功率，光伏接入点最高电压明显下降，平均电压也有所下降。该策略一定程度上改善了电压越限问题，有助于提高电压水平和光伏消纳能力[16-18]。

图8 采用无功功率控制策略后的关键节点电压变化情况Fig.8 Key node voltage changes after adopting reactive power control strategy

表2 仅采用无功功率控制策略时光伏的电压信息Tab.2 PV voltage information when only reactive power control strategy is used

3.3 仅采用有功功率控制策略

设定4个光伏的发电成本比为R1:R2:R3:R4=1:1.1:1.05:0.98，则削减系数w1:w2:w3:w4可设为1/R2:1/R1:1/R4:1/R3。采用有功功率控制策略后光伏接入节点的电压变化情况如图9所示，表3列出了仅采用有功功率控制策略时各光伏的电压及功率削减信息。

图9 采用有功功率控制策略后光伏接入节点的电压变化情况Fig.9 Voltage change of photovoltaic access nodes after using active power control strategy

表3 仅采用有功功率控制策略时各光伏的电压及功率削减信息Tab.3 Voltage and power reduction information for each PV when using active power control strategy

对比不采用电压控制策略时的电压信息可以看出，采用有功功率控制策略后，由于进行了光伏出力的削减有效地解决了光伏接入点电压越上限的问题。从各个光伏接入节点的累计削减功率可以看出，在保证电压安全的同时，发电成本越高的光伏削减的有功越多，更符合经济性的要求，证明了该策略的正确性。但若仅采用有功功率控制策略会产生过多的有功削减，相对无功功率控制策略经济性不足，且不能改善配电网电压越下限的情况，因此考虑无功/有功协调控制策略对配电网电压进行调控。

3.4 采用无功/有功协调控制策略

分析无功/有功功率控制策略对配电网电压的调节作用。Umin、U1、U2、Umax、k1～k5取值均与3.2节一致，光伏的削减系数比w1:w2:w3:w4取值与3.3节一致。采用无功/有功功率控制策略后光伏接入节点的电压变化情况如图10所示，表4列出了采用无功/有功协调控制策略时各光伏的电压及功率削减信息。

表4 采用无功/有功协调控制策略时各光伏的电压及功率削减信息Tab.4 Voltage and power reduction information for each PV when using reactive/active coordination control strategy

图10 采用无功/有功功率控制策略后光伏接入节点的电压变化情况Fig.10 Voltage variation of photovoltaic access nodes after reactive/active power control strategy

对比不采用电压控制策略时的电压信息可以看出，采用有功/无功协调控制策略后，能够有效解决电压越上限问题，同时在一定程度改善电压越下限问题。与仅采用有功协调控制策略相比，由于逆变器无功功率调节电压的作用，无功/有功协调控制策略产生的累计削减功率大幅下降，大大提高了光伏的利用效率，经济性进一步提升。

4 结束语

针对分布式光伏接入中压配电网引起的电压越限问题，根据配电网线路特点进行了光伏接入点的电压分析及无功/有功调压分析，提出了无功/有功协调控制策略。为保证光伏的利用效率，考虑利用逆变器的无功调节能力，将节点电压按照幅值大小分区，按照设定的无功功率控制策略Q(cos(φU))对光伏接入节点进行无功补偿，使电压更趋于理想范围，降低电压越限的风险；若逆变器无功功率输出达到最大值后仍存在电压越限情况，则再通过有功功率控制策略进行光伏出力削减，保证电压不越上限。通过理论分析和仿真分析验证了该策略的合理性和有效性，同时对比了所提无功/有功协调控制策略与无功功率控制策略、有功功率控制策略的调压效果，证明了该控制策略能够较好地解决含分布式光伏发电配电网的电压越限问题。