计及光伏无功调节能力的配电网电压控制研究

周永刚， 陈娟， 夏鹏

(1.安徽省电力有限责任公司，安徽 合肥 230000；2.六安供电公司，安徽 六安 237000)

0 引 言

光伏发电具有经济环保、灵活高效等优良特性。太阳能资源分布多而广泛[1]，光伏发电获得了快速的发展，其在配电网并网的情况也越来越多。但光伏并网后会使配电网由单一的辐射型网络变成多源-荷的网络，且光伏发电功率还具有间歇性和波动性[2]，使得配电网的电压控制变得更加困难。若不采取有效措施进行电压控制，不仅会出现电压质量发生下降的情况，甚至可能损害电压的安全稳定性，因此需对含光伏发电并网的配电网电压控制策略进行深入研究。

针对含光伏发电并网的配电网电压控制，国内外学者做了一定的研究工作。文献[3]对光伏发电的功率特性及其并网对配电网电压的影响进行了分析，表明光伏发电并网对配电网的电压有较大的影响。文献[4]对光伏并网后的配电网电压进行了优化控制，但其未充分利用光伏发电的无功调节能力，导致配电网电压控制困难。文献[5]在进行电压控制时利用了光伏的无功调节能力，但其未考虑电压控制的成本问题。文献[6]以电压控制成本最低为目标进行电压控制，但其对于多节点同时出现电压不合格的情况时存在电压调节顺序混乱的问题。以上文献均未设置电压告警区间，未能及时有效地阻止电压步入越限的情况，且控制过程存在混乱无序的情况，电压控制效果不理想。

本文提出了计及光伏无功调节能力的配电网电压控制新方法，通过控制算例验证了本文方法的优越性。

1 光伏发电功率特性分析

1.1 光伏有功功率特性分析

光伏发电主要通过光伏电池的光生伏特效应将太阳能转换成电能，其有功出力Pt主要与太阳光照强度、环境温度等因素相关[7]，计算公式如式(1)所示。

(1)

式中：PN为额定有功功率；t为时间；Ir,t为光照强度；IN为光照强度额定值；αT为功率温度系数；Tt为光伏板温度；TN为参考温度。

光伏发电一般由一系列的光伏板组成，则光伏发电的有功功率PPV为：

(2)

式中：M为光伏板的数量；Pt,m为第m块光伏板的有功出力。

短时间的光伏发电的有功出力PPV也服从Beta分布函数[8]，其计算公式如式(3)所示。

(3)

式中：f(PPV)为概率密度函数；Pmax为发电功率的最大值；α、β为分布函数的形状参数。

1.2 光伏无功调节特性分析

光伏发电主要通过逆变器并网[9]，系统结构如图1所示。通过对逆变器的控制可实现无功补偿能力：将各相的电压、电流瞬时值由abc坐标转换至dq坐标，电压与电流的点积视为瞬时无功功率，从而可实现逆变器输出有功与无功的分离调节。光伏系统等效电路图如图2所示。

图1 光伏并网系统结构

图2 光伏系统等效电路图

根据图2可知：

(4)

(5)

式中：P、Q分别为逆变器输出的有功和无功；δ为功角；Us、Ug分别为逆变器和电网侧的电压；XL为等效电抗。

(6)

式中：SPV为光伏逆变器的容量；PPV为光伏当前的有功出力。

光伏逆变器具有可频繁调节、调节灵活性高和对电压响应速度快等众多优点[10]，且通过调节光伏逆变器调压无需单独投资，经济性好。

2 配电网电压控制策略分析

2.1 电压调节经济性分析

配电网电压控制均需要一定的成本，如调节变压器分接头和无功补偿装置都会造成设备的磨损老化[11]。调节光伏逆变器会造成光伏输出的有功功率削减。本文采用电压控制成本系数来对各电压控制方法的控制效果和控制成本间的关系进行量化分析。假设某控制方法调节节点j电压发生变化△Vj所花费的经济成本为Sj，则对于节点j电压调节而言，该控制方法的电压控制成本系数Fj为:

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：i、k、m分别为变压器的编号、无功补偿装置的编号和光伏发电的编号。

电压控制成本系数越大，代表控制方法调节电压的成本越高、控制效果越差。

2.2 配电网电压控制策略

为更好地保证电压在合格范围，设立电压告警区间，告警值的设置要比合格值更严格，计算如式(11)、式(12)所示。

(11)

(12)

配电网系统可能同时出现多个节点电压不合格的情况，本文根据节点的重要程度和电压的紧急程度来决定调节顺序，节点j的电压调节优先系数εj为：

(13)

式中：ωj为节点重要程度权重系数；Vj为电压；VN为电压基准值；Vg为电压告警值。

本文计及光伏无功调节能力的配电网电压控制策略主要流程如图3所示。

图3 电压控制策略主要流程

3 配电网电压控制算例分析

3.1 算例

本文以改进后的含光伏并网的IEEE 33节点系统作为仿真算例[12]。根节点加入一台有载调压变压器，档位共9档，调节量为2.5%；光伏在节点6、节点16和节点23并网，光伏额定功率为500 kW，逆变器容量为550 kVA；电容器的安装节点为节点12和节点29，补偿范围为50 kvar×6。图4为该系统的结构图。某光伏发电的典型日曲线如图5所示。系统各节点的重要程度权重系数如表1所示。

图4 IEEE 33节点系统图

图5 光伏发电功率曲线图

表1 节点重要程度权重系数

3.2 配电网电压控制结果分析

为证明本文电压控制策略的优越性，采用四种电压控制策略进行对比：①光伏不参与电压调节，以网损最小为目标进行电压控制；②光伏逆变器参与电压调节，以网损最小为目标进行电压控制；③在策略二的基础上设立电压告警区间，当电压进入告警区间且有越限趋势时开始电压控制；④本文提出的电压控制策略。电压合格区间设为[0.95VN～1.05VN]，告警区间设为[0.95VN～0.97VN]和[1.03VN～1.05VN]。表2为配电网各控制策略的电压控制结果。节点23和节点26在13 ∶00—14 ∶00时段的电压变化情况如图6所示。

表2 配电网电压控制结果

图6 节点电压变化情况

根据表2和图6的电压控制结果可知，与不考虑光伏无功调节能力的策略一相比，充分利用光伏逆变器无功调节能力的其他策略能减轻传统无功调节装置的压力，获得更好的调压效果。如13 ∶00—13 ∶15时段，由于负荷高峰和光伏出力下降，有载调压和电容器已无法满足电压调节要求，因此策略一的电压下降最严重。策略二与策略三、策略四对比可以看出，设置电压告警区间有利于及时做好电压调节工作，节点23、26在13 ∶00时电压处于告警区间，且有下降的趋势，策略三、策略四提前进行了电压调节，而策略二则未能及时作出反应，导致电压出现了不合格的情况。策略三与策略四对比可知，本文控制策略优先调节更重要的节点26，且调节时计及了调节成本，使得本文策略的总控制成本最低。本文提出的电压控制策略能在含光伏并网的配电网电压控制中取得更好的控制效果。

4 结束语

本文提出了一种计及光伏无功调节能力的配电网电压控制新方法。通过电压控制算例的对比分析，表明本文电压控制方法能获得更好的控制效果：充分利用光伏逆变器无功调节能力减轻传统无功调节装置的压力，使电压控制更加灵活；设置电压告警区间能更好地在电压跨入不合格前及时做好电压调节工作；利用各节点的电压调节优先系数进行顺序调压能更好地保证重要节点的电压质量；利用电压控制成本系数进行调压手段的选择能更好地降低调压的成本。本文电压控制方法能更好地保证电压的质量和调压的经济性，可为含光伏发电并网的配电网电压控制提供有效的借鉴和技术指导。