基于逆变器控制调度的分布式光伏系统分析

许伟欣 骆海琦 杨 明 柏厚超

（1.国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司 2.江苏苏源高科技有限公司 3.江苏思迈特软件工程有限公司 4.江苏拓浦高科技有限公司）

0 引言

随着光伏发电在配电网中应用越来越普遍，最近的研究试图探索现有配电网能够处理的光伏发电量物理限制因素。先进的逆变器控制可以允许光伏逆变器提供无功功率支持，当可用或削减其实际功率输出时，以保持网络必要的运行。本研究的目的在于探讨如何利用智慧型逆变器控制，以降低因配电馈线分布大量光伏发电而造成的网路电压上升。比较了几种基于网络条件的光伏逆变器控制策略，它们既可以减少实际功率输出，又可以提供无功功率支持。每种控制策略的目标都是在一年中的任何时候减轻光伏发电造成的所有过电压超标，最小化光伏发电中断或无功发电的总量，最大限度地提高所有光伏系统中任何控制行为的有效性。测试利用本地测量的控件，以及较为完整的通信网络的控件。

最近的研究表明，在光伏逆变器中加入无源电压监测局部控制，可以减轻分布式光伏系统造成的许多不利影响。如果通过使用PV 逆变器无功功率的最优分配或实际有功和无功功率的最优分配，逆变器之间存在某种程度的通信，那么改进的功能是可行的。理想情况下，光伏逆变器的控制应该与现有的电压调节器相协调，以达到最佳效果。最优电力调度方法通常是计算密集型的，只研究短时间周期。局部控制方法在大的时间序列中更容易研究，但是调整它们的控制参数以产生最佳结果并不容易实现。因此，由于仿真时间的巨大差异，长时间内局部控制和集中控制的性能比较会越来越复杂。

1 控制类型分析

为了研究控制类型对弃电的有效性，探讨几种不同的控制类型：零电流注入，基于局部电压的光伏；局部基于电压的无功控制；集中削减调度以及通过光伏电压灵敏度的调度。每个控制器的设计都是为了减轻过电压，同时根据所使用的控制动作的数量进行比较，这些控制动作可以限制有功功率，也可以产生无功变量，以及研究了控制动作在整个网络中的PV 群体中应用的平衡性。

光伏发电系统只能产生足够的电力供应当地负荷，而不能向配电网注入电力。这种控制可以防止逆向潮流和与之相关的电压上升。这是用作基准的最保守的情况。

使用当地可用的测量方式，在每个光伏系统的输出可以削减的基础上，共同耦合（PCC）电压点的各自的相位。为了保持平稳的控制操作，弃电通常是作为一个有源功率输出的斜坡下降开始，如图1 所示。通过测量电压v1，如果电压继续上升，逆变器将继续斜坡降低其输出，直到它完全削减在测量电压v2。这种类型的控制曲线称为“V/W 下降”。 光伏并网逆变器可以向电网提供无功功率，通过相对于PCC 电压注入的电流进行相移来辅助调节线路电压。然而，逆变器提供无功功率的能力受到额定功率的限制。

图1 局部光伏断电中V/W 下降曲线

1.1 集中削减调度

相关文献研究方法都假定没有通信网络来协助控制PV 逆变器，因此它们只能依赖于本地测量。如果光伏逆变器能够与集中控制器进行通信，那么该控制器将具备所有网络电压的信息，并能够全局性地将控制信号分配给最适合于减轻过电压超标的特定逆变器。然后，在网络上简单地控制光伏逆变器，将缓解过电压出现。采用集中控制的方法，在网络通过控制算法，意味着每个逆变器本身可以实现控制电压的有效结果。

本文研究了之前文献的集中化方法，了解逆变器如何通过在每个时间步骤中削减所有不等比例的过电压来有效地缓解过电压。为此，研发一种调节器，如式（1）所示，以根据偏离网络中最大电压Vlim的期望电压极限的偏差设定，确定每个PV 在每个时刻应削减其可用功率的百分比。在每个离散时间步长k时，将式（1）中的弃流比a分配给每个逆变器。惯性增益KΦ可以调整加权，是该步骤实现的关键一步。这个调节器的速度可以通过增益KR来设定，增益KR必须根据信号发送到PV 的速率来调节。由于这是一个具有物理约束的离散控制器，因此存在一个KR的上限，超过这个上限，控制器将在饱和状态之间振荡。这个上限与控制更新的速率和逆变器响应的速率成正比。控制的局部实现在式（2）中给出。当逆变器i 接收到中心削减比a(k)时，它设置其功率参考信号Pi(k)作为其最大功率点（MPP）功率和当时步骤Ii(k)的局部辐照度的函数，按比例削减其功率输出：

1.2 基于光伏电压灵敏度的调度

基于已建立的线性电压灵敏度，可以更优化地调度光伏系统，以减轻过电压，总光伏能量最有效地削减馈线电压。这是以消耗对用户的经济性为代价的，而这种经济性可能会受到更多限制。一阶近似假定每个被测节点上网络电压的变化可以通过式（3）来近似：

在式（3）中，系数矩阵A是通过削减每个PV 系统j的单位额定值的百分比得到的，例如，Pj=Pj0-Δp。然后，实际功率灵敏度矩阵列可以填充与零限流情况V0所产生的电压差，如式（4）所示。无功功率灵敏度矩阵B也是通过对每个PV 系统的输出进行Δq的调整而得到的：

由于在可用的测量和通信类型方面的一些假定的限制，以及要研究的时间数据的范围，暂不考虑每个时间步骤的最佳解决方案。相反，类似的方法可以作为集中程度削减而运用，以整合每个光伏逆变器的功率，随着时间的变化达到期望的变化。因此，每个逆变器的缩减Δp，成为一个状态变量，更新和传递两者之间的时间序列，然后在适当的时间间隔输出到PV。在后面的模拟中，时间步长k表示1min 或5min 输出到PV 的量。截断向量通过逆灵敏度矩阵乘以期望的电压变化和可调增益KA来更新，如式（5）所示：

通过添加式（5）中的不等式约束以使控制操作受物理约束。在式（5）式第二行显示，一个逆变器无法削减更多的功率。为了防止控制器之间的振荡，每个PV 可以在迭代之间斜坡的数量被限制在每分钟额定功率的20%，通过在式（5）的第三行设置ΔPlim= 0.2 来实现。

2 实验分析设计

本文主要研究智能逆变器控制在大量高分布光伏系统中的应用。为了有效地研究光伏的时间依赖性和不可预测性，研究一整年的辐照度和负荷数据。为了确保全年白天期间的过电压问题，在网络上安装足够数量的光伏发电设备。

首先，在考虑日常负荷及正常光伏发电情况下，对基本情况（不采用任何无功控制）进行三相时间序列潮流模拟。使用当地标准对模拟结果进行评估，以研究由于高光伏比例引起的潜在电压超标。根据电力公司分布式发电机与配电系统互连的指导方针：① 电压变化的法定公差限值应在-6%和+10%之间（0.94和1.1 pu）。② DG 系统应保持功率因数在0.85 滞后至0.9 领先之间。

正如设定的情况，相当数量的用户被记录为由于太阳能光伏渗透率高而违反了电压上限（1.1 pu）。根据仿真结果，最大记录电压报告在107 节点的网络，这也是距离配电变压器最远的节点。连接到关键节点（即第107 节点）的PV 逆变器的终端电压及有功和无功功率输出的日变化如图2 所示。

图2 光伏逆变器的功率关键节点

2.1 集中削减调度仿真

本文使用一种集中的方法，向所有逆变器发送一个相等的比例截流信号。由于所有逆变器削减的功率大致相同，削减的规模应该基本效果一致。如图3 所示，在分析所有逆变器之间的弃电累积分布时，此效果更加明显。削减的轻微度受地理差异、辐照度变化等原因。总之，此类控制对所有用户都是完全有效且平衡的。除了云覆盖的可变性，这种可变性在不同的时间为一些用户提供比其他电网更强大的电力总量。所以，此类控制在缓解过电压和削减总功率方面比本地伏特/瓦特控制效果更好，符合预期设计效果。

图3 集中削减一周一年以上的断电累积分配

2.2 基于光伏电压灵敏度的调度仿真

本文着重研究的削减策略，即使用电压灵敏度的调度来控制每个PV 逆变器，以调节标准限制范围内的所有电压。图4 显示所有PV 逆变器的能量削减百分比的分布情况。这种控制类型是在最低限度能源下最有效的，可以实现削减所有电压超标。在图4 中，可以看到一些用户削减的能源比其余相邻用户多几倍。在调整的一周期间，此类控制是最有效的，在整个一年期间，它实际上比地方和集中的平衡削减控制表现得更优良。这表明这个控件的参数对它们被调整的时间周期更为敏感。

图4 灵敏度调度一周内和一年以上的断电累积分布

3 结束语

本文研究不同的光伏系统逆变器控制策略，设计了不同的控制目标，以便及时运行在一整年的时间步骤以及准静态时间序列方式中。开发的两个集中控制策略能够利用来自系统数千个分布式PV 的数据，并能在几分之一秒内快速计算出最优模拟的控制行为。本文对光伏逆变器的无功控制进行研究，确定在不增加逆变器额定功率的情况下，可以在97%以上的时间内避免实际功率的削减。比较了基于反向潮流的削减光伏发电输出的遗留控制作用，以及更先进的基于电压的削减方法。控制方法的使用长达一年，持续验证实现了在馈线上由PV 产生的不到3%净千瓦时的削减，可以保持馈线在大于98%的时间内电压符合我国电压标准。