风力及光伏发电技术接入电网电压控制方法分析

上海勘测设计研究院有限公司 任 锋

国家电网在人们生活和社会生产中发挥保障作用，但由于传统发电技术需要消耗大量煤炭、核能、天然气等资源，所以会加剧各地区能源危机，并对生态环境造成严重污染。在这一背景下，我国相关单位对发电技术进行了一系列优化和改造，促进风力发电和光伏发电技术应运而生。将这些技术接入电网，能够有效减少不可再生资源的使用量，同时提高电网运行的安全性。而如何对电网中的电压进行有效控制，成为电力行业必须深入研究和探索的重要课题，只有保证电压控制得当，才能够为电力稳定输出奠定良好基础。

1 风力和光伏发电技术接入电网的电压稳定性分析

在国家电网中接入风力发电技术和光伏发电技术，需要对电压稳定性进行合理分析。所谓稳定电压，就是在电网运行过程中，电压受各种因素影响出现异常现象，但通过控制电压，能够保证稳态电压系统在短时间内不崩溃，并在处理后快速恢复正常运行状态。现阶段，相关专家和学者在电压稳定研究中，大多会采用电压灵敏度分析方法判断电压是否处于稳定状态。

近年来，世界各国均加大了清洁型能源开发力度，且风力发电技术和光伏发电技术日益成熟。在分析传统光伏电网线路电压稳定性的情况下，越来越多的学者建议投入风力和光伏发电技术接入电网，以促进电压稳定性。例如，我国华北地区在电网建设中就广泛使用了风力和光伏发电技术，但由于充电管理枢纽主要位于华北、西北等地区，所以需要通过远传充电方式为电网供电，这也为电网运行带来了诸多隐患[1]。

现如今，在分析包含风力发电系统和光伏发电系统的电网电压时，大多数学者都会选择确定性分析方式，基于电网的特性结构，采用PV 曲线对电压变化情况和静电平衡范围进行合理分析；同时使用分叉理论剖析电网电压的平衡性和稳定性。但结合实践来看，由于风力和光伏发电技术接入电网后，二者出力具有随机性特点，所以一些学者会选择解析法或蒙特·卡罗模拟法来分析电网电压的稳定性。结合实践来看，位于同一区域的新能源技术，在发电过程中存在一定联系，所以一旦忽略该联系，那么电压稳定性分析准确性也会大幅度降低。

我国在开发风力发电和光伏发电机组初期阶段，由于机组正常运行会产生巨大无功功率。所以无法充分满足电能实际生产需求，这也导致电压运行的稳定性不高。在这一形势下，风电驱动系统能够将其作为一个有共接收功率的接收器，来驱动风电系统有效运行，进而切实解决电压不稳问题。

2 风力和光伏发电技术接入电网的电压控制方法

2.1 风力发电技术接入电网的电压控制方法

将风力发电技术接入电网后，虽然能够满足动态无功补偿要求，但想要保证所有无功设备在运行过程中满足电压控制要求，就不可避免地产生电压滞后控制等问题[2]。所以，本文主要通过构建MPC模型，对风力发电技术接入电网的电压进行控制，通过无功变化及电压预测方式，保证电压始终处于稳定状态。

2.1.1 建立分层控制构架

通过建立构架，可以从源头降低不同时段电压预测中存在的误差。图1为预测控制构架示意图。该框架共分为三个层次。第一层为并网自适应调节层，能够通过有功预测信息，按照1次/1min 的速度，实现有功出力自适应调节需求。第二层为无功协调分配层，能够按照1次/1s 的速度对无功进行协调和分配。第三层为跟踪控制层，风机采用MPC 追踪功率参考指令，MPC 采用恒电压控制追踪控制并网点电压。在该框架中，上级控制中心通过下达参考指令对电压进行控制，能够通过自适应系统顺利完成有功预测工作，进而输出预测值，并完成自适应调节工作。另外，无功协调分配层中汇集了大量电压相关参数，包括风电输出功率、母线电压等。在此基础上，可以输出有功和无功参考指令。最后进入跟踪控制层，对并网电压进行跟踪控制，并输出静态无功补偿数值。

图1 风力发电技术接入电网分层预测控制构架示意图

2.1.2 电压稳定控制策略的实现

在对电网电压进行控制时，由于电机组运行过程输出较低电压，所以必然会产生电阻比和电抗比，此时，如果其中某一节点的电流大于零，那么可以结合这一点的功率和电压，对有功电压和无功电压的灵敏度系数进行确定。在此过程中，可以结合上级控制中心传递给风电场的参考电压指令，预测电压调节的极限，进而实现超前控制电网电压的目的。另外，可以结合电压在1min 内的运行状态，充分利用机组调节能力，并根据调节极限值，确定有功输出曲线，满足电压自适应调节的最终目的。在追踪最大功率曲线过程中，需要对控制时间是否超出指令控制周期进行判断，如果超出，需要重新下达指令，并按照以上流程预测下一控制周期；如果没有超出，则需要保证指令继续执行。如果上级控制中心下达的指令超出电压调节范围，则意味着机组无功调节不足，此时应保证调节后的指令达到最小值，而后在预测有功达到最大值基础上，合理调整输出功率。

在确定机组无功上限过程中，需要将其设置为电压参考指令和有功输出上限中的最大值。反之，则最小值作为机组无功下限。所以，在有功功率处于动态变化状态时，机组无功输出也会随之发生一系列变化，一般叠加节点预测电压和无功调节电压，能够得出调节上限和下限。结合预测过程得到功率的最大值，需要在无功补偿不到位的情况进行合理调节。如果机组运行过程中存在电压值偏低问题，应对有功输出量进行合理调节。在调节无功分配过程中，要提前确定控制目标，也就是对节点电压进行控制，保证其达到参考电压的最小值，同时还要对静态无功进行控制，确保其达到无功储备最大值。将参考质量作为调节电压的目标后，通过无功发生器跟踪控制电压，可以从源头规避电压不稳问题。另外，在无功补偿足够的情况下，还能够及时响应调节指令。

2.2 光伏发电技术接入电网的电压控制方法

光伏发电本身具有分散性特点，并且单点容量相对较小，因此，将光伏发电技术接入电网，需要遵循就近原则。在机组运行过程中，如果处于发电高峰期，一旦供电距离过长，或者负荷密度较低，则会加快电网潮流分布变化速度，进而使电压沿着线路方向持续升高。所以，选择切实可行的方式将光伏发电技术接入电网，并合理调整电压，是电压控制的最有效方式。

2.2.1 接入机组

在电网中接入光伏发电技术，需要合理确定电压水平。为了满足这一需求，必须充分考虑光伏电站电压等级、并网容量等实际情况。从理论角度进行分析，为了达到并网要求，需要确保机组在运行过程中，负荷距比的运行电压低于最大负荷距比。以10kV 光伏电站为例进行分析，在电网中接入光伏发电技术，必须保证距离和容量满足标准要求。也就是将接入量控制在1800～2500kW 范围内[3]。另外，光伏发电需要具备一个光源集中的位置，由于该位置的装机位置已经提前确定，所以为了确保光伏发电技术的接入容量与配电变压器相符，同时将没有接入电网的容量控制在变压器1/2范围内，就要通过减小供电半径或增加变压器数量等方式来实现，如此能够从源头规避光伏发电机组运行过程出现电压持续升高这一问题。

假设在光伏发电技术接入电网后，电压等级为中低压，那么需要采用末端接入方式，在此基础上，利用变压器的变比合理调节电压，或者通过无功补偿设备调节电压。结合大量实践来看，我国建立的35kV光伏发电站，大多配备了无功补偿设备，如此能够保证光伏发电技术接入电网后，不会产生过大的电压波动现象，这也充分满足了电压安全运行要求。但各地区建立的10kV 光伏发电站，很少配备无功补偿设备，所以为了满足电压自动调节需求，需要加装调压器，对发电功率变化进行灵活控制[4]。另外，如果使用屋顶光伏发电机组，那么在接入电网时，则可以利用双向调压器对进线侧的电压进行调节，进而保证电压处于稳定状态。

2.2.2 调节电压

在光伏发电厂中，往往会有光伏发电机组大规模接入情况，对此，为了避免电压受各种因素影响出现越限问题，需要通过实施动态无功补偿策略的方式对电压进行控制。新时期，在科学技术迅速发展背景下，越来越多智能化控制算法应运而生，能够对电压进行自动控制，进而保证电压始终处于稳定状态。在实施过程中，需要基于机组运行现状，建立电压预测模型，并在模型中体现控制量，进而分析出下一刻的电压输出值。结合二者差值，对预测过程中产生的误差进行精准预测，有利于为下一刻预测模型的优化和改进提供有利依据。在逆变器运行过程中，输出的无功功率或有功功率如果控制难度较大，则需要充分发挥传感器的作用，及时收集和传递各种数据信息[5]，在此基础上，利用准确运算公式，对线路负载情况进行确定。

另外，逆变器应始终按照四象限轨迹运行，如此可以充分满足逆变器的视在功率，同时输出任意功率。在对无功输出进行严格控制的基础上，电压能够满足最上限的控制要求。在实际操作中，可以将每秒作为一个周期，在每一周期开始的情况下，预测模型无变化。结合上一个周期an-1等模型参数和有功功率输出Pn，可以确定逆变器的输出无功值。结合大量实践可知，之所以实现无功输出，主要目标就是降低节点电压，如果机组在运行过程中，无功输出值为负数，就意味着该机组在运行中，受有功输出影响会出现电压越限现象，此时应在系统中加入无功补偿设备，如电容器或静止无功补偿器，可以提供或吸收必要的无功功率。如果机组在运行过程中，无功输出值为正数，则意味着有功输出相对较小，此时节点电压几乎不会发生越限问题，所以不需要对无功进行吸收。

在量误差允许值控制在合理范围内的情况下，节点电压如果等于调度层预定值，此时充分说明电压不存在越限情况，所以模型也不会发生变化。另外，工作人员可以结合实际输出的无功值更新模型结构参数，在模型发生变化时，应结合电压反馈做好合理调节工作。

3 结语

综上所述，近年来，我国风电场和光电厂建设规模逐渐扩大，但在发电过程中，由于存在间歇性特点，所以在风力发电技术和光伏发电技术接入电网时，容易导致电压在多种因素影响下出现各种问题，最终导致电力系统电压波动较大，不仅影响供电质量，还无法充分发挥电网的作用。因此，为了充分保证风力和光伏发电技术在接入电网时，电压始终处于稳定运行状态，需要根据发电项目实际情况，做好分层预测电压工作，并制定行之有效的电压控制策略，进而为电网安全供电奠定良好基础。