参与配电网电压调节的分布式光伏发电系统新型控制策略

赵悦，顾军，傅强，黄擎，张娟

(1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100；2.国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，新疆 乌鲁木齐 830002；3.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210061)

参与配电网电压调节的分布式光伏发电系统新型控制策略

赵悦1，顾军2，傅强3，黄擎2，张娟2

(1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100；2.国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，新疆 乌鲁木齐 830002；3.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210061)

针对分布式光伏发电系统接入配电网对电压分布带来的影响，提出一种参与配电网电压调节的分布式光伏发电并网控制策略。该策略的功率外环综合考虑了分布式光伏发电系统出力波动以及负荷变化等因素对配电网电压的影响，电流内环采用模型预测电流控制方法实现对参考电流指令的跟踪。该策略具有良好的动静态性能和跟踪精度，且避免了比例积分控制中繁琐的控制参数整定。最后在RTDS仿真平台上搭建了含分布式光伏发电系统的配电网模型，仿真验证了所提控制策略的有效性。

配电网；分布式光伏发电；电压控制；模型预测控制；RTDS

随着保护环境和节约能源等可持续发展的理念在世界范围内逐渐深入人心，太阳能光伏发电作为清洁能源的代表得到了广泛应用[1-2]。然而，分布式光伏发电系统(以下简称“光伏”)接入中低压配电网将会对电压分布产生严重影响，甚至导致部分节点电压越限，这将限制分布式光伏在中低压配电网中的大规模接入[3]。

针对分布式光伏接入配电网引起电压升高的问题，国内外学者已经进行了相应的研究。文献[4]提出通过调节变压器分接头的方法对含有分布式光伏的配电网进行调压，但是只有在系统无功功率充足的情况下，才能采用改变变压器变比的调压方法。文献[5-7]提出采用诸如并联电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器等补偿装置改善分布式光伏接入后配电网的电压分布，然而配置这些设备将增加操作的复杂程度，且提高供电成本。文献[8-9]提出充分利用分布式光伏并网逆变器与静止无功补偿器结构上的相似性，扩展并网逆变器的功能，使其在一定程度上参与电压调节。光伏并网逆变器同时实现发电并网与电压调节功能，其控制系统应具备良好的动静态性能，然而上述文献采用的是常规的比例-积分(proportion integral，PI)控制方法，未考虑对控制器的优化。

本文在研究了分布式光伏接入对配电网电压影响的基础上，提出一种参与配电网电压调节的分布式光伏并网控制策略。通过改进常规的恒功率控制，使分布式光伏能够参与配电网电压调节；通过引入模型预测控制(modelpredictive control，MPC)思想，避免了繁琐的控制参数整定，改善了控制系统的动静态性能。搭建了基于实时数字仿真平台RTDS的含分布式光伏配电网模型，设计仿真实验对所提控制策略进行了验证。

1 分布式光伏对配电网电压的影响分析

电压偏差是衡量电网电能质量的重要指标，电网电压水平对供电质量和可靠性具有重要影响。为此，国家制定了GB/T 12325—2008标准对电网的电压偏差限制作出了明确规定[10]。电压偏差的定义为

(1)

式中：ε为电压偏差；U表示实际电压；Un表示系统的标称电压。

分布式光伏接入配电网，将对系统的电压分布产生影响，此时节点电压偏差仍应该符合GB/T 12325—2008标准的相关规定。光伏接入点通常为局部电压最高点，即必须确保光伏接入点电压符合GB/T 12325—2008标准，才能保证整条线路上电压满足要求[11]。因此，本文重点研究光伏接入点的电压变化及其调节策略。

分布式光伏接入配电网的等效电路如图1所示。

PV—光伏，photovoltaic的缩写；Ppv和Qpv分别为分布式光伏输出有功功率和无功功率的实测值；Pload和Qload分别为负载的有功和无功损耗；R和X分别为线路的等效电阻和等效电抗；Upv—光伏接入点电压有效值；U0—变电所以上的网络等效电压。图1 分布式光伏接入配电网等效电路

图1中，分布式光伏接入后，忽略电压降落的横分量，并网点电压可表示为

(2)

在光伏出力相对于负荷较大的情形下，可以将式(2)近似表示为

(3)

分析式(3)可知，光伏出力越大，对系统电压的抬升效果越明显。光伏出力超过一定值时，将会导致线路电压越上限，且分布式光伏接入点越接近线路末端，接入点电压抬升越严重。

在光伏出力相对于负荷较小的情形下，可以将式(2)近似表示为：

(4)

分析式(4)可知，负荷消耗大于一定值时，分布式光伏对部分节点的电压支撑不够，将会导致线路电压越下限，且分布式光伏接入点越接近线路末端，接入点电压跌落越严重。

为验证上述理论分析，在如图2所示的多节点放射状链式配电网络中接入分布式光伏，利用潮流程序对节点电压进行计算。

图2 含分布式光伏的放射状链式配电网

图2所示配电网电压等级为380 V，线路上共接有8个节点及用户，Pn和Qn表示第n个用户消耗的有功和无功功率，Un表示第n个用户所在节点的电压，假设首段节点U0为400 V保持恒定。

分布式光伏有功出力130 kW、无功出力0 var，每个用户消耗有功3 kW、无功0 var(即用户总负荷有功24 kW、无功0 var)的情形下，分布式光伏接入不同位置时，配电网电压分布如图3(a)所示。

分布式光伏有功出力130 kW、无功出力0 var，每个用户消耗有功21 kW、无功0 var(即用户总负荷有功168 kW、无功0 var)的情形下，分布式光伏接入不同位置时，配电网电压分布如图3(b)所示。

(a) 光伏130 kW/总负荷24 kW

(b) 光伏130 kW/总负荷168 kW图3 接入光伏的配电网电压分布

由图3所示配电网电压分布，可以看出分布式光伏接入对配电网电压的影响：分布式光伏的接入对配电网电压有抬升作用；用户总负荷较小时，分布式光伏的接入可能导致部分节点电压过高；用户总负荷较大时，分布式光伏的接入可能对部分节点电压支撑不够。

2 参与配电网电压调节的分布式光伏控制策略

针对分布式光伏的接入导致配电网电压越限的问题，本文提出参与配电网电压调节的分布式光伏控制策略，其原理如图4所示。

Ppv,ref和Qpv,ref分别为光伏输出有功功率和无功功率的指令值；id和iq分别为光伏输出电流实测值的d轴和q轴分量；id,ref和iq,ref分别为光伏输出电流d轴和q轴分量的指令值；S—逆变器开关状态。图4 参与配电网电压调节的分布式光伏控制原理

以下对该控制系统中的功率外环控制原理和模型预测电流控制原理分别进行介绍。

2.1 功率外环控制策略

不考虑分布式光伏参与电压调节时，并网点电压如式(2)所示；考虑分布式光伏的无功补偿作用后的并网点电压

(5)

式中ΔQ表示分布式光伏补偿的无功功率。

联立式(2)和式(5)，略去次要项，可以得到

(6)

由式(6)可知，若指定考虑分布式光伏无功补偿作用后的并网点电压U′pv，即可计算得到ΔQ。可得

(7)

同理可得，当需要降低并网点电压时，需要减少的有功功率ΔP以及Ppv,ref分别为：

(8)

(9)

综合式(7)和式(9)，可以得到分布式光伏参与电压调节时，分布式光伏输出功率参考值。结合GB/T 12325—2008标准的相关规定，U′pv可按照如下方法进行取值

(10)

式中Umin和Umax分别表示GB/T 12325—2008标准中规定的并网点电压的下限和上限。

值得注意的是，本文所提控制策略是为了充分挖掘分布式光伏的附加功能，使之参与配电网电压的调节，但并不能完全取代诸如调节变压器分接头、配置无功补偿装置等常规的电压调节方法。只有将本文所提策略与常规方法相结合，才能进一步提高供电质量。

2.2 模型预测电流控制策略

根据2.1节中所提功率外环控制策略可以得到的Ppv,ref和Qpv,ref。采取电网电压定向控制，在dq同步旋转坐标系下，分布式光伏输出电流参考值可表示为

(11)

式中Ud为并网点电压的d轴分量。由式(11)可知，要实现对Ppv,ref和Qpv,ref的快速、准确跟踪，电流控制器的性能至关重要，本文采用基于模型预测控制思想的电流控制方法。

首先，基于如图5所示的分布式光伏并网系统，建立其数学模型。

C0—稳压电容；uI—逆变器输出电压；L—并网逆变器的滤波电感；Rabc—用于模拟线路损耗的电阻；u—并网点交流母线电压。图5 分布式光伏并网系统结构

定义逻辑函数Sx(x=a,b,c)用于表示逆变器三相桥臂上绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)的开关状态。

(12)

从而可以得到并网逆变器的开关状态矢量

(13)

式中a=ej2π/3。由此可以得到逆变器的输出电压

(14)

式中Udc为直流侧电压。分析式(13)和式(14)可知逆变器输出电压矢量共有8种，其中Sa、Sb、Sc全为1和全为0时，输出电压矢量相同，因此逆变器仅有7种不同的输出。

建立逆变器输出电流的数学模型

(15)

式中i为逆变器的输出电流。对式(13)进行离散化处理，可以得到输出电流的离散模型

(16)

式中：k为第k时刻；Ts为采样时间；uI(k+1)为逆变器k+1时刻的输出电压值；u(k+1)表示并网点交流母线k+1时刻的电压值，可以通过插值法或者状态估计的方法得到，Ts的取值很小时可以用u(k)近似u(k+1)。式(16)可以作为预测模型对逆变器的输出电流进行预测。

为实现不同的控制目标，可以构造相应的目标函数。本文以控制逆变器输出电流跟踪参考值为目标，因此构造目标函数为

(17)

式中iref为逆变器外环控制器输出的参考电流。通过选择使目标函数g最小的开关状态在下一个采样周期应用，则可以实现对参考电流的跟踪。

3 仿真验证

3.1 算例说明

为验证本文所提控制方法的有效性，在实时数字仿真平台RTDS上搭建如图2所示的含分布式光伏配电网模型，相关仿真参数见表1。

表1 仿真参数

参数数值参数数值线路参数/(Ω·km-1)1131+j0393系统总无功负荷/kvar0相邻节点距离/km004工况1光伏容量/kW70系统总有功负荷/kW120工况2光伏容量/kW200

假定该放射状链式配电网包含8个用户负荷节点，且负荷在各节点上均匀分布。分布式光伏从节点4接入，分别采用常规PI控制方法与本文所提MPC方法，以下针对工况1和工况2进行仿真模拟。

3.2 分布式光伏参与电压越下限调节

在工况1条件下，分布式光伏并网分别采用PI控制方法与MPC方法时，系统的电压分布如图6所示。

图6 工况1系统电压分布

由图6可见，当分布式光伏容量相对于系统负荷消耗的功率较小时，采用PI控制方法，分布式光伏对部分节点的电压支撑不够，导致节点电压越下限；采用MPC方法，分布式光伏在实现有功发电并网的同时，通过发出一定量的无功功率，实现了对节点电压的支撑。

3.3 分布式光伏参与电压越上限调节

在工况2条件下，分布式光伏并网分别采用PI控制方法与MPC方法时，系统的电压分布如图7所示。

图7 工况2系统电压分布

由图7可见，当分布式光伏容量相对于系统负荷消耗的功率较大时，采用PI控制方法，分布式光伏对节点的电压抬升严重，导致部分节点越上限；采用MPC方法，分布式光伏能够通过合理限制有功功率输出，确保节点电压符合GB/T 12325—2008标准的相关规定。

4 结束语

针对分布式电源规模化接入配电网的现状，本文通过理论推导和仿真分析，系统地总结了分布式光伏接入配电网对电压分布的影响。在此基础上，提出了一种参与配电网电压调节的分布式光伏并网控制策略，充分挖掘了分布式光伏的附加功能，有效解决了分布式光伏的接入导致配电网电压越限的问题。在分布式光伏并网控制器的设计中，引入了模型预测控制的思想，避免了繁琐的控制参数整定，改善了控制系统的动静态性能。

致 谢

本论文的研究工作得到了国家电网公司科技项目“分布式新能源规模接入下的配电网运检安全防护技术研究与关键设备研制”的资助，特此致谢。

[1] ALAM M J E， MUTTAQI K M， SUTANTO D.A Multi-Mode Control Strategy for Var Support by Solar PV Inverters in Distribution Networks[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2015，30(3)：1316-1325.

[2] 吴小雅.基于瞬时电流跟踪的三相光伏逆变器并网控制策略研究[J]. 广东电力，2016，29(1)：87-91.

WU Xiaoya.Research on Grid-connection Control Strategy for Three-phase Photovoltaic Inverter Based on Instantaneous Current Tracking[J]. Guangdong Electric Power，2016，29(1)：87-91.

[3] JAHANGIRI P，ALIPRANTIS D C.Distributed Volt/var Control by PV Inverters[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(3)：3429-3439.

[4] ELKHATIBM E，EI-SHATSHAT R，SALAMAM M A.A Novel Coordinated Voltage Control for Smart Distribution Networks with DG[J]. IEEE Transactions on Smart Grids，2013，2(4)：598-605.

[5] 吴勇海，蔡金锭.中压配电网串联电容补偿调压技术研究及应用[J]. 电力系统保护与控制，2012，40(13)：140-144.

WU Yonghai，CAI Jinding.Study and Application of Voltage Regulation Technology by Series Capacitance Compensationin Medium Voltage Distribution Network[J]. Power System Protection and Control，2012，40(13)：140-144.

[6] 祁希萌.分布式光伏并网系统参与电压无功调节的控制策略研究[D]. 秦皇岛：燕山大学，2015.

[7] 李田泽.光伏发电并网对配电网电压影响的研究[D]. 淄博：山东理工大学，2015.

[8] 曾正，邵伟华，赵伟芳，等.多功能并网逆变器与并网微电网电能质量的分摊控制[J]. 中国电机工程学报，2015，35(19)：4947-4955.

ZENG Zheng，SHAO Weihua，ZHAO Weifang，et al. Coordination Control of Multiple Multi-functional Grid-tied Inverters to Share Power Quality Issues for Grid-connected Micro-grid[J]. Proceedings of the CSEE，2015，35(19)：4947-4955.

[9] 王晓，罗安，邓才波，等.基于光伏并网的电能质量控制系统[J]. 电网技术，2012，36(4)：68-73.

WANG Xiao，LUO An，DENG Caibo，et al. A Power Quality Control System Based on Grid-Connected Photovoltaic Power Generation [J]. Power System Technology，2012，36(4)：68-73.

[10] GB/T 12325—2008，电能质量供电电压偏差[S].

[11] 许晓艳，黄越辉，刘纯，等.分布式光伏发电对配电网电压的影响及电压越限的解决方案[J]. 电网技术，2010，34(10)：140-146.

XU Xiaoyan，HUANG Yuehui，LIU Chun,et al. Influence of Distributed Photovoltaic Generation on Voltage in Distribution Network andSolution of Voltage Beyond Limits[J]. Power System Technology，2010，34(10)：140-146.

(编辑 霍鹏)

New-type Control Strategy for Distributed Photovoltaic Generation System Participating in Voltage Regulation for Power Distribution Network

ZHAO Yue1, GU Jun2, FU Qiang3, HUANG Qing2, ZHANG Juan2

(1.College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 211100, China; 2. Urumchi Power Supply Cmpany, Sinkiang Electric Power Company, Urumchi, Sinkiang 830002, China; 3. NARI Technology Development Company Limited, Nanjing, Jiangsu 210061, China)

In allusion to influence of distributed photovoltaic generation system accessing in power distribution network on voltage distribution, this paper presents a kind of control strategy for distributed photovoltaic generation grid-connection participating in voltage regulation for the power distribution network. The power outer loop of this strategy comprehensively considers influence of factors such as generation system output fluctuation and load changes on voltage of the power distribution network, and the current inner loop adopts model predictive current control method to realize tracking on reference current order. This strategy has good dynamic and static performance and tracking precision as well as can avoid tedious control parameters settingin process of proportional integral control. On RTDS platform, it establishes a power distribution network model containing distributed photovoltaic generation system for verifying validity of the proposed control strategy by simulation.

power distribution network; distributed photovoltaic generation; voltage control; model predictive control; RTDS

2016-06-27

国家电网公司科技项目(524608160036)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.009

TM615+.2；TM761+.1

A

1007-290X(2016)12-0045-05

赵悦(1991)，男，江苏泰州人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。

顾军(1970)，男，江苏扬州人。工程师，工学学士，主要从事电力系统运行与控制工作。

傅强(1985)，女，辽宁丹东人。工程师，工学硕士，主要从事新能源发电工作。