考虑光伏利用效率的中低压配电网电压抬升抑制方法

刘嘉彦, 李 勇, 曹一家, 施静容

(湖南大学电气与信息工程学院, 湖南省长沙市 410082)

0 引言

随着全球工业化进程的加快,传统化石能源被大量开采和利用,而这会导致资源利用紧张、环境恶化等突出问题。以风能、太阳能为代表的可再生能源逐步成为人类可持续发展的重要选择[1]。其中,分布式光伏电源在中国正飞速发展。据2017年上半年的统计[2],2013年,分布式光伏电源的装机容量仅为800 MW,2014年至2016年,分布式光伏电源新增装机容量分别为2 050,1 390,4 240 MW。而仅在2017年的上半年,这个数字就达到了7 110 MW。

随着光伏在配电网中渗透率的提高,传统配电网潮流会出现变化,甚至产生反向潮流[3-4],导致配电网末端电压抬升(voltage rise,VR)。而在负荷较少的农村配电网中,特别是光伏扶贫地区,由于负荷总量较少,光伏渗透率很高,因此电压抬升现象更为严重。末端电压抬升,会影响电网稳定性,当电压抬升过高,甚至会使家用电器损坏,光伏并网逆变器退出运行,这也是阻碍提高电网中可再生能源所占比例的主要原因之一[5-7]。

为了解决这个问题,目前学者们提出了很多可供参考的方法。比如采用有载调压变压器(OLTC)和线路电压调节器(LVR)调节节点电压,但是这种方法调节能力通常受限于抽头的位置和较差的经济性[8-9];如今广泛采用的方法是增设无功功率补偿装置,但这种方法需要安装额外的无功补偿装置,同时会让设备的维护频率提高[10]。在最近几年,一些不需要装设额外装置的功率补偿控制方法被提出来。文献[11]针对光伏电压抬升的情况,建立了简化等效模型。分布式光伏电源接入配电网时,为尽可能多地接入,提出了接入的分布式光伏电源总容量与系统总负荷之比,即渗透率[12-13]的技术要求。文献[14-15]分析了相较于调整OLTC的位置,采用无功功率补偿的优势。文献[16]引入了评估指标,针对电压抬升这种现象提出一种光伏选址规划方案来尽量降低电网损耗。

目前来看,通过控制光伏并网逆变器对电压进行调节,是有效且经济性较好、可行性较高的方法。文献[16-18]采用了无功功率协调控制(RPC)的方法,通过补偿感性无功功率将电压限制在额定值。文献[6]指出,在中低压配电网中,线路R/X的比值较大,通过调节有功功率能更有效地将电压稳定在限定范围内,提出了一种有功功率削减控制策略(APC),在接入可再生能源后,往往希望能够最大限度地利用分布式电源(DG)发出的功率,即渗透率尽可能高,而这种方法需要削减有功功率输出,因此会降低DG的利用率。文献[19]比较了现有的控制策略,但这些方法没有充分利用无功调节能力,效率有待提升。

鉴于此,本文提出了一种有功、无功协调控制策略(active/reactive power coordinated control,ARPCC),在电压处于调节死区范围内时,让光伏并网逆变器保持单位功率因数输出,输出最大有功功率。若检测到电压开始抬升,则通过设置Q-U曲线,实时追踪电压状况,给以配电网相应的感性无功功率进行负无功补偿,以此来降低电压,若达到了最小功率因数,即逆变器无功调节能力达到上限,则再通过离散取样,预测出达到最大允许电压时所对应的有功功率,和当前逆变器发出的有功功率作比较,进行削减,在维持电压稳定的同时尽量提高光伏电源的利用效率。采用IEEE 13节点配电网测试系统对本文提出的方法进行验证。

1 光伏电源接入导致电压抬升产生的原因

光伏电源接入配电网后反向潮流会引起电压抬升。如附录A图A1所示,Pl和Ql分别表示节点处的负荷功率大小,PPV表示光伏并网逆变器注入电网的功率,在正常情况下处于单位功率因数工作状态,向电网注入有功功率。

(1)

将实部和虚部用功率和阻抗表示为:

(2)

(3)

从式(1)—式(3)可以看出,节点m和n之间的电压差取决于阻抗R+jX和节点之间传送的功率Pr+jQr。由于在配电网中,相较于输电网,两个节点之间的相角差很小,实部对于电压偏移的影响远远大于虚部[3],所以电压差的关系式可等效如下:

(4)

在光伏电源未接入电网时,功率流向往往是从首端流向末端,由于存在线路损耗,通常在线路末端会出现低电压的情况。而在光伏电源接入之后,由于光伏电源自身发出功率,当光伏电源发出的功率超过节点负荷的消纳能力之后,富余电量沿着线路反向送入电网,形成反向潮流,从而使得末端节点电压出现抬升。式(5)和式(6)分别表示光伏电源接入前和接入后线路传输功率的大小。

Pr+jQr=Pl,n+jQl,n

(5)

Pr+jQr=Pl,n-PPV,n+jQl,n

(6)

式中:Pr和Qr分别为线路传输的有功和无功功率;Pl,n和Ql,n分别为节点n的负荷消耗的有功和无功功率;PPV,n为节点n安装的光伏电源发出的有功功率。

由于在中低压配电网中R/X的比值较大,在研究电压抬升时可忽略无功功率的影响[20-21]。附录A图A3展示了光伏级联的电网结构,对于等效为k个节点级联的系统,可推导出第k个节点和第k+1个节点之间的电压差为:

(7)

因此,在光伏电源接入的情况下,节点k的电压为:

(8)

由上式可知,若光伏电源的总容量大于负荷总功率时,即右边一项的符号变为正时,Uk>UN,会产生电压抬升。若光伏电源接入容量过大,则Uk会超过电压允许上限,从而导致逆变器退出运行,使光伏电源渗透率下降。而负荷需求增大,光伏容量较小时,可能会出现末端低电压的情况。含有分布式光伏的配电网某一节点的电压降落由系统负荷需求和光伏电源出力综合决定,配电网中接入分布式光伏电源,有助于减少线路上的电压损失,对馈线电压具有抬升作用,而且接入位置越接近末端,电压抬升现象越明显。

2 ARPCC策略

在电网中,R/X的比值反映出电压受有功功率和无功功率的影响程度,如果R/X比值较小,则表示电网电压更容易受无功功率变化的影响,而如果比值较大,则有功功率占主导地位。而在中低压配电网中,由于R/X的比值较大,因此调节有功功率对中低压配电网电压稳定性有更为重要的意义。但是,从经济性来考虑,削减有功功率意味着降低光伏电源的使用效率,因此调节无功功率同样值得研究。因此针对光伏电源接入导致的电压抬升问题,本文提出了一种ARPCC策略,从电力系统层面上合理地对逆变器的有功和无功功率输出进行调控,达到稳定电压的目的。首先,考虑到配电网运行的经济性,在电压出现小幅度波动(或抬升)时,首先通过无功补偿对电压进行调节,当超出无功功率调节范围后,有功功率控制器动作,实现ARPCC。

2.1 无功功率调控策略

为了保证光伏电源的效率,光伏电源通常采用最大功率点跟踪(MPPT)方式跟踪到最大功率输出。因此,本文将其等效成出力随着光照强度变化的直流源。在正常运行时,逆变器追踪到最大功率输出Snow,Snow值和当前的功率因数决定了系统的有功和无功功率输出大小。

实时监测电压状态,设置电压死区,在死区范围内时,逆变器保持单位功率因数输出,无功功率输出为0,当电压超出死区范围后,无功功率控制器按照设定的Q-U曲线开始输出相应的无功功率,功率因数开始改变,如附录A图A4所示。Qcap,max和Qind,max分别为光伏并网逆变器可以输出的最大容性无功功率和最大感性无功功率,其大小与最小功率因数Fmin有关,Uq,pos和Uq,neg分别为电压死区上下限。当电压超过死区范围,利用附录A图A4所示的电压和无功功率曲线,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。当电压抬升,则输出的感性无功功率增加,当电压降低,则输出的容性无功功率增加,达到稳定电压的目的。

式(9)—式(11)为Q-U曲线的设置方式。根据其提供的关系,对电压进行无功功率调控,其中Snow为当前光伏输出的最大功率值。其调控能力受最小功率因数制约,并与死区电压范围和最大电压限Uq,max有关。

Q=kq(U-Uq,pos)

(9)

(10)

Qind,max=Snowsin(arccos(Fmin))

(11)

Qcap,max,Qind,max,Uq,pos,Uq,neg,Fmin可以根据线路具体情况和用户实际需求进行调整,不同位置的逆变器可以设置不同的参数,从而得到不同的kq值,因此该系统可以根据具体需求,设定不同的无功调节能力。

逆变器的无功调节能力如图1所示。在电压死区内,逆变器处在单位功率因数工作状态下,当电压出现抬升,逆变器根据附录A图A4提供的电压和无功功率曲线关系,开始输出感性无功功率,此时视在功率不变,无功功率增加;当无功功率达到Qmax时,达到无功功率最大调节极限。

图1 逆变器无功功率变化图Fig.1 Variation of reactive power of inverter

2.2 有功功率调控策略

当无功功率达到其最大调节范围后,若电压仍然继续抬升,则会造成电压越限,从而导致并网逆变器退出运行。为了防止这种现象发生,在使用传统无功功率调节的基础之上,提出了一种新型的有功功率控制方法,在电压继续抬升时,采用有功功率调节,对电压进行稳定,从而保障配电网电压处于正常范围内,逆变器正常运行。

如附录A图A1所示,逆变器输出的电流Ir可以表示为:

(12)

式中:δ为m点和n点之间的相角差。

逆变器输出的复功率可以表示为:

(13)

由于线路相角差较小,而线路电阻R较大,因此可以忽略电抗X的作用,由式(14)和式(15)可得出简化的有功功率P和电压Un之间的关系为:

(14)

可以看出,逆变器输出功率P和并网点电压Un近似满足线性变换的关系。因此,当无功功率达到电压调节限制之后,若电压仍然提升,将采用有功功率削减的办法,当电压达到Uq，max时,设为时刻t0,测出当前并网点电压和功率,经过一段时间达到t1后,测出t1时刻的并网点功率和电压大小。可以得到:

(15)

式中:Uk(t0)和Uk(t1)分别为并网点k在t0和t1两个采样时刻点的并网电压;Pk(t0)和Pk(t1)分别为并网点k在t0和t1时刻检测到的功率输出。

因此,可以得到并网点电压和逆变器输出有功功率的关系为:

Uk=kp(Pk-Pk(t0))+Uk(t0)

(16)

式中:Uk和Pk分别为并网点的电压和功率,在已知其中一个量的情况下,可以推算出另一个量的值。

通过设定节点的最大允许电压Umax,利用式(16)可以估算出并网点在达到最大允许电压时输出的有功功率Pa,如图2所示。因此需要削减的有功功率为:

(17)

式中:Pmpp为光伏电源追踪到的最大有功功率输出。

图2 有功功率最大值预测Fig.2 Forecasting of maximum value of active power

每个并网点的Umax都可以根据线路要求设置,灵活方便。逆变器有功功率变化图如附录A图A5所示,在无功功率无法继续增加的情况下,视在功率沿着最小功率因数曲线下降,当电压调节结束后完成调节。其中Uk(t0),Uk(t1),Pk(t0),Pk(t1)一经测量选取,在触发下一次有功调节之前都是不变的,因此在一次有功调节过程中,kp值是不变的,而在下一次触发有功调节时,Uk(t0),Uk(t1),Pk(t0),Pk(t1)的值会由于测量误差和扰动与上一次相比存在微小误差,kp值也会有略微差别。

2.3 总体控制流程

当电压抬升到无功功率死区上限时,无功功率开始调控,随着光照强度的增加,光伏出力持续增加,无功功率达到其最大调节能力,此时功率因数为Fmin,当电压达到无功功率调节电压上限Uq，max后,开始根据式(15)—式(17)对有功功率进行调节,在进行有功功率控制的同时,功率因数始终保持在最小功率因数,即保持最大的无功功率输出进行协调。当电压回归到无功功率调节电压上限Uq，max后,停止对有功功率进行削减,回到由无功功率单独调控的方式。完整的流程图如图3所示。

3 仿真分析

3.1 测试系统及参数设定

本文采用IEEE 13节点配电网[22]进行测试。该配电网含4.16 kV和0.48 kV两个电压等级,属于不平衡网络,包含多种典型分布式网络特点。主要的运算参数可以根据系统需要进行调整,本文主要仿真参数设置如附录A表A1所示。

为了研究光伏出力变化和负荷变化对线路电压带来的影响,本文对光伏电源进行了简化,其输出功率随着光照强度的变化而变化,经由并网逆变器接入配电网。为了模拟电压抬升的状况,本文选取了夏季晴天这一典型场景,此时光伏出力最大,根据式(8)可知此时最可能出现电压抬升。采用PowerFactory软件仿真。根据文献[5]提供的日负荷曲线和日光照强度,仿真出一天之中负荷的动态变化情况,考虑一天之中随着光照强度和负荷容量变化时,各个接入点电压的变化规律。

图3 ARPCC电压调整流程图Fig.3 Flow chart of voltage regulation in ARPCC

3.2 无电压调控策略下分布式光伏发电对配电网电压的影响

本文根据文献[23]提供的标准,将电压正常范围选在0.95～1.05(标幺值)之间。选取末端节点680;对含有补偿电容接入的末端节点611和靠近首端的节点632进行分析。经过比较,在没有光伏电源接入的配电网中,一天之中节点电压随着负荷消耗功率的变化而变化,电压越靠近末端,电压波动以及电压下降情况越严重,含有补偿电容的节点611的电压比末端节点680的电压更稳定。同时,电压下降的大小也与时间有关,即受到不同时刻负荷消耗功率的影响,在深夜用电负荷较少,电压处在额定电压范围之内,而在入夜后的一段时间,由于用电负荷增加,导致末端电压下降情况严重。因此,本文选择电压波动较大的节点680进行分析。

光伏电源接入配电网后,可以调节输出有功和无功功率,起到无功补偿器的作用。因此，光伏电源接入配电网后对电压的稳定起到一定的积极作用。然而,随着接入的光伏电源数量和容量的增加,会导致配电网末端出现电压抬升现象。引入渗透率概念,如式(18)所示。

(18)

式中:Spv为系统中光伏电源总的装机容量;Sld为系统所有负荷消耗的最大功率。渗透率的大小体现出DG在配电网中所占的比重。

渗透率反映出配电网中可再生能源的比例,理论上渗透率越高代表可再生能源效率越高[24],但是随着渗透率的增加,就会不可避免地出现节点电压抬升现象。附录A图A6展示出渗透率增加后,造成的电压抬升现象,在该图所示的波形中,光伏并网逆变器采用的是传统的PQ控制策略,使Qref=0,逆变器处于单位功率因数工作状态,光伏电源保持最大的功率输出。然而,随着渗透率的提高,电压抬升现象愈来愈明显。在后续的仿真中光伏的总容量按照渗透率90%进行设定。

3.3 ARPCC策略与传统电压调控策略的比较

附录A图A7和图A8分别为单独采用传统的RPC策略调节电压和APC策略调节电压的情况。可以看到,在一定时间内,RPC策略确实能够对电压稳定起到积极作用,但是,当无功功率达到逆变器提供的最大无功功率输出后(即最小功率因数),如果光伏电源输出功率继续增加,电压仍会继续上升,从而导致超过最大电压限值。而在APC控制方法下,通过削减一部分有功功率,将电压维持在了正常范围内。这种方法在传统的RPC方法基础之上削减了一定量的有功功率ΔP1,因此效率有所下降。而在实际应用中,希望可再生能源利用率尽可能高,因此在维持电压稳定的同时,希望弃光损失较小。

因此,本文针对这种情况提出的ARPCC策略能够在使得电压维持在限定范围内的同时减少弃光量,其一天之中电压和功率的变化如图4所示,削减的有功功率为ΔP2。

图4 ARPCC策略电压功率曲线Fig.4 Voltage and power curves with ARPCC strategy

图5比较了APC和ARPCC两种方法削减的有功功率大小,可以得到:

ΔP3=ΔP1-ΔP2>0

(19)

因此ΔP2<ΔP1,可知ARPCC的弃光量更小,可再生能源利用效率更高。

图5 ARPCC策略与APC策略结果对比Fig.5 Result comparison between ARPCC and APC strategies

表1比较了在相同的外界光照、气候以及负荷运行状况下,ARPCC和APC策略分别在80%,90%,100%渗透率下,将电压稳定在额定范围内时所需要削减的有功功率大小。可以看出,在采用ARPCC策略调控下,削减的有功功率较小,可再生能源利用率更高。

随着光伏电源渗透率的增加,4种不同逆变器控制策略下的节点电压特性见附录A图A9。可以看到,随着光伏容量的增加,节点电压开始增加,当增加到Uq，pos时,开始按照电压—无功功率曲线进行无功调节,电压抬升情况得到有效抑制,当达到无功功率调节极限后,传统的Q-U曲线由于达到最小功率因数Fmin后,无法继续调节无功功率,从而使得电压继续抬升,导致超过电压限值,甚至导致逆变器退出运行。而有功功率削减策略APC/ARPCC开始削减有功功率,使得电压继续保持在允许的电压范围之内。同时，ARPCC策略相较于APC策略能够输出更多的有功功率,进而提高效率,因此电压要比APC策略先达到临界值。

表1 APC和ARPCC策略效率比较Table 1 Efficiency comparison between APC and ARPCC strategies

4 结语

本文针对光伏电源接入配电网而导致的电压抬升问题,对配电网的特点进行了分析,阐述了光伏电源接入配电网而导致电压抬升的原因。通过理论分析,综合光伏电源利用率的考虑,提出了一种ARPCC策略。设置电压死区,当电压处在死区范围内时,逆变器采用PQ控制保持最大功率输出,充分利用太阳能;当电压超出死区限值后,进行无功调节,通过补偿感性无功功率来缓解电压抬升现象;当超出逆变器无功调节能力后,若电压仍继续上升,通过电压与有功功率在中低压配电网中的关系式,预测达到最大允许电压时的功率,对有功功率进行削减,以此来维持电压处于正常范围内。利用PowerFactory软件,采用IEEE 13节点测试配电网模型进行仿真验证,同时和传统的RPC以及APC策略进行对照,仿真结果表明,这种ARPCC策略能够有效将电压稳定在额定范围之内的同时,减少弃光量,具有较高的效率。

但本文提出的控制方法只针对单一逆变器,在多台并网逆变器的综合控制层面,还存在一定的局限性。笔者将基于这一问题,从电网角度出发,对如何保证一根馈线甚至多根馈线上多台并网逆变器合理配置参数、协调优化运行、降低可再生能源损耗、提升整体系统运行效率等方面开展更加深入的研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。