基于可变下垂系数的光伏电站无功电压控制策略

朱慧敏， 苑 舜， 李春来

（沈阳工业大学 电气工程学院， 辽宁 沈阳 110870）

0 引言

大规模光伏发电并网运行给电网的安全稳定运行带来了较大的挑战，其中电压安全稳定问题是制约光伏发电消纳的一个重要因素[1]，[2]。光伏发电通过电力电子逆变器并网运行，不具备传统同步发电机的电压支撑能力；同时，电网运行状态发生变化也会对光伏并网点的电压稳定水平带来较大 影响[3]，[4]。

目前，针对光伏电站并网点的暂态电压稳定提升方面的研究主要集中在两方面：一是在外部配置无功补偿设备来提供无功支撑[5]，[6]；二是通过挖掘光伏逆变器的无功调节能力来支撑并网点电压[7]，[8]。 在外部配置无功补偿设备研究方面，文献[9]充分考虑了光伏、负荷出力的不确定性，以最小投资成本为优化目标，提出了多时间尺度下的无功优化配置。 文献[10]以系统总成本为目标函数，考虑无功补偿设备的费用以及功率损耗费用，建立了光伏电站无功优化配置模型。 该类方法能够较好地实现光伏电站并网点的无功需求且无功调节性能较好，但额外配置快速的动态无功补偿设备（SVG，SVC 等）会增加系统的成本。在光伏逆变器的无功调节研究方面，文献[11]以并网点电压以及功率因数最优作为目标函数，提出了基于PQ 电源以及PV 电源的光伏电站无功电压下垂控制策略。 文献[12]以并网点电压维持在一定水平作为目标函数，对并网点的无功需求进行计算，实现了无功电压的集中控制。 上述方法虽然能够取得一定的无功支撑效果， 但是均未考虑光伏电站内不同光伏逆变器的无功调节裕度， 难以有效充分利用光伏电站的无功调节能力。

针对上述研究的不足， 本文提出了一种可变下垂系数的光伏电站无功电压控制策略。 通过评估光伏电站光伏子单元当前的有功功率， 计算不同子单元的无功裕度； 计及各个光伏子单元无功容量的差异性， 采用可变下垂系数实现光伏子单元之间无功功率的协调优化分配， 从而最大化地利用光伏电站的无功容量， 有效改善并网点的电压支撑性能。最后，在PSCAD/EMTDC 仿真软件中建立大型光伏电站仿真模型， 对本文所提的控制策略进行了验证。

1 光伏发电无功调节原理

1.1 光伏电站基本原理

图1 光伏电站接线结构图Fig.1 Wiring structure diagram of photovoltaic power station

光伏电站电气结构如图1 所示，主要由光伏阵列、并网逆变器、双分裂升压变压器、10 kV 母线、升压变压器、35 kV 母线、电网及输电线路等构成。 大型光伏电站一般采用两个光伏并网逆变器接至分裂绕组低压侧构成一个光伏发电单元，因为低压绕组之间的短路阻抗较大， 而高低绕组之间短路阻抗较小， 所以其中一低压绕组的短路不会影响另一低压绕组， 保证了单元内两光伏逆变器的独立运行。

1.2 无功调节原理

根据光伏电站内逆变器的功率解耦控制原理，光伏逆变器输出的有功功率和无功功率为

式中：Vd，Vq，id，iq分别为同步dq 坐标系下光伏逆变器的电压、电流值。

根据电力锁相环技术，令Vq=0，则有：

上式即可实现光伏逆变器有功无功的解耦控制。 则通过有功无功电流给定值的设定就可以控制光伏逆变器输出的有功无功功率。

光伏逆变器无功功率控制一般采用下垂控制策略，当光伏电站并网点发生电压越限时，能够为系统提供一定的无功支撑， 使光伏电站并网点电压保持在合理的范围之内。 图2 为传统的光伏逆变器无功下垂控制原理框图。

图2 光伏逆变器无功下垂控制Fig.2 Reactive power droop control of photovoltaic inverter

其控制基本过程如下：

式中：iqref为逆变器无功电流的参考值；kp和ki为PI 控制器的参数；R 为无功电压下垂控制系数；Vref为并网点电压指令值；Vpcc为光伏电站并网点的电压。

2 可变下垂系数的无功电压控制

2.1 光伏逆变器无功输出能力

光伏逆变器的输出无功功率与其视在功率有关，若光伏逆变器输出的有功功率越大，则无功容量会相应的降低。一般情况下，光伏逆变器所能承受的最大功率为视在功率的1.1 倍， 在不计及逆变器无功损耗的基础上， 光伏电站第i 台逆变器输出的有功功率Pi以及无功功率Qi的关系为

式中：Si为第i 台逆变器的视在功率。

由于光伏电站的输出有功功率受天气状况的影响，当光照强度和温度变化时，光伏阵列的输出功率会随着改变。由图3 可知，光伏电站有功出力与光照强度和温度具有紧密关系， 光照强度对输出功率的影响程度要远远大于温度的影响。 有功出力随着光照强度的不断增大而呈现增大的趋势。因此，大型光伏电站不同逆变器单元输出能力也会受到外部输入光照强度的影响。

图3 光伏逆变器输出有功与光照强度、温度的关系Fig.3 Relationship between output active power of photovoltaic inverters and light intensity and temperature

2.2 无功电压控制策略

由于光伏电站内不同光伏子单元之间光照强度存在差异性， 因而光伏电站内的光伏单元具有不同的无功功率水平。 本文所提出的基于可变下垂系数的光伏电站无功电压控制策略（图4）旨在提高并网点电压最低点， 同时确保光伏子单元的安全稳定输出。

图4 自适应增益的无功电压控制策略Fig.4 Reactive voltage control strategy with adaptive gain

在本文所提出的方案中， 下垂控制环的无功电流输出为

式中：1/Ri（Li）为第i 个光伏子单元的无功电压下垂增益；Li为第i 个光伏子单元的光照强度。

为了获得更好的电压调节性能并确保稳定工作， 光伏逆变器的自适应增益根据其最大的无功容量来设定：

即：

式中：C 为固定常数。

光伏逆变器自适应增益下垂控制环的无功电流输出为

Li和1/Ri（Li）之间具有时空相关特性。 首先，空间相关性的原因在于， 相邻光伏电站子单元之间的光照强度可能不同， 每个光伏子单元具有空间上不同水平的无功容量。 为了获得更好的电压支持性能，具有更大无功容量（更少有功功率）的光伏子单元逆变器设置较大的无功电压下垂增益，而具有更少无功容量（更大有功功率）的光伏电站子单元设置较小的增益。 另外，当Li大于或等于额定光照强度时，下垂增益设定为零。这有助于光伏电站逆变器提供更多电压支撑并确保稳定运行。其次，时间依赖性的原因是光伏单元的输入光照强度在1 d 里随时间变化。 因此，每个光伏单元的无功容量也是时变的， 并且随着输入光照强度的变化自适应地调整下垂增益。

对于固定下垂增益的光伏电站无功控制策略，维持其并网点电压水平所需的无功功率为

式中：n 为光伏电站内光伏子单元的数量；△Qi为光伏子单元i 输出的无功功率。

同样地，对于自适应增益下垂控制，其无功需求为

结合式（9）和（10）可得：

将式（12）代入式（8），进一步求得第i 个光伏子单元的无功电压下垂增益为

3 算例分析

为验证本文所提光伏电站无功电压控制策略的正确性，在PSCAD/EMTDC 软件中建立如图5 所示的大型光伏电站仿真模型。 光伏电站含有3 条集电线路，每条集电线路上接有2 个光伏子单元（每个光伏子单元记为PVGU）， 分别用来模拟集电线路不同位置中的PVGU，每个PVGU 容量为1.5 MW。为了区分每个PVGU， 将不同集电线路上PVGU的每列和每行分别编号， 并分别采用光照强度不变以及光照强度变化两种场景进行算例验证。

图5 光伏电站仿真模型Fig.5 Simulation model of photovoltaic power plant

算例1：光照强度不变

假设仿真系统光照强度不变， 仿真中在第8秒投入一定的无功负荷， 系统由于无功缺额而发生电压越限；同时，假设光伏电站内不同PVGU 的输入光照强度不同，则每个PVGU 并网的有功功率也不同。 将本文所提的基于可变下垂系数的无功电压控制策略（简称本文控制策略）与系统光伏电站不采取无功电压控制 （简称未采用控制策略）、传统固定增益的无功控制策略（简称传统控制策略）的控制效果进行了对比，以验证本文控制策略的有效性。 其中本文控制策略和传统控制策略的总无功输出量相同。

根据计算首先求得光伏电站内不同PVGU的输入光照强度，然后计算每个PVGU 的无功容量和下垂控制增益，分别如表1 和表2 所示。

表1 不同PVGU 的无功容量Table 1 Reactive capacity of different PVGU Mvar

表2 不同PVGU 的下垂增益Table 2 Droop gain of different PVGU

图6 为3 种控制策略下的光伏电站并网点电压对比结果，未采用控制策略、传统控制策略以及本文控制策略下的并网点电压恢复值分别为0.86，0.91 pu 和0.96 pu。 显然，本文控制策略下的电压恢复效果最好， 在无功总量需求相同的情况下，比传统控制策略的电压调节效果好。

图6 光伏电站并网点电压Fig.6 Voltage of grid-connected point of photovoltaic power station

图7 传统控制策略下的PVGU 无功输出Fig.7 Reactive power output of PVGU under traditional control strategy

图7 为传统控制策略下的PVGU 无功输出结果，当光伏电站PVGU 采用固定下垂控制增益时，PVGU 在无功充裕时的输出无功大小相等，无功输出值均为0.66 Mvar。 而当无功容量不足时，过大的下垂增益使得PVGU 的无功输出限制在较低值，如PVGU11，PVGU12，由于当前无功容量较小，虽然和其他PVGU 具有相同的下垂控制增益，但其无功输出远远小于其他PVGU，其输出值被限制在0.22 Mvar。

图8 为本文控制策略下的PVGU 无功输出结果， 光伏逆变器下垂增益根据当前无功容量的大小进行设置和自适应调整，因此每个PVGU 的无功输出也不相同。其中：PVGU11，PVGU12的无功容量最小， 其无功输出值为0.2 Mvar；PVGU21，PVGU22的无功容量居中， 其无功输出值为0.67 Mvar；PVGU31，PVGU32的无功容量最大，其无功输出值为0.92 Mvar。

图8 所提控制策略下的PVGU 无功输出Fig.8 Reactive power output of PVGU under the proposed control strategy

算例2：光照强度变化

仿真中在第5 秒投入一定的无功负荷， 系统由于无功缺额而发生电压越限。 在算例1 的基础上，假设在第12 秒时，由于天气原因致使光伏电站中PVGU31和PVGU32的光照强度发生骤降，而其他PVGU 的光照强度不变， 因此，PVGU31和PVGU32的有功减小和无功容量增大。

通过计算求得此条件下的PVGU31和PVGU32的无功容量为1.28 Mvar，对应的无功电压下垂增益为61.9，其他光伏电站PVGU 的无功容量和下垂增益同算例1 一样而保持不变。同样地，将本文控制策略与未采用控制策略、 传统控制策略的控制效果进行了对比， 以验证光照强度变化情况下本文控制策略的有效性。

图9 和图10 分别为光照强度变化下的光伏电站并网点电压和不同PVGU 的无功输出。 由仿真结果可以看出，当PVGU31和PVGU32的无功容量增大且无功电压下垂增益增大时，PVGU31和PVGU32发出的无功也会增大，在其他PVGU 输出无功不变的情况下， 光伏电站并网点的电压进一步得到改善。

图9 光照强度变化下的光伏电站并网点电压Fig.9 Voltage of grid-connected point of photovoltaic power station under the change of light intensity

图10 光照强度变化下的PVGU 无功输出Fig.10 Reactive power output of PVGU under the change of light intensity

由上述仿真结果可以看出， 本文控制策略相较于传统控制策略， 在不牺牲有功的情况下能够最大限度地利用光伏电站的无功支撑能力， 具有更好的电压支撑性能， 且能够保证光伏电站不同PVGU 电压调节的无功输出不超过最大容量，从而保证光伏电站的安全稳定运行。

4 结论

本文提出了一种基于可变下垂系数的光伏电站无功电压控制策略。 该策略中光伏电站光伏子单元无功电压下垂控制增益根据当前无功容量的大小进行自适应调整，该无功容量的大小取决于当前光伏单元输入的光照强度，为此，文中建立了下垂增益和光照强度之间的函数关系。 为提高光伏电站并网点的电压支撑能力，光照强度小的光伏单元因具有更多的无功容量而设置更大的下垂增益，而光照强度大的光伏单元则设置更小的下垂增益。 最后的仿真结果表明，本文控制策略相较于传统控制策略具有更好的电压支撑性能， 在不牺牲有功的情况下最大限度地利用光伏电站的无功支撑能力，且能够保证光伏电站的安全稳定运行。