分布式光伏电站监控装置的研究和设计

2022-07-02石博隆林承钱韩其国

浙江电力 2022年6期

甘雯，石博隆，姚瑛，林承钱，韩其国，罗平，王瀚，黄淼

（1.国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江湖州 313000；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；3.浙江泰伦电力集团有限责任公司，浙江湖州 313000；4.杭州电子科技大学，杭州 310018；5.杭州东华电力设备有限公司，杭州 311121）

0 引言

“双碳”背景下，我国大力推进可再生能源发展，促进能源绿色低碳转型。但大量分布式光伏电站接入电网后，会对电网产生诸多影响。光伏的接入改变了配电网原有的单向潮流模式，使得潮流分布更加复杂多变难以控制。光伏频繁的随机波对电网无功平衡造成冲击，进而导致母线电压大幅波动，甚至导致电压越限。光伏也会对电网有功平衡造成冲击，进而影响到电力系统的一次、二次调频［1］。为解决上述问题，大部分分布式光伏电站通常会配置一定比例的无功补偿设备及自动电压控制系统［2-3］以保证电站功率因数和电压保持在一定范围内。此外，为应对光伏对电网频率的影响，通常通过增加调峰电源或提高调频能力快的机组的比例［4］。

根据GB/T 19964—2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》以及GB/T 29321—2012《光伏发电站无功补偿技术规范》，光伏发电站应充分发挥并网逆变器的无功容量及其调节能力，必要情况下为光伏发电站配置集中无功补偿装置。文献［5］指出大部分光伏逆变器无功补偿能力可以替代SVG（静止无功发生器）。为了提高光伏逆变器利用率，不少学者针对光伏逆变器调压控制策略进行了研究［6］。文献［7］协调SVG和逆变器无功容量为电网提供电压支持，在无功分配时考虑线路损耗，优先使用SVG及靠近并网点的逆变器。文献［8］考虑低压配电网线路阻抗对电压降落的影响，采用功率外环与电流内环双环控制并网点电压。文献［9］提出了基于功率动态调整电压控制方法，在出现电压越限时优先使用逆变器无功进行调压，并在必要的时候动态减小有功输出。文献［10］通过划分控制域，将有载开关调压和光伏逆变器调压相结合。文献［11］提出了根据模型预测算法实现滚动优化，实时修正模型参数，改进了常规电压控制算法。

在有功/频率控制方面，根据GB/T 33593—2017《分布式电源并网技术要求》，分布式电源输出功率偏差应在电网调度机构的给定范围内，并能根据电网频率值、电网调度机构指令等信号调节电源有功输出。文献［12］提出两种不同调频策略，一种为光伏单元根据频率偏差直接调整有功输出；另一种为场站级调控，由上层对可用逆变器进行整体调控。通过仿真对比了两种策略的特点并分析了各自的适用情况。

综上所述，现有研究仍集中在控制策略的仿真研究阶段，且控制功能相对单一。因此，本文研发了一种分布式光伏电站监控装置，集成了无功/电压和有功/频率的控制策略和数据采集功能，以保证电力系统稳定运行。该装置充分利用逆变器的无功调节能力，根据调度中心对电压/无功的控制要求，使用改进的增量式PID（比例积分微分）算法实现无功控制，采用折线函数设定调频死区、调差率，根据频率偏差实现一次调频功能，从而保证分布式光伏电站和电网的安全稳定运行。

1 逆变器调压原理

分布式光伏电站的逆变器容量通常为发电容量的1.1 倍，则第i个逆变器输出的有功功率和无功功率的关系为：

式中：Pi和Qi分别为第i个逆变器输出的总有功和总无功功率；Si为第i个逆变器所接光伏单元的额定容量。

光伏发电系统接入电网，当出力增大时逆变器并网点电压易发生电压越上限。图1为光伏电站并网示意图，其中为电网侧电压；为逆变器并网点电压；R和X分别为配电网的等效电阻和电抗；P和Q分别为负荷的有功和无功功率。

图1 分布式光伏电站并网示意图

式中：m为逆变器的总数。

忽略电压降落的纵分量后有：

实际运行中，光伏单元输出的有功功率由光伏逆变器本身的最大功率跟踪功能和太阳的辐照强度决定，很多时候发电量会低于装机容量。由此通过控制逆变器输出的无功功率可在一定范围内改变分布式光伏电站并网点的电压。考虑到逆变器与主控距离的远近，将其分为快、慢两组以提升调控速度。

2 装置硬件设计

分布式光伏电站监控装置框架如图2所示。

图2 分布式光伏电站监控装置通信示意图

该装置可采集相电压、相电流、有功功率、无功功率、功率因数和并网点频率等信息，并将这些信息及并网点断路器开合状态、装置闭锁状态、运行方式等信号上报调度主站。调度主站根据上报信息，制定对有功/频率、无功/电压、断路器开合和运行方式等的控制要求并下发。根据调度主站要求或结合配电网模型和电站发电单元的工况，装置求解电网稳定安全运行需要的无功和有功功率优化值，并分解下发给各个发电单元，进行控制调节。

分布式光伏电站协调装置采用后插拔式结构，装置硬件使用模块化设计，各模块之间采用并行总线、双端口存贮器技术进行数据交换，保证整体系统的高速运行和实时性。装置结构示意图如图3所示。

图3 分布式光伏电站监控装置功能示意图

其中，CPU采用32位处理器，基于FPGA的系列外围扩展模件构成简洁高效的数据采集和处理系统。插件包括：电源插件（交直流两用）、交流输入插件、开入插件、开出插件、通信插件以及备用插件。装置的通信插件支持IEC 61850、IEC 60870-5-104、IEC 60870-5-103、Modbus等多种通信规约，协调整合不同设备的通信规约，实现电站内所有发电单元间的通信及装置和电网主控站间的通信。此外，通信结构还有RS-485、100M-T 以太网接口用于与其他设备的通信和装置调试。根据实际通信条件，该装置与主站之间的通信为光纤或无线通信。

3 装置软件设计

3.1 控制方式设计

考虑到调度中心不同的控制需求，装置具备多种控制方式，具体如图4所示。

图4 分布式光伏电站监控装置控制方式

装置作为从站时，可切换到有功/无功直接控制方式，根据上级调度中心指令输出给定功率；作为主站时，可根据采集的信息，制定控制方式。装置在恒功率因数自动控制时，可以灵活地调整光伏电站有功和无功输出比例。当光伏电站需要承担调压任务时，装置可切换到母线电压自动控制，保证电压的稳定及快速电压跟踪。为了保证系统的稳定运行，装置还可进行一次调频及振荡抑制，确保系统频率的稳定。另外，当主站通信出现故障等特殊情况时，装置还可以切换到就地控制方式，根据预先设定实现全站控制，确保系统稳定运行。

电气设备的安全运行是最基本的要求，装置出现异常时，需要及时闭锁，防止事故进一步扩大。装置设置了多种闭锁情况以保证装置的安全运行，具体如图5所示。

图5 分布式光伏电站监控装置异常闭锁情况

3.2 无功调压策略优化

将图1 中实际测量电压值U2与设定的并网点电压相比，如果低于其设定值，则增加光伏电站输出的无功功率；反之则降低光伏电站输出的无功功率。

增量式PID控制相较普通PID具有计算简单、误差小的特点［13］。但是增量式PID 也存在积分不饱和、系统的动态过程被破坏，溢出的影响较大、积分截断效应大，有静态误差等缺点［14］。为进一步加快算法速度、减小误差，考虑在增量式PID算法的基础上采用积分分离、死区特性和分段固定系数相融合的方法对其进行改进。具体算法如下［15］：

1）积分分离的PID算法

积分分离的PID控制算法是在偏差值较大时，让积分效果失效，只进行PD控制；当偏差值较小时，进行PID 控制以达到提升控制精度的目的。算法如式（4）所示：

式中：k为采样序列号；Δu（k）为第k次与第k-1次采样时刻控制系统输出的增量；Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数；e（k）为第k次采样输入的偏差量；T为采样时间；β为积分项开关系数；ε为设定的阈值，可设置为目标电压偏差的15%～20%。

2）带死区的PID算法

带死区的PID 控制算法就是设定控制死区，当偏差值在设定死区范围外才需进行调节，从而防止频繁操作而引起的振荡现象。其算法如式（5）所示：

式中：α为设定的偏差信号死区，可设定为目标电压的0.5%～1%。

3）分段固定系数微分PID算法

通常来说在一定范围内增大微分系数可以提高控制稳定性和加快响应速度。但当微分系数超出一定范围时会产生波动，导致超调效果变差。考虑将微分项乘以一个分段变化的函数以达到更好的效果，使其在微分项的值较小时正常输出；而当微分项的值较大时，去除微分项的作用；当处于两者之间时，微分系数取值呈梯度衰减。在合理的分段取值范围内尽可能发挥微分环节的积极作用，有效抑制外界扰动带来的微分饱和效应，减弱剧烈变化而引起的波动现象。其算法如式（6）所示：

式中：Δe（k）为第k次采样时刻与第k-1 次采样时刻输入的偏差值；F［Δe2（k）］为分段固定系数。F[Δe2(k) ]如式（7）所示：

式中：M和N取值由实验获得；c为阶梯下降的常数，0

在实际应用中，根据控制目标要求精度，响应时间和超调等使用经验数据法并进行调试获得α、ε、M、N及c的取值。对上述3 种算法进行融合，形成改进的增量式PID 算法，其具体流程如图6所示。

图6 改进的增量式PID算法流程

在获得分布式光伏电站所需调节的总无功功率后还需要将其分配给每一个逆变器。现有研究中大多根据各逆变器无功裕量按比例进行分配。但由于RS-485通信速度较慢且分布式电站中各逆变器距离分布式光伏电站协调监控装置远近不同，每个逆变器响应时间可能存在较大差距。为了进一步提升调压速度，根据各逆变器和装置间通信传递时间，将逆变器分为快、慢响应两组。其中小于等于30～50 ms 的为快响应组，大于30～50 ms的为慢响应组。在现场可以通过测试监控装置功率调控命令发出到并网点做出功率变化的时间来确定逆变器的响应速度。装置进行调压时，优先使用快响应组逆变器，根据各逆变器无功裕量按比例分配，如果超过其调节范围，将剩余待分配无功按照比例分配给慢响应组逆变器。

3.3 有功/频率调节

并网点频率波动时，一次调频通过设定频率与有功功率折线函数实现，具体如式（8）所示：

式中：ΔP为一次调频有功变化值；P0和PN分别为分布式光伏电站的有功功率初值和额定值；δ%为一次调差率；f为实际频率；fd为一次调频死区；fN为额定频率50 Hz。

其控制策略如图7 所示。当频率处于49.95～50.05 Hz时，为调频死区，有功功率不发生改变。当频率低于49.87 Hz 或高于50.13 Hz 时，有功按照最大调节至10%PN进行调节。

图7 一次调频控制策略

4 仿真与试验

为验证改进的增量式PID 算法性能，利用Simulink仿真对比改进前后增量式PID算法的电压跟踪效果。为测试分布式光伏电站协调监控装置无功调节性能，首先在实验室使用继保仪进行无功跟随和有功/频率调节试验。然后，在湖州某光伏电站进行现场试验验证监控装置的无功/电压调节能力。为验证分布式光伏电站监控装置无功/调压能力，将其结果与SVG 的Simulink 电压跟踪仿真结果进行了对比。

4.1 改进的增量式PID算法电压跟踪仿真

设定目标电压，将电压调节范围设定为9.7～10.3 kV，得到的增量式PID 算法改进前后的仿真结果如图8所示。从图8可以看出改进后的算法相较改进前，速度更快、精度更高，具有更好的控制效果。

图8 PID算法改进前后对比

4.2 无功跟随试验

使用继保仪设定电压波动曲线，连接分布式光伏电站监控装置，使用数采设备采集无功输出值，其具体结果如图9所示。

图9 无功跟随试验结果

其中，前44 s 为电压大范围波动试验，电压在第9 s达到1 s内最大波动10.49%，电压在第20 s达到最大值13.16 kV，第37 s 达到最小值6.9 kV。第45—84 s 为电压持续小范围波动试验，期间电压每秒最大波动4.10%，最小波动0.74%，平均波动1.01%。结果显示分布式光伏电站监控装置根据电压变化可快速、准确地对无功输出进行调节，能够有效应对不同类型的电压波动。

4.3 一次调频试验

设定调节限幅为ΔPmax=10%PN，PN=5 000 kW；P0=1 498 kW；δ%=0.02%；fd=0.03 Hz。使用继电保护试验仪进行一次调频试验，测试结果如表1所示。

表1 监控装置一次调频试验数据

从表1 可以发现，当调节量超过调节限幅（频率低于49.87 Hz 或高于50.13 Hz）时，调整功率为最大值500 kW；在调节死区范围（49.95～50.05 Hz）内装置不进行调整；在正常的调节范围内（49.87～49.97 Hz 和50.03～50.13 Hz），装置调整的有功输出误差小于0.063%，满足一次调频要求。

4.4 电压跟踪现场试验与仿真

使用分布式光伏电站监控装置进行现场试验时，其面板显示界面如图10所示。

图10 分布式光伏电站监控装置运行状态界面

在电压跟踪试验时，电压调节范围在9.7～10.3 kV，电压死区设置为0.02 kV。分别使用改进后的增量式PID 和普通增量式PID 无功调压策略进行试验，结果如图11 所示。可以看出改进后的增量式PID调压策略相较于改进前响应更加及时、误差更小。其中，改进前的调压策略在调节范围内电压调节的最大误差、最小误差和平均误差分别为2.4%、0.01%和1.4%。而改进后的调压策略在调节范围内电压调节的最大误差、最小误差和平均误差分别为2%、0.01%和0.1%。改进后的调压策略调节效果有明显提高，当目标电压在调节范围内时电压跟踪正确，响应及时，有良好的电压调节能力。