大型光伏電站無功電壓控制策略

1、大型光伏電站無功電壓控制策略周林邵念彬（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400030）摘要:對于大型光伏電站有功出力的波動不僅會造成并網(wǎng)點電壓越限也會造成電站內(nèi)部局部電壓過高導(dǎo)致保護動作使得逆變器脫網(wǎng)。分析了光伏電站并網(wǎng)點電壓及站內(nèi)各光伏發(fā)電單元并網(wǎng)電壓的影響因素提出了一種考慮站內(nèi)電壓分布的大型光伏電站無功電壓控制策略。該控制方法通過實時檢測并網(wǎng)點電壓與參考值比較，并通過PI控制器自動獲取維持并網(wǎng)點電壓所需的無功需求量實現(xiàn)并網(wǎng)點電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)通過實時調(diào)節(jié)逆變器的無功輸出實現(xiàn)站內(nèi)電壓均勻分布。應(yīng)用靈敏度的分析方法表示無功與電壓間的關(guān)系給出了PI控制器參數(shù)的設(shè)計過程并將以站

2、內(nèi)電壓均勻分布為目標(biāo)的無功優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為可以快速準(zhǔn)確求解的帶約束條件的非線性規(guī)劃模型，對該模型進行求解計算出無功補償裝置及各組光伏發(fā)電單元的無功參考量在保證并網(wǎng)點電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上改善站內(nèi)電壓分布保證光伏電站的穩(wěn)定運行。最后通過仿真計算驗證了該控制策略的正確性和可行性。關(guān)鍵詞：光伏；發(fā)電；大型光伏電站；電壓波動；無功控制；電壓控制；靈敏度；電壓分布中圖分類號：TM615文獻標(biāo)識碼：ADOI:10.16081/j.issn.1006-6047.2016.04.0180引言近年來隨著光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，系統(tǒng)成本不斷降低，光伏并網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟，建設(shè)大型并網(wǎng)光伏電站成為大規(guī)模利用太陽能的有效方式1。不同于

3、分布式光伏發(fā)電，大型光伏電站多建立在荒漠地區(qū)，當(dāng)?shù)刎?fù)荷水平較低，所接入地區(qū)電網(wǎng)的短路容量較小，大量的光伏電力需要高壓長距離輸電線路外送2-3。由于光伏發(fā)電受光照影響較大，光照的波動會引起有功輸出的波動，從而導(dǎo)致并網(wǎng)點電壓波動甚至越限4,因此大型光伏電站必須具備無功電壓控制能力5。目前針對光伏電站電壓控制的研究多集中在分布式發(fā)電領(lǐng)域。分布式光伏發(fā)電的調(diào)壓方式主要有利用儲能裝置6-7、無功補償裝置、逆變器無功功率控制8。儲能裝置可以平抑有功波動但會增加系統(tǒng)成本，且控制復(fù)雜；無功補償裝置調(diào)壓忽略了逆變器的無功輸出能力；逆變器無功功率控制主要針對本地負(fù)載的無功補償，不能實現(xiàn)光伏電站的無功獨立控制。此外

4、，德國電氣工程師協(xié)會提出了適用于分布式光伏發(fā)電的4種無功控制策略：恒無功功率Q控制、恒功率因數(shù)cos（）控制、基于光伏有功出力的cos。（P）控制及基于并網(wǎng)點電壓幅彳1的Q（U）控制策略9。但這4種控制策略僅針對單臺逆變器，并不適用于大型光伏電站。不同于分布式光伏發(fā)電，大型光伏電站內(nèi)部無功源包括逆變器和無功補償裝置，因此大型光伏電站的無功電壓控制必然涉及逆變器與無功補償裝置以及各逆變器的協(xié)調(diào)控制。文獻10提出了以并網(wǎng)點電壓以及并網(wǎng)點功率因數(shù)為控制目標(biāo)的控制策略；文獻11將大型光伏電站內(nèi)部的無功源分為3層，提出了3層無功控制策略。但以上文獻都只針對并網(wǎng)點電壓進行控制，未研究電站內(nèi)部的電壓分布情況

5、。大型光伏電站通常由多組光伏發(fā)電單元PVGU（PVGenerationUnit）組成，每組PVGU分別通過升壓變壓器匯入送端配電站，然后以相應(yīng)的電壓等級實現(xiàn)遠距離高壓交流輸電12。雖然目前尚無規(guī)范對站內(nèi)PVGU并網(wǎng)電壓做出具體規(guī)定，但由于站內(nèi)集電線路的存在，隨著有功出力的增加，可能會導(dǎo)致線路末端PVGU電壓過高，從而導(dǎo)致保護裝置動作，使得逆變器脫網(wǎng)，不利于光伏電站穩(wěn)定運行。考慮到在正常工況下，無功電壓之間呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，本文基于無功電壓靈敏度分析方法，提出了一種考慮站內(nèi)電壓分布的大型光伏電站無功電壓控制策略。該控制策略通過優(yōu)化計算對各臺逆變器及無功補償裝置的無功出力進行協(xié)調(diào)，在并網(wǎng)點電壓動態(tài)

6、調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，改善站內(nèi)電壓分布，最后通過相應(yīng)算例進行了仿真驗證。1大型光伏電站原理1.1大型光伏電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大型光伏電站多采用逆變器并聯(lián)集中并網(wǎng)，通過升壓站變壓器實現(xiàn)高壓交流輸電13。以國電蒙電巴彥淖爾市烏拉特后旗光伏發(fā)電項目為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中Ui（i=1,2,n）表示第i組PVGU升壓變壓器低壓側(cè)電壓；UPOI表示主變壓器高壓側(cè)（并網(wǎng)點）電壓；U表示電網(wǎng)電壓。無功補償裝置裝設(shè)在主變壓器低壓側(cè)。該光伏電站由多組PVGU并聯(lián)組成。光伏發(fā)電單元將直流電能逆變?yōu)?70V交流電，為降低電站內(nèi)部損耗，每組PVGU配置1臺0.27kV/10kV升壓變壓器（Ti）。由于光伏陣列占地面積較大，各

7、組PVGU之間距離較遠，需要m回集電線路（每回集電線路串聯(lián)l組光伏發(fā)電單元將電能匯集，接入主變器（T）低壓側(cè)，由主變器將電能集中升壓至110kV,通過送出線路輸送至電網(wǎng)。每組PVGU由2臺500kW逆變器并聯(lián)組成。逆變器采用單級結(jié)構(gòu)，光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，通過直流側(cè)電容接入逆變器，再經(jīng)由LCL濾波器接入升壓變壓器低壓側(cè)。每臺并網(wǎng)逆變器均采用相同的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和控制策略，當(dāng)一臺并網(wǎng)逆變器出現(xiàn)故障時，不影響剩余各組的工作。1.2并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)針對LCL型并網(wǎng)逆變器，可通過控制并網(wǎng)側(cè)電流實現(xiàn)逆變并網(wǎng)14-16。為增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用電容電流有源阻尼控制策略17。完整控制框圖如圖2所示1

8、8-20。圖中，upv和ipv分別表示逆變器直流側(cè)電壓、電流；P*和Q*分別表示有功參考和無功參考；isa3和us”3分別表不實際的并網(wǎng)電流和并網(wǎng)電壓，isa3ref表布電流參考；kd表不電容電流有源阻尼因子。該控制策略包括直流側(cè)最大功率點跟蹤（MPPT）和電流控制環(huán)兩部分。所有控制過程完全在a3坐標(biāo)系下進行，省去了鎖相環(huán)節(jié)以及電流環(huán)解耦控制。MPPT過程采用擾動觀察法，可給出有功參考P*,無功參考Q*由外部給定或者由有功參考P*乘以功率因數(shù)cos。獲得；根據(jù)瞬時功率理論可由有功參考和無功參考計算出電流參考isa3ref。電流環(huán)采用準(zhǔn)PR控制器20,可以實現(xiàn)交流信號的無差調(diào)節(jié)。在該控制策略下，

9、通過給定Q*或者功率因數(shù)cos。就可以實現(xiàn)逆變器無功功率的獨立控制。10kV集電線路1光伏發(fā)電單元/光伏發(fā)電單元1光伏發(fā)電單元“光學(xué)發(fā)電單元相-/+1P+jOllOkV-HOkVT高壓交流輸電電網(wǎng)補償裝置圖1大型光伏電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.lTopologyoflarge-scalegrid-connectedpliotovoltaicpowerplant光伏陣列4li._rvYiIh：SPWHVLp/iibc仃源Bl足&i小-JJtibr/ctflabc/Elare-siilegrid-connectedphutuvollaiep)wrrplant第i組PVGU輸送至并網(wǎng)點功率可表示為：P

10、-十jQ/=乃十jQ1今(心出句尤皿)(3)光伏電站并網(wǎng)點電壓為：-T!17則第i組PVGU無功輸出對于并網(wǎng)點電壓的影響可表示如下(忽略電阻)：miy冗(I-2EXi-Poi+aX皿f5)HQtUI，由于并網(wǎng)點額定電壓為110kV,而每個光伏發(fā)電單元額定容量為1MW,且線路阻抗也較小，因此有2(P,從皿+%W1，所以有：產(chǎn)X/U(6)同理，可得無功補償裝置無功輸出對于并網(wǎng)點電壓影響:環(huán)/HQ產(chǎn)兒/(7)即站內(nèi)各光伏發(fā)電單元以及無功補償裝置無功輸出對于并網(wǎng)點電壓的影響近似相等。因此光伏電站并網(wǎng)點電壓波動量與站內(nèi)各無功源無功輸出變化量之間的關(guān)系可表示為：4八二51心。(8)其中，SVQ為各無功源對

11、并網(wǎng)點電壓的無功電壓靈敏度，SVQ=Xg/U;番BQ為站內(nèi)總的無功輸出，包括光伏發(fā)電單元和無功補償裝置。3.2并網(wǎng)點電壓控制在靜態(tài)穩(wěn)定的前提下，可認(rèn)為光伏電站的無功輸出變化量與并網(wǎng)點電壓幅值波動量之間近似呈線性關(guān)系，因此可以采用PI控制器實現(xiàn)電壓幅值的無差控制。將逆變器和SVG等效為慣性環(huán)節(jié)，并忽略通信延時，根據(jù)式(8)可得并網(wǎng)點無功電壓控制框圖，如圖5所示。其中，kp、ki為PI控制器參數(shù)；1/Ts+1)為逆變器和SVG等效；Qref為將并網(wǎng)點電壓維持在規(guī)定范圍內(nèi)所需的無功參考；鄱Q為逆變器和SVG實際發(fā)出無功量；f(P)為擾動量，表示有功輸出對并網(wǎng)點電壓影響。圖5并網(wǎng)點電壓控制框圖Fig.

12、5BlockdiagmmofPCCvoltagecontrtjl該控制框圖通過實時卞測并網(wǎng)點電壓UPOI,與參考點電壓Uref比較通過PI控制器獲取維持并網(wǎng)點電壓所需的無功參考量Qref,通過調(diào)節(jié)逆變器和無功補償裝置的無功輸出鄱Q實現(xiàn)并網(wǎng)點電壓的調(diào)節(jié)。由圖5可知，Uref至UQref的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：=冗】門、(瓜丁+1為+岳(9)t/irf中41)小Sq分子、分母都為2階，為使得無功參考較快跟隨電壓變化，可將系統(tǒng)校正為比例環(huán)節(jié):(10)(11)此時，電壓參考Uref到并網(wǎng)點電壓UPOI的開環(huán)傳遞函數(shù)為:這是一個積分環(huán)節(jié)，此時系統(tǒng)穩(wěn)定且具有良好的動態(tài)性能。仆+1T$(12)3.3 站內(nèi)無功源無

13、功分配3.3.1 分配策略由PI控制器獲取的無功參考Qref需由光伏電站內(nèi)部逆變器和無功補償裝置提供。因此大型光伏電站的無功電壓控制必然涉及逆變器與無功補償裝置以及各逆變器的協(xié)調(diào)控制。鑒于靜止無功發(fā)生器SVG在無功補償中的動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力，這里僅以SVG代替無功補償裝置進行分析與設(shè)計。由于SVG和逆變器都可以通過調(diào)節(jié)無功功率參考Qref實現(xiàn)無功輸出，基于此本文提出如圖5所示的分配策略。判斯SVG單兀4系統(tǒng)只破各PVUG度信息無功容量。Xa+河.圖6無功分配策略示意圖Srhrnmtirdjagramofrearlive-power(JisLiibuliutistrait該分配策他包括PVGU和無

14、功補償裝置之間的分配以及各組PVGU之間的分配。為減少網(wǎng)損，優(yōu)先利用SVG進行無功輸出，缺額部分由PVGU提供。SVG和各組PVGU總的無功參考量QCref、Qpv按以下原則分配。當(dāng)總的無功功率參考量QsminQrefQsmax或者QrefQsmin時，有:QgeT=0m皿或Q*二。5事(14)其中，Qsmin、Qsmax分別為SVG的容性無功容量和感性無功容量。由于站內(nèi)各組PVGU的并網(wǎng)電壓可能出現(xiàn)越限的情況，本文擬利用逆變器的無功輸出改善站內(nèi)節(jié)點電壓，因此各組PVGU無功參考Qiref通過優(yōu)化計算程序獲取。3.3.2 優(yōu)化計算在正常工況下隨著光照增強，集電線路末梢的PVGU可能出現(xiàn)電壓過高

15、的情況，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動會導(dǎo)致繼電保護裝置動作，惡劣情況下可能引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致逆變器大規(guī)模脫網(wǎng)。因此本文對各組PVGU的無功參考量Qiref進行優(yōu)化，根據(jù)站內(nèi)電壓情況，實時調(diào)節(jié)各組PVGU的無功輸出，在保證光伏電站總無功需求的同時，實現(xiàn)站內(nèi)各PVGU并網(wǎng)電壓差異最小，從而改善站內(nèi)電壓分布。各PVGU之間通過線路阻抗相互影響，而等效阻抗不易計算，本文應(yīng)用無功電壓靈敏度系數(shù)來表示各組PVGU無功輸出與并網(wǎng)電壓之間的關(guān)系。為避免無功率注入節(jié)點的影響，本文根據(jù)文獻21所提出的“降階雅可比矩陣算法”求得只包含所研究節(jié)點功率/電壓靈敏度信息的雅可比矩陣JS:.Am曾(15)*第/組PV(；L對于第i組

16、PVGU的無功電壓靈敏度為Sji=A2rt+2+;Zn+2+i(&12345678910光伏發(fā)電單元號(b)采用控制策略琉/i)r,-5=600U/m1圖1()各光伏發(fā)電單元并網(wǎng)電壓Fig.10tiri-runHiding1eafhpholovoltaicunit表1各PGU不同光照下無功出力Tablr1Rraitivr-ftonrroutjml川rachplki4ovJlaicHint0光伏發(fā)電單元號frPVGI無功出力/kvar5=200W/m1.=僅0W/nfS*900U/nr163J61壽8653.8243.2+32.2651.4325.4261.540S.4410,010K2193.S5-2538.66-143-139.6-146.97-23-23L8-27218-299-3QLS-3S6.4y-343-34M-429510-46LI總計00240.0未果用控制策略時的網(wǎng)損采用控制策略后的阿損圖11采用控制策略前后站內(nèi)網(wǎng)損比較Fig.11Conipuri以由fin-iliitionip心werI