CN103606949A - 一种提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法，包括如下步骤：首先将区域电网等效为简单两节点系统；对于该简单两节点系统，在电源侧考虑原有的等效阻抗和光伏阻抗，在负荷侧考虑光伏系统的阻抗函数，用阻抗模表示静态电压稳定裕度指标；根据静态电压稳定裕度指标，对光伏系统进行调节以提高区域电网的电压稳定性。采用本发明构建的电压稳定性控制方法，在不增加额外装置的前提下，可以实现规模化光伏接入地区电网电压稳定性的进一步提升。

Description

一种提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电网电压稳定性控制方法，尤其涉及一种提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法，属于电力系统控制技术领域。

背景技术

当前，光伏发电在我国得到了长足发展。国内外的光伏发电装机容量均呈现持续、高速的增长态势。但由于光伏发电的随机性与不可控制性，其在为电网输送清洁能源的同时，也对电网的运行调控带来了诸多问题。这些问题包括有功调度、无功控制及电压稳定等，并且随着光伏发电并网容量的不断增加，影响也愈加严重。为此，有必要针对规模化光伏接入电网带来的相关问题进行深入研究，以适应更大规模光伏并网对电网控制运行带来的新要求。

光伏发电的显著特点在于其可控性不及传统机组，调控方式复杂多变，且具有强烈的随机波动性。这必然对其接入的区域电网电压稳定性带来一定影响。由于光伏电站只向电网提供有功功率，无功功率由电网或专用的无功补偿装置提供。当负荷距离供电单位较远时，负载的无功电流将使电网电压产生较大压降，严重时将不满足电网稳定运行的要求。另外，当光伏电站出力发生突然性的扰动时，对电力系统暂态功角和电压稳定的冲击作用较为明显。在光伏发电比重越来越大的现代电力系统中，因光伏发电出力不稳而引起的电压稳定问题已经成为影响电力系统正常运行的一个重要因素，引起了广大电网技术人员的密切关注。

在申请号为201310114173.1的中国专利申请中，提出了一种新能源发电的电网电压无功复合协调控制系统及方法。该方案提出一种动态电压无功控制系统，利用电压无功最优运行状态与电容器组和有载调压变压器分接头的单位调节变化量，把电压无功平面分割成十六个控制区，各个区域对应相应的控制策略。该方案通过对动态电压无功控制系统的协调控制，抑制了风电、光伏间歇式发电引起的电网电压无功频繁波动，改善了电网电压无功综合控制水平。另外，在申请号为201110377989.4的中国专利申请中，提出了一种并网光伏电站稳定性判断方法。该方法由光伏阵列出口测量的电压和功率数据判断并网光伏电站的稳定性，为光伏电站的并网控制方案提供了基础。

但是，目前针对光伏发电的研究主要集中于光伏发电机组本体、独立运行光伏系统的特性研究及小规模、配电网接入光伏系统后的电压稳定性研究。关于规模化光伏接入对区域电网电压稳定性的影响仍然缺乏具体深入的技术解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法，包括如下步骤：

首先将区域电网等效为简单两节点系统；

对于所述简单两节点系统，在电源侧考虑原有的等效阻抗Z_eq和光伏阻抗Z_p ^T，在负荷侧考虑光伏系统的阻抗函数Z_ld（Z_p ^D），用阻抗模表示静态电压稳定裕度指标V_zsi为：

$V_{\mathrm{zsi}}=\frac{Z_{\mathrm{ld}}\left(Z_p^D\right)-Z_{\mathrm{eq}}-Z_p^T}{Z_{\mathrm{ld}}\left(Z_p^D\right)}$

其中，V_zsi越小表示静态电压稳定裕度越低；

根据所述静态电压稳定裕度指标，对光伏系统进行调节以提高区域电网的电压稳定性。

其中较优地，在计算所述静态电压稳定裕度指标时，用有功功率取代所述阻抗模，通过下式进行计算：

$V_{\mathrm{psi}}=\frac{P_{\mathrm{ncr}}-P_n}{P_{\mathrm{ncr}}}$

其中，V_psi为静态电压稳定裕度指标，取值越小表示静态电压稳定裕度越低，P_ncr为临界点处的最大传输有功功率。

其中较优地，在计算所述静态电压稳定裕度指标时，用两端电压相角差δ取代所述阻抗模，通过下式进行计算：

$V_{\mathrm{\δsi}}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ncr}}-\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ncr}}}$

其中，V_δsi为静态电压稳定裕度指标，取值越小表示静态电压稳定裕度越低，δ_ncr为临界点处的两端电压相角差。

本发明构建了不同的光伏发电场景与光伏电站模型，并确定了电压稳定性控制方法。基于该电压稳定性控制方法，在不增加额外装置的前提下，可以实现规模化光伏接入地区电网电压稳定性的进一步提升。

附图说明

图1为一个典型的三相光伏并网发电系统的组成结构示意图；

图2为变换后的单相π型等值电路图；

图3为某个区域电网内，典型光伏电站的出力特性示意图；

图4为图3所示的典型光伏电站的无功功率调节范围示意图；

图5（a）为节点n的原局部网络模型示意图；

图5（b）为节点n的等效局部网络模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是一个典型的三相光伏并网发电系统的组成结构示意图。该三相光伏并网发电系统主要由光伏阵列、逆变桥和交流电路3部分组成。在图1中，U_PV和I_PV为光伏阵列输出电压和电流；U_ix和I_ix为逆变桥输出交流电压相量和电流相量，下标A、B、C分别表示A、B、C三相；U_gx和I_gx为并网点电压相量和电流相量；M和A分别为逆变桥幅值调制比和移相角。交流电路包括滤波器和升压变压器，L_f和C_f是滤波电感和电容，R_T、X_T、G_T和B_T分别是升压变压器星形等值电路的电阻、电抗、电导和电纳。

根据研究，上述光伏阵列可以表示为5参数模型：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{PV}}=N_{\mathrm{PP}}\{I_L-I_o[\exp \left(\frac{\frac{U_{\mathrm{PV}}}{N_s{N}_{\mathrm{ss}}}+\frac{I_{\mathrm{PV}}{R}_s}{N_{\mathrm{pp}}}}{a}\right)-1]\\ -\frac{\frac{U_{\mathrm{PV}}}{N_s{N}_{\mathrm{ss}}}+\frac{I_{\mathrm{PV}}{R}_s}{N_{\mathrm{pp}}}}{R_{\mathrm{sh}}}\},\\ P_{\mathrm{PV}}=U_{\mathrm{PV}}{I}_{\mathrm{PV}}.\end{array}\right.---\left(1\right)$

在上式中：U_PV、I_PV和P_PV分别为光伏阵列输出电压、电流和功率；N_s是单个光伏组件中光伏电池的串联数；N_ss为光伏组件的串联数；N_pp为光伏组件串的并联数。该模型有5个参数，分别为光电流I_L、二极管反向饱和电流I_o、理想因子a、串联电阻R_s和并联电阻R_sh。通常，光伏组件厂商给出了标准额定条件（SRC）下的运行参数，SRC特指太阳辐照度1kW/m²，电池表面温度25℃，相对大气光学质量AM1.5的条件。由出厂参数可得5个参数的SRC参考值，任意条件下的模型参数可在参考值基础上获得。

如果用于并网控制的逆变器使用了最大功率跟踪（MPPT）控制策略，则光伏阵列可运行在最大功率点（MPP），MPP点的光伏阵列电压和电流应满足以下非线性方程：

$\frac{\frac{I_{\mathrm{PV}}}{N_{\mathrm{PP}}}+\frac{U_{\mathrm{PV}}}{N_S{N}_{\mathrm{SS}}}-I_O{R}_{\mathrm{sh}}\exp \left(\frac{\frac{U_{\mathrm{PV}}}{N_S{N}_{\mathrm{SS}}}+\frac{I_{\mathrm{PV}}{R}_s}{N_{\mathrm{PP}}}}{a}\right)-a}{{\mathrm{aR}}_{\mathrm{sh}}+I_O{R}_s{R}_{\mathrm{sh}}\exp \left(\frac{\frac{U_{\mathrm{PV}}}{N_S{N}_{\mathrm{SS}}}+\frac{I_{\mathrm{PV}}{R}_s}{N_{\mathrm{PP}}}}{a}\right)+{\mathrm{aR}}_s}=0---\left(2\right)$

其次，本发明中对逆变器采用π型等值电路模型。逆变器包括逆变桥和交流电路两部分。为了便于计算，交流电路进行了等值变换，图2显示了变换后的单相π型等值电路。

假定图1中的逆变桥为理想三相半桥式逆变电路且采用正弦波脉宽调制（SPWM），并忽略逆变损耗和谐波分量，那么由瞬时功率平衡关系和SPWM原理可得出：

$P_i=P_{\mathrm{PV}}=\frac{3}{4}{\mathrm{MU}}_{\mathrm{PV}}\∠\mathrm{\α}---\left(3\right)$

上式中：P_i为逆变桥输出的三相交流有功功率，稳态情况下等于光伏阵列的输出功率P_PV。

另一方面，光伏发电系统的运行参数应满足如下约束条件。

1.容量约束：系统输出视在功率应不大于额定功率SN，也可转化为对无功功率的约束条件。

2.电压约束：直流母线电压和交流并网点电压在正常运行允许范围以内。

3.调制比M：取决于逆变器调制方式，传统SPWM方式的M取值范围为0～1，某些特殊调制方式的M可大于1。

光伏电站对电网电压稳定性的贡献能力取决于光伏电站自身的无功调节能力，而光伏电站的无功输出能力受制于无功补偿装置与逆变器两部分，其中无功补偿相对稳定，逆变器的无功调节则由其容量与当前输出有功功率大小决定。逆变器的功率方程如式（4）所示

$P^2+{(Q+\frac{U_0^2}{x_i})}^2={\left(\frac{U_I{U}_0}{x_i}\right)}^2---\left(4\right)$

在式（4）中：U_i是逆变器交流侧电压值；U_o是接入并网点的电压值大小；x_i是逆变器的等值阻抗；P、Q则分别是逆变器调节输出的有功和无功功率值。

图3显示了某个区域电网内典型光伏电站的日出力曲线。在本发明的一个实施例中，假设该区域电网的光伏电站配备约20%的无功补偿，结合式（4）可得在典型光伏电站的无功调节范围，如图4所示。

为了分析不同状态下光伏发电对区域电网电压稳定性的影响，本发明构建了四种光伏出力场景，如表1所示。

场景	光伏出力占比	无功利用
			场景1	无光伏出力	无
场景2	15%	有
			场景3	85%	有

表1光伏出力场景分类

表1中，场景1为无光伏出力情况，即原有区域电网的运行情况，用以对比；场景2为光伏出力较小，其光伏出力约占装机容量15%左右，该场景可用以描述早晚时的调节状况；场景3为光伏出力较大时的状态，此时光伏出力约占其装机容量的85%左右。在这三种场景中，后两种由于接入了光伏电站，因此需要同时考虑电站所配备的无功补偿设备的调节能力。

对于有光伏接入的电压稳定分析系统模型，其核心问题是系统模型的等值阻抗。在系统模型中，本发明将按计算需求对光伏系统阻抗进行等值，并根据裕度指标类型对光伏系统阻抗进行不同的处理。下面对此展开详细具体的说明。

无论电网如何复杂，在某一潮流断面下，电网除发电节点（或PV节点）之外的任意节点，都可等效为图5（a）和图5（b）所示的简单两节点系统。因为完全基于系统实测响应数据，所以在当前断面下，戴维南等效参数的辨识结果蕴含了复杂网络并行流的影响。

图5（a）为节点n的原局部网络模型示意图，节点n的功率流入线路（按有功流入定义）L_ni（i＝1,2,…,M）用π型等值模型表示，如图5（a）左半部分所示。右半部分虚线框代表节点n的流出功率P_on＋jQ_on，包括从节点n流出的线路功率、节点n上的负荷、发电机功率及无功补偿。图5（b）显示了节点n的等效局部网络模型。其中，P_n＋jQ_n等于P_on＋jQ_on减去该节点功率流入线路π型模型的受端电容充电功率，在本发明中将P_n＋jQ_n称为节点n的等效负荷。该等效负荷可代表实际系统中遇到的所有情况。Z_eq∠α＝R＋jX为等效阻抗，该等效阻抗并不包含光伏阻抗Z_p ^T，阻抗值可以根据指标需要进行线性或者非性化处理。E_eq∠δ_eq为等效电源电压，当有光伏接入时，其等效电源为E_eq∠δ_eq’，二者统称为等效参数，U_n∠δ_n为节点实际电压。由此可见，该模型不同于节点对地意义上的戴维南等值，有局部显现简单两节点系统输电物理规律的功效，具有普适性。

在传统的电压稳定分析中，令Z_ld表示等效负荷阻抗模，对于图5（b）所示的系统，当等效负荷阻抗模和等效支路阻抗模相等时，达到电压稳定临界点（最大传输功率）。

考虑到光伏系统的两端阻抗，本发明提出电源侧等效阻抗需要在原有等效阻抗Z_eq的基础上加入光伏阻抗Z_p ^T，而负荷侧需要考虑光伏系统的阻抗函数Z_ld（Z_p ^D），则用阻抗模表示的静态电压稳定裕度指标为：

$V_{\mathrm{zsi}}=\frac{Z_{\mathrm{ld}}\left(Z_p^D\right)-Z_{\mathrm{eq}}-Z_p^T}{Z_{\mathrm{ld}}\left(Z_p^D\right)}---\left(5\right)$

当V_zsi为0时，达到电压稳定临界点，V_zsi越小表示静态电压稳定裕度越低。

根据上述的静态电压稳定裕度指标V_zsi，可以对光伏系统进行阻抗参数的调节以提高区域电网的电压稳定性。

考虑光伏接入，即光伏阻抗纳入系统的等效阻抗，此时就负荷侧的性质看，计及负荷功率因数情况，电压稳定的临界条件为

$P_{\mathrm{ncr}}=\frac{{E_{\mathrm{eq}}}^2\cos {\mathrm{\Φ}}_n}{{2Z}_{\mathrm{eq}}\left(Z_p^T\right)[1+\cos (\mathrm{\α}-{\mathrm{\Φ}}_n)]}---\left(6\right)$

Q_ncr=P_ncr·tanΦ_n    (7)

$U_{\mathrm{ncr}}=\frac{E_{\mathrm{eq}}}{\sqrt{2[1+\cos (\mathrm{\α}-{\mathrm{\Φ}}_n)]}}---\left(8\right)$

上述各式中，U_ncr、P_ncr、Q_ncr分别为临界点处的电压、系统最大传输有功功率和无功功率。

在此基础上，用有功功率表示的静态电压稳定裕度指标为：

$V_{\mathrm{psi}}=\frac{P_{\mathrm{ncr}}-P_n}{P_{\mathrm{ncr}}}---\left(9\right)$

当V_psi为0时，达到电压稳定临界点，V_psi越小表示静态电压稳定裕度越低。

根据上述的静态电压稳定裕度指标V_psi，可以对光伏系统进行有功功率的调节以提高区域电网的电压稳定性。

由于角度指标不直接涉及其结构参数，主要由电压角度反映。此时，在静态电压稳定临界点处，图5（b）所示简单两节点系统两端电压相角差满足以下条件：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ncr}}=\left\{\begin{array}{cc}-0.5{\mathrm{\Φ}}_n+0.5\mathrm{\α},& -\mathrm{\α}\≤{\mathrm{\Φ}}_n\≤\mathrm{\π}/2\\ 0.5{\mathrm{\Φ}}_n+1.5\mathrm{\α},& -\mathrm{\π}/2\≤{\mathrm{\Φ}}_n\≤-\mathrm{\α}\end{array}---\left(10\right)\right.$

此时，用角度表示的静态电压稳定裕度指标为：

$V_{\mathrm{\δsi}}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ncr}}-\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ncr}}}---\left(11\right)$

上式中δ为等效系统两端电压相角差为

δ=δ_eq′-δ_n     (12)

当V_δsi为0时，达到电压稳定临界点，V_δsi越小表示静态电压稳定裕度越低。

根据上述的静态电压稳定裕度指标V_δsi，可以对光伏系统进行两端电压相角差的调节以提高区域电网的电压稳定性。

下面，利用上述方法进行仿真分析和计算，求得电压、功率裕度，以反映静态电压稳定性。在下列的仿真计算中，所述参数均为标幺值，功率基准为100MW。仿真分析中的负荷增长方式包括：方式1（优先增长本地出力）；方式2（优先增长区域内主供机组）；方式3（优先增长区域外联络线功率）。

在三种功率增长方式下，场景1下的地区负荷水平参数λ以及负荷有功临界值如表2所示：

表2场景1下的地区负荷水平增长对比

从表2可以看出，区域电网在三种功率增长方式下所得到的功率裕度比较相近，说明三种供电方式下，各电源对该地区无功电压支撑能力较为接近。在负荷同比增长情况下，地区各负荷节点的电压呈现不同情况的跌落。

在三种功率增长方式下，场景2下的地区负荷水平参数λ以及负荷有功临界值如表3所示：

表3场景2下的地区负荷水平增长对比

由表3可以看出，在场景2下，区域电网三种功率增长方式所得到的功率裕度大小顺序与场景1的顺序相同，从功率裕度数值上看，与场景1走势相似，但场景1的电压稳定裕度要明显好于场景2，这说明光伏电站的接入有利于区域电压稳定性。

在三种功率增长方式下，场景3下的地区负荷水平参数λ以及负荷有功临界值如表4所示：

表4场景3下的地区负荷水平增长对比

由表4可看出，在场景3下，仍采用与场景1、2相同的功率增长方式顺序，在功率裕度数值上，场景3的电压稳定裕度要略好于场景1，但不如场景2大，这说明虽然光伏电站的接入有利于区域电压稳定性，但由于光伏大规模接入的情况下，其可控的无功调节能力有限，导致电压稳定裕度不如场景2。

通过上述三种场景下的区域电网电压稳定裕度分析可知，由于光伏电站本身具有一定的无功调节能力，光伏电站接入总体上有益于接入地区电网的电压稳定性。光伏出力水平较高时虽能为电网提供较多的有功功率，但其无功调节能力受到影响，因此在光伏出力水平较低时，其对电网的电压稳定性贡献较大。

综上所述，本发明构建了不同的光伏发电场景与光伏电站模型，并确定了电压稳定性控制方法。基于该电压稳定性控制方法，本发明提出了充分利用光伏电站已有无功补偿装置及逆变器侧无功调节能力的方法，在不增加额外装置的前提下，可以实现规模化光伏接入地区电网电压稳定性的进一步提升。

以上对本发明所提供的提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所作的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (6)

1.一种提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

首先将区域电网等效为简单两节点系统；

对于所述简单两节点系统，在电源侧考虑原有的等效阻抗Z_eq和光伏阻抗Z_p ^T，在负荷侧考虑光伏系统的阻抗函数Z_ld（Z_p ^D），用阻抗模表示静态电压稳定裕度指标V_zsi为：

$V_{\mathrm{zsi}}=\frac{Z_{\mathrm{ld}}\left(Z_p^D\right)-Z_{\mathrm{eq}}-Z_p^T}{Z_{\mathrm{ld}}\left(Z_p^D\right)}$

其中，V_zsi越小表示静态电压稳定裕度越低；

根据所述静态电压稳定裕度指标，对光伏系统进行调节以提高区域电网的电压稳定性。

2.如权利要求1所述的提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法，其特征在于：

在计算所述静态电压稳定裕度指标时，用有功功率取代所述阻抗模，通过下式进行计算：

$V_{\mathrm{psi}}=\frac{P_{\mathrm{ncr}}-P_n}{P_{\mathrm{ncr}}}$

其中，V_psi为静态电压稳定裕度指标，取值越小表示静态电压稳定裕度越低，P_ncr为临界点处的最大传输有功功率。

3.如权利要求1所述的提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法，其特征在于：

在计算所述静态电压稳定裕度指标时，用两端电压相角差δ取代所述阻抗模，通过下式进行计算：

$V_{\mathrm{\δsi}}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ncr}}-\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ncr}}}$

其中，V_δsi为静态电压稳定裕度指标，取值越小表示静态电压稳定裕度越低，δ_ncr为临界点处的两端电压相角差。

4.如权利要求1所述的提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法，其特征在于：

对光伏系统进行阻抗参数的调节以提高区域电网的电压稳定性。

5.如权利要求2所述的提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法，其特征在于：

对光伏系统进行有功功率的调节以提高区域电网的电压稳定性。

6.如权利要求3所述的提高规模化光伏接入地区电网电压稳定性的控制方法，其特征在于：

对光伏系统进行两端电压相角差的调节以提高区域电网的电压稳定性。

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