CN104578151B - 大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法 - Google Patents

大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，包括：电压参考单元实时给定电压控制点参考电压uref；无功整定单元通过比较电压控制点实际电压与参考电压得到电压偏差，再通过PID控制器自动获取维持电压控制点电压所需的无功参考量Qref；无功分配单元自动在SVG和各光伏发电单元之间进行无功分配；各光伏发电单元中的并网逆变器采用按无功容量等比例方式分配。该方法充分利用光伏电站无功补偿装置与光伏逆变器协调控制，改善光伏电站并网点电压波动，为电网提供无功支撑，提高弱电网的电压稳定性。同时，根据光伏发电单元线路损耗分配无功，降低光伏电站的有功损耗。因此，该无功与电压控制方法有利于接入弱点网的大型光伏电站的安全经济稳定运行。

Description

大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法。
背景技术
随着系统成本的持续降低和发电效率的不断提高，建设大型光伏电站是大规模利用太阳能的有效方式。不同于小容量光伏并网发电系统，很多大型光伏电站建立在远离负荷中心、光照资源丰富的荒漠地区，且光伏电站连接的地区电网多处于偏远地区，负荷比较分散，地区电网输电线路较长，电网相对薄弱。光伏发电系统本身的光照强度、温度变化等都会引起并网电压波动甚至越限，大型光伏电站必须参与调压控制，必要时给电网提供紧急无功支撑。
目前解决电网电压越限的方法主要有：定功率控制、利用储能系统、无功补偿装置、并网逆变器无功功率控制。但国内对光伏并网的研究主要集中在单位功率因数并网。对光伏逆变器的无功控制主要是针对电网末梢负载的无功补偿，通过检测负载无功电流作为无功指令值进行补偿，适用于对负载的无功补偿，并不适合光伏系统的无功独立控制。
对于分布式光伏发电，由于系统存在多个馈线节点，当光伏系统接入电网时，改变了线路潮流方向，又因为经线路输送功率时，沿线路的电压分布始端高于末端。对于整个分布式光伏系统，馈线末端电压变为始端电压，因此，馈线末端电压抬高量最大。针对该问题，文献[Local reactive power control methods for overvoltage prevention ofdistributed solar inverters in low-voltage grids]在分布式光伏发电背景下提出了四种逆变器无功控制策略：恒无功功率Q控制、恒功率因数cosφ控制、基于光伏有功出力的cosφ(P)控制及基于并网点电压幅值的Q(U)控制策略。此外，文献[低压网络中并网光伏逆变器调压策略]提出了一种基于并网点电压幅值与光伏有功出力的Q(U,P)控制策略，并与文献[Local reactive power control methods for overvoltage prevention ofdistributed solar inverters in low-voltage grids]提出的几种无功控制策略进行对比分析。
不同于分布式光伏发电，大型光伏电站通常由多组光伏发电单元组成，每组光伏发电单元分别通过升压变压器汇入送端配电站，然后以相应的电压等级实现远距离高压交流输电[电网阻抗对大型并网光伏系统稳定性影响分析]。大型光伏电站对电网电压影响程度的大小主要取决于电网结构的强度和光伏电站容量的大小。目前，大型光伏电站无功与电压控制研究较少，文献[大型分布式电源模型化研究及其并网特性分析]提出在光伏电站送端配电站低压侧装设静止无功补偿器动态供给无功功率，提高了光伏电站电压稳定性，但大容量的无功补偿装置会增大系统成本。文献[光伏电站低电压穿越时的无功控制策略]提出利用光伏逆变器本身的无功输出能力向电网提供无功功率，但光伏逆变器在满发状态下无功容量受限。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，该方法能够很好的协调SVG单元和各光伏发电单元之间的无功输出。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，包括：
电压参考单元实时给定电压控制点参考电压u ref ，
无功整定单元通过比较电压控制点实际电压与参考电压得到电压偏差，再通过PID控制器自动获取维持电压控制点电压所需的无功参考量Q ref ，
无功分配单元自动在SVG和各光伏发电单元之间进行无功分配，
各光伏发电单元中的并网逆变器采用按无功容量等比例方式分配。
进一步，所述PID控制器的传递函数为：，其中，表示时间常数，表示调节系数。
进一步，所述无功参考量为：，其中u ref 表示实时给定电压控制点参考电压，u pcc 表示并网点实时检测电压，Q 0 表示无功初始参考量。
进一步，当无功整定单元自动获取的无功参考量Q smin<Q ref <Q smax时，SVG和各光伏发电单元的无功整定量分别为：
，其中Q sref 表示SVG单元的无功整定量，Q iref 表示各光伏发电单元的无功整定量，Q smin表示SVG单元的容性无功容量，Q smax表示SVG单元的感性无功容量；
或，当无功整定单元自动获取的无功参考量Q ref >Q smax或者Q ref <Q smin时，SVG和各光伏发电单元的无功整定量分别为
，其中k i 表示第i个光伏发电单元的无功优化系数，Q imin表示光伏发电单元i的容性无功容量，Q imax光伏发电单元i的感性无功容量，其中Q sref 表示SVG单元的无功整定量，Q iref 表示各光伏发电单元的无功整定量，Q smin表示SVG单元的容性无功容量，Q smax表示SVG单元的感性无功容量。
进一步，各光伏发电单元按光伏发电单元无功线路损耗优化分配，则无功优化系数，，其中k 1表示光伏发电单元1的无功优化系数，k 2表示光伏发电单元2的无功优化系数，k n 光伏发电单元n的系数，r 1表示光伏发电单元1到送端配电站低压侧之间电网传输线合成的线路电阻，r 2表示光伏发电单元2到送端配电站低压侧之间电网传输线合成的线路电阻，r 3表示光伏发电单元3到送端配电站低压侧之间电网传输线合成的线路电阻，r n 表示光伏发电单元n到送端配电站低压侧之间电网传输线合成的线路电阻。
进一步，在确定各光伏发电单元无功整定量Q iref 的基础上，对于各光伏发电单元中的并网逆变器采用按无功容量等比例方式分配
，其中Q ijmax表示光伏发电单元i中第j台并网逆变器的感性无功容量，Q ijmin表示光伏发电单元i中第j台并网逆变器的容性无功容量，Q ijref 表示光伏发电单元i中第j台并网逆变器的无功整定量。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明能够很好的协调SVG单元和各光伏发电单元之间的无功输出，改善光伏电站并网点电压波动，为电网提供无功支撑，提高弱电网的电压稳定性。同时，根据光伏发电单元线路损耗分配无功，降低光伏电站的有功损耗，实现电站经济运行。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为大型光伏电站拓扑结构示意图；
图2为有功和无功功率汇入电网简化示意图；
图3为有功输出变化对并网电压影响相量图，其中(a)为线路电阻R引起的偏差，(b)为线路电抗X引起的偏差；
图4为无功与电压协调控制策略的具体实现方式。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
大型光伏电站的拓扑结构示意图如图1所示。
图中，u 1pcc 和u 2pcc 分别表示送端配电站低压侧和高压侧并网公共点电压。u 1和u 2分别表示受端配电站低压侧和高压侧电压。u g1、u gn 分别表示光伏发电单元1和光伏发电单元n中并网逆变器实际的并网点电压，R 1+jX 1表示光伏发电单元1到光伏发电单元2节点之间电网传输线等合成的线路阻抗，R n +jX n 表示光伏发电单元n到送端配电站低压侧之间电网传输线等合成的线路阻抗。
从图1中可以看出，光伏电站由多组光伏发电单元组成，每组光伏发电单元分别通过各自的升压变压器汇入升压配电站，然后通过架空线进行远距离高压交流输电。每组光伏发电单元由m台并网逆变器组成。同时，每组光伏发电单元中光伏阵列分别通过直流侧电容连接各自的并网逆变器，然后再通过各自的LCL滤波器接入并网公共点，彼此之间仅共用并网公共点，避免了系统之间产生环流。此外，每台并网逆变器分别采用相同的结构、参数和控制策略，当一台并网逆变器出现故障时，不影响剩余各组的工作，便于对各组进行独立控制。对于一个额定功率为P的大型光伏电站，当单台并网逆变器的额定功率为P 1时，所需要的并网逆变器总台数即为
(1)
如果对图1所示的大型光伏电站拓扑结构示意图进行简化，那么大型光伏电站中有功和无功功率汇入电网示意图可简化为图2所示。
图2中，P 1+jQ 1表示光伏发电单元1中并网逆变器输出的有功和无功功率，P n +jQ n 表示光伏发电单元n中并网逆变器输出的有功和无功功率，I表示光伏电站最终并入电网的电流，P+jQ表示光伏电站最终并入电网的有功和无功功率，R+jX表示电网传输线等合成的线路阻抗，
下面分析有功输出变化对并网电压稳定性的影响，分析过程中可视受端配电站低压侧电压u 1为一理想电压源。以电网电压u 1相量为参考，根据KVL定理，并网公共点电压u pcc 和并网电流I、线路阻抗R+jX以及电网电压u 1之间的相量形式为：
(2)
当光伏电站采用单位功率因数并网时，并网电流I和并网电压u pcc 保持同相位，根据上述相量关系可得如图3所示的相量图。图中，u pcc1、I 1、θ 1分别为有功输出为某一定值时的PCC电压、并网电流和PCC电压超前电网电压u 1相位角；u pcc2、I 2、θ 2分别为有功输出增加时的PCC电压、并网电流和PCC电压超前电网电压u 1相位角。
图3(a)所示为有功输出增加时线路电阻R引起的电压偏差，由图3(a)可见，当线路阻抗仅为电阻R时，并网电压u pcc 的幅值随着有功输出P的增加而增加，并网电压u pcc 的相位和电网电压u 1相位保持一致。图3(b)所示为有功输出增加时线路电抗X引起的电压偏差，由图3(b)可见，当线路阻抗仅为电抗X时，由于系统呈感性，并网电压u pcc 的相位总是超前电网电压u 1的相位，并网电压u pcc 的幅值随着有功输出P的增加而减小，而且随着有功输出P的增加，并网电压的相位进一步超前电网电压u 1的相位。此外，当线路阻抗为R+jX时，结合图3(a)和图3(b)可以看出，由于线路电抗能够导致并网电压相位逐渐超前电网电压相位，因此，在一定程度上，随着有功输出的增加，线路电抗X的影响要大于线路电阻R的影响。即随着有功输出的进一步增加，并网电压的幅值逐渐减小。
由上述分析结果可以看出，由于线路阻抗因素的存在，有功输出增加将导致并网电压幅值降低甚至越限，降低了并网电压稳定性，因此，大型光伏电站在输送有功功率的同时，需要输送一定的无功功率来抑制由于有功输出变化导致的并网电压幅值波动甚至越限问题。
设每台并网逆变器的额定功率为P jmax ，每台并网逆变器输出的有功功率为P j ，其发出（感性）或吸收（容性）的无功容量可表示为（以发出无功功率为正）
(3)
式中，Q jmax 和Q jmin 分别为第j台并网逆变器的感性和容性无功容量。
如果并网逆变器采用恒功率因数控制，当并网逆变器的功率因数λ在λ min≤λ≤λ max范围内连续可调时，结合式（3）可知，并网逆变器的无功容量为
(4)
如果并网逆变器采用恒无功功率控制，当并网逆变器的无功给定为Q dj 时，其无功容量应满足如下要求
(5)
对于有n台并网逆变器组成的大型光伏电站，其总的无功容量为
(6)
式（3）、（4）和（5）可控制并网逆变器在采用相应的控制方式时无功容量不越限，使并网逆变器的无功输出限定在允许范围内。
但实际上由于并网逆变器自身额定功率即视在功率的限制，并网逆变器有功输出的增加必然导致无功容量的降低。此外，由前述分析可知，为了稳定并网电压不越限，在一定程度上，光伏电站所需的无功功率是随着有功输出的增加而增加的，当光伏电站在光照强度最大辐射条件下，并网逆变器的无功输出能力受到限制。因此，大型光伏电站的无功补偿与电压调节必然是并网逆变器和无功补偿装置之间的协调控制。
为了便于集中补偿，光伏电站中无功补偿装置通常集中配置在送端配电站低压侧，鉴于静止无功发生器SVG在无功补偿中的动态无功调节能力，下面仅以SVG代替无功补偿装置进行分析与设计。
借鉴电力系统无功补偿与电压控制的基本思想，本文提出了适用于大型光伏电站并网逆变器无功与电压协调控制方法。由于并网逆变器和SVG可通过调节无功参考量Q ref 实现无功输出，因此具体实现方式分别如图4所示。
图中，u ref 和u ppc 分别表示电压控制点参考电压和实时检测的电压，Q 0表示无功功率初始参考量，Q ref 表示无功功率，k i 分别表示光伏发电单元i(i=1, 2, …, n)的无功优化系数，Q smax和Q smin分别表示SVG单元的感性和容性无功容量，Q imax和Q imin分别表示光伏发电单元i的感性和容性无功容量，并且各光伏发电单元的无功容量可表示为：
(7)
式中，Q ijmax和Q ijmin分别表示光伏发电单元i中并网逆变器j的感性和容性无功容量。
大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，包括：
电压参考单元实时给定电压控制点参考电压u ref ，
无功整定单元通过比较电压控制点实际电压与参考电压得到电压偏差，再通过PID控制器自动获取维持电压控制点电压所需的无功参考量Q ref ，
无功分配单元自动在SVG和各光伏发电单元之间进行无功分配，
各光伏发电单元中的并网逆变器采用等比例方式分配。
无功整定单元直接决定电压控制点实际电压与无功参考量之间的关系，可近似表示为一线性函数关系。其中PID控制器传递函数可采用如下形式：
(8)
参数、的选取仅和系统的相位裕度有关，参数k PID 的选取要结合电压/无功静态线性有差调节特性以及大型光伏电站接入地区的电压无功具体情况整定得到。
由此，可得到无功参考量Q ref ：
(9)
其中u ref 表示实时给定电压控制点参考电压，u pcc 表示并网点实时检测电压，Q 0 表示无功功率初始参考量。
为了减小光伏发电单元中并网逆变器的功率损耗，在无功分配中应优先考虑SVG，进而考虑并网逆变器。
当无功整定单元自动获取的无功参考量Q smin<Q ref <Q smax时，SVG和各光伏发电单元的无功整定量分别为：
(10)
相当于无功补偿要求完全由SVG承担，各光伏发电单元以单位功率因数形式并网发电。
当无功整定单元自动获取的无功参考量Q ref >Q smax或者Q ref <Q smin时，SVG和各光伏发电单元的无功整定量分别为：
(11)
相当于无功补偿要求由SVG和各光伏发电单元共同承担，SVG以最大无功要求输出无功，各光伏发电单元分担剩余无功。
在确定各光伏发电单元无功整定量Q iref 的基础上，对于各光伏发电单元中的并网逆变器采用按无功容量等比例方式分配：
(12)
其中Q ijmax表示光伏发电单元i中第j台并网逆变器的感性无功容量，Q ijmin表示光伏发电单元i中第j台并网逆变器的容性无功容量，Q ijref 表示光伏发电单元i中第j台并网逆变器的无功整定量。
此外，考虑到单台SVG的容量上限，SVG单元可由多台SVG并联组成，对于SVG并联情况，采用式（12）所示的等比例分配方式即可。
如果以等无功功率分配给各光伏发电单元，那么，光伏发电单元1引起的线路损耗要远远大于光伏发电单元n引起的线路损耗。因此，考虑到光伏发电单元接入距离和线路损耗因素，必须考虑大型光伏电站中各光伏发电单元之间的无功优化问题。由于本文在无功分配单元中增加了无功优化系数k i ，因此通过合理的设定无功优化系数k i ，便可实现无功补偿在各光伏发电单元之间的优化问题。根据图1所示的各光伏发电单元接入电网示意图，其无功优化系数应满足如下条件
(13)
即光伏发电单元接入电网的距离越远，其无功优化系数k i 应越小，下面对无功优化系数k i 的设计依据做进一步分析。
由于线路电抗X i 的存在并不会因为无功输出而产生有功损耗，因此，线路电阻R i 的存在是光伏电站产生有功损耗的主要因素、令r 1、r n 分别表示光伏发电单元1、光伏发电单元n到送端配电站低压侧之间电网传输线等合成的线路电阻，那么，r 1、r n 和图1中所示的R 1、R n 之间存在如下关系
(14)
此时，整个光伏电站中各光伏发电单元因无功输出和线路电阻所产生的有功损耗可表示为
(15)
其中，Q iref 存在如下等式约束
(16)
根据拉格朗日函数法有
(17)
求C最小应满足如下关系
(18)
根据式（18）可推导出
(19)
此外，根据式（11）可知，当各光伏发电单元通过无功优化系数k i 分担剩余无功时有
(20)
联立式（19）和（20）可得无功优化系数k i 为
(21)
在光伏电站无功补偿中，利用式（21）所示的无功优化系数可以优化各光伏发电单元之间的无功分配，降低光伏电站内部因无功分配不合理而产生的额外有功损耗。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，其特征在于：包括：
电压参考单元实时给定电压控制点参考电压u ref ，
无功整定单元通过比较电压控制点实际电压与参考电压得到电压偏差，再通过PID控制器自动获取维持电压控制点电压所需的无功参考量Q ref ，
无功分配单元自动在SVG和各光伏发电单元之间进行无功分配；
当无功整定单元自动获取的无功参考量Q smin<Q ref <Q smax时，SVG和各光伏发电单元的无功整定量分别为：
，其中Q sref 表示SVG单元的无功整定量，表示第1个光伏发电单元的无功整定量，表示第2个光伏发电单元的无功整定量，Q iref 表示各光伏发电单元的无功整定量，Q smin表示SVG单元的容性无功容量，Q smax表示SVG单元的感性无功容量。
2.根据权利要求1所述的大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，其特征在于：各光伏发电单元中的并网逆变器采用按无功容量等比例方式分配。
3.根据权利要求1所述的大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，其特征在于：所述PID控制器的传递函数为：
，其中，表示时间常数，表示调节系数。
4.根据权利要求1所述的大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，其特征在于：所述无功参考量Q ref ，
，其中u ref 表示实时给定电压控制点参考电压，u pcc 表示并网点实时检测电压，Q 0 表示无功初始参考量，表示PID控制器的传递函数。
5.根据权利要求1所述的大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，其特征在于：当无功整定单元自动获取的无功参考量Q ref >Q smax或者Q ref <Q smin时，SVG和各光伏发电单元的无功整定量分别为：
，其中k i 表示第i个光伏发电单元的无功优化系数，Q imin表示光伏发电单元i的容性无功容量，Q imax表示光伏发电单元i的感性无功容量，其中Q sref 表示SVG单元的无功整定量，Q iref 表示各光伏发电单元的无功整定量，Q smin表示SVG单元的容性无功容量，Q smax表示SVG单元的感性无功容量。
6.根据权利要求5所述的大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，其特征在于：各光伏发电单元分别由远到近接入送配电站，各光伏发电单元之间的无功按以下规则分配：各光伏发电单元按光伏发电单元无功线路损耗优化分配，则无功优化系数：
，，其中k 1表示光伏发电单元1的无功优化系数,k 2表示光伏发电单元2的无功优化系数，k n 光伏发电单元n的无功优化系数，r 1表示光伏发电单元1到送端配电站低压侧之间电网传输线合成的线路电阻，r 2表示光伏发电单元2到送端配电站低压侧之间电网传输线合成的线路电阻，r 3表示光伏发电单元3到送端配电站低压侧之间电网传输线合成的线路电阻，r n 表示光伏发电单元n到送端配电站低压侧之间电网传输线合成的线路电阻。
7.根据权利要求5所述的大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法，其特征在于：在确定各光伏发电单元无功整定量Q iref 的基础上，对于各光伏发电单元中的并网逆变器采用按无功容量等比例方式分配：
，其中Q ijmax表示光伏发电单元i中第j台并网逆变器的感性无功容量，Q ijmin表示光伏发电单元i中第j台并网逆变器的容性无功容量，Q ijref 表示光伏发电单元i中第j台并网逆变器的无功整定量，Q imin表示光伏发电单元i的容性无功容量，Q imax表示光伏发电单元i的感性无功容量。
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