CN104767221A - 一种基于逆变器功率协调控制的电压调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆变器功率协调控制的电压调节方法，在一个采样周期内，采用约束优化数学模型对光伏逆变器进行功率协调控制；约束优化数学模型的目标函数为各光伏电源输出无功功率之和最小，即约束条件为逆变器容量约束、节点潮流约束、节点电压约束和逆变器功率调整权重约束；在满足所提出的约束条件下，通过优化算法求出使得各光伏电源输出无功功率之和最小的一组无功功率调整量，将作为协调控制每个光伏逆变器的无功功率参考值，实现对区域内并网点的电压调节，本方法在不缩减光伏输出有功功率的前提下，既可以充分利用每个逆变器的电压调节能力，又可以避免输出多余的无功功率，造成不必要的线路功率损耗。

Description

一种基于逆变器功率协调控制的电压调节方法

技术领域

本发明属于分布式光伏并网发电技术领域，具体涉及一种为分布式光伏大量接入低压配电网提供电压调节的方法。

背景技术

随着分布式光伏在配电网中的大量接入，大量的有功逆流造成并网点出现过电压问题，充分利用逆变器的有功和无功调节能力可以有效地抑制并网点电压越限。目前基于逆变器的电压调节方法有如下几种。

(Ⅰ)有功功率缩减，即APC(active power curtailment)，通过缩减光伏电源在光照强度高峰期所发出的有功功率来达到降低并网点电压的目的。

(Ⅱ)基于并网点电压幅值的Q(U)控制策略。本方法属于无功功率控制策略，通过调整光伏电源输出的无功功率来达到调节电压的目的。在Q(U)控制策略下，逆变器的无功功率参考信号是并网点电压幅值的一个函数，根据并网点电压幅值的大小光伏电源输出相应的无功功率。

(Ⅲ)基于有功功率的Q(P)控制策略。本方法同样属于无功功率控制策略，在不考虑负荷波动的情况下，随着光照的增强，光伏电源输出的有功功率越大，并网点电压相应增大，Q(P)控制策略的思想是根据光伏电源输出的有功功率调整其无功功率，无功功率参考信号是有功功率的函数。

以上几种电压调节方法的缺陷在于：APC方法虽然调节电压的效果很好，却是以降低光能利用率为代价的；Q(P)控制策略是根据光伏电源输出的有功功率调整其无功功率，当光伏输出的有功功率虽然很大，但是仍然小于用户负荷，即P_load>P_pv的情况，并不会出现功率外送导致并网点电压偏高的现象，但是按照Q(P)策略，此时光伏电源会吸收大量的无功以降低电压，这就造成了额外的功率损耗；Q(U)控制策略是直接根据并网点电压幅值调节无功功率的，克服了Q(P)策略的缺陷，但是由于线路上每个接入点的电压幅值不同，在靠近变压器的线路首端电压几乎不变，线路末端的电压与额定值偏差较大，这就会经常出现处于线路末端的光伏电源最大限度的吸收无功功率，处于线路首端的光伏电源丝毫不能参与到电压调节的现象。

发明内容

为了克服现有的几种方法的不足，本发明提供了一种基于逆变器功率协调控制的电压调节方法。本方法基于集中控制的思想，根据每个并网点的电压幅值V_i，协调控制区域内各光伏电源的无功功率，即克服了Q(P)策略造成额外的功率损耗的弊端，同时又可以将每个光伏电源均参与到线路的电压调节中，由于采用无功功率控制，又避免了APC方法的弃光缺陷。

本发明所采用的技术方案是：一种基于逆变器功率协调控制的电压调节方法，在一个采样周期内，采用约束优化数学模型对光伏逆变器进行功率协调控制；其特征在于：所述的约束优化数学模型的目标函数为各光伏电源输出无功功率之和最小，即式中，Q_i ^pv为第i个光伏电源所吸收的无功功率，N为光伏

电源数量；约束条件为逆变器容量约束、节点潮流约束、节点电压约束和逆变器功率调整权重约束；其具体实现包括以下步骤：

步骤1：采集每个光伏电源的输出功率、电压和负荷的实时功率；

步骤2：判断，V_i≥V_alert？

若是，则继续执行下述步骤3；

若否，则回转执行所述的步骤1；

其中，V_i表示第i个光伏电源的电压，V_alert表示预算设定的警告值；

步骤3：在满足所提出的逆变器容量约束、节点潮流约束、节点电压约束和逆变器功率调整权重约束的条件下，求出使得各光伏电源输出无功功率之和最小的一组无功功率调整量{Q_i ^pv}；

步骤4：将{Q_i ^pv}作为协调控制每个光伏逆变器的无功功率参考值，实现对区域内并网点的电压调节。

作为优选，所述的逆变器容量约束条件为：

(P_i ^pv)²+(Q_i ^pv)²≤S_i ²   (式一)；其中，P_i ^pv为第i个光伏电源按照最大功率跟踪所可以发出的有功功率，Q_i ^pv为第i个光伏电源所吸收的无功功率，S_i为第i个逆变器的额定容量，光伏电源所能发出的无功功率受逆变器额定容量的限制。

作为优选，所述的节点潮流约束条件为牛顿拉夫逊法节点潮流方程：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i=V_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_i=V_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.$    (式二)；

其中，P_i和Q_i分别为节点i有功和无功功率，V_i和δ_i为节点i的电压幅值与相角，G_ij与B_ij为支路ij的线路参数。

作为优选，所述的节点电压约束条件为：

V_min≤|V_i|≤V_max   (式三)；其中，V_min、V_max分别表示节点i的最小电压和最大电压，所有节点的电压限制在V_min与V_max之间，通常在低压配电网中，电压允许范围在额定值的-10％与+7％之间。

作为优选，所述的V_min＝0.9p.u.，V_max＝1.065p.u.。

作为优选，所述的逆变器功率调整权重约束条件为：

$\{\frac{w_1\·Q_{1,\mathrm{pv}}}{Q_{1,\max }}=\frac{w_2\·Q_{2,\mathrm{pv}}}{Q_{2,\max }}=\·\·\·\frac{w_i\·Q_{i,\mathrm{pv}}}{Q_{i,\max }}$    (式四)；

式中，使用权重系数来表示每个接入点的逆变器在功率调节的参与程度，w_i为第i个光伏电源的权重系数，Q_i ^pv为第i个光伏电源所吸收的无功功率，Q_i,max为由第i个光伏电源对应的逆变器决定的最大无功功率调整量。

作为优选，各接入点的逆变器以相同的权重系数参与功率调整，或按照接入位置的电压灵敏度进行分配。

本方法在不缩减光伏输出有功功率的前提下，既可以充分利用每个逆变器的电压调节能力，又可以避免输出多余的无功功率，避免造成不必要的线路功率损耗。

附图说明

图1：为本发明实施例的流程图；

图2：为本发明实施例采用的系统图；

图3：为本发明实施例节点电压调节效果图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本方法的控制结构包括一个中央控制器与多个底层控制器，依赖通信链路，中央控制器与各底层控制器进行信号传递，各底层控制器之间不能相互通信，按照中央控制器的指令动作；

本实施例中节点是一个拓扑结构上的概念，有些节点上分布有光伏电源，有些没有，这个要根据实际情况确定，为了便于说明专利，本实施例假设所有节点都接有光伏，也就是节点数等于光伏电源的数量；本实施例的整个方法流程如图1所示。

本实施例提供的一种基于逆变器功率协调控制的电压调节方法，在一个采样周期内，采用约束优化数学模型对光伏逆变器进行功率协调控制；约束优化数学模型的目标函数为各光伏电源输出无功功率之和最小，即式中，Q_i ^pv为第i个光伏电源所吸收的无功功率，N为光伏电源数量；约束条件为逆变器容量约束、节点潮流约束、节点电压约束和逆变器功率调整权重约束；

逆变器容量约束条件为：

(P_i ^pv)²+(Q_i ^pv)²≤S_i ²   (式一)；其中，P_i ^pv为第i个光伏电源按照最大功率跟踪所可以发出的有功功率，Q_i ^pv为第i个光伏电源所吸收的无功功率，S_i为第i个逆变器的额定容量，光伏电源所能发出的无功功率受逆变器额定容量的限制。

节点潮流约束条件为牛顿拉夫逊法节点潮流方程：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i=V_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_i=V_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.$    (式二)；

其中，P_i和Q_i分别为节点i有功和无功功率，V_i和δ_i为节点i的电压幅值与相角，G_ij与B_ij为支路ij的线路参数。

节点电压约束条件为：

V_min≤|V_i|≤V_max   (式三)；

其中，V_min、V_max分别表示节点i的最小电压和最大电压，所有节点的电压V_i限制在V_min与V_max之间，通常在低压配电网中，电压允许范围在额定值的-10％与+7％之间；本实施例取V_min＝0.9p.u.，V_max＝1.065p.u.。

逆变器功率调整权重约束条件为：

$\{\frac{w_1\·Q_{1,\mathrm{pv}}}{Q_{1,\max }}=\frac{w_2\·Q_{2,\mathrm{pv}}}{Q_{2,\max }}=\·\·\·\frac{w_i\·Q_{i,\mathrm{pv}}}{Q_{i,\max }}$    (式四)；

式中，使用权重系数来表示每个接入点的逆变器在功率调节的参与程度，w_i为第i个光伏电源的权重系数，Q_i ^pv为第i个光伏电源所吸收的无功功率，Q_i,max为由第i个光伏电源对应的逆变器决定的最大无功功率调整量。

本实施例的每个逆变器采集每个光伏电源的输出功率、电压和负荷的实时功率，将公共耦合点PCC(Point of Common Coupling)处的电压信号上传到中央控制器，中央控制器接收每个逆变器的测量信号之后，判断是否有电压是否超过设定的警告值V_alert，如果没有，不执行任何操作，如果有电压超过警告值，根据所提出的数学模型计算每个光伏电源的实时功率分配值，下发到每个逆变器，逆变器作为本地控制器接收并执行指令。

首先确定参数：网络结构与线路参数，各并网点光伏装机容量，各光伏逆变器额定容量，各接入点负荷的大小。根据以上参数建立含分布式光伏的低压配电网模型。在本实施例中，建立如图2所示的典型低压配电网模型，0.4kV线路采用YJV-70电缆，每千米电缆正序阻抗为0.268+j0.101Ω，线路总长500m。负荷均匀分布在线路上，每个节点所接负荷大小相等。负荷峰值为0.05MW，各逆变器容量为SN＝0.051MW，各光伏阵列所能输出的最大有功功率为Pmax＝0.05MW。

根据所提出的约束优化数学模型，结合实际参数，确定数学模型的各约束条件的参数。本实施例中对应的约束条件中，各逆变器容量S_i＝0.051,i＝1,2,…5，电压上下限参数V_min＝0.9,V_max＝1.065。将负荷与光伏电源作为PQ节点，变压器与上级电网相连的高压侧作为平衡节点，按照牛顿拉夫逊潮流算法确定节点潮流约束。

以各光伏电源所提供的无功功率作为连续控制变量，所有逆变器所提供的无功功率之和作为目标函数，使用复合形法在约束条件确定的可行域内求解使目标函数最小对应最优无功功率调整量{Q_i ^pv}。

将{Q_i ^pv}作为协调控制每个光伏逆变器的无功功率参考值，实现对区域内并网点的电压调节。

使用权重系数来表示每个接入点的逆变器在功率调节的参与程度。根据实际情况，可以设定为各接入点的逆变器以相同的权重系数参与功率调整，也可以设定为按照接入位置的电压灵敏度进行分配。由于光伏所发电量直接与用户的经济利益相关，按照灵敏度的比例对权重系数进行分配将使得某些逆变器有功缩减量过大，损害用户的经济利益，所以本实施例设定各逆变器权重系数相等。

在本实施例中，应用所提出的电压调节方法对某一特定时刻的电压进行调节，此时刻负荷大小为Pload+jQload＝0.03MW+j0.005Mvar，各光伏电源输出功率为最大有功功率Pmax＝0.05MW，检测各节点的电压，发现有节点电压超过设定的警戒值Valert＝1.05，将数据代入数学模型中，计算将电压调节至规定范围内各光伏电源应该吸收的无功功率，各逆变器按照给定的无功功率参考信号对电网提供无功支撑，达到调节节点电压的目的。本实施例中各光伏电源在电压调节过程中从电网吸收无功功率Q＝0.0075Mvar，电压调节前后节点电压对比如图3所示，很明显，在上述的负荷条件下，未调节电压之前，各节点电压普遍偏高，线路末端的节点5电压已经超出了电网规定，影响用户的电能质量；当使用所提出的电压调节策略之后，每个节点的电压据有所改善，最高点的电压也保持在电压上限1.07p.u.以下，并且也没有出现因为无功调整过度而导致电压跌落的现象。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于逆变器功率协调控制的电压调节方法，在一个采样周期内，采用约束优化数学模型对光伏逆变器进行功率协调控制；其特征在于：所述的约束优化数学模型的目标函数为各光伏电源输出无功功率之和最小，即式中，Q_i ^pv为第i个光伏电源所吸收的无功功率，N为光伏电源数量；约束条件为逆变器容量约束、节点潮流约束、节点电压约束和逆变器功率调整权重约束；其具体实现包括以下步骤：

步骤1：采集每个光伏电源的输出功率、电压和负荷的实时功率；

步骤2：判断，V_i≥V_alert？

若是，则继续执行下述步骤3；

若否，则回转执行所述的步骤1；

其中，V_i表示第i个光伏电源的电压，V_alert表示预算设定的电压警告值；

步骤3：在满足所提出的逆变器容量约束、节点潮流约束、节点电压约束和逆变器功率调整权重约束的条件下，求出使得各光伏电源输出无功功率之和最小的一组无功功率调整量{Q_i ^pv}；

步骤4：将{Q_i ^pv}作为协调控制每个光伏逆变器的无功功率参考值，实现对区域内并网点的电压调节。

2.根据权利要求1所述的基于逆变器功率协调控制的电压调节方法，其特征在于，所述的逆变器容量约束条件为：

(P_i ^pv)²+(Q_i ^pv)²≤S_i ²   (式一)；

其中，P_i ^pv为第i个光伏电源按照最大功率跟踪所可以发出的有功功率，Q_i ^pv为第i个光伏电源所吸收的无功功率，S_i为第i个逆变器的额定容量，光伏电源所能发出的无功功率受逆变器额定容量的限制。

3.根据权利要求1所述的基于逆变器功率协调控制的电压调节方法，其特征在于，所述的节点潮流约束条件为牛顿拉夫逊法节点潮流方程：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i=V_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_i=V_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.$    (式二)；

其中，P_i和Q_i分别为节点i有功和无功功率，V_i和δ_i为节点i的电压幅值与相角，G_ij与B_ij为支路ij的线路参数。

4.根据权利要求1所述的基于逆变器功率协调控制的电压调节方法，其特征在于，所述的节点电压约束条件为：

V_min≤|V_i|≤V_max   (式三)；

其中，V_min、V_max分别表示节点i的最小电压和最大电压，所有节点的电压V_i限制在V_min与V_max之间，通常在低压配电网中，电压允许范围在额定值的-10％与+7％之间。

5.根据权利要求4所述的基于逆变器功率协调控制的电压调节方法，其特征在于：所述的V_min＝0.9p.u.，V_max＝1.065p.u.。

6.根据权利要求1所述的基于逆变器功率协调控制的电压调节方法，其特征在于，所述的逆变器功率调整权重约束条件为：

$\{\frac{w_1\·{Q_1}^{\mathrm{pv}}}{Q_{1,\max }}=\frac{w_2\·{Q_2}^{\mathrm{pv}}}{Q_{2,\max }}=...\frac{w_i\·{Q_i}^{\mathrm{pv}}}{Q_{i,\max }}$    (式四)；

式中，使用权重系数来表示每个接入点的逆变器在功率调节的参与程度，w_i为第i个光伏电源的权重系数，Q_i ^pv为第i个光伏电源所吸收的无功功率，Q_i,max为由第i个光伏电源对应的逆变器决定的最大无功功率调整量。

7.根据权利要求1所述的基于逆变器功率协调控制的电压调节方法，其特征在于：各接入点的逆变器以相同的权重系数参与功率调整，或按照接入位置的电压灵敏度进行分配。