CN105914797A - 大型光伏电站无功电压分序协调控制技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型光伏电站无功电压分序协调控制技术，属于电力系统自动化技术领域。本发明按主次建立无功电压三道调控系统，前两道无功调节系统基于各光伏发电单元输出端电压来调控输出无功功率，包括各光伏发电单元自身无功投入能力和发电单元之间耦合无功投入能力，以稳定各单元端电压，达到均衡状态，第三道无功调节系统则是基于动态无功补偿装置，以弥补光伏电站自身的无功输出不足。本发明不仅能改善并网点电压水平，并且保持了各个光伏发电单元端电压的一致性，增强了抗外部干扰的能力，提高了大型集中光伏电站联网运行的安全稳定性，同时减少了动态无功补偿装置的投资。

Description

大型光伏电站无功电压分序协调控制技术

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体地说本发明涉及一种大型光伏电站无功电压分序协调控制方法。

背景技术

随着光伏发电成本越来越低以及发电效率的提高，太阳能资源在我国西北地区得到了很有效的利用。集中光伏电站作为商业前景明朗的可再生新能源得到了越来越广泛的重视。和相同发电量的火电厂相比而言，光伏电站发电系统节约了大量的成本资源，同时减少了二氧化碳的排放。国内外掀起了光伏电站研究的热潮，在国内，2004年，深圳园博园建立了我国第一座兆瓦级光伏电站，2013年12月，50兆瓦光伏电站在定边县城东南侧贺圈镇成功并网发电；在国外，德国在1993年就建成了世界上第1座兆瓦级光伏电站，此后光伏电站开始向大规模级别发展。

随着光伏装机容量在电力系统中的占比越来越大，因其自身的随机波动性，给电网的安全稳定带来了较大的挑战，为了有效减小光伏电站对电网系统的冲击影响，需指定并网电压标准，这也就需要光伏电站配置较好的无功电压控制方法。

目前，针对大型集中光伏电站并网无功控制研究较少，我国的一些标准也只是给了一些简单的规定。现阶段的大部分研究点集中于如下：1)仅仅将光伏发电系统看做独立的电源，并没有考虑线路参数以及各光伏单元之间的功率耦合影响；2)大部分仅仅是从外部添加无功补偿设备，没有考虑光伏电站本身无功调节能力及两者无功协调控制策略。3)针对无功问题，几乎都是将并网点的电压作为调节目标，没考虑光伏电站系统中并网逆变器端电压波动对并网系统的影响。

发明内容

本发明目的是：针对光伏输出功率的随机波动而引起的电压问题，提出一种大型光伏电站稳态无功电压分序协调控制方法。该方法可以有效实现光伏电站安全稳定并网运行。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括以下步骤：

1)以每一台光伏发电单元自身无功出力作为第一道投入，将各光伏发电单元输出端电压调节至同一电压水平，降低光伏发电单元之间端电压的差异，提高光伏电站稳定运行裕度；

2)判断第一道投入的无功容量是否满足系统需求，若不满足，则继续增加光伏发电单元耦合无功出力作为第二道无功投入，继续增大无功输出容量，使各个光伏发电单元端电压基本达到一致状态，计算出该阶段无功输出容量；

3)判断第二道无功投入后的无功容量是否满足系统需求，若仍不满足，从外部投切动态无功补偿装置填补第二道投入后的无功缺额，维持大型光伏电站并网系统的安全稳定性。

本发明的有益效果如下：本发明充分利用了大型光伏电站内各光伏发电单元的无功输出能力，有效保持了光伏电站各光伏发电单元端电压的均衡一致，减小了端电压的差异，增强了抗外部干扰的能力，进而改善了整个集电系统电压水平，提高了大型光伏电站联网运行的安全稳定性。本发明减少了动态无功补偿装置(SVG)的投资，降低了其无功出力，保留了较多的无功裕度，从而保证在电网暂态条件下，SVG能够快速的提供足够的无功负荷，保证暂态条件下集中光伏电站安全稳定并网。

附图说明

图1是本发明实施例光伏电站结构框图。

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的一个实施例，光伏电站由模块化的光伏阵列模块构成，典型的光伏阵列模块功率等级较高。当光伏电站系统的装机容量达到几十兆瓦时，需要集电系统连接光伏阵列模块形成大型的光伏电站，其典型的结构框图如图1所示。

由图1可知，光伏电站集电系统由m行光伏发电群，每行又有n台光伏发电单元组成，其中Z₁＝R₁+jX₁是主变低压侧到电网系统的等效阻抗(R₁是等效电阻，X₁是等效电抗)，Z＝R+jX是各PV发电单元之间的等效阻抗(R是等效电阻，X是等效电抗)，Z_L1＝R_L1+jX_L1是第一行首端光伏发电单元到主变低压侧的等效阻抗(R_L1是等效电阻，X_L1是等效电抗)，Z_t＝R_t+jX_t是机箱变等值阻抗(R_t是等效电阻，X_t是等效电抗)，U_j-i是第j行第i台光伏发电单元的机箱变高压侧的电压，U_g为系统电压，U_v为主变压器低压侧的电压。

假设U_j-i是第j行第i列的光伏发电单元输出端电压为，R_Lj、X_Lj分别是第j行的首端光伏发电单元到主变低压侧的等效电阻和电抗，P_j-a、Q_j-a分别是第j行的第a台光伏发电单元有功和无功出力，根据电力系统传输线U-Q特性，可以求出U_j-i如下所示：

进一步可以得到各光伏发电单元的的输出端电压如下所示：

式中U_pvj-i是第j行的第i台光伏发电单元机箱变低压侧输出端电压，P_j-i和 Q_j-i分别是第j行第i列的光伏发电单元的有功无功出力。

根据上式可以看出，影响光伏发电单元输出端电压的因素包含了自身输出功率和其他各光伏发电单元输出功率，也就是说自身输出功率发生变化，其对应的端电压会改变，其次各光伏发电单元的输出端电压和其他发电单元的输出功率具有耦合关系，即某一台光伏发电单元的输出无功功率发生变化时，其他光伏发电单元的端电压也会受到一定的影响。某一台光伏发电单元输出端电压对其他光伏发电单元的偏导数反映了它们之间的影响关系，以第i台光伏发电单元到升压变的距离大于第s台为例，如下式所示：

其中U_{pvj -s}表示第j行的第s台光伏发电单元机箱变低压侧输出端电压。

根据上述光伏电站集电系统无功电压特性，可根据调度系统给定的参考电压值求出其无功指令。

基于以上原理，针对光伏电站集电系统而言，优先选取各光伏发电单元自身输出无功能力作为第一道无功投入，光伏电站各光伏发电单元之间耦合无功输出容量作为第二道无功投入，动态无功补偿装置SVG作为第三道无功投入，因为动态无功补偿装置SVG在暂态条件下能够很好的响应电网无功需求，协调光伏电站作为第三道无功出力时，能够为光伏电站留有更多的无功备用容量。具体步骤如图2所示。

图2中步骤1是根据该光伏电站调度指令U_ref获取当前无功需求，第一道投入的目标是将各光伏发电单元的输出端电压调节至同一电压水平，减小电压差来获取更高的安全稳定性，第一道无功出力的投入来自各光伏发电单元自身的无功调节能力，其调整量如下所示：

式中U_pvref表示各光伏发电单元机箱变低压侧输出端电压的参考值，U_pvj-i表示第j行的第i台光伏发电单元机箱变低压侧输出端电压，X_j-i是第j行第i台光伏发电单元到升压站低压侧的集电线路阻抗，ΔQ_1j-i是第j行i列光伏发电单元的第一道无功投入量，ΔQ₁是光伏电站第一道无功投入总量。按照以上无功调节之后，各光伏发电单元输出端电压基本能达到一致水平，具有较高的均衡性。

图2中步骤2是将第一道无功投入总量和光伏电站无功需求量进行计较，判断第一道无功投入总量是否大于系统无功需求。若大于，则发出无功输出指令。若不大于，则还不能满足系统无功需求，需进行第二道无功投入。第二道无功投入需考虑各光伏发电单元之间的U-Q耦合特性，即确保各光伏发电单元的输出端电压变化量都相等，可计算出耦合调节的无功输出调节能力，如下所示：

式中ΔU_pv是各个光伏发电单元机箱变低压侧的输出端电压变化量，U_pvj是第j行各光伏发电单元机箱变低压侧输出端电压，ΔQ_2j-i是第j行i列光伏发电单元的第二道无功投入量，ΔQ₂是光伏电站第二道无功投入总量。

图2中步骤3是将第二道无功投入总量和光伏电站无功需求差额进行比较，判断第二道无功投入是否大于系统无功需求差额。若大于，则发出无功输出指令。若不大于，则二道无功投入后扔不能满足系统无功需求，此时投入动态无功补偿装置SVG，发出无功调度指令。其无功投入量如下式：

ΔQ₃＝ΔQ-ΔQ₁-ΔQ₂

式中ΔQ₃是光伏电站第三道无功投入总量，ΔQ是光伏电站总的无功需求。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (1)

1.大型光伏电站无功电压分序协调控制技术，其特征在于，包括以下步骤：

1）以每一台光伏发电单元自身无功出力作为第一道投入，将各光伏发电单元输出端电压调节至同一电压水平，降低光伏发电单元之间端电压的差异，提高光伏电站稳定运行裕度；

2）判断第一道投入的无功容量是否满足系统需求，若不满足，则继续增加光伏发电单元耦合无功出力作为第二道无功投入，继续增大无功输出容量，使各个光伏发电单元端电压基本达到一致状态，计算出该阶段无功输出容量；

3）判断第二道无功投入后的无功容量是否满足系统需求，若仍不满足，从外部投切动态无功补偿装置填补第二道投入后的无功缺额，维持大型光伏电站并网系统的安全稳定性。