CN106099942A - 一种考虑无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度的光伏电站无功电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度的光伏电站无功电压控制方法，属于电力系统自动化技术领域。本发明根据光伏电站运行实时监控平台获取并网点电压信息，利用集电系统参数计算光伏电站内无功功率需求，结合光伏并网逆变器安全稳定运行指标计算其无功输出调节范围，根据无功偏差信号和并网点电压偏差信号计算无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度等指标信息，并根据无功需求量、无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度，确定各并网逆变器的无功输出量，必要时启动并网点变压器低压侧动态无功补偿装置SVG。本发明方法可有效改善并网点电压水平和降低光伏电站集电系统网络损耗，为大型光伏电站无功电压控制策略提供了理论指导。

Description

一种考虑无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度的光伏电站无功 电压控制方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体来说，本发明涉及一种考虑无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度的光伏电站无功电压控制方法。

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。光伏电站作为最具规模化开发和商业化发展前景的新能源，受到越来越广泛的重视。

对于小容量光伏发电系统或分布式光伏发电系统，目前的研究集中于最大有功功率输出为最大目标，忽略了很多影响安全稳定运行的因素。随着光伏电站的规模越来越大，由几十甚至上百MW级，其安全稳定运行的指标特征已全然不同于小容量光伏并网系统，尤其是光伏电站并网的无功电压问题。光伏电站外部光照强度、温度以及并网容量的改变都会引起并网点电压的波动甚至越限，因此有必要对光伏电站的并网电压稳定性进行深入的分析。

目前，针对大型集中光伏电站并网无功电压问题研究较少，我国的一些标准也只是给了一些简单的规定。而在目前的示范工程中，对于无功引起的电压波动等问题都是从外部添加大量的无功补偿设备，虽然能够有效抑制电压波动问题，但是没有充分挖掘并网逆变器自身的无功潜力以及带来了较大的成本投资，不具备高效经济性。

发明内容

本发明目的是：针对光伏电站无功功率而引起的并网点电压波动问题，提出一种考虑无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度的光伏电站无功电压控制方法，从而有效保证光伏电站的并网运行。

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)根据光伏电站集控运行平台获取并网点电压和有功出力信息，计算系统无功需求ΔQ和各并网逆变器的无功调节范围Q_max～Q_min；

2)比较ΔQ和Q_max的大小，若Q_max不小于ΔQ，表明逆变器无功输出之和能够满足系统的需求，无需启动SVG，进入步骤3)根据无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度分配每一台并网逆变的无功输出；

若Q_max<ΔQ，表明逆变器无功输出之和不能够满足系统的需求，则启动SVG，各并网逆变器输出最大无功功率，SVG承担余下的无功功率；

3)判断系统并网点电压是否满足要求，若满足要求，则根据光伏电站无功损耗灵敏度制定并网逆变器无功输出顺序，若不满足要求，则根据无功电压灵敏度制定并网逆变器无功输出顺序；

所述无功损耗灵敏度是指光伏电站集电系统网络损耗对节点注入无功功率的灵敏度，所述无功电压灵敏度是指并网逆变器输出的无功功率引起并网点电压变化的灵敏度，通过以下方式计算：根据光伏电站集电系统等效电路模型，求出系统的有功功率损耗，列出集电系统的潮流约束条件，结合集电系统的网络损耗和潮流约束方程推导出集电系统网络损耗对各节点系统的灵敏度，得到所述无功损耗灵敏度，并利用牛顿-拉夫逊方法求解潮流约束方程，得到系统注入功率和节点电压及相角的关系，从而得到所述无功电压灵敏度。

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，能够根据各节点的无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度有效分配各光伏并网逆变器的无功出力，有效增强系统运行稳定性和提高经济性。能够减少动态无功补偿装置SVG的投资，降低其无功出力，保留较多的无功裕度，从而有效保证光伏电站的并网运行。

附图说明

图1是光伏电站集电系统结构框图。

图2是单台光伏并网逆变器结构图。

图3是本发明实施例的无功分配方案流程图。

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：

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是主变低压侧到电网系统的等效阻抗，Z是各PV发电单元之间的等效阻抗，Z_L1是首端光伏发电单元到主变低压侧的等效阻抗，Z_t是机箱变等值阻抗，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。

而每一个光伏阵列的结构框图如图2所示，其中L₁为逆变器侧电感，L₂为网侧电感，C为滤波电容；U_dc为逆变器输入直流电压；U_1a、U_1b、U_1c为逆变器三相输出电压；U_ca、U_cb、U_cc为三相滤波电容端电压；E_a、E_b、E_c为并网点相对电网三相电压；I_1a、I_1b、I_1c为流过电感L₁的三相电流；I_ca、I_cb、I_cc为流过电容C的三相电流；I_2a、I_2b、I_2c为流过电感L₂的三相电流。忽略了L₁和L₂的等效串联电阻以及滤波电容C的阻尼电阻。

为保证逆变器电力电子器件的运行安全，允许的最大电流留有较大的域度为额定电流I_N有效值的10％，可得无功约束条件为：

$-\sqrt{\frac{9}{4}{U}_V^2{I}_{\max }^2-P^2}\&le;Q\&le;\sqrt{\frac{9}{4}{U}_V^2{I}_{\max }^2-P^2}---\left(1\right)$

其中，P是各台光伏并网逆变器输出的有功功率，Q是各台光伏并网逆变器输出的无功功率，I_max为最大运行电流幅值，其值为

同时，又为保证逆变器SPWM控制的有效性和输出电压的波形质量，调制比取最大值1时，可得无功约束条件为：

$-\sqrt{{\left(\frac{3}{4}\frac{U_{dc}{U}_V}{\mathrm{\&omega;}L}\right)}^2-P^2}-\frac{3}{2}\frac{U_V^2}{\mathrm{\&omega;}L}\&le;Q\&le;-\sqrt{{\left(\frac{3}{4}\frac{U_{dc}{U}_V}{\mathrm{\&omega;}L}\right)}^2-P^2}-\frac{3}{2}\frac{U_V^2}{\mathrm{\&omega;}L}---\left(2\right)$

根据式(1)和式(2)可得单台光伏并网逆变器的无功调节范围为：

$Q_{\min }=\max (-\sqrt{\frac{9}{4}{U}_V^2{I}_{\max }^2-P^2},-\sqrt{{\left(\frac{3}{4}\frac{U_{dc}{U}_V}{\mathrm{\&omega;}L}\right)}^2-P^2}-\frac{3}{2}\frac{U_V^2}{\mathrm{\&omega;}L})---\left(3\right)$

$Q_{\max }=\min (-\sqrt{\frac{9}{4}{U}_V^2{I}_{\max }^2-P^2},\sqrt{{\left(\frac{3}{4}\frac{U_{dc}{U}_V}{\mathrm{\&omega;}L}\right)}^2-P^2}-\frac{3}{2}\frac{U_V^2}{\mathrm{\&omega;}L})---\left(4\right)$

式中ω是逆变器输出基波角频率，L＝L₁+L₂为滤波电感之和。

光伏电站无功需求ΔQ可根据光伏电站集控运行平台实时监测的并网点电压和光伏并网逆变器有功出力确定。

无功损耗灵敏度是指光伏电站集电系统网络损耗对节点注入无功功率的灵敏度，所述无功电压灵敏度是指并网逆变器输出的无功功率引起并网点电压变化的灵敏度，通过以下方式计算：根据光伏电站集电系统等效电路模型，求出系统的有功功率损耗，列出集电系统的潮流约束条件，结合集电系统的网络损耗和潮流约束方程推导出集电系统网络损耗对各节点系统的灵敏度，得到所述无功损耗灵敏度，并利用牛顿-拉夫逊方法求解潮流约束方程，得到系统注入功率和节点电压及相角的关系，从而得到所述无功电压灵敏度。

具体而言，令光伏电站的总结点数为k，则集电系统的网损为：

$P_{loss}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_i\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\&delta;}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\&delta;}}_{ij})---\left(5\right)$

式中P_loss是集电系统的网损，U_i、U_j是节点i和节点j的电压；δ_ij是节点i和节点j的相位差。由于光伏并网逆变器一般采用恒功率因素控制，当做PQ节点，则其潮流约束方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i=U_i\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\&delta;}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\&delta;}}_{ij})\\ Q_i=U_i\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\&delta;}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\&delta;}}_{ij})\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，P_i、Q_i为节点i注入的有功和无功功率。

根据集电系统网损和潮流约束方程可得出集电系统网损对节点功率变化的灵敏度为：

$S_1=\left[\begin{array}{c}\frac{\&part;P_{loss}}{\&part;P}\\ \frac{\&part;P_{loss}}{\&part;Q}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}\frac{\&part;P}{\&part;\mathrm{\&delta;}}& \frac{\&part;Q}{\&part;\mathrm{\&delta;}}\\ \frac{\&part;P}{\&part;U}U& \frac{\&part;Q}{\&part;U}U\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\frac{\&part;P_{loss}}{\&part;\mathrm{\&delta;}}\\ U\frac{\&part;P_{loss}}{\&part;U}\end{array}\right]---\left(7\right)$

则无功损耗灵敏度为：

$\frac{\&part;P_{loss}}{\&part;Q}=\frac{\&part;P}{\&part;U}\&times;U\&times;\frac{\&part;P_{loss}}{\&part;\mathrm{\&delta;}}+\frac{\&part;Q}{\&part;U}\&times;U^2\&times;\frac{\&part;P_{loss}}{\&part;U}---\left(8\right)$

而系统注入功率与节点电压、相角的关系为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}P\\ \mathrm{\&Delta;}Q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{\&part;P_V}{\&part;{\mathrm{\&delta;}}_V}& \frac{\&part;P_V}{\&part;U_V}{U}_V\\ \frac{\&part;Q_V}{\&part;{\mathrm{\&delta;}}_V}& \frac{\&part;Q_V}{\&part;U_V}{U}_V\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&delta;}}_V\\ \frac{{\mathrm{\&Delta;U}}_V}{U_V}\end{array}\right]---\left(9\right)$

则求逆可得：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&delta;}}_V\\ \frac{{\mathrm{\&Delta;U}}_V}{U_V}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}\frac{\&part;P_V}{\&part;{\mathrm{\&delta;}}_V}& \frac{\&part;P_V}{\&part;U_V}{U}_V\\ \frac{\&part;Q_V}{\&part;{\mathrm{\&delta;}}_V}& \frac{\&part;Q_V}{\&part;U_V}{U}_V\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}P\\ \mathrm{\&Delta;}Q\end{array}\right]---\left(10\right)$

即可求得无功电压灵敏度。其中P_V、Q_V、δ_V分别是并网点的有功功率、无功功率和相角。

本实施例无功电压控制方法的具体控制过程如下：

1)根据光伏电站集控运行平台获取并网点电压和有功出力信息，计算系统无功需求ΔQ和各并网逆变器的无功调节范围Q_max～Q_min；

2)比较ΔQ和Q_max的大小，若Q_max不小于ΔQ，表明逆变器无功输出之和能够满足系统的需求，无需启动SVG，进入步骤3)根据无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度分配每一台并网逆变的无功输出；

若Q_max<ΔQ，表明逆变器无功输出之和不能够满足系统的需求，则启动SVG，各并网逆变器输出最大无功功率，SVG承担余下的无功功率；

3)判断系统并网点电压是否满足要求，若满足要求，则根据光伏电站无功损耗灵敏度制定并网逆变器无功输出顺序，若不满足要求，则根据无功电压灵敏度制定并网逆变器无功输出顺序。

可见，本实施例根据光伏电站运行实时监控平台获取并网点电压信息，利用集电系统参数计算光伏电站内无功功率需求，结合光伏并网逆变器安全稳定运行指标计算其无功输出调节范围，根据无功偏差信号和并网点电压偏差信号计算无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度等指标信息，并根据无功需求量、无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度，确定各并网逆变器的无功输出量，必要时启动并网点变压器低压侧动态无功补偿装置SVG。本实施例可有效改善并网点电压水平和降低光伏电站集电系统网络损耗，为大型光伏电站无功电压控制策略提供了理论指导。

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)

1.一种考虑无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度的光伏电站无功电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据光伏电站集控运行平台获取并网点电压和有功出力信息，计算系统无功需求ΔQ和各并网逆变器的无功调节范围Q_max～Q_min；

2)比较ΔQ和Q_max的大小，若Q_max不小于ΔQ，表明逆变器无功输出之和能够满足系统的需求，无需启动SVG，进入步骤3)根据无功电压灵敏度和无功损耗灵敏度分配每一台并网逆变的无功输出；

若Q_max<ΔQ，表明逆变器无功输出之和不能够满足系统的需求，则启动SVG，各并网逆变器输出最大无功功率，SVG承担余下的无功功率；

3)判断系统并网点电压是否满足要求，若满足要求，则根据光伏电站无功损耗灵敏度制定并网逆变器无功输出顺序，若不满足要求，则根据无功电压灵敏度制定并网逆变器无功输出顺序；

所述无功损耗灵敏度是指光伏电站集电系统网络损耗对节点注入无功功率的灵敏度，所述无功电压灵敏度是指并网逆变器输出的无功功率引起并网点电压变化的灵敏度，通过以下方式计算：根据光伏电站集电系统等效电路模型，求出系统的有功功率损耗，列出集电系统的潮流约束条件，结合集电系统的网络损耗和潮流约束方程推导出集电系统网络损耗对各节点系统的灵敏度，得到所述无功损耗灵敏度，并利用牛顿-拉夫逊方法求解潮流约束方程，得到系统注入功率和节点电压及相角的关系，从而得到所述无功电压灵敏度。