CN106329574A - 一种基于辐照度变化的光伏电站无功电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于辐照度变化的光伏电站无功电压控制方法，该方法根据光伏电站并网点电压值和光伏电站渗透率，分别选择功率因数控制模式、定无功控制模式和电压控制模式，为电网提供无功支撑，维持光伏电站并网点电压稳定。该方法从光伏电站层出发，充分考虑辐照度变化情况及光伏逆变器实际的无功调节能力，从而实现了光伏电站无功电压的精细化控制，充分利用光伏逆变器的无功调节能力，减少动态无功补偿设备的投资，降低光伏电站发电成本。

Description

一种基于辐照度变化的光伏电站无功电压控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于辐照度变化的光伏电站无功电压控制方法。

背景技术

光伏发电出力受辐照度影响，具有周期性、波动性和不确定性等特点。随着光伏并网容量的增加，其对电网稳定运行的影响已不容忽视。其中，无功电压问题是最受关注的问题之一。

光伏电站并网会导致系统无功不平衡使得电压下降，为了维持系统的稳定运行，光伏电站基本均加装动态无功补偿设备，以提高系统电压稳定性，但也导致光伏发电成本的增加。随着光伏逆变器技术的发展，现有光伏逆变器已具备灵活的无功调节能力，可以作为无功电源参与系统无功调节，而在实际运行中基本忽略了其无功调节能力，造成了一定资源的浪费。

随着人们逐渐认识到这一问题，开始利用光伏逆变器的无功调节能力，但现有的控制方法大多采用简单的按比例分配模式，提前制定无功计划，根据光伏电站容量或者采用等分的方式，将计划下达到各个光伏电站，没有考虑光伏电站实际有功/无功出力能力，严重影响了光伏电站的发电效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种基于辐照度变化的光伏电站无功电压控制方法，该方法从光伏电站层出发，充分考虑辐照度变化情况及光伏逆变器实际的无功调节能力，从而实现了光伏电站无功电压的精细化控制。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种基于辐照度变化的光伏电站无功电压控制方法，包括如下步骤：

步骤一、选取光伏电站并网点作为电压控制点，测量电压控制点的电压V_mea。根据电压控制点电压V_mea，判断电网系统的运行状态：

当0.97p.u.≤V_mea≤1.07p.u.时，则判断为电网系统处于正常运行状态；

当V_mea＜0.97p.u.或V_mea＞1.07p.u.时，则判断为电网系统处于异常运行状态。

步骤二、光伏电站根据电网系统的运行状态，选择无功控制模式。

若电网系统处于正常运行状态，则光伏电站根据电网调度要求选择相应的控制模式：功率因数控制模式或定无功控制模式。当光伏电站容量在电网中的比例低于5％时，选择功率因数控制模式，否则选择定无功控制模式。

若电网系统处于异常运行状态，则光伏电站选择电压控制模式。

a、若光伏电站运行于功率因数控制模式，此时控制目标为：实现光伏电站经济效益的最大化。当光伏阵列输出功率达到光伏逆变器额定的输出容量时，光伏电站输出功率为额定输出功率；否则光伏电站输出功率为实际最大输出功率。

b、若光伏电站运行于定无功控制模式，光伏电站输出恒定的无功功率，为电网提供电压支撑。

c、若光伏电站运行于电压控制模式：

首先，计算光伏电站无功需求值Q_ref：

电压控制点的无功/电压灵敏度信息根据灵敏度方程计算：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}P\\ \mathrm{\Δ}Q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{J}_{P\mathrm{\θ}}& J_{PV}\\ J_{Q\mathrm{\θ}}& J_{QV}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\\ \mathrm{\Δ}V\end{array}\right]$

式中：ΔP为系统有功功率注入变化量；ΔQ为系统无功功率注入变化量；Δθ为系统节点电压相角变化量；ΔV为系统节点电压幅值变化量；J是极坐标下的系统潮流方程雅可比矩阵，其中:

根据光伏电站电压控制点的无功/电压灵敏度信息，由PI控制器整定出输出无功功率参考值Q_ref。

然后，根据辐照度条件，判断光伏逆变器是否有无功调节裕度，步骤如下：

(1)确定光伏电站的实际有功出力P_PV。忽略光伏电池的温度，在不同太阳辐照度下，光伏发电系统的输出功率可近似为P_PV：

$P_{pv}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\η}}_c}{K_c}\·A\·{G_t}^2,& 0\≤G_t\≤K_c\\ {\mathrm{\η}}_c\·A\·G_t,& G_t>K_c\end{array}\right.$

式中：A太阳能电池板的面积；η_c为电池板的光电转换效率；K_c为阈值常数，G_t为光照强度；当光照强度G_t小于K_c时，输出功率与G_t呈二次关系，当光照强度大于K_c时，输出功率与G_t呈线性关系。

(2)受光伏逆变器是视在功率限制，光伏电站实际可调无功容量Q_real：

$Q_{real}=\sqrt{S^2-P_{PV}^2}$

其中：S为逆变器的视在功率，P_PV为光伏电站输出的有功功率。

(3)当辐照度充足时，即光伏逆变器达到额定输出容量，降低光伏电站有功出力P_PV，使得光伏电站有充分的无功调节容量，即Q_real＞Q_ref。

(4)当辐照度不充足时，即光伏逆变器未达到额定输出容量，比较光伏电站实际可调无功容量Q_real和光伏电站无功需求值Q_ref，若则光伏电站有充分的无功调节容量；若Q_real＜Q_ref，则光伏电站参与系统电压调节的无功量不足，需要降低光伏电站有功出力P_PV，直到Q_real＞Q_ref为止。

步骤三、光伏电站无功输出功率Q_out的整定，步骤如下：

(1)若光伏电站运行于功率因数控制模式下，为了追求经济效益最大化，通常使功率因数光伏电站无功输出功率Q_out＝0；

(2)若光伏电站运行于定无功控制模式下，光伏电站无功输出功率Q_out＝调度计划；

(3)若光伏电站运行于电压控制模式下，根据辐照度条件判断是否需要降低实际有功出力P_PV，使得光伏电站无功输出功率Q_out达到输出无功功率参考值Q_ref的要求，即Q_out＝Q_ref。

步骤四、将光伏电站无功输出功率Q_out，分配到各台光伏逆变器。

本发明方法从光伏电站层出发，充分考虑辐照度变化情况及光伏逆变器实际的无功调节能力，从而实现了光伏电站无功电压的精细化控制。

附图说明

图1是包含光伏电站的某区域电网示意图。

图2是光伏电池板接收辐照度变化曲线图。

图3是光伏电站输出有功功率变化曲线图。

图4是光伏逆变器实际可调无功容量变化曲线图。

图5是采用本发明方法进行无功电压控制前/后光伏电站逆变器出口电压变化图。

图6是采用本发明方法进行无功电压控制前/后光伏电站并网点35kV母线电压变化图。

图7是采用本发明方法进行无功电压控制前/后光伏电站无功出力对比图。

图8是本发明方法的光伏电站无功电压控制过程框图。

图9是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步详细描述。

实施例为实际包含光伏电站的某区域电网，如图1所示。光伏电站容量为100MWp，光伏电站逆变器出口电压为400V，经升压箱式变就地升至35kV，采用35kV电缆汇流至35kV开关柜母线后，经35/110kV主变压器升压至110kV后接入电网。

对大电网做等值处理后，光伏电站接入系统接线图如图1所示。

对光伏电站厂址所在某月一天(0:00-24:00)的太阳辐照度变化进行记录，每五分钟记录一次数据，得到如图2所示的一天中光伏电池板接收辐照度变化曲线图。

选用型号为TP672-300Wp的光伏电池组件，组件额定电流为8.33A，额定电压36.01V。光伏组件尺寸为1.65m*0.99m。光伏组件的光电转换效率η_c为20％，阈值常数K_c为200W/m²。光伏逆变器额定容量为500kWp，根据厂家资料，其工作效率为98％，所以其实际容量为490kWp。算例中，光伏电站的容量为100MWp，需要光伏逆变器200台，光伏组件数33340个。

根据光伏电池板接收的辐照度数据，光伏电站输出有功功率如图3所示。

根据图3可以看出，此时太阳辐照度不足，光伏逆变器不能达到其额定的输出容量，光伏电站有功出力不足额定容量的60％。但是此时，有充足的剩余容量可用于系统无功电压调节，光伏逆变器实际可调无功容量Q_real变化情况如图4所示。

电压控制点即并网点为光伏电站的35kV母线，光伏电站未采用无功控制策略前运行于恒功率因数(功率因数)状态。有/无采用无功控制策略时，系统内关键节点电压对比情况如下图所示。图5采用本发明方法进行无功电压控制前/后光伏电站逆变器出口电压变化图。图6为采用本发明方法进行无功电压控制前/后光伏电站并网点35kV母线电压变化图。

当辐照度变化时，光伏电站的有功输出功率随之变化，导致系统关键节点电压发生改变。从图4中可以看出：夜间，光伏电站辐照度为0时，光伏电站有功出力为0kW，35kV母线电压低于系统电压偏差允许最小值(0.97pu)，最多低至0.962pu。当光伏电站辐照度上升时，光伏电站有功出力增加，35kV母线电压上升。但随着光伏电站辐照度持续上升后，35kV母线电压发生越限，高于系统电压允许偏差最大值(1.07pu)。当光伏电站采用无功控制策略后，受辐照度影响，光伏电站有功出力未达到逆变器额定输出功率，有充分的剩余容量用于系统无功电压调节，使得35kV母线电压基本维持在1.0pu附近，有效的调节了系统关键节点电压，较未采用控制策略前电压水平有明显的提高。

系统关键节点的无功/电压灵敏度指标为0.0043。根据无功/电压灵敏度指标，光伏电站无功出力的变化如图7所示。未采用控制策略之前，逆变器无功出力为0。

Claims (1)

1.一种基于辐照度变化的光伏电站无功电压控制方法，其步骤如下：

步骤一、选取光伏电站并网点作为电压控制点，测量电压控制点的电压V_mea；根据电压控制点电压V_mea，判断电网系统的运行状态：

当0.97p.u.≤V_mea≤1.07p.u.时，则判断为电网系统处于正常运行状态；

当V_mea＜0.97p.u.或V_mea＞1.07p.u.时，则判断为电网系统处于异常运行状态；

步骤二、光伏电站根据电网系统的运行状态，选择无功控制模式：

若电网系统处于正常运行状态且光伏电站容量在电网中的比例低于5％时，选择功率因数控制模式，若电网系统处于正常运行状态且光伏电站容量在电网中的比例大于5％时，选择定无功控制模式；

若电网系统处于异常运行状态，则光伏电站选择电压控制模式；

a、若光伏电站运行于功率因数控制模式：当光伏阵列输出功率达到光伏逆变器额定的输出容量时，光伏电站输出功率为额定输出功率；否则光伏电站输出功率为实际最大输出功率；

b、若光伏电站运行于定无功控制模式：光伏电站输出恒定的无功功率；

c、若光伏电站运行于电压控制模式：

c₁.计算光伏电站无功需求值Q_ref：

电压控制点的无功/电压灵敏度信息根据灵敏度方程计算

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}P\\ \mathrm{\Δ}Q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{J}_{P\mathrm{\θ}}& J_{PV}\\ J_{Q\mathrm{\θ}}& J_{QV}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\\ \mathrm{\Δ}V\end{array}\right]$

式中：ΔP为系统有功功率注入变化量；ΔQ为系统无功功率注入变化量；Δθ为系统节点电压相角变化量；ΔV为系统节点电压幅值变化量；J是极坐标下的系统潮流方程雅可比矩阵，其中:

根据光伏电站电压控制点的无功/电压灵敏度信息，由PI控制器整定出输出无功功率参考值Q_ref；

c₂.根据辐照度条件，判断光伏逆变器是否有无功调节裕度：

c_2.1.确定光伏电站的实际有功功率P_PV：

$P_{pv}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\η}}_c}{K_c}\·A\·G_t^2,& 0\≤G_t\≤K_c\\ {\mathrm{\η}}_c\·A\·G_t,& G_t>K_c\end{array}\right.$

式中：A是太阳能电池板的面积，η_c为电池板的光电转换效率，K_c为阈值常数，G_t为光照强度；

c_2.2.光伏电站实际可调无功容量Q_real：

$Q_{real}=\sqrt{S^2-P_{PV}^2}$

其中：S为逆变器的视在功率；

c_2.3.当辐照度充足时，光伏逆变器达到额定输出容量，降低光伏电站实际有功功率P_PV，使得光伏电站有充分的无功调节容量，即Q_real＞Q_ref；

c_2.4.当辐照度不充足时，光伏逆变器未达到额定输出容量，比较Q_real和Q_ref，若Q_real＞Q_ref，则光伏电站有充分的无功调节容量；若Q_real＜Q_ref，则光伏电站参与系统电压调节的无功量不足，降低光伏电站有功出力P_PV，直到Q_real＞Q_ref为止；

步骤三、光伏电站无功输出功率Q_out的整定：

(1)若光伏电站运行于功率因数控制模式下，功率因数光伏电站无功输出功率Q_out＝0；

(2)若光伏电站运行于定无功控制模式下，光伏电站无功输出功率Q_out＝调度计划；

(3)若光伏电站运行于电压控制模式下，光伏电站无功输出功率Q_out＝Q_ref；

步骤四、将光伏电站无功输出功率Q_out，分配到各台光伏逆变器。