CN106532783B - 分布式光伏协调控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种分布式光伏协调控制系统，属于电力系统运行控制技术领域。本发明的目的是通过控制算法预测电压到达预警值时的最大光伏有功输出，并将此值分配给各光伏逆变器的分布式光伏协调控制系统。本发明所述系统采用主从控制方式，一个协调控制中心和多个协调控制终端，之间采用无线通信连接，所述协调控制中心包括协调控制服务器操作系统，所述协调控制终端包括光伏列阵、光伏逆变器和终端服务器；在所述协调控制中心和协调控制终端设有通信连接的无线通信系统。本发明能够实现快速准确控制配电网电压，避免电压越限。

Description

分布式光伏协调控制系统
技术领域
本发明属于电力系统运行控制技术领域。
背景技术
目前，以光伏、水电、风电为代表的分布式可再生能源蓬勃发展，其中光伏发电发展最为迅速。光伏发电有集中式发电和分布式发电两种发电形式。集中式发电通常将电厂建立在偏远地区，通过输电线路运输电能，成本高，运输不灵活。分布式光伏发电(Photovoltaic,PV)是将分布式电源安置在用户附近，运行方式灵活，具有改善电压质量的潜力。越来越多的供电企业计划将分布式光伏发电并网，光伏的并网运行将改变电网潮流，导致电网电压升高，尤其是光伏发电单元并网点(point of common coupling,PCC)电压。电压升高降低当地的供电质量，线路和变压器等输配电设备损耗增大，系统过载，限制电网接入更多的发电系统，影响光伏发电单元渗透率。
现有部分文献提出通过安装大型的导体和变压器改造现有配电网络，进而管理电网电压，但这些方法成本高，不易实施。还有部分文献提出通过调整变压器分接头的位置管理电网电压，但馈线末端电压难以很好的管理。另外部分文献研究了应用较广的无功补偿控制方法，分布式光伏规模较小时采用此种方法需安装电抗器和VAR设备吸收电感无功。电网中光伏逆变器也可以提供无功补偿，逆变器提供的无功主要受逆变器本身容量限制，当光伏有功出力低于逆变器额定容量时，剩余容量可向电网提供无功补偿，调节并网点电压。在大规模分布式光伏发电接入配电网的背景下，依靠传统电力系统的电压调整方式和无功补偿，不能完全有效地管理电网电压，需要光伏发电系统与电网终端设备相互协调共同管理电网电压。
发明内容
本发明的目的是通过控制算法预测电压到达预警值时的最大光伏有功输出，并将此值分配给各光伏逆变器的光伏协调控制系统。
本发明所述系统采用主从控制方式，一个协调控制中心和多个协调控制终端，之间采用无线通信连接，所述协调控制中心包括协调控制服务器操作系统，所述协调控制终端包括光伏列阵、光伏逆变器和终端服务器；在所述协调控制中心和协调控制终端设有通信连接的无线通信系统。
本发明通信采用无线通信的方式是指采取GPRS通信方式、射频通信方式或4G通信方式。
本发明实时获取分布式光伏接入点的电压信息和光伏的输出功率，通过协调控制方法得到未来时刻最优的光伏输出功率，调节光伏的有功功率管理电网电压。
本发明分布式光伏协调控制系统的控制方法：
(1)并网点电压的遥调目标值通过以太网接口传送到控制终端服务器，服务器实时获取控遥调目标值；
(2)为了保证电能质量和运行的安全性，国家标准GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》规定的分布式光伏接入的电网正常工作电压标幺值范围0.93pu–1.07pu；设定电压预警值取正常工作时上限值中的最小值Vc1，控制系统设定的预警值Vc2；
(3)在t0时刻某一并网点i的电压值Vi(t0)与控制系统设定的预警值Vc1进行比较，Vi(t0)＞Vc1启动控制终端与协调控制中心的通信连接，协调控制中心发送命令，通知邻近分布式光伏记录并上传各自并网点电压和光伏输出功率Pi(t0)；
(4)在t2时刻并网点电压Vi(t2)，Vi(t2)与控制系统设定的预警值Vc2进行比较，Vi(t2)＞Vc2则启动电压控制，确定分布式光伏发电单元发出的功率上限值Pref,i(t2)；
(5)确定各分布式光伏发电单元发出的功率上限值Pres；对并网点电压值和功率进行实时测量，测量时间间隔较短小至几十微秒，根据两点[Pi(t0)，Vi(t0)]，[Pi(t1)，Vi(t1)]绘制直线AB段，直线的斜率为：
Figure GDA0002374974390000021
式中Vi(t1)＝Vc1+0.5％，Pi(t1)为Vi(t1)＝Vc1+0.5％时光伏的输出功率；光伏逆变器输出的电压以步长0.5％pu进行变化，并网点电压变化步长也为0.5％pu进行变化，Vi(t1)步长为0.5％pu；Vi(t2)达到Vc2，即直线AB延长到点C，根据式(5)确定电压值为Vc2时对应的最大的功率Pi,c(t2)；
Pi,c(t2)＝Pi(t0)+(Vc2-Vc1)/ρi (6)
将(6)式确定的功率Pi,c(t2)与光伏最大功率跟踪确定的最大输出功率Pi,m(t2)相比，若Pi,c(t2)＞Pi,m(t2)光伏的输出功率保持不变，若Pi,c(t2)＜Pi,m(t2)变光伏的输出功率控制在Pi,c(t2)，即光伏输出功率的上限值为：
Pref,i(t2)＝min[Pi,c(t2),Pi,m(t2)] (7)
将上述确定的光伏输出有功功率上限值分配给各终端服务器；由潮流计算电压公式
Figure GDA0002374974390000022
可知Pm,c减少Vi(t)将下降，即并网点电压下降；式中V1(t)为网络首端电压，ΔVi为电压变化，Pm为节点负荷r为线路的单位负荷，li为两节点间线路的长度。
本发明能够实现快速准确控制配电网电压，避免电压越限。与现有技术相比本发明的有益效果是：
(1)稳态条件管理电网电压采用调节光伏有功输出的方式，降低无功补偿装置的出力，减少无功装置的电能消耗。为无功补偿设备保留较多的裕度，用于保证暂态时，无功装置快速提供无功功率，保证暂态下分布式光伏并网电压稳定；
(2)当个别分布式光伏发电单元因故障退出运行时，只是减少了配电网中的检测控制节点，并不影响控制方法的整体运行。
附图说明
图1是分布式光伏协调控制中心与控制终端等设备的网络连接关系图；
图2是分布式光伏接入33节点配电网络接线简图；
图3是分布式光伏协调控制方法流程图；
图4是控制算法中并网点电压-功率关系图；
图5是两种类型的太阳光照数据图；
图6是两种类型的光照下并网点电压波形；
图7是分布式光伏协调控制下并网点电压波形。
具体实施方式
本发明所述系统采用主从控制方式，一个协调控制中心和多个协调控制终端，之间采用无线通信连接，所述协调控制中心包括协调控制服务器操作系统，所述协调控制终端包括光伏列阵、光伏逆变器和终端服务器；在所述协调控制中心和协调控制终端设有通信连接的无线通信系统。
本发明通信采用无线通信的方式是指采取GPRS通信方式、射频通信方式或4G通信方式。
本发明实时获取分布式光伏接入点的电压信息和光伏的输出功率，通过协调控制方法得到未来时刻最优的光伏输出功率，调节光伏的有功功率管理电网电压。
本发明分布式光伏协调控制系统的控制方法：
(1)并网点电压的遥调目标值通过以太网接口传送到控制终端服务器，服务器实时获取控遥调目标值；
(2)为了保证电能质量和运行的安全性，国际标准规定的分布式光伏接入的电网正常工作电压下降到一个狭窄的范围；设定电压预警值取正常工作时上限值中的最小值Vc1，控制系统设定的预警值Vc2；
(3)在t0时刻某一并网点i的电压值Vi(t0)与控制系统设定的预警值Vc1进行比较，Vi(t0)＞Vc1启动控制终端与协调控制中心的通信连接，协调控制中心发送命令，通知邻近分布式光伏记录并上传各自并网点电压和分布式光伏输出功率Pi(t0)；
(4)t2时刻并网点电压为Vi(t2)，Vi(t2)与控制系统设定的预警值Vc2进行比较，Vi(t2)＞Vc2则启动电压控制，确定分布式光伏发电单元发出的功率上限值Pref,i(t2)；
(5)确定各分布式光伏发电单元发出的功率上限值Pres；对并网点电压值和功率进行实时测量，测量时间间隔较短小至几十微秒，根据两点[Pi(t0)，Vi(t0)]，[Pi(t1)，Vi(t1)]绘制直线AB段，直线的斜率为：
Figure GDA0002374974390000031
式中Vi(t1)＝Vc1+0.5％，Pi(t1)为Vi(t1)＝Vc1+0.5％时光伏的输出功率；光伏逆变器输出的电压以步长0.5％pu进行变化，并网点电压变化步长也为0.5％pu进行变化，Vi(t1)步长为0.5％pu；Vi(t2)达到Vc2，即直线AB延长到点C，根据式(5)确定电压值为Vc2时对应的最大的功率Pi,c(t2)；
Pi,c(t2)＝Pi(t0)+(Vc2-Vc1)/ρi (6)
将(6)式确定的功率Pi,c(t2)与光伏最大功率跟踪确定的最大输出功率Pi,m(t2)相比，若Pi,c(t2)＞Pi,m(t2)光伏的输出功率保持不变，若Pi,c(t2)＜Pi,m(t2)变光伏的输出功率控制在Pi,c(t2)，即光伏输出功率的上限值为：
Pref,i(t2)＝min[Pi,c(t2),Pi,m(t2)] (7)
将上述确定的光伏输出有功功率上限值分配给各终端服务器；由潮流计算电压公式
Figure GDA0002374974390000041
可知Pm,c减少Vi(t)将下降，即并网点电压下降；式中V1(t)为网络首端电压，ΔVi为电压变化，Pm为节点负荷r为线路的单位负荷，li为两节点间线路的长度。
以下对本发明做进一步详细描述：
本发明所述系统采用主从控制方式，一个协调控制中心和多个协调控制终端，之间采用无线通信连接。所述协调控制中心包括协调控制服务器和Simulink/Simpowersystems软件，所述协调控制终端包括光伏列阵、光伏逆变器和终端服务器。其特征在于：在所述协调控制中心和协调控制终端设有通信连接的无线通信系统。光伏逆变器与协调控制终端设备连有的数据通信设备，电网电压的调控结果快速施加于各控制终端。
构建网络架构，网络连接关系示意图如图1所示，各光伏列阵与对应的光伏逆变器相连，采用SUNGROW光伏光伏逆变器并网，光伏逆变器控制光伏的功率输出，光伏逆变器通过以太网接口与控制终端服务器相连。终端服务器与协调控制中心通过通信系统接入控制网络，采用华为GSM无线数据通信设备构成通信系统，通信设备通过以太网通信接口与协调控制中心的计算机相连，协调控制中心通过通信系统对分布式光伏输出功率与并网点电压进行实时测量。
本发明采用协调控制各光伏有功输出方式控制电压，充分调用光伏逆变器的控制能力，可以降低无功补偿装置的出力，减少无功装置的无功消耗。为无功补偿设备保留较多的裕度，用于保证暂态时，无功装置快速提供无功功率，保证暂态下含分布式光伏的电网电压稳定。
光伏逆变器具有标准以太网通信接口和RS485通信接口，可以与外界进行通信，本发明通信方式采用无线通信的方式，无线通信方式多样化，有GPRS通信方式、射频通信方式、4G通信方式等多种通信方式，可根据需要灵活选择通信方式。
实时获取分布式光伏接入点的电压信息和光伏的输出功率，通过协调控制方法得到未来时刻最优的光伏输出功率，调节光伏的有功功率管理电网电压。
本发明控制方法包括以下步骤：
(1)并网点电压的遥调目标值通过以太网接口传送到控制终端服务器，服务器实时获取控遥调目标值。
(2)为了保证电能质量和运行的安全性，国际标准规定的分布式光伏接入的电网正常工作电压下降到一个狭窄的范围。例如，在中国光伏发电系统正常运行并网点电压标幺值范围0.93pu–1.07pu,在美国为0.95–1.05pu，加拿大0.917–1.042pu。在极端的条件下，相对电压范围可以放宽到0.88pu–1.1pu在中国,美国为0.88–1.1pu，加拿大为0.88pu–1.058pu.当电压超出范围的操作条件下，光伏系统被切断。在这里为了方便叙述电压标幺值简称为电压值。为不失一般性，在本发明中设定电压预警值取正常工作时3个电压范围的上限值中的最小值1.042pu作Vc1，同样极端条件下的各上限的最小值1.058pu，为留有一定的裕度这里Vc2取1.053pu。
(3)在t0时刻某一并网点i的电压值Vi(t0)与控制系统设定的预警值Vc1进行比较，Vi(t0)＞Vc1启动控制终端与协调控制中心的通信连接，协调控制中心发送命令，通知邻近分布式光伏记录并上传各自并网点电压和分布式光伏输出功率Pi(t0)。
(4)在t2时刻并网点电压Vi(t2)，Vi(t2)与控制系统设定的预警值Vc2进行比较，Vi(t2)＞Vc2则启动电压控制，确定分布式光伏发电单元发出的功率上限值Pref,i(t2)。
(5)确定各分布式光伏发电单元发出的功率上限值Pres。对并网点电压值和功率进行实时测量，测量时间间隔较短小至几十微秒，可近似认为在较短时间内并网点电压和光伏输出功率之间为线性关系，根据两点[Pi(t0)，Vi(t0)]，[Pi(t1)，Vi(t1)]绘制直线如图4所示AB段，直线的斜率为：
Figure GDA0002374974390000051
式中Vi(t1)＝Vc1+0.5％，Pi(t1)为Vi(t1)＝Vc1+0.5％时光伏的输出功率。光伏逆变器输出的电压以步长0.5％pu进行变化，并网点电压变化步长也为0.5％pu进行变化，Vi(t1)步长为0.5％pu。Vi(t2)达到Vc2，即图4中直线AB延长到点C，根据式(5)确定电压值为Vc2时对应的最大的功率Pi,c(t2)；
Pi,c(t2)＝Pi(t0)+(Vc2-Vc1)/ρi (6)
将(6)式确定的功率Pi,c(t2)与光伏最大功率跟踪确定的最大输出功率Pi,m(t2)相比，若Pi,c(t2)＞Pi,m(t2)光伏的输出功率保持不变，若Pi,c(t2)＜Pi,m(t2)变光伏的输出功率控制在Pi,c(t2)，即光伏输出功率的上限值为：
Pref,i(t2)＝min[Pi,c(t2),Pi,m(t2)] (7)
将上述确定的光伏输出有功功率上限值分配给各终端服务器。由潮流计算电压公式
Figure GDA0002374974390000052
可知Pm,c减少Vi(t)将下降，即并网点电压下降。式中V1(t)为网络首端电压，ΔVi为电压变化，Pm为节点负荷r为线路的单位负荷，li为两节点间线路的长度。图4的CD段为不加控制时电压的变化，可以看出在t3时刻电压严重越限。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
1、本发明使用33节点配电系统，网中有32条支路、1个电源网络首端基准电压，每个节点都接有负荷，为表示清晰负荷没有标出。分别在电网的bus8,bus11,bus14,bus27,bus32,bus19,bus22,bus25节点并入8个参数相同的光伏发电系统，接线简图如图2所示，分布式光伏协调控制方法流程图如图3所示。采集一天中6时到20时共14个小时的光伏电池的太阳辐射照度数据，绘制波形如图5所示，a组为晴天的辐射照度，b组为阴天的辐射照度。
2、为说明本发明提出的控制方法的有效性，首先不加协调控制，系统不启动，分布式光伏并网运行，监测14个小时的并网点电压，绘制波形如图7所示，并网点电压随光伏出力增大而升高，bus14，bus11，bus8位于长线路上，上午10时到下午16时太阳辐射照度最强时即光伏输出功率最大时，靠近变压器侧bus8电压越限分别为1.059pu和1.067pu，靠近馈线末端并网点bus14电压严重越限，电压分别为1.088pu和1.096pu。bus19，bus25，bus22位于较短线路上并靠近变压器侧，此三个并网点电压变化较小没有出现电压越限。以上数据表明不加控制，大规模光伏并网后，光伏输出功率较大时，并网点电压严重越限，配电网电压质量降低。
4、分布式光伏并网运行采用分布式光伏协调控制方法管理电网电压。
步骤1：根据电压质量规定设定预警电压Vc1标幺值为1.045pu，Vc2标幺值为1.053pu。
步骤2：控制系统实时获取遥调目标值，该目标值是并网点电压。
步骤3：协调控制系统在t0时刻测得某一并网点电压标幺值Vi(t0)，与控制系统设定的预警值1.045pu进行比较，Vi(t0)＞1.045pu启动通信连接，发送广播命令，通知邻近分布式光伏记录各自并网点电压Vi(t0)和分布式光伏输出功率Pi(t0)。
步骤4：t1时刻获取并网点电压Vi(t1)＝1.045pu+0.5％，此时光伏输出功率Pi(t1)。
步骤5：系统在t2获取并网点电压Vi(t2)，与控制系统设定的预警值1.053pu进行比较，若Vi(t2)<1.053pu不启动电压控制，若Vi(t2)>1.053pu则启动电压控制，并将t0和t1时刻获取的并网点电压值和光伏输出功率值按(5)进行计算，计算出并网点电压-功率曲线的斜率ρi。
根据式(5)确定电压值为Vc2时对应的最大的功率Pi,c(t2)；
Pi,c(t2)＝Pi(t0)+(Vc2-Vc1)/ρi (6)
确定光伏输出有功功率的上限值；将(6)式确定的功率Pi,c(t2)与光伏最大功率跟踪确定的最大输出功率Pi,m(t2)相比，若Pi,c(t2)＞Pi,m(t2)光伏的输出功率保持不变，若Pi,c(t2)＜Pi,m(t2)变光伏的输出功率控制在Pi,c(t2)，即光伏输出功率的上限值为：
Pref,i(t2)＝min[Pi,c(t2),Pi,m(t2)] (7)
协调控制中心通过通信系统将上述确定的光伏输出有功功率上限值发送给各终端服务器，控制光伏输出功率为Pref,i(t2)。
采用本申请公开的控制方法后的电压变化如图7所示，因电压变化步长为0.5％pu，Vi(t2)>1.053pu启动控制，在电压的下一个步长即电压值为1.058pu控制实施。并网点电压均在1.058pu以下，改变了高于1.058pu的节点电压，低于1.058的节点电压没有发生变化，没有出现末端电压过低的情况，控制效果较好。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种分布式光伏协调控制系统的控制方法，其特征在于：所述系统采用主从控制方式，一个协调控制中心和多个协调控制终端，之间采用无线通信连接，所述协调控制中心包括协调控制服务器操作系统，所述协调控制终端包括光伏列阵、光伏逆变器和终端服务器；在所述协调控制中心和协调控制终端设有通信连接的无线通信系统；
其中通信采用无线通信的方式是指采取GPRS通信方式、射频通信方式或4G通信方式；
实时获取分布式光伏接入点的电压信息和光伏的输出功率，通过协调控制方法得到未来时刻最优的光伏输出功率，调节光伏的有功功率管理电网电压；
其控制方法是：
(1)并网点电压的遥调目标值通过以太网接口传送到控制终端服务器，服务器实时获取遥调目标值；
(2)根据电压质量规定设定预警电压Vc1标幺值为1.045pu，Vc2标幺值为1.053pu；控制系统实时获取遥调目标值；
(3)协调控制系统在t0时刻测得某一并网点电压标幺值Vi(t0)，与控制系统设定的预警值1.045pu进行比较，Vi(t0)＞1.045pu启动通信连接，发送广播命令，通知邻近分布式光伏记录各自并网点电压Vi(t0)和分布式光伏输出功率Pi(t0)；
(4)t1时刻获取并网点电压Vi(t1)＝1.045pu+0.5％，此时光伏输出功率Pi(t1)；
(5)系统在t2获取并网点电压Vi(t2)，与控制系统设定的预警值1.053pu进行比较，若Vi(t2)<1.053pu不启动电压控制，若Vi(t2)>1.053pu则启动电压控制，并将t0和t1时刻获取的并网点电压值和光伏输出功率值按式 (5)进行计算，计算出并网点电压-功率曲线的斜率ρi；对并网点电压值和功率进行实时测量，测量时间间隔较短小至几十微秒，根据两点[Pi(t0)，Vi(t0)]，[Pi(t1)，Vi(t1)]绘制直线AB段，直线的斜率为：
Figure FDA0002374974380000011
式中Vi(t1)＝Vc1+0.5％，Pi(t1)为Vi(t1)＝Vc1+0.5％时光伏的输出功率；光伏逆变器输出的电压以步长0.5％pu进行变化，并网点电压变化步长也为0.5％pu进行变化，Vi(t1)步长为0.5％pu；Vi(t2)达到Vc2，即直线AB延长到点C，根据式(5)确定电压值为Vc2时对应的最大的功率Pi,c(t2)；
Pi,c(t2)＝Pi(t0)+(Vc2-Vc1)/ρi (6)
将(6)式确定的功率Pi,c(t2)与光伏最大功率跟踪确定的最大输出功率Pi,m(t2)相比，若Pi,c(t2)＞Pi,m(t2)光伏的输出功率保持不变，若Pi,c(t2)＜Pi,m(t2)变光伏的输出功率控制在Pi,c(t2)，即光伏输出功率的上限值为：
Pref,i(t2)＝min[Pi,c(t2),Pi,m(t2)] (7)
将上述确定的光伏输出有功功率上限值分配给各终端服务器；由潮流计算电压公式
Figure FDA0002374974380000012
可知Pm,c减少Vi(t)将下降，即并网点电压下降；式中V1(t)为网络首端电压，ΔVi为电压变化，Pm为节点负荷，r为线路的单位负荷，li为两节点间线路的长度。
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