CN106712098A - 一种分布式电源的本地电压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种分布式电源的本地电压控制方法，综合考虑分布电源的有功和无功调节先后顺序，当监测到电压越上限时，优先执行电压偏差越限时的本地无功功率控制，若仍存在越限则执行电压偏差越限时的本地有功功率控制；当监测到电压越下限时，则优先执行电压偏差越限时的本地有功功率控制，若仍存在越限则执行电压偏差越限时的本地无功功率控制；当监测到电压在正常范围时，则优先执行电压处于正常范围时的本地有功功率控制，若还可减少无功功率则执行本地无功功率控制。本发明优先调节分布式电源的无功功率，在其次再对分布式电源的有功功率进行调节，保护了分布式电源业主的利益，控制方法简单，仅依赖本地电压监测信号，信息采集要求低，实用性好。
Description
技术领域：
本发明涉及分布式电源接入电网运行优化控制领域，特别涉及一种分布式电源的本地电压控制方法。
背景技术：
随着技术的进步和政策的支持，我国分布式发电产业发展迅速，分布式光伏发电的发展尤其迅猛，截止2014年底，我国分布式光伏发电累计装机容已经达到4.67GW，其中新增2.05GW，同比增长256％。分布式发电产业的快速增长，对社会经济发展起着良好的推动作用，但同时也给电网的安全稳定运行带来了隐患。由于分布式电源(DG)装机容量占总装机比例仍然较低，对主网的影响仍十分有限，但对于局部配电网的影响日益突出。DG的接入对配电网的影响主要包括电能质量方面、继电保护方面和可靠性方面的影响。由于DG一般经过升压变压器并网，因此其谐波影响问题并不突出；由于DG容量不大且多为逆变器或异步机并网型，因此其对短路电流和继电保护的影响较小也容易应对；影响DG消纳的关键在于因其引起的电压偏高问题，因此应对DG接入对配电网电压的影响提高消纳能力成为当前的一个研究热点。
主动配电网技术可以通过对电源、负荷和配电网的主动协调控制和管理提高配电网对DG的消纳能力，为提高配电网对DG的消纳能力提供了一种可行的解决方案，是未来的配电网的发展方向之一。但是主动配电网技术依赖高速可靠的通信和先进的计量设施，而我国配电网的信息化建设基础相对薄弱，短期内难以实现主动配电网的建设。另外，过分依赖高速可靠的通信通道，也会使配电网十分脆弱而不够安全可靠。本地控制技术是根据接入点的电气量对配电网中的可控元件进行就地控制的技术，因不进行多个对象的协调控制而不依赖通信手段(甚至可以不建设通信通道)，仅在控制点加装本地控制组件即可。现阶段，对配电网中DG实施有效的本地控制是提高配电网运行水平和对DG消纳能力的切实可行解决方案。
国外许多学者已经展开了含DG配电网的本地电压控制研究。
文献“Inverter-Based Local AC Bus Voltage Control Utilizing Two DOFControl”对基于逆变器并网的DG的本地电压控制展开研究，建立两自由度的控制器动态模型，可使DG具有不间断电源的运行特性。
文献“Local voltage control of DGS in distribution networks”提出一种电压自适应控制器以实现含光伏发电配电网的本地电压控制，并通过电磁仿真验证所提方法的有效性。
文献“Local control of heat pump water heaters for voltage controlwith high penetration of residential DG systems”针对高渗透率分布式光伏接入的配电网，提出了基于热泵式热水器的本地电压控制策略。
文献“Local Voltage Control Strategies for DG Storage Systems inDistribution Grids”提出基于光伏发电和储能的本地电压控制技术，通过控制储能的充放电和光伏的弃光来实现电压的控制目标。虽然国内外的学者已经开展本地电压控制的研究，但研究成果相对较少。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种分布式电源的本地电压控制方法，在优先保证分布式电源有功功率出力的前提下，充分利用其剩余容量的无功出力能力，实现对接入点电压的本地自动调节，确保接入点电压不越限。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
一种分布式电源的本地电压控制方法，根据分布式电源并网点电压实际测量值与电压允许上下限的偏差结合配电线路的阻抗参数计算有功和无功调节量，综合考虑分布电源的有功和无功调节先后顺序，当某轮控制过程启动以后，若监测到的是并网点电压越上限时，优先计算无功调节量并执行无功功率调节控制，若无功功率已达到当前出力极限时并网点电压仍越上限，则再计算有功调节量并执行有功功率调节控制；若监测到的是并网点电压越下限时，则优先计算有功调节量并执行有功功率调节控制，若有功功率已达当前出力上限时并网点电压仍越下限，则再计算无功调节量并执行无功功率调节控制；若监测到电压在正常范围时，则优先计算有功调节量并执行有功功率调节控制，若还可减少无功功率则计算有功调节量并执行无功功率调节控制；如此反复进行，不断跟踪分布式电源处理变化和负荷变化，进行电压调节。
本发明进一步的改进在于，针对具体的分布式电源接入节点m，其电压偏差越限时的无功功率调节量计算方法如下：
计算当前m节点分布式电源所能提供的最大无功功率Qm,max为：
式中，Sm为该分布式电源的容量，Pm,max为最大功率跟踪方式下该分布式电源的有功出力；
当节点m的电压实际测量值越上限时，最小无功调节量为：
式中，为电压偏差允许上限(标幺值)，为节点m到母线之间的所有馈线段电抗值之和，UN为系统额定电压(有名值)，Um为节点m的电压实际测量值(标幺值)，对于给定的配电网，a和c都是常量；
当节点m的电压实际测量值越下限时，将上述公式中c的取值为计算最小无功调节量，为电压偏差允许下限(标幺值)；
本轮调节后，该分布式电源的无功功率出力为：
式中，上标<k>和<k+1>分别表示第k和k+1轮调节；
若QDG,m超过了当前m节点分布式电源所能提供的最大无功功率Qm,max时，则令：
|QDG,m|＝Qm,max
本发明进一步的改进在于，针对具体的分布式电源接入节点m，其电压偏差越限时的有功功率调节方法量计算如下：
分布式电源的有功功率出力PDG,m范围为：
0<PDG,m<Pm,max
式中，Pm,max为最大功率跟踪方式下该分布式电源的有功出力；
当节点m的电压实际测量值越上限时，最小有功调节量ΔPDG.m为：
ΔPDG.m＝-b(Um-c)
式中， 为节点m到母线之间的所有馈线段电阻值之和，UN为系统额定电压(有名值)，Um为节点m的电压实际测量值(标幺值)，
当节点m的电压实际测量值越下限时，将上述公式中c的取值为计算最小有功调节量；
本轮调节后，该分布式电源的有功功率出力为：
若PDG.m超过了分布式电源的最大有功出力能力时，则令PDG,m＝Pm,max；若PDG.m超过了分布式电源的最小有功出力能力时，则令PDG,m＝0。
本发明进一步的改进在于，针对具体的分布式电源接入节点m，在其电压处于正常范围时的有功功率调节量和无功功率调节量计算方法如下：
有功功率调节：
其中，ΔPDG,m为保证电压不越上限计算得到的有功可调节量，ΔPp为由自然因素决定的该DG可增大的有功功率；
无功功率调节：
将当前量测数据Um代入电压偏差越下限时的无功调节量计算公式，计算出Δ|QDG,m|，若|QDG,m|＜ε，则不进行无功功率调节，否则进行一轮调节；
其中，ε为调节启动判据。
本发明进一步的改进在于，ε的取为0.3，Sm为该分布式电源的容量。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)不需要借助通信手段，控制方法简单，仅依赖本地电压监测信号，信息采集要求低，实用性好。
2)综合考虑有功功率和无功功率的调节先后顺序，以确保有功出力为优先原则，充分利用了自然资源，保护了分布式电源业主的利益。
附图说明：
图1为分布式电源单轮本地电压控制流程图。
图2为算例测试算例拓扑图。所采用的配电网，输电线路为LGJ-120型架空线(电阻为0.263Ω/km，电抗为0.348Ω/km)，长度为10km；10个负荷节点(LD1～LD10)等距离分布，每个负荷节点的功率因数均为0.95；3个分布式光伏电源(PV1～PV3)分别在离馈线始端1.5km，5km和7.5km处并网，容量均为3MVA。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明做出进一步的详细说明。
本地控制方法只需针对较大容量的分布式电源(DG)即可，它不必借助通信网络和协调控制，而仅仅根据DG本地采集到的接入点实时电压信息，对其输出的无功功率或有功功率进行本地调节，以满足轻载或重载条件下的电压偏差不致越限的要求。
所提出的控制方法是按固定时间间隔对DG的出力进行调整。当接入点电压越上限时进行无功功率调节并在有必要时配合以有功功率调节以消除电压越限；当接入点不出现电压越上限时，计算该点实时可继续接纳的DG的有功功率，并释放相应的受限上网出力以实现最大化接纳DG，另外在电压不越限的条件下调节并网的无功功率，以减小DG无功功率带来的损耗并释放无功功率所占用的并网逆变器容量。
1)电压偏差越限时的本地无功功率调节
设m节点处DG当前的无功功率输出为QDG,m，该处观测到的电压偏差为ΔUm(＝Um-1，Um为m点处测量电压的标幺值)，则当ΔUm越电压偏差上限和越电压偏差下限时，可对该DG的无功功率进行调节。
以ΔUm越上限的情形为例进行分析，由叠加定理可知，调整后的电压偏差ΔU′m为
其中，ΔQDG.m表示节点m处DG的无功调节量，为节点m到母线之间的所有馈线段电抗值之和。
期望则最小无功调节量为:
式中，对于给定的配电网，a和c都是常量，Um可直接测量得到。同理，可得Um越下限时，最小无功功率调节量仍如上式，只是c的取值变为Um越上限时，ΔQDG.m<0；Um越下限时，ΔQDG.m>0。
本轮调节后，该DG的无功功率出力为：
在本申请中，上标<k>和<k+1>分别表示第k和k+1轮调节。
若QDG.m超过了DG的无功出力上限，即
其中，Qm,max为当前m节点DG所能提供的最大无功功率，Sm为该DG的容量，Pm,max为最大功率跟踪方式下该DG的有功出力，则令：
|QDG,m|＝Qm,max
其减少电压偏差的作用可以算得出，但尚未调整到位，剩余部分电压偏差需要调节有功功率来配合完成。
2)电压偏差越限时的本地有功功率调节
设m节点处DG当前的有功功率输出为PDG,m，该处观测到的电压偏差为ΔUm％，与无功控制的推导过程类似，可得最小有功调节量为：
ΔPDG.m＝-b(Um-c)
式中， 为节点m到母线之间的所有馈线段电阻值之和，b和c都是常量，Um可直接测量得到。可得Um越下限时，最小有功功率调节量仍如上式，只是c的取值变为当电压越上限时，ΔPDG.m<0；当电压越下限时，ΔPDG.m>0。
本轮调节后，该DG的有功功率出力为：
该DG的有功功率出力能力范围为：
0<PDG,m<Pm,max
若PDG.m超过了DG的最大或最小有功出力能力，则令PDG,m＝Pm,max或PDG,m＝0。
3)电压处于正常范围时的本地有功功率调节
为了充分利用清洁能源，当电压处于正常范围时，若还有继续增大DG的有功功率输出的潜力，则应调节DG接入电网的有功功率，尽量将该潜力发挥出来。
为了保证调节后的电压仍满足要求，增大的有功功率不应该超过根据实时观测信息计算所得的ΔPDG.m，由此可得该DG的有功功率出力为：
其中，ΔPp为该DG可增大的有功功率。
无功功率调节：
将当前量测数据Um代入电压偏差越下限时的无功调节量计算公式，计算出Δ|QDG,m|，若|QDG,m|＜ε，则不进行无功功率调节，否则进行一轮调节。
其中，ε为调节启动判据，ε根据现场运行实际选取，一般可取为0.3Sm，Sm为该分布式电源的容量。
4)本地电压控制的流程
分布式电源的本地电压控制方法以固定的时间间隔自动执行，单轮本地电压控制的流程如附图1所示。在某轮本地控制启动后，若监测到电压越上限，则优先执行该轮电压偏差越限时的本地无功功率控制，若仍存在越限则执行该轮电压偏差越限时的本地有功功率控制；若监测到电压越下限，则优先执行该轮电压偏差越限时的本地有功功率控制，若仍存在越限则执行该轮电压偏差越限时的本地无功功率控制；若监测到电压在正常范围，则优先执行该轮电压处于正常范围时的本地有功功率控制，若|QDG|＞ε(ε根据现场运行实际选取，一般可取为0.3Sm)，则执行该轮本地无功功率控制。如此反复进行，不断跟踪分布式电源处理变化和负荷变化，进行电压调节。
由于在消除电压越上限时，所求得的是实现控制目标的最小调节量，在实际应用中为了保证控制的稳定性和鲁棒性，控制目标应略低于配电网运行要求的电压上限值；在消除电压越下限时，由于分布式电源接入点非电网电压最低点，其控制目标应根据实际情况高于配电网运行要求的电压下限值。另外，实际应用中可同时加入积分环节以增加控制系统的稳定性。
5)算例分析验证
采用如附图2所示的10kV配电网和分布式光伏进行算例分析。配网额定电压为10kV，母线电压为额定电压；电压偏差上限标准要求为±7％，考虑到调节的裕度，取6.5％，取-6.0％。
计算式中的参数得到各控制参量如表1所示。
表1控制参量
为了更好地验证所提的控制方法，选取电网运行中配电网状态变化较大的3种情景如表2所示。在分析中，取本地控制时间间隔为5s。由于负荷和分布式电源出力的惯性，可以认为在数轮本地控制实施过程中负荷和分布式电源可用的有功出力不变。
表2 3种典型情景的参数
(1)情景1各处PV同时切入
当各处PV在其出力较大并且负荷较轻时并入电网，将会对瞬间提高配电网中各节点电压，此时，本地控制器将调节光伏并网逆变器的出力以消除过大的电压偏差，经过30s后系统稳定，调节过程如表3所示。
表3情景1各PV的有功和无功出力
由表3可知，在调节过程中，电压存在起伏最终趋于平稳；PV3的有功功率和无功功率都参与调节，且幅度较大，PV2只有无功功率参与调节，PV1没有参与；稳定后，PV3的有功出力受限。
(2)情景2负荷增大
通过情景1的调节后，PV3的有功出力受限，经过一段时间后当负荷增大时，配电网中节点电压会有所降低，此时，本地控制器可以释放PV3受限的有功出力，调节过程如表4所示。
表4情景2各PV有功和无功出力
(3)情景3晚高峰PV切入改善电压
在晚高峰时，负荷水平较高，而PV又不能提供有功功率，馈线末端往往会出现电压过低的现象。PV并网逆变器一般为电压源换流器(VSC)，可以消耗少量的有功功率向配电网提供无功功率，若充分利用PV并网逆变器的容量，使其在夜间保持并网，可以通地本地控制有效地消除电压偏差。在情景3下，本地控制消除电压偏差的过程如表5所示。
表5情景3各PV有功和无功出力
Claims (5)
1.一种分布式电源的本地电压控制方法，其特征在于，根据分布式电源并网点电压实际测量值与电压允许上下限的偏差结合配电线路的阻抗参数计算有功和无功调节量，综合考虑分布电源的有功和无功调节先后顺序，当某轮控制过程启动以后，若监测到的是并网点电压越上限时，优先计算无功调节量并执行无功功率调节控制，若无功功率已达到当前出力极限时并网点电压仍越上限，则再计算有功调节量并执行有功功率调节控制；若监测到的是并网点电压越下限时，则优先计算有功调节量并执行有功功率调节控制，若有功功率已达当前出力上限时并网点电压仍越下限，则再计算无功调节量并执行无功功率调节控制；若监测到电压在正常范围时，则优先计算有功调节量并执行有功功率调节控制，若还可减少无功功率则计算有功调节量并执行无功功率调节控制；如此反复进行，不断跟踪分布式电源处理变化和负荷变化，进行电压调节。
2.根据权利要求1所述的分布式电源的本地电压控制方法，其特征在于，针对具体的分布式电源接入节点m，其电压偏差越限时的无功功率调节量计算方法如下：
计算当前m节点分布式电源所能提供的最大无功功率Qm,max为：
式中，Sm为该分布式电源的容量，Pm,max为最大功率跟踪方式下该分布式电源的有功出力；
当节点m的电压实际测量值越上限时，最小无功调节量为：
式中，为电压偏差允许上限(标幺值)，为节点m到母线之间的所有馈线段电抗值之和，UN为系统额定电压(有名值)，Um为节点m的电压实际测量值(标幺值)，对于给定的配电网，a和c都是常量；
当节点m的电压实际测量值越下限时，将上述公式中c的取值为计算最小无功调节量，为电压偏差允许下限(标幺值)；
本轮调节后，该分布式电源的无功功率出力为：
式中，上标<k>和<k+1>分别表示第k和k+1轮调节；
若QDG,m超过了当前m节点分布式电源所能提供的最大无功功率Qm,max时，则令：
|QDG,m|＝Qm,max。
3.根据权利要求1所述的分布式电源的本地电压控制方法，其特征在于，针对具体的分布式电源接入节点m，其电压偏差越限时的有功功率调节方法量计算如下：
分布式电源的有功功率出力PDG,m范围为：
0<PDG,m<Pm,max
式中，Pm,max为最大功率跟踪方式下该分布式电源的有功出力；
当节点m的电压实际测量值越上限时，最小有功调节量ΔPDG.m为：
ΔPDG.m＝-b(Um-c)
式中， 为节点m到母线之间的所有馈线段电阻值之和，UN为系统额定电压(有名值)，Um为节点m的电压实际测量值(标幺值)，
当节点m的电压实际测量值越下限时，将上述公式中c的取值为计算最小有功调节量；
本轮调节后，该分布式电源的有功功率出力为：
若PDG.m超过了分布式电源的最大有功出力能力时，则令PDG,m＝Pm,max；若PDG.m超过了分布式电源的最小有功出力能力时，则令PDG,m＝0。
4.根据权利要求1所述的分布式电源的本地电压控制方法，其特征在于，针对具体的分布式电源接入节点m，在其电压处于正常范围时的有功功率调节量和无功功率调节量计算方法如下：
有功功率调节：
其中，ΔPDG,m为保证电压不越上限计算得到的有功可调节量，ΔPp为由自然因素决定的该DG可增大的有功功率；
无功功率调节：
将当前量测数据Um代入电压偏差越下限时的无功调节量计算公式，计算出Δ|QDG,m|，若|QDG,m|＜ε，则不进行无功功率调节，否则进行一轮调节；
其中，ε为调节启动判据。
5.根据权利要求4所述的分布式电源的本地电压控制方法，其特征在于，ε的取为0.3，Sm为该分布式电源的容量。
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