CN106992526A - 一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统及方法，系统包括馈线电压控制器和就地电压控制器，就地电压控制器面向本地光伏电站，馈线电压控制器面向整条馈线并对馈线上各就地电压控制器起到协调控制作用；如果就地电压控制器不能解决当地电压越限问题时则向所属馈线电压控制器上传本地光伏电站的运行状态，馈线电压控制器根据就地电压控制器上传的电气信息进行控制量的计算和控制指令的下发；就地电压控制器根据馈线电压控制器下发的指令，进行本地区域的控制量计算，控制本地无功补偿装置和本地光伏逆变器的无功功率输出，以实现馈线区域内的电压越限控制。本发明解决了光伏接入造成的电压越限问题，使配电网电压分布满足工程运行要求。

Description

一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统方法，属于配电网自动化技术领域。

背景技术

电力系统无功优化是保证系统安全运行、改善电压分布的一项有效手段。通常配电网的电压控制采用集中式的管理方式进行管理控制，常用的控制策略如基于出线端节点量测的九区图控制策略，通过电压无功控制装置实现电压控制。然而，分布式电源接入后，分布式电源有功出力的增加使得功率因数过低，容易导致电压无功控制装置误动作。分布式电源的广泛并入，使得馈线中潮流的单向配送模式发生变化，线路上的有功功率和节点电压也随着分布式电源接入容量和位置的不同而发生变化，使得配电网的电压分布不再具有沿线降低的特性，且此时的电压分布与电网结构、分布式电源接入位置和接入容量等密切相关。高渗透率的光伏发电单元的接入容易造成配电网线路中电压升高，非常容易发生电压越限情况；而容量大、布点多的光伏电站出力的波动性、间歇性和不确定性为配电系统的电压调整问题带来了未知性和困难。从通信角度，大规模分布式电源并网后的数据量急剧增加，如果仍然采用集中式的配电网管理，则需要收集、处理这些大量的数据信息，一方面对配网系统的通信系统提出挑战，另一方面对这些数据的处理也增加了集中式控制的计算复杂性。

目前，基于分级/分层/分散的配电网电压控制方式得到了学者们的广泛关注和研究。分级/分层控制是将电网按照功能或拓扑划分层次，将控制任务分解到各层级中分别完成，各层级再将完成的控制任务进行相互交互，以达到全网协调控制的目的，这些分级/分层式控制方式的层级划分方式各有不同。

在分散方式的电压控制策略中，控制量对配电网节点电压调整的力度是衡量控制方式有效性的重要指标。为减小计算量，目前已有的电压计算方法多采用灵敏度法，通过计算节点电压对控制方式的灵敏度，决定优先采用灵敏度高的控制方法。然而这种灵敏度指标只能定性地给出控制方式的控制力度，并不能定量的给出所需控制量的大小。因此需要一种能够快速给出控制量大小的方法，实现电压的实时控制。

在配电网电压控制中，很多控制方案都把变电站的主变压器分接头也作为控制变量，与其他控制方法一同参与电压调控。然而光伏电站出力与天气情况密切相关，具有较强的波动性，如果把变电器的分接头也作为控制变量，有可能使分接头动作频繁，从而影响变压器的寿命。

以往的配电网电压控制方法中涉及变电站主变压器分接头的控制方法，但这种控制手段需要变压器分接头频繁动作，这将影响变压器的工作寿命；另外，目前的控制方法中大多是通过计算控制量对节点电压的影响程度来决定控制方法；有些是通过对控制量的不断调整，实时量测线路节点电压，从而决定控制量的大小；有些方法是通过智能优化算法实现控制量大小的决策，这些方法都不利于实时电压调控的应用。因此本发明确定了一种分层分布式的电压控制策略。该控制策略框架包括配变层的就地电压控制和馈线层的协调电压控制两层。考虑到主变压器分接头不宜频繁动作，因此该分层分布式的电压控制策略不涉及主变分接头的电压控制方式，力争在馈线级解决光伏接入造成的电压越限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统及方法，其能够解决光伏接入造成的电压越限问题，使具有光伏接入的配电网电压分布满足工程运行要求。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

本发明的一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统，它包括馈线电压控制器和就地电压控制器，所述馈线电压控制器部署在光伏电站升压变压器低压侧的馈线出口处，所述就地电压控制器部署在光伏电站处，所述的馈线电压控制器和就地电压控制器相互通信进行数据交互；就地电压控制器面向本地光伏电站，馈线电压控制器面向整条馈线，并且对馈线上各就地电压控制器起到协调控制作用；

如果就地电压控制器不能解决当地电压越限问题时则向所属馈线电压控制器上传本地光伏电站的运行状态，馈线电压控制器根据就地电压控制器上传的电气信息进行控制量的计算和控制指令的下发；就地电压控制器根据馈线电压控制器下发的指令，进行本地区域的控制量计算，控制本地无功补偿装置和本地光伏逆变器的无功功率输出，以实现馈线区域内的电压越限控制。

优选地，所述本地光伏电站的运行状态包括输出功率、电流、功率因数和并网点电压。

优选地，就地电压控制器控制本地无功补偿装置和本地光伏逆变器的无功功率输出的顺序是电压越限时首先投入本地无功补偿装置，当该本地无功补偿装置的功率输出达到上限时，控制本地光伏逆变器的无功功率输出。

本发明的一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制方法，它利用上述所述的配电网电压控制系统进行光伏接入配电网的电压控制，控制方法包括以下过程：

就地电压控制器实时测量接入点电压，判断是否出现电压越限情况，如果电压没有越限则维持目前正常运行状态，如果电压越上限则投入本地无功补偿装置；

就地无功补偿装置(SVC或SVG)投入无功补偿，如果投入后电压恢复正常水平，则转入正常运行阶段；否则继续加大无功补偿的投入容量，如果无功补偿容量达到上限仍未解决电压越限问题，则进行调整本地光伏逆变器的功率因数(即调整逆变器无功功率输出)；

就地电压控制器向本地光伏逆变器发出调整无功功率输出指令，并且发出抑制电压所需的无功功率数值，本地光伏逆变器调整运行状态输出无功功率；如果对抑制电压越限有效则转为正常运行，否则进行有功功率削减；

就地电压控制器向馈线控制器上传本地光伏电站的运行情况，馈线控制器根据当前电压越限情况计算需要缩减的有功功率数值，通过缩减有功功率数值来解决电压越限的问题。

优选地，在调整本地光伏逆变器的功率因数过程中，抑制电压所需的无功功率数值Q_bc的计算公式为：

上式中，U_lim为节点电压允许最大值(例如1.07p.u.)，U_m为光伏接入点电压值，P_i和Q_i分别为各支路中流过的有功功率和无功功率(该数据可以通过遥测获得)，R_i和x_i分别为各支路的电阻和电抗(根据网络拓扑结构可以实现计算出)，Q_max为本地光伏逆变器的最大无功补偿容量，如果Q_bc＞Q_max，则直接进行有功功率削减，否则就地电压控制器对光伏逆变器下发进行无功补偿的指令，并按计算的无功功率数值Q_bc进行调整。

优选地，当Q_bc＞Q_max时，此时表示即使对光伏电站的本地光伏逆变器进行下降运行状态输出无功功率也无法解决电压越限的问题。

优选地，在进行有功功率削减过程中，所需缩减的有功功率的计算公式如下：

上式中，P_sj为光伏电站需要缩减的有功功率值，Q_sj为缩减有功功率同时光伏电站的无功补偿值，取-0.98，U_lim为节点电压允许最大值(例如1.07p.u.)，U_m为光伏接入点电压值，P_i和Q_i分别为各支路中流过的有功功率和无功功率(该数据可以通过遥测获得)，R_i和x_i分别为各支路的电阻和电抗(根据网络拓扑结构可以实现计算出)。

本发明的有益效果如下：

本发明采用分层分布式的配电网电压调整策略，实现了光伏接入的配电网电压实时调整，控制策略避免了变电站主变压器分接头的频繁动作，控制手段为光伏电站配置的无功补偿装置SVC/SVG、光伏自身的无功补偿能力和光伏的有功功率调节，在馈线层即可消除将光伏接入所引发的配电网电压越限问题。本发明的控制策略可以直接给出抑制电压越限的无功功率和有功功率估算值，计算简便且快速，有利于控制策略的在线实时应用。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、按照配电线路的自然单元进行层次划分，以馈线为单位解决光伏接入引发的电压越限问题。

2、控制手段为三类调控方式的结合，越限程度较小时，采用光伏电站配置的无功补偿装置SVC/SVG进行调控，不仅可以解决较小强度的电压越限，还可以解决光伏发电波动性引发的电能质量问题。

3、直接给出了抑制电压升高的无功补偿容量和缩减的有功功率数值。

4、本发明采用分层分布式的电压控制策略为根据电压越限程度，分别采取调节无功补偿装置SVC/SVG、控制光伏接入处的功率因数和削减光伏有功功率输出的三个层级的控制策略。

5、本发明不仅解决了光伏接入造成的电压越限问题，而且使具有光伏接入的配电网电压分布满足工程运行要求。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明的一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统，它包括馈线电压控制器和就地电压控制器，所述馈线电压控制器部署在光伏电站升压变压器低压侧的馈线出口处，所述就地电压控制器部署在光伏电站处，所述的馈线电压控制器和就地电压控制器相互通信进行数据交互；就地电压控制器面向本地光伏电站，馈线电压控制器面向整条馈线，并且对馈线上各就地电压控制器起到协调控制作用；如果就地电压控制器不能解决当地电压越限问题时则向所属馈线电压控制器上传本地光伏电站的运行状态，馈线电压控制器根据就地电压控制器上传的电气信息进行控制量的计算和控制指令的下发；就地电压控制器根据馈线电压控制器下发的指令，进行本地区域的控制量计算，控制本地无功补偿装置和本地光伏逆变器的无功功率输出，以实现馈线区域内的电压越限控制。

优选地，所述本地光伏电站的运行状态包括输出功率、电流、功率因数和并网点电压。

优选地，就地电压控制器控制本地无功补偿装置和本地光伏逆变器的无功功率输出的顺序是电压越限时首先投入本地无功补偿装置，当该本地无功补偿装置的功率输出达到上限时，控制本地光伏逆变器的无功功率输出。

图1为分层分布式电压控制体系，如图1所示，本发明的分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统包括就地电压控制器和馈线电压控制器两级控制部件，分别部署于光伏电站升压变压器低压侧的馈线出口处。所述的就地电压控制器面向本地光伏电站，馈线电压控制器面向整条馈线，并且对馈线上各就地电压控制器起到协调控制作用。就地电压控制器与馈线控制器安装有通信系统，图1中的箭头表示信息的交互及其交互方向。若各就地电压控制器不能解决当地电压越限时，各就地电压控制器向所属馈线电压控制器上传本地光伏电站的运行状态(包括输出功率、电流、功率因数和并网点电压)，馈线电压控制器根据各就地电压控制器上传的电气信息，进行控制量的计算和控制指令的下发；就地电压控制器根据下发的指令，进行本地区域的控制量计算，以实现馈线区域内的电压越限控制。就地电压控制器控制手段为控制本地无功补偿装置和本地光伏逆变器的无功功率输出，其具体控制顺序是电压越限时首先投入本地无功补偿装置，当该装置的功率输出达到上限时，逆变器输出无功功率进行调压。

需要说明的是，在配置该分层分布式电压控制方案之前，需要对示范线路进行评估，评估其待接入的光伏电站是否会引发电压越限。若在极端情况下都不会引发线路电压越限，则不需要配置该方案。

如图2所示，本发明的一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制方法，它利用上述所述的配电网电压控制系统进行光伏接入配电网的电压控制，控制方法包括以下过程：

就地电压控制器实时测量接入点电压，判断是否出现电压越限情况，如果电压没有越限则维持目前正常运行状态，如果电压越上限则投入本地无功补偿装置；

就地无功补偿装置(SVC或SVG)投入无功补偿，如果投入后电压恢复正常水平，则转入正常运行阶段；否则继续加大无功补偿的投入容量，如果无功补偿容量达到上限仍未解决电压越限问题，则进行调整本地光伏逆变器的功率因数(即调整逆变器无功功率输出)；

就地电压控制器向本地光伏逆变器发出调整无功功率输出指令，并且发出抑制电压所需的无功功率数值，本地光伏逆变器调整运行状态输出无功功率；如果对抑制电压越限有效则转为正常运行，否则进行有功功率削减；

就地电压控制器向馈线控制器上传本地光伏电站的运行情况，馈线控制器根据当前电压越限情况计算需要缩减的有功功率数值，通过缩减有功功率数值来解决电压越限的问题。

优选地，在调整本地光伏逆变器的功率因数过程中，抑制电压所需的无功功率数值Q_bc的计算公式为：

上式中，U_lim为节点电压允许最大值(例如1.07p.u.)，U_m为光伏接入点电压值，P_i和Q_i分别为各支路中流过的有功功率和无功功率(该数据可以通过遥测获得)，R_i和x_i分别为各支路的电阻和电抗(根据网络拓扑结构可以实现计算出)，Q_max为本地光伏逆变器的最大无功补偿容量，如果Q_bc＞Q_max，则直接进行有功功率削减，否则就地电压控制器对光伏逆变器下发进行无功补偿的指令，并按计算的无功功率数值Q_bc进行调整。

优选地，当Q_bc＞Q_max时，此时 表示即使对光伏电站的本地光伏逆变器进行下降运行状态输出无功功率也无法解决电压越限的问题。

优选地，在进行有功功率削减过程中，所需缩减的有功功率的计算公式如下：

上式中，P_sj为光伏电站需要缩减的有功功率值，Q_sj为缩减有功功率同时光伏电站的无功补偿值，取-0.98，U_lim为节点电压允许最大值(例如1.07p.u.)，U_m为光伏接入点电压值，P_i和Q_i分别为各支路中流过的有功功率和无功功率(该数据可以通过遥测获得)，R_i和x_i分别为各支路的电阻和电抗(根据网络拓扑结构可以实现计算出)。

如图2所示，本发明的分层分布式的光伏接入配电网电压控制过程主要分为以下阶段：

一、就地无功控制阶段

实现该阶段的前提条件是首先考察当前配电线路中分布式电源的接入是否会引起电压越限。如果不会引起电压越限，则该光伏电站可以不配置无功补偿装置；否则需要根据规划情况(包括接入位置、接入容量、电网拓扑结构等)进行建模计算，通过对各种场景(包括负荷水平、年负荷增长率和当地光伏电站的出力特性)的仿真计算，检验光伏接入后的电压越限程度和越限场景，综合考虑馈线调压和SVC/SVG的经济因素，给出光伏电站配置SVC/SVG的容量，用以解决馈线绝大多数场景下的电压越限。

就地电压控制器通过实时测量接入点电压，判断是否出现电压越限，若不出现，则维持目前正常运行状态；若出现电压越上限，则进行本地无功补偿装置投入；就地无功补偿装置(SVC或SVG)投入无功补偿，若投入后电压恢复正常水平，则转入正常运行阶段；否则继续加大无功补偿容量的投入，若无功补偿容量达到上限仍未解决电压越限问题，则转入调整逆变器功率因数(即调整逆变器无功功率输出)阶段。

二、光伏电站无功补偿阶段

基于经济型的考虑，在进行光伏的有功功率削减前，首先调整光伏并网点处的功率因数，调整后的功率因数仍然需要在规程规定的功率因数范围内。

就地电压控制器向逆变器发出调整无功功率输出指令，并且发出抑制电压所需的无功功率数值，逆变器调整运行状态输出无功功率。该阶段利用规程规定的功率因数范围，适当发挥光伏电站的无功补偿能力，在SVC/SVG极限出力情况下，进一步改善电压越限情况。若该阶段对抑制电压越限有效，则转为正常运行；否则转入有功功率削减阶段。该阶段的无功补偿量具体估算方法为：

上式中，U_lim为节点电压允许最大值(例如1.07p.u.)，U_m为光伏接入点电压值，P_i，Q_i分别为各支路中流过的有功功率和无功功率(该数据可以通过遥测获得)，R_i，x_i分别为各支路的电阻和电抗(根据网络拓扑结构可以实现计算出)。若无功补偿估算值Q_bc＞Q_max，此时(我国规程规定：光伏电站可以参与调压，功率因数范围为)，表示即使该阶段对光伏电站进行降功率因数运行，也无法解决电压越限问题，则直接转下一阶段；否则就地电压控制器对光伏逆变器下发进行无功补偿的指令，并按估算Q_bc值进行调整。

三、有功功率削减阶段

当配置的无功补偿装置和光伏无功补偿量达到上限而电压依旧越限时，电压控制器需要采取光伏有功功率削减的手段，抑制电压越限。需要注意的是，对光伏逆变器进行有功功率的缩减，不仅能够有效缓解过电压，还能增大光伏的无功容量，进一步促进电压的恢复。

就地电压控制器向馈线控制器上传本地光伏电站的运行情况，馈线控制器根据当前电压越限情况计算需要缩减的有功功率数值，解决电压越限问题。为提高控制速度，本阶段采用估算的方法对所需缩减的有功功率直接进行计算，同时为了最大化光伏出力，尽量减小有功功率缩减量，该阶段按照规程规定的最小功率因数进行计算。具体计算公式如下：

上式中，P_sj为光伏电站需要缩减的有功功率值，Q_sj为缩减有功功率同时，光伏电站的无功补偿值；取-0.98。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统，其特征是，包括馈线电压控制器和就地电压控制器，所述馈线电压控制器部署在光伏电站升压变压器低压侧的馈线出口处，所述就地电压控制器部署在光伏电站处，所述的馈线电压控制器和就地电压控制器相互通信进行数据交互；就地电压控制器面向本地光伏电站，馈线电压控制器面向整条馈线，并且对馈线上各就地电压控制器起到协调控制作用；

如果就地电压控制器不能解决当地电压越限问题时则向所属馈线电压控制器上传本地光伏电站的运行状态，馈线电压控制器根据就地电压控制器上传的电气信息进行控制量的计算和控制指令的下发；就地电压控制器根据馈线电压控制器下发的指令，进行本地区域的控制量计算，控制本地无功补偿装置和本地光伏逆变器的无功功率输出，以实现馈线区域内的电压越限控制。

2.如权利要求1所述的一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统，其特征是，所述本地光伏电站的运行状态包括输出功率、电流、功率因数和并网点电压。

3.如权利要求1所述的一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制系统，其特征是，就地电压控制器控制本地无功补偿装置和本地光伏逆变器的无功功率输出的顺序是电压越限时首先投入本地无功补偿装置，当该本地无功补偿装置的功率输出达到上限时，控制本地光伏逆变器的无功功率输出。

4.一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制方法，其特征是，利用权利要求1至3任意一项所述的配电网电压控制系统进行光伏接入配电网的电压控制，控制方法包括以下过程：

就地电压控制器实时测量接入点电压，判断是否出现电压越限情况，如果电压没有越限则维持目前正常运行状态，如果电压越上限则投入本地无功补偿装置；

就地无功补偿装置投入无功补偿，如果投入后电压恢复正常水平，则转入正常运行阶段；否则继续加大无功补偿的投入容量，如果无功补偿容量达到上限仍未解决电压越限问题，则进行调整本地光伏逆变器的功率因数；

就地电压控制器向本地光伏逆变器发出调整无功功率输出指令，并且发出抑制电压所需的无功功率数值，本地光伏逆变器调整运行状态输出无功功率；如果对抑制电压越限有效则转为正常运行，否则进行有功功率削减；

就地电压控制器向馈线控制器上传本地光伏电站的运行情况，馈线控制器根据当前电压越限情况计算需要缩减的有功功率数值，通过缩减有功功率数值来解决电压越限的问题。

5.如权利要求4所述的一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制方法，其特征是，在调整本地光伏逆变器的功率因数过程中，抑制电压所需的无功功率数值Q_bc的计算公式为：

$Q_{bc}=\left\{\left(U_{\lim }-U_m\right)+\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(P_i{R}_i+Q_i{x}_i\right)}{U_{\lim }}-\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(P_i{R}_i+Q_i{x}_i\right)}{U_m}\right)\right\}\×\frac{U_{\lim }}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}$

上式中，U_lim为节点电压允许最大值，U_m为光伏接入点电压值，P_i和Q_i分别为各支路中流过的有功功率和无功功率，R_i和x_i分别为各支路的电阻和电抗，Q_max为本地光伏逆变器的最大无功补偿容量，如果Q_bc＞Q_max，则直接进行有功功率削减，否则就地电压控制器对光伏逆变器下发进行无功补偿的指令，并按计算的无功功率数值Q_bc进行调整。

6.如权利要求5所述的一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制方法，其特征是，当Q_bc＞Q_max时，此时 表示即使对光伏电站的本地光伏逆变器进行下降运行状态输出无功功率也无法解决电压越限的问题。

7.如权利要求4所述的一种分层分布式的光伏接入配电网电压控制方法，其特征是，在进行有功功率削减过程中，所需缩减的有功功率的计算公式如下：

$P_{sj}=\{(U_{\lim }-U_m)+(\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}(P_i{R}_i+Q_i{x}_i)}{U_{\lim }}-\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}(P_i{R}_i+Q_i{x}_i)}{U_m})\}\×\frac{U_{\lim }}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{R}_i},$

上式中，P_sj为光伏电站需要缩减的有功功率值，Q_sj为缩减有功功率同时光伏电站的无功补偿值，取-0.98，U_lim为节点电压允许最大值，U_m为光伏接入点电压值，P_i和Q_i分别为各支路中流过的有功功率和无功功率，R_i和x_i分别为各支路的电阻和电抗。