CN107546763B - 不同调压策略下配电网中光伏发电最大接纳能力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了配电网运行控制领域中的一种计及不同调压策略的配电网中光伏发电最大接纳能力计算方法。包括：分析光伏电站参与的调压方法，提出光伏逆变器在不同控制模式下时的电压调控策略；建立以光伏接纳容量最大为目标函数，电压偏差合格、线路容量达标等为约束条件的光伏发电最大接纳能力模型；运用试探算法求解光伏电源最大接入容量。本发明考虑到现有传统调压方式并不能完全有效、经济地解决并网点电压升高问题，故提出借助于光伏发电系统本身来解决，充分利用光伏发电系统本身的调压能力，在实现光伏电源接入容量最大的同时保证电网运行中满足各节点电压合格的要求，这样就不需要增设无功设备，节约了成本。

Description

不同调压策略下配电网中光伏发电最大接纳能力计算方法

技术领域

本发明属于主动配电网运行控制领域，涉及考虑不同电压控制策略的配电网中光伏发电最大接纳能力计算方法。

背景技术

化石能源的枯竭，温室效应和环境污染的日益严重，严重威胁了人类社会的可持续发展。电网作为承载能源革命的基础性平台，对能源革命具有重大的推动作用^[1]。在节能减排的背景下，以分布式光伏、分布式风电源、小水电等可再生能源发电得到了快速发展。随着近几年光伏发电系统大规模并网运行，其发电容量所占系统总容量有所提高，对电力系统的影响也越来越大。

长期以来，处于供电服务的最后一个环节的配电网建设受到忽略，大量光伏并入后的“薄弱”问题一直存在。其中，电压问题就是制约大量光伏并网的主要因素之一。由于光伏的大规模接入使得传统的无源配电网变成了有源配电网，而且其出力受环境气候的影响，具有明显的不确定性和波动性，这会极大地改变系统中的潮流分布，导致光伏并网点(point of common coupling,PCC)电压升高或过电压。电压升高不仅影响当地负荷的供电质量，而且限制了配电网接入更多的光伏发电系统，影响光伏发电系统渗透率，因此有必要对电压进行控制。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种计及不同调压策略的配电网中光伏发电最大接纳能力计算方法，用与在保证电压合格的情况下改善配电网运行情况，并提高接纳光伏电源的能力，节约成本。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，计及不同调压策略的配电网中光伏发电最大接纳能力计算方法，其特征是所属方法包括：

步骤1：分析光伏电源参与的调压方法，提出光伏逆变器在不同控制模式下时的电压调控策略；

步骤2：建立以光伏接纳容量最大为目标函数，电压偏差合格、线路容量达标等为约束条件的光伏发电最大接纳能力模型；

步骤3：运用试探算法求解光伏电源最大接入容量；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述建立光伏逆变器在不同控制模式下时的电压调控方法：

A、光伏逆变器工作在功率因数控制模式下

(1)静态功率因数控制

在这种控制模式下，光伏电源输出有功功率和无功功率的比值保持为常数，无功功率随着有功功率输出的改变而改变。为了充分利用光伏逆变器的电压调控能力，对于功率因数的调节并不统一。在这种方式下，逆变器输出的无功功率就可以被控制了。由于大量的有功输出，光伏并网点的电压快接近于其上限。如果此时逆变器继续发出无功，就会导致并网点电压越限。所以逆变器功率因数应被设置为滞后的功率因数。静态功率因数控制的流程图如图1。

(2)动态功率因数控制

当电压降到比较低的一个阈值时，降低光伏逆变器有功出力和无功出力的比值，同样的，当电压升到一个比较高的阈值时，提高光伏逆变器有功出力和无功出力的比值。动态功率因数控制的流程图如图2，具体实施步骤：

a)实时电压控制：根据实际光伏输出和负荷情况进行潮流计算求得电压值，当并网点电压越限时启动电压控制系统，依次调节各光伏电站的功率因数值，通过调节逆变器的功率因数使其进相运行。

b)当最后一个光伏电站的功率因数(容性)达到最小但电压仍然不合格时停止电压控制，这意味着用这种电压控制方法无法将电压调整到正常水平。

B、光伏逆变器工作在电压控制模式下

当逆变器工作在电压控制模式下时，通过调整光伏逆变器的无功注入/吸收来保持并网点电压的恒定。当光伏电源的有功输出增加时，为了保持电压的恒定，无功输出必须减少甚至吸收无功。但是为了防止电压跌落，逆变器必须注入大量的无功功率，即使这会导致光伏电站退出运行。由于光伏逆变器有容量限制，当启动调压后所需的无功功率超出容量允许范围，这时就无法使逆变器处于电压控制模式，要将光伏电站节点由PV节点转化为PQ节点。具体的电压控制流程图如图3。

C、光伏逆变器工作在功率因数-电压联合控制模式下

当逆变器工作在功率因数-电压联合控制模式下时，开始时先设置相关参数，然后监测光伏电站并网点电压值。若并网点电压合格，则采用功率因数控制模式。如果并网点电压不合格，则采用电压控制模式。每个模式的具体控制策略如上所述。具体控制流程图如图4。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述建立光伏发电最大接纳能力模型：

目标函数：光伏接纳容量最大

式中:

为第i个光伏电源在时间t时的有功功率输出；N_G为光伏电源的总数量；T为总调度时间。

约束条件1：潮流平衡方程约束

式中：n为总节点数；

是无限大电源的有功输出；

是光伏电源的有功输出；

是有功负荷；

是无限大电源的有功输出；

是光伏电源的无功输出；

是无功负荷；

是节点i在时间t时的电压；G_ij是电导；B_ij是电纳；θ_ij是节点i和节点j的电压相角差。

约束条件2：分布式电源容量约束

式中：P_iDGmin,P_iDGmax分别是光伏电源有功输出的上下限；Q_iDGmin,Q_iDGmax分别是光伏电源无功输出的上下限。

约束条件3：电压偏移约束

为了保证光伏电源并网后的电能质量，要求电压调控后的电压偏移满足国际规定。

V_N(1-ε₁)≤V_m≤V_N(1+ε₂) (9)

式中，V_N为系统标称电压；ε₁、ε₂国际规定的允许偏差率。

约束条件4：线路容量约束

为保证线路长期安全可靠的运行，选取线路载流量和线路保护允许的最大负荷电流中较小者作为线路容量约束。

I_L,p ^t≤min{I_L,p,rat,I_pro,max} (10)

式中，

为t时刻线路p上流过的电流，I_L，p，rat为线路p的最大载流量，I_pro，max为线路保护允许的最大负荷电流。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征是所述运用试探算法求解光伏电源最大接入容量。

运用试探算法求解光伏电源最大接入容量的流程图如图5，具体步骤如下：

(1)给定一个光伏发电的位置和容量，计算在各种负荷水平下电压分布和系统短路电流。

(2)判断电压分布和短路电流水平能否满足安全运行的要求，若能够满足，则继续增加光伏发电的容量。

(3)重复上述计算，直到光伏发电容量不能再增加为止，此时的光伏发电容量即为光伏电源的最大接入容量。

附图说明

图1是逆变器工作在静态功率因数控制模式下的模拟流程图

图2是逆变器工作在动态功率因数控制模式下的模拟流程图

图3是逆变器工作在电压控制模式下的模拟流程图

图4是逆变器工作在功率因数-电压联合控制模式下的模拟流程图

图5是求解光伏最大发电功率的流程图

图6是含光伏电站的33节点配电系统

图7无电压控制不同光伏容量下的电压分布

图8静态功率因数控制模式下的电压曲线

图9功率因数对光伏电站最大发电容量的影响

图10动态功率因数控制模式下的电压曲线

图11电压控制模式下的相关仿真结果

图12电压控制模式下的电压曲线

图13控制策略对容量的影响

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

步骤1：分析光伏电源参与的调压方法，提出光伏逆变器在不同控制模式下时的电压调控策略；

随着主动配电网的发展，光伏电源并网给配电网电压控制带来了更多的可控元素，也为主动配电网中电压控制提供了新的思路。特别是由于逆变器的控制模式多种多样，相应的电压控制方式也多种多样。

A、光伏逆变器工作在功率因数控制模式下

(1)静态功率因数控制

在这种控制模式下，光伏电源输出有功功率和无功功率的比值保持为常数，无功功率随着有功功率输出的改变而改变。为了充分利用光伏逆变器的电压调控能力，对于功率因数的调节并不统一。在这种方式下，逆变器输出的无功功率就可以被控制了。由于大量的有功输出，光伏并网点的电压快接近于其上限。如果此时逆变器继续发出无功，就会导致并网点电压越限。所以逆变器功率因数应被设置为滞后的功率因数。静态功率因数控制的流程图如图1。

(2)动态功率因数控制

当电压降到比较低的一个阈值时，降低光伏逆变器有功出力和无功出力的比值，同样的，当电压升到一个比较高的阈值时，提高光伏逆变器有功出力和无功出力的比值。动态功率因数控制的流程图如图2，具体实施步骤：

a)实时电压控制：根据实际光伏输出和负荷情况进行潮流计算求得电压值，当并网点电压越限时启动电压控制系统，依次调节各光伏电站的功率因数值，通过调节逆变器的功率因数使其进相运行。

b)当最后一个光伏电站的功率因数(容性)达到最小但电压仍然不合格时停止电压控制，这意味着用这种电压控制方法无法将电压调整到正常水平。

B、光伏逆变器工作在电压控制模式下

当逆变器工作在电压控制模式下时，通过调整光伏逆变器的无功注入/吸收来保持并网点电压的恒定。当光伏电源的有功输出增加时，为了保持电压的恒定，无功输出必须减少甚至吸收无功。但是为了防止电压跌落，逆变器必须注入大量的无功功率，即使这会导致光伏电站退出运行。由于光伏逆变器有容量限制，当启动调压后所需的无功功率超出容量允许范围，这时就无法使逆变器处于电压控制模式，要将光伏电站节点由PV节点转化为PQ节点。具体的电压控制流程图如图3。

C、光伏逆变器工作在功率因数-电压联合控制模式下

当逆变器工作在功率因数-电压联合控制模式下时，开始时先设置相关参数，然后监测光伏电站并网点电压值。若并网点电压合格，则采用功率因数控制模式。如果并网点电压不合格，则采用电压控制模式。每个模式的具体控制策略如上所述。具体控制流程图如图4。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述建立光伏发电最大接纳能力模型：

目标函数：光伏接纳容量最大

式中：

为第i个光伏电源在时间t时的有功功率输出；N_G为光伏电源的总数量；T为总调度时间。

约束条件1：潮流平衡方程约束

式中：n为总节点数；

是无限大电源的有功输出；

是光伏电源的有功输出；

是有功负荷；

是无限大电源的有功输出；

是光伏电源的无功输出；

是无功负荷；

是节点i在时间t时的电压；G_ij是电导；B_ij是电纳；θ_ij是节点i和节点j的电压相角差。

约束条件2：分布式电源容量约束

式中：P_iDGmin,P_iDGmax分别是光伏电源有功输出的上下限；Q_iDGmin,Q_iDGmax分别是光伏电源无功输出的上下限。

约束条件3：电压偏移约束

为了保证光伏电源并网后的电能质量，要求电压调控后的电压偏移满足国际规定。

V_N(1-ε₁)≤V_m≤V_N(1+ε₂) (4)

式中，V_N为系统标称电压；ε₁、ε₂国际规定的允许偏差率。

约束条件4：线路容量约束

为保证线路长期安全可靠的运行，选取线路载流量和线路保护允许的最大负荷电流中较小者作为线路容量约束。

I_L,p ^t≤min{I_L,p,rat,I_pro,max} (5)

式中，

为t时刻线路p上流过的电流，I_L，p，rat为线路p的最大载流量，I_pro，max为线路保护允许的最大负荷电流。

运用试探算法求解光伏电源最大接入容量的流程图如图5，具体步骤如下：

(1)给定一个光伏发电的位置和容量，计算在各种负荷水平下电压分布和系统短路电流。

(2)判断电压分布和短路电流水平能否满足安全运行的要求，若能够满足，则继续增加光伏发电的容量。

(3)重复上述计算，直到光伏发电容量不能再增加为止，此时的光伏发电容量即为光伏电源的最大接入容量。

具体算例：

采用IEEE33节点配电系统作为算例，该配电系统共有33个节点，其中节点1为根节点，连接无限大系统。馈线末端是光伏并网发电容量最小的地方。所以，为了计算配电网的最大发电量，将光伏电站接于位于馈线末端的节点18，如图6。在此算例中得到了光伏电站最大可接受的发电容量，并对电压控制效果进行了讨论。

A、不考虑电压控制

为了用于对比，仿真模拟了不同光伏电站容量时的电压分布和最大可接受容量，具体结果如图7。在没有光伏电站时，潮流从根节点流向每一条馈线末端。电压沿着馈线逐渐降低。当光伏电站容量增加时，电压明显升高。在不进行电压控制时，为了保证电压质量，应该对光伏渗透率进行限制。此时光伏电站的最大发电容量为3.0722MW。

B、功率因数控制模式

1)静态功率因数控制模式

将功率因数设置为0.98。随着光伏接入容量的增加，为了降低并网点的电压，逆变器开始吸收无功功率。光伏电站的最大发电容量4.0396MW，此时的电压波形如图8所示。此时并网点的电压超过了电压上限。

在此模式下，潮流、电压和发电容量都与初始设置的功率因数相关。不同功率因数时的最大发电容量和光伏电站无功输出如图9所示。其中，功率因数为正表示逆变器发出无功功率，功率因数为负表示逆变器吸收无功功率。

2)动态功率因数控制模式

在此模式下，功率因数根据电压进行调整。当功率因数达到限制时，光伏电站的最大发电容量为5.4998MW，此时电压不合格。具体电压波形如图10所示。与静态功率因数控制模式相比，该模式下电压控制的影响更具灵活性和主动性。

C、电压控制模式

将并网点电压保持在1.03p.u.，同时将功率因数的调节范围控制在-0.9～0.9之间。光伏电站最大发电容量为7.0417MW。相关结果如图11所示。电压波形如图12所示。当光伏电站以最大发电容量接入电网时，逆变器吸收的无功功率为2.4967Mvar，低于其最大无功输出容量。这时仍然有一些节点的电压低于其下限。这说明此时仍然有电压调节能力。

D、功率因数-电压联合控制模式

当功率因数-电源联合控制模式和电压控制模式的参数设置相同时，光伏电站的最大发电容量也相同。不同的是，当电压合格时，功率因数-电压联合控制选择功率因数控制模式时，逆变器对于无功功率的需求更少。不同电压控制策略对电网的影响如图13所示。

通过算例仿真，确定了这个方法可以方便而有效的计算在不同电压控制策略下光伏电站的最大发电容量。同时这些电压控制策略有效的改善了光伏并网后的电压分布。静态功率因数控制，动态功率因数控制，电压控制和功率因数-电压联合控制分别提高了1.49％，79.01％，129.21％和129.21％的光伏最大发电容量。

Claims (3)

1.不同调压策略下配电网中光伏发电最大接纳能力计算方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：分析光伏电源参与的调压方法，提出光伏逆变器在不同控制模式下的电压调控策略；

步骤2：建立以光伏接纳容量最大为目标函数，电压偏差合格、线路容量达标等为约束条件的光伏发电最大接纳能力模型；

步骤3：运用试探算法求解光伏电源最大接入容量；

所述步骤3的具体步骤如下：

(1)给定一个光伏发电的位置和容量，计算在各种负荷水平下电压分布和系统短路电流；

(2)判断电压分布和短路电流水平能否满足安全运行的要求，若能够满足，则继续增加光伏发电的容量；

(3)重复上述计算，直到光伏发电容量不能再增加为止，此时的光伏发电容量即为光伏电源的最大接入容量；

其中，所述提出光伏逆变器在不同控制模式下时的电压调控策略为：

A、光伏逆变器工作在功率因数控制模式下

(1)静态功率因数控制

在这种控制模式下，光伏电源输出有功功率和无功功率的比值保持为常数，无功功率随着有功功率输出的改变而改变；逆变器功率因数被设置为滞后的功率因数；静态功率因数控制的具体步骤如下：设定逆变器功率因数，输入网架结构、光伏出力、负荷 情况；根据光伏有功出力、功率因数确定逆变器吸收/发出无功Q；检验逆变器容量限制并修正Q；进行潮流计算；

(2)动态功率因数控制

当光伏电源的端口额定电压下降7％时，降低光伏逆变器有功出力和无功出力的比值；当光伏电源的端口额定电压上升7％时，提高光伏逆变器有功出力和无功出力的比值；

B、光伏逆变器工作在电压控制模式下

当逆变器工作在电压控制模式下时，通过调整光伏逆变器的无功注入/吸收来保持并网点电压的恒定；当光伏电源的有功输出增加时，为了保持电压的恒定，无功输出必须减少甚至吸收无功；但是为了防止电压跌落，逆变器必须注入大量的无功功率，即使这会导致光伏电站退出运行；当启动调压后所需的无功功率超出容量允许范围，这时就无法使逆变器处于电压控制模式，要将光伏电站节点由PV节点转化为PQ节点；

C、光伏逆变器工作在功率因数-电压联合控制模式下

当逆变器工作在功率因数-电压联合控制模式下时，开始时先设置相关参数，然后监测光伏电站并网点电压值；若并网点电压合格，则采用所述功率因数控制模式；如果并网点电压不合格，则采用所述电压控制模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述动态功率因数控制的具体实施步骤：

a)实时电压控制：根据实际光伏输出和负荷情况进行潮流计算求得电压值，当并网点电压越限时启动电压控制系统，依次调节各光伏电站的功率因数值，通过调节逆变器的功率因数使其进相运行；

b)当最后一个光伏电站的功率因数达到最小但电压仍然不合格时停止电压控制，这意味着用这种电压控制方法无法将电压调整到正常水平；

所述光伏逆变器工作在电压控制模式下的具体步骤如下：

设定VC控制参考电压，输入网架结构、光伏出力和负荷情况；

根据光伏出力、VC控制参考电压确定逆变器吸收或发出无功功率；

检验逆变器容量限制是否满足约束条件；若满足约束条件，则直接进行潮流计算；若不满足约束条件，则将光伏转化为PQ节点后，再进行潮流计算。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述建立光伏发电最大接纳能力模型的目标函数的光伏接纳容量最大为：

式中：

为第i个光伏电源在时间t时的有功功率输出；N_G为光伏电源的总数量；T为总调度时间；

约束条件1：潮流平衡方程约束

式中：n为总节点数；

是无限大电源的有功输出；

是光伏电源的有功输出；

是有功负荷；

是无限大电源的有功输出；

是光伏电源的无功输出；

是无功负荷；

是节点i在时间t时的电压；

是节点j在时间t时的电压；G_ij是电导；B_ij是电纳；θ_ij是节点i和节点j的电压相角差；

约束条件2：分布式电源容量约束

式中：P_iDGmin是光伏电源有功输出的下限；P_iDGmax是光伏电源有功输出的上限；Q_iDGmin是光伏电源无功输出的下限；Q_iDGmax是光伏电源无功输出的上限；

约束条件3：电压偏移约束

为了保证光伏电源并网后的电能质量，要求电压调控后的电压偏移满足国际规定；

V_N(1-ε₁)≤V_m≤V_N(1+ε₂) (4)

式中，V_N为系统标称电压；ε₁、ε₂国际规定的允许偏差率；

约束条件4：线路容量约束

为保证线路长期安全可靠的运行，选取线路载流量和线路保护允许的最大负荷电流中较小者作为线路容量约束；

I_L,p ^t≤min{I_L,p,rat,I_pro,max} (5)

式中，

为t时刻线路p上流过的电流，I_L，p，rat为线路p的最大载流量，I_pra，max为线路保护允许的最大负荷电流。

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