CN108092281B - 一种多并网光伏逆变器系统无功分配方法 - Google Patents

Abstract

一种多并网光伏逆变器系统无功分配方法，包括三层无功优化控制，该方法首先通过实时检测电站并网点电压，然后通过PI控制获取维持电压所需的无功量，同时以站内损耗最小为目标进行无功优化，大大降低无功控制成本；既实现了对站内无功输出的精确控制，又降低了系统成本。

Description

一种多并网光伏逆变器系统无功分配方法

技术领域

本发明涉及光伏逆变器技术领域，具体涉及一种多并网光伏逆变器系统无功分配方法。

背景技术

当前，大型光伏电站多采用单位功率因数并网控制策略。但在传输线路较长的场合，电网多表现为弱网特性。随电站并网功率的增加，无法忽略的线路阻抗会导致并网点电压出现越限，从而导致逆变器保护停机。因此，在实际的大型光伏电站中多配置有一定数量的SVG等无功补偿装置。

逆变器作为一种可控的电力电子设备，同样具备一定的无功补偿能力，通过改变逆变器并网控制策略，适当调节无功输出即可实现对并网点电压的稳定。此外，在电网出现短时故障电压跌落时，逆变器可通过输出无功提供电压支撑；而在夜间，逆变器也可以通过输出无功为线路提供无功补偿。

目前，解决并网点电压越限的方法主要为无功补偿装置与并网逆变器无功功率控制。添置无功补偿装置可以动态实时地为光伏系统提供所需的无功功率，但大容量的无功补偿装置也会增加电站的投资成本。而采用光伏逆变器可实现有功、无功的解耦控制，在多并网逆变器构成的光伏系统中足以提供所需的无功功率。

大型光伏电站将多台并网逆变器发电单元经升压后汇集并入电网，整个系统的无功特性受电站内所有逆变器的共同影响。目前在电站中主要通过无功电压控制(VQC)及自动电压控制(AVC)实现对整个电站内的无功与电压控制。

VQC控制基于传统的九区图，通过潮流计算判断系统电压与无功的区间，判断是否满足实际需要，并根据各区间的控制要求实现电容的投切与变压器调档。但VQC控制存在无法满足全网控制目标及约束条件，不能做到无功分区分层平衡等缺点，在应用中受到限制。

AVC系统是指自动电压无功控制系统，它通过自动调节电网电压、无功，提高电网电能质量，降低电网损耗，实现电网的稳定与经济运行。为了维持目标电压，AVC利用无功优化算法得到目标状态下当前在线可调设备(逆变器、SVG)的目标无功，通过闭环控制实现电压的调节。AVC系统具有无功优化精度高，可做到无功分层分区控制等优点，但需要进行潮流计算，计算量大，需要添加额外的设备，成本高，不适合低压小电网使用。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种多并网光伏逆变器系统无功分配方法，解决当前无功控制算法精度低、功能受限、计算量大的问题；该方法首先通过实时检测电站并网点电压，然后通过PI控制获取维持电压所需的无功量，同时以站内损耗最小为目标进行无功优化，大大降低无功控制成本；既实现了对站内无功输出的精确控制，又降低了系统成本。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种多并网光伏逆变器系统无功分配方法，包括三层无功优化控制，

(1)第一层无功优化控制

第一层控制主要获得电站总所需无功功率参考值Q_ref，采集电站并网点电压U_pcc与电网电压调度指令U^*做差并与电压偏差允许设定值进行比较，判断电网电压是否需要调整，从而决定站内逆变器的控制模式；若无电压调整需要，则令逆变器工作在单位功率因数模式，此时Q_ref为0，逆变器完全输出有功，保证电站经济效益最大化；若需电压调整，则令逆变器工作在电压控制模式，此时逆变器通过输出无功功率来实现并网点电压的控制，Q_ref通过PI控制器调节输出给定；在确定电站无功功率参考值Q_ref后，即进行第二层无功优化控制；

当逆变器工作在电压控制模式下，以电网电压调度指令U^*为参考输入，以并网点电压U_pcc为负反馈，两者做差经PI控制产生电站无功功率需求量，也即无功控制参考值Q_ref；逆变器根据无功功率参考值Q_ref控制实际无功输出，进而实现对并网点电压的调节；

(2)第二层无功优化控制

第二层无功控制主要实现在第一层无功控制获取无功功率参考值Q_ref的基础上，基于线路损耗最小的原则实现对无功功率在多条线路间的分配；

根据电路等效变换，将每条线路上的多个逆变器分别等效为源与相应的阻抗，而后将不同源及阻抗进行合并整理，则每条线路最终等效为单独一个源与线路阻抗的组合；

所有集电线路发电单元PV_li(i＝1,2,...,m)因无功输出和线路电阻所产生的有功损耗为：

其中：ΔP_li为第i条线路的有功损耗，Q_li为第i条线路的无功功率，U_pcc为光伏电站并网点电压，R_li为第i条线路电阻。

各集电线路发电单元输出无功功率之和应满足：

根据拉格朗日函数法有

令L最小，即在保证满足无功输出要求的情况下，令线路的损耗最小，由此推导出各条线路无功需满足

Q_l1R_l1＝Q_l2R_l2＝...＝Q_lmR_lm (4)

若各条集电线路发电单元通过无功分配系数w_i进行无功的分配，即

Q_li＝w_iQ_ref (5)

计算得到

此外，由于光伏逆变器的无功输出容量有限，按照无功分配系数计算得到的无功功率有可能超过线路容量限制；此时，令该条线路发出最大无功，其余线路重新按照上述方法进行无功分配；

各线路无功输出约束

其中，S_li、P_li和Q_li分别为第i条线路额定容量、有功输出及无功给定值，Q_{li_dlimit}与Q_{li_ulimit}分别为第i条线路无功输出下限与上限；

依据以上原则，第二层无功优化控制的流程为：首先根据线路电阻计算得到各线路的无功分配系数w_i，由总体无功功率参考值Q_ref与无功分配系数w_i计算得到各线路的无功分配量Q_li；而后判断各线路的无功分配量是否超过该线路的无功输出上下限，若超过则令该线路的无功输出为其限值，以此作为该线路无功分配量，并将该线路从所有线路中去掉；对剩余线路重新进行无功分配系数的计算及剩余无功的分配，直到所有线路无功分配完成；

(3))第三层无功优化控制

该层无功控制主要实现线路无功分配量Q_li在该线路中各逆变器的分配；同样基于线路损耗最小化及逆变器无功输出不越限的原则，实现无功的优化分配；

在一条线路内，为降低线路损耗，优先将无功功率分配给最靠近并网点的逆变器；若线路所需无功分配量Q_li小于该逆变器无功输出限值Q_{j_limit}，则线路所需无功完全由该逆变器承担；否则，令该逆变器按照无功输出限值Q_{j_limit}进行输出，剩余线路无功需求由稍远逆变器承担，以此类推，直至所有无功分配完成。

本发明为大型光伏电站多并网逆变器系统运行中的一种无功分配；和现有技术相比，本发明的优点如下：

1)该方法结合电站线路与发电单元具体布局进行分析，充分考虑线路阻抗在无功分配中的影响，不仅适用于发电单元等间距分配的情况，同时也适用于不等间距的情况，且有利于获取精确的控制效果。

2)该方法以线路损耗最小为基本分配原则，结合具体发电单元无功容量限制，可以保证在无功分配精度的同时，最大地减小由于无功输出所导致的线路损耗问题。

3)该方法从电站全局出发，综合考虑无功需求，进而实现对无功功率在电站内各发电电压的合理分配，但又非借助AVC系统进行大量的潮流计算，而是通过分析电站线路阻抗，其计算简单且大大减小了投入成本。

附图说明

图1为本发明光伏电站无功分配三层控制体系框图。

图2为第一层无功优化控制流程图。

图3为并网点电压控制框图。

图4为光伏电站简化等值电路。

图5为第二层无功优化控制流程图。

图6为第三层无功优化控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，本发明一种多并网光伏逆变器系统无功分配方法，包括三层无功优化控制，如图1所示，主要通过三层无功优化控制策略将电站所需无功分配给各光伏逆变器。

(1)第一层无功优化控制

第一层控制主要获得电站总所需无功功率参考值Q_ref，其控制流程如图2所示，采集电站并网点电压U_pcc与电网电压调度指令U^*做差并与电压偏差允许设定值进行比较，判断电网电压是否需要调整，从而决定站内逆变器的控制模式；若无电压调整需要，则令逆变器工作在单位功率因数模式，此时Q_ref为0，逆变器完全输出有功，保证电站经济效益最大化；若需电压调整，则令逆变器工作在电压控制模式，此时逆变器通过输出无功功率来实现并网点电压的控制，Q_ref通过PI控制器调节输出给定；在确定电站无功功率参考值Q_ref后，即进行第二层无功优化控制。

当逆变器工作在电压控制模式下，电站并网点电压控制原理如图3所示，以电网电压调度指令U^*为参考输入，以并网点电压U_pcc为负反馈，两者做差经PI控制产生电站无功功率需求量，也即无功控制参考值Q_ref；逆变器根据无功功率参考值Q_ref控制实际无功输出，进而实现对并网点电压的调节；。其中，k_p、k_i为PI控制器参数，s为拉普拉斯变换中的复变量，1/(Ts+1)为逆变器模型，S_VQ为线路阻抗反映的无功电压变换关系，f(P)为有功扰动对电压的影响。

(2)第二层无功优化控制

第二层无功控制主要实现在第一层无功控制获取无功功率参考值Q_ref的基础上，基于线路损耗最小的原则实现对无功功率在多条线路间的分配；

根据电路等效变换，将每条线路上的多个逆变器分别等效为源与相应的阻抗，而后将不同源及阻抗进行合并整理，则每条线路最终等效为单独一个源与线路阻抗的组合，从而可得到图4所示的光伏电站简化等值电路。其中，第i条集电线路的总体线路等效阻抗为R_li+jX_li，PV_li为第i条集电线路上所接全部发电单元的等效源，P_li+jQ_li，P'_li+jQ'_li分别为该条线路所发功率及并网点处的功率，R_g+jX_g为110kV线路等效阻抗。

基于图4所示模型，所有集电线路发电单元PV_li(i＝1,2,...,m)因无功输出和线路电阻所产生的有功损耗为：

其中：ΔP_li为第i条线路的有功损耗，Q_li为第i条线路的无功功率，U_pcc为光伏电站并网点电压，R_li为第i条线路电阻。各集电线路发电单元输出无功功率之和应满足：

根据拉格朗日函数法有

令L最小，即在保证满足无功输出要求的情况下，令线路的损耗最小，由此推导出各条线路无功需满足

Q_l1R_l1＝Q_l2R_l2＝...＝Q_lmR_lm (4)

若各条集电线路发电单元通过无功分配系数w_i进行无功的分配，即

Q_li＝w_iQ_ref (5)

可以计算得到

此外，由于光伏逆变器的无功输出容量有限，按照无功分配系数计算得到的无功功率有可能超过线路容量限制；此时，令该条线路发出最大无功，其余线路重新按照上述方法进行无功分配。

各线路无功输出约束

其中，S_li、P_li和Q_li分别为第i条线路额定容量、有功输出及无功给定值，Q_{li_dlimit}与Q_{li_ulimit}分别为第i条线路无功输出下限与上限。

由此，可以得到图5所示的第二层无功优化控制的流程图。首先根据线路电阻计算得到各线路的无功分配系数w_i，由总体无功功率参考值Q_ref与无功分配系数w_i计算得到各线路的无功分配量Q_li；而后判断各线路的无功分配量是否超过该线路的无功输出上下限，若超过则令该线路的无功输出为其限值，以此作为该线路无功分配量，并将该线路从所有线路中去掉；对剩余线路重新进行无功分配系数的计算及剩余无功的分配，直到所有线路无功分配完成。

(3))第三层无功优化控制

该层无功控制主要实现线路无功分配量Q_li在该线路中各逆变器的分配；同样基于线路损耗最小化及逆变器无功输出不越限的原则，实现无功的优化分配；

对一条线路而言，由于受电站具体地势影响，线路的排布及逆变器的位置并不规则。通常，在无法忽略线路阻抗的情况下，远离并网点的逆变器发出的无功电流流经的线路阻抗将大于靠近并网点逆变器的无功电流流经的阻抗，因此，在发出同样无功功率的情况下，采用远离并网点的逆变器将比采用靠近并网点的逆变器产生更多的线路损耗。

基于上述事实，可以得到图6所示的第三层无功优化控制流程图。在一条线路内，为降低线路损耗，优先将无功功率分配给最靠近并网点的逆变器；若线路所需无功分配量Q_li小于该逆变器无功输出限值Q_{j_limit}，则线路所需无功完全由该逆变器承担；否则，令该逆变器按照无功输出限值Q_{j_limit}进行输出，剩余线路无功需求由稍远逆变器承担，以此类推，直至所有无功分配完成。

Claims (1)

1.一种多并网光伏逆变器系统无功分配方法，其特征在于：包括三层无功优化控制，

(1)第一层无功优化控制

第一层控制主要获得电站总所需无功功率参考值Q_ref，采集电站并网点电压U_pcc与电网电压调度指令U^*做差并与电压偏差允许设定值进行比较，判断电网电压是否需要调整，从而决定站内逆变器的控制模式；若无电压调整需要，则令逆变器工作在单位功率因数模式，此时Q_ref为0，逆变器完全输出有功，保证电站经济效益最大化；若需电压调整，则令逆变器工作在电压控制模式，此时逆变器通过输出无功功率来实现并网点电压的控制，Q_ref通过PI控制器调节输出给定；在确定电站无功功率参考值Q_ref后，即进行第二层无功优化控制；

当逆变器工作在电压控制模式下，以电网电压调度指令U^*为参考输入，以并网点电压U_pcc为负反馈，两者做差经PI控制产生电站无功功率需求量，也即无功控制参考值Q_ref；逆变器根据无功功率参考值Q_ref控制实际无功输出，进而实现对并网点电压的调节；

(2)第二层无功优化控制

第二层无功控制主要实现在第一层无功控制获取无功功率参考值Q_ref的基础上，基于线路损耗最小的原则实现对无功功率在多条线路间的分配；

根据电路等效变换，将每条线路上的多个逆变器分别等效为源与相应的阻抗，而后将不同源及阻抗进行合并整理，则每条线路最终等效为单独一个源与线路阻抗的组合；

所有集电线路发电单元PV_li(i＝1,2,...,m)因无功输出和线路电阻所产生的有功损耗为：

其中：ΔP_li为第i条线路的有功损耗，Q_li为第i条线路的无功功率，U_pcc为光伏电站并网点电压，R_li为第i条线路电阻；

各集电线路发电单元输出无功功率之和应满足：

根据拉格朗日函数法有

令L最小，即在保证满足无功输出要求的情况下，令线路的损耗最小，由此推导出各条线路无功需满足

Q_l1R_l1＝Q_l2R_l2＝...＝Q_lmR_lm (4)

若各条集电线路发电单元通过无功分配系数w_i进行无功的分配，即

Q_li＝w_iQ_ref (5)

计算得到

此外，由于光伏逆变器的无功输出容量有限，按照无功分配系数计算得到的无功功率有可能超过线路容量限制；此时，令该条线路发出最大无功，其余线路重新按照上述方法进行无功分配；

各线路无功输出约束

其中，S_li、P_li和Q_li分别为第i条线路额定容量、有功输出及无功给定值，Q_{li_dlimit}与Q_{li_ulimit}分别为第i条线路无功输出下限与上限；

依据以上原则，第二层无功优化控制的流程为：首先根据线路电阻计算得到各线路的无功分配系数w_i，由总体无功功率参考值Q_ref与无功分配系数w_i计算得到各线路的无功分配量Q_li；而后判断各线路的无功分配量是否超过该线路的无功输出上下限，若超过则令该线路的无功输出为其限值，以此作为该线路无功分配量，并将该线路从所有线路中去掉；对剩余线路重新进行无功分配系数的计算及剩余无功的分配，直到所有线路无功分配完成；

(3)第三层无功优化控制

该层无功控制主要实现线路无功分配量Q_li在该线路中各逆变器的分配；同样基于线路损耗最小化及逆变器无功输出不越限的原则，实现无功的优化分配；

在一条线路内，为降低线路损耗，优先将无功功率分配给最靠近并网点的逆变器；若线路所需无功分配量Q_li小于该逆变器无功输出限值Q_{j_limit}，则线路所需无功完全由该逆变器承担；否则，令该逆变器按照无功输出限值Q_{j_limit}进行输出，剩余线路无功需求由稍远逆变器承担，以此类推，直至所有无功分配完成。