CN109004653A - 一种有功无功耦合治理光伏接入引起农网过电压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有功无功耦合治理光伏接入引起农网过电压的方法，步骤为：利用潮流公式计算拓扑结构中每个用户节点的电压；如果节点电压V_i发生越限现象，利用逆变器的无功容量对越限电压V_i进行调节；如果逆变器的无功容量不充足且各节点电压仍然处于越限状态时，则对其进行有功削减；以每次削减起规定步长的有功功率为基准，根据电压和有功功率之间的灵敏度矩阵来调节越限电压，如此反复，直至将电压调节至安全稳定运行范围内；对上述控制策略进行优化，将线路上的有功损耗和电压变化量设为目标函数进行优化计算，得到经济性最优和电压稳定性最好的计算结果。本发明采用光伏的有功无功耦合控制策略，有效的解决农网过电压问题，且能保证网损最小。

Description

一种有功无功耦合治理光伏接入引起农网过电压的方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统电压治理技术，具体为一种有功无功耦合治理光伏接入引起农网过电压的方法。

背景技术

随着光伏发电技术的快速发展和国家在光伏发电上的政策支持，广大农村地区开始重视光伏发电的发展。当大量的光伏发电接入农村配电网时，必然会出现大量的能量流入农村配电网，这在一定程度上可以缓解电力紧张的现状。但是，在另一方面，当农村配电网中光伏发电渗透率水平比较高时，会对电网产生诸多不利影响，尤其是对继电保护和用户电能质量方面的影响。其中过电压是限制光伏并网的主要原因之一，国标和国家电网公司的企业标准对低压配电网的电压偏差有一定的要求，当光照充足和负荷水平过低时，配电网可能出现逆向的潮流，潮流从线路末端流向线路首端的变压器，从而导致馈线局部节点特别是并网点出现电压越限的现象，这就违反了国标和国家电网公司的企业标准。并且，当大量的光伏接入配电网时，原有的单电源网络变成多电源网络，网络中故障电流由单向转为多向。

现有技术中，对过电压的调节提出了一些方法，比如就地安装储能装置、过电压点进行电抗器补偿或者是通过改变变压器分接头来调节变压器二次侧电压。但是上述方法不仅存在增加配电系统成本的问题，而且还普遍存在投切次数多、响应速度慢、调节手段单一等问题，同时会对设备的使用寿命带来很大的影响。

发明内容

针对现有技术中过电压调节方法存在投切次数多、响应速度慢、对设备的使用寿命带来很严重的影响等不足，本发明要解决的问题是提供一种可有效治理电压越限的现象有功无功耦合治理光伏接入引起农网过电压的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种有功无功耦合治理光伏接入引起农网过电压的方法，包括以下步骤：

1)根据农网的线路参数、拓扑结构和光伏发电数据，利用潮流公式计算拓扑结构中每个用户节点的电压V_i；

2)判断节点电压V_i是否越限，如果节点电压V_i发生越限现象，则根据电压和无功功率的灵敏度矩阵，利用逆变器的无功容量Q_c对越限电压V_i进行调节，同时保持光伏最大输出功率P_MPPT不变；

3)判断逆变器的无功容量Q_c是否充足，如果逆变器的无功容量Q_c不充足且各节点电压V_i仍然处于越限状态时，则对其进行有功削减；

4)进入有功削减后，以每次削减起规定步长的有功功率为基准，然后根据电压和有功功率之间的灵敏度矩阵来调节越限电压；

5)当用户节点电压仍处于越限状态时，转至步骤3)，利用无功容量调节电压的同时判断逆变器的无功容量Q_c是否充足，如此反复，直至将电压调节至安全稳定运行范围内；

6)对上述控制策略进行优化，将线路上的有功损耗和电压变化量设为目标函数进行优化计算，得到经济性最优和电压稳定性最好的计算结果。

步骤3)中，如果判断逆变器的无功容量Q_c为充足，继续利用逆变器无功功率Q_c调节电压，输出光伏发电系统实际输出功率和节点电压。

步骤2)中，如果判断节点电压V_i没有越限，输出光伏发电系统实际输出功率和节点电压。

P_out＝P_MPPT-0.1m (2)

其中，P_out为光伏逆变器发出的功率；P_MPPT为光伏最大输出功率，m为把节点电压从电压越限状态调节至安全稳定运行状态的有功削减次数。

所述系统的电压幅值变化量ΔV与有功功率变化量ΔP和无功功率变化量ΔQ用公式表示为：

式中：是节点i对节点j的电压-有功灵敏度，即节点j单位有功功率变化所引起节点i的电压所发生的变化；是节点i对节点j的电压-无功灵敏度，即节点j单位无功功率变化所引起节点i的电压所发生的变化；ΔP_j为第j个节点有功功率的变化量；ΔQ_j为第j个节点无功功率的变化量。

所述目标函数为：

式中：n为农网支路总数；R_i为第i条支路的电阻，Ω；P_i为第i条支路末端流过的有功功率，kW；Q_i为第i条支路末端流过的无功功率，kVar；V_i为第i条支路末端的电压。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明方法采用光伏的有功无功耦合控制策略，能够有效的解决农网过电压问题，且能保证网损最小。

2.本发明方法从逆变器的基本特性出发，通过控制逆变器的无功容量和控制逆变器的有功出力的方式，来调节线路电压，从而防止电压越限的现象发生。

3.本发明方法能有效避免传统控制方法存在的投切次数多、响应速度慢、对设备的使用寿命带来很严重的影响等不足；同时能解决大量接入储能设备或者电抗器引起的成本问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种有功无功耦合治理光伏接入引起过电压的方法的流程图；

图2为本发明提出的一种光伏发电系统拓扑结构图；

图3为本发明提出的一种逆变器有功和无功功率关系图；

图4为本发明提出的无功容量充足情况下的控制策略图；

图5为本发明提出的无功容量不足情况下的控制策略图；

图6为本发明提供的光伏发电接入农网的8节点仿真模型示意图；

图7为本发明提供的无光伏接入和光伏按最大功率输出时线路各点电压曲线图；

图8为本发明提供的仅使用无功功率进行调节电压、仅削减有功功率调节电压和采用有功无功耦合控制方式的线路各点电压曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明一种有功无功耦合治理光伏接入引起农网过电压的方法，包括以下步骤：

1)根据农网的线路参数、拓扑结构和光伏发电数据，利用潮流公式计算拓扑结构中每个用户节点的电压V_i；

2)判断节点电压V_i是否越限，如果节点电压V_i发生越限现象，则根据电压和无功功率的灵敏度矩阵，利用逆变器的无功容量Q_c对越限电压V_i进行调节，同时保持光伏最大输出功率P_MPPT不变；

3)判断逆变器的无功容量Q_c是否充足，如果逆变器的无功容量Q_c不充足且各节点电压V_i仍然处于越限状态时，则对其进行有功削减；

4)进入有功削减后，以每次削减规定步骤(本实施例为0.1kW)有功功率为基准，然后根据电压和有功功率之间的灵敏度矩阵来调节越限电压；

5)当用户节点电压仍处于越限状态时，转至步骤3)，利用无功容量调节电压的同时判断逆变器的无功容量Q_c是否充足，如此反复，直至将电压调节至安全稳定运行范围内。

6)根据上述步骤，在经济性和稳定性的基础上对所提出的控制策略进行优化，将线路上的有功损耗和电压变化量设为目标函数进行优化计算。

本发明提供一种治理光伏发电接入引起的农网过电压的方法，该方法考虑有功无功耦合控制。当高渗透率的光伏发电的接入引起农网线路电压越限时，优先考虑逆变器的无功控制，即利用逆变器的无功容量调节线路电压，在保证光伏出力最大的基础上消除电压越限的现象；若逆变器的无功容量不足且越限电压没有被消除时，则以每次0.1kW为基准对光伏的有功功率进行削减；削减有功功率的同时，会释放逆变器的一部分无功容量，则每次进行有功削减后，再控制逆变器进行无功调节，如此反复，直至线路电压运行在安全稳定的范围之内。其具体实现过程主要包括：

根据农网的线路参数、拓扑结构和光伏发电数据，利用潮流公式计算每个节点的电压V_i；若各节点电压V_i均没有发生越限现象，保持光伏最大输出功率P_MPPT不变；当节点电压V_i发生越限现象时，根据电压和无功功率的灵敏度矩阵，首先利用逆变器的无功容量Q_c对越线电压V_i进行调节，同时保持光伏最大输出功率P_MPPT不变；

其次，当逆变器的无功容量Q_c不足且各节点电压V_i仍然处于越限状态时，则对其进行有功削减。

最后，进入有功削减后，以每次削减0.1kW有功功率为基准，然后根据电压和有功功率之间的灵敏度矩阵来调节越限电压；在进行有功缩减的同时，逆变器的无功容量Q_c增大，转至利用逆变器无功功率Q_c调节电压；当无功容量Q_c不足时，转至有功缩减，如此反复，直至调节电压至安全稳定运行范围内。

所述的无功功率Q_c的计算公式如下：

其中，S为光伏逆变器的容量，P_out为光伏逆变器发出的功率。

所述的输出有功功率的计算公式如下：

P_out＝P_MPPT-0.1m (2)

其中，P_out为光伏逆变器发出的功率；m为把节点电压从电压越限状态调节至安全稳定运行状态的有功削减次数，P_MPPT为无功容量充足时光伏发电按照最大功率输出。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方案从逆变器的基本特性出发，通过控制逆变器的无功容量和控制光伏逆变器的输出功率的方式来调节线路电压，从而防止电压越限的现象发生。

为了便于理解，下面针对计算原理和调节方式进行详细的说明。

(一)光伏发电接入农网分析

如图2所示，并网型光伏发电系统由光伏板、DC/DC变换器、DC/AC逆变器组成，最后进过交流母线并入主网，通过调节DC/DC变换器的出口直流母线电压可以对光伏发电的有功进行调节。

(二)有功无功耦合关系分析

如图3所示，半圆上的点为逆变器的容量，也就是有功功率的1.1倍，当点处于S₁位置时，逆变器正常输出有功功率P₁，即P₁为逆变器额定输出功率，Q₁为逆变器的可用无功容量；当无功容量不足时，逆变器进行削减有功功率，即从P₁削减至P₂，同时其无功容量增加了Q₂-Q₁，以此类推，直至把电压调节至安全稳定的运行范围之内。S₄针对当光伏发电的输出有功功率为零时的情况，逆变器吸收无功功率进行电压支撑，以此防止低电压。

(三)无功功率和无功功率调压能力分析

由电力系统潮流计算可知，配电网中的常用的牛顿-拉夫逊潮流计算满足如下方程：

将上式进行矩阵变化可得：

由此，一个含N个PQ节点的系统其电压幅值变化量ΔV与有功功率变化量ΔP和无功功率变化量ΔQ有关，用公式表示为：

ΔV＝S^V-PΔP+S^V-QΔQ (5)

上述公式还可以表示为：

式中：是节点i对节点j的电压-有功灵敏度，即节点j单位有功功率变化所引起节点i的电压所发生的变化；是节点i对节点j的电压-无功灵敏度即节点j单位无功功率变化所引起节点i的电压所发生的变化；ΔP_j为第j个节点有功功率的变化量；ΔQ_j为第j个节点无功功率的变化量。

同时，线路上各点电压与光伏发电注入有功功率之间的关系可以表示为一个n×n矩阵，如式(7)、(8)所示，分别反映每台逆变器流出的有功功率和无功功率变化对各个节点电压的影响。

由于农网各个用户之间距离十分近，光照强度和外界环境基本相同，所以假定每个逆变器有功功率和无功功率的改变量相同。利用有功无功对系统中尾端节点电压进行调节，可以通过线路尾端节点电压的电压变化与电压灵敏度矩阵相除进行计算，如式(9)、(10)所示：

将式(7)、(8)中的由于改变尾端节点电压引起的有功功率和无功功率的改变量分到每个逆变器上，使每个逆变器的功率改变量相同。

(四)有功无功耦合控制策略分析

图4为农网在无功容量充足情况下所采取的的节点电压控制曲线。图中，Q为光伏的无功输出容量；为电压上升时的无功起始控制的阈值，当节点电压大于时，光伏发电从网络中吸收无功功率以防止过电压，同时当节点电压小于时，逆变器无功输出为零；为逆变器最大无功输出时所对应的电压边界阈值，-Q_max为其对应的最大无功功率。

当逆变器的无功容量达到极限时，节点电压仍处于上升的趋势，此时，无法调节光伏发电的无功来控制电压，只能通过削减光伏发电的有功功率来防止过电压，在削减光伏发电的同时，可以进一步释放逆变器的无功控制能力。

图5为无功容量不足情况下的有功无功耦合控制曲线。图中，P_MPPT为无功容量充足时光伏发电按照最大功率输出；P_cut为无功容量不足时削减有功功率之后的光伏发电的实际出力；为削减有功功率至P_cut时逆变器无功容量增加值；为光伏有功削减对应的数值；

(五)多目标优化算法

本发明考虑经济性和稳定性的基础上对所提出的控制策略进行优化。

目标函数：

式中：n为农网支路总数；R_i为第i条支路的电阻，Ω；P_i为第i条支路末端流过的有功功率，kW；Q_i为第i条支路末端流过的无功功率，kVar；V_i为第i条支路末端的电压。

约束条件：

式(13)为有功无功潮流方程，θ_ij为节点i和节点j之间的相位差；P_Gi、P_DGi、P_Di分别为在节点i的发电机有功出力、光伏发电的有功出力和有功负荷；Q_Gi、Q_DGi、Q_Di分别为在节点i的发电机无功出力、光伏发电的无功出力和无功负荷。

0≤P_DGi≤P_DGmax (14)

式(14)表示第i个光伏发电的有功出力P_DGi的约束条件。其中，P_DGmax为光伏发电的最大有功出力，kW。

下面针对该方案进行仿真验证，具体如下：

在MATLAB中，本发明采用一条220低压单相配电馈线进行仿真，如图6所示，包括一台配变和一条低压馈线，馈线上共有8个节点，即共有8个安装光伏发电的用户，每个用户之间假设距离为40m，线路型号为LGJ-25/4，农网首端电压选为220V。同时因为每个用户之间的距离十分近，所以假设每个用户光伏发电出力基本相同，选取农网用户接入的光伏发电为5kW。

当光伏发电出力为零时和光伏发电出力按额定功率运行时，其发电曲线如图7所示。由图7可以看到，当光伏发电为零时，线路上各个用户的电压从首端到尾端逐渐降低；当光伏发电按额定功率运行时，光伏发电曲线呈现逐点上升的趋势，且在末端节点电压的越限情况最严重。根据国家电网办〔2013〕1781号国家电网公司关于印发分布式电源并网相关意见和规范的通知可知，农网电压的上下限值分别为+5％、-10％，即上限值为231V。由图7可以看出，从第二个用户节点开始，电压就已经开始出现越限现象。线路末端节点电压可达248V，严重超出了国家规定的电压稳定运行范围。

利用本发明所述的有功无功耦合控制策略对图7中的过电压节点进行治理，并且利用多目标优化算法对所述的控制策略进行优化控制，控制后的图形如图8所示。

由图8可以看到当仅仅使用逆变器的无功容量来调节电压时，线路各点电压虽然有所降低，但是仍然处于越限状态，其从第三个用户节点开始，产生过电压现象，最大电压可达242.7V。针对逆变器无功容量不足的现象，利用本发明提出的有功无功耦合控制策略，以电压灵敏度矩阵为基础，计算其有功和无功改变情况下的电压变化情况。从图8可以得知，相对于仅仅通过控制逆变器无功功率的方法，本文提出的方法能很好地解决过电压问题，虽然线路电压仍然处于上升趋势，但是其末端节点电压，即线路上的最大电压为231V，没有刚好达到电压稳定运行的上限值。相对于只削减逆变器有功功率的方法来说，本文提出的方法在保证经济性的同时，能够将控制所有逆变器的功率削减相同的数值，这样可以保证每个用户的收益基本相同。

表1列出了不同控制方案下的网损值和光伏有功削减量和无功补偿量。由表中可以看出，随着光伏发电的接入，其网损也随之增多，这是因为大量的光伏发电导致的逆向潮流，流向首端的功率比不接入光伏发电时从首端流出的功率要大，所以造成了其网速的增大，当接入光伏发电越大时，其所造成的网损也会随之增大。当光伏发电不接入时(方案1)，网损为0.191kW，是一个很小的数值；当光伏接入而不加任何控制时(方案2)，光伏发电按MPPT输出，网损为3.021kW，虽然与加了控制手段之后的方案相比，方案2的网损值比较小，但是由于其逆向潮流导致的过电压问题比较严重；方案3、方案4方案5对比中，虽然方案4(仅削减有功功率)的网损比较小，仅为0.429kW，但是其有功削减量比较大，达到20kW，光伏发电的功率因数比较小，仅仅达到0.454，通过仅控制无功功率的方式(方案3)和本文提出的有功无功耦合控制策略(方案5)相比，虽然方案3的控制方式的网损比较小，但是由于无功容量的不足，无法达到预期的控制目的，而方案4和方案5对比，可只看到仅通过削减无功功率的方式比本文提出的有功无功耦合控制策略所造成的网损值更小，但是仅通过削减有功功率的方式削减有功功率过多，达到光伏最大有功出力的一半，这造成严重的弃光现象。而通过本文提出的优化算法，将其应用到有功无功耦合控制策略中去，通过优化后，其方案6的网损明显得到抑制，相比于方案3和方案5分别降低了1.11％和2.49％。

表1不同控制方案下的结果分析

综上所述，通过光伏的有功无功耦合控制策略，能够有效的解决农网过电压问题，且能保证网损最小。

以上所述，为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到变化后者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求说明书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种有功无功耦合治理光伏接入引起农网过电压的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据农网的线路参数、拓扑结构和光伏发电数据，利用潮流公式计算拓扑结构中每个用户节点的电压V_i；

2)判断节点电压V_i是否越限，如果节点电压V_i发生越限现象，则根据电压和无功功率的灵敏度矩阵，利用逆变器的无功容量Q_c对越限电压V_i进行调节，同时保持光伏最大输出功率P_MPPT不变；

3)判断逆变器的无功容量Q_c是否充足，如果逆变器的无功容量Q_c不充足且各节点电压V_i仍然处于越限状态时，则对其进行有功削减；

4)进入有功削减后，以每次削减起规定步长的有功功率为基准，然后根据电压和有功功率之间的灵敏度矩阵来调节越限电压；

5)当用户节点电压仍处于越限状态时，转至步骤3)，利用无功容量调节电压的同时判断逆变器的无功容量Q_c是否充足，如此反复，直至将电压调节至安全稳定运行范围内；

6)对上述控制策略进行优化，将线路上的有功损耗和电压变化量设为目标函数进行优化计算，得到经济性最优和电压稳定性最好的计算结果。

2.根据权利要求1所述的有功无功耦合治理光伏接入农网过电压的方法，其特征在于：步骤3)中，如果判断逆变器的无功容量Q_c为充足，继续利用逆变器无功功率Q_c调节电压，输出光伏发电系统实际输出功率和节点电压。

3.根据权利要求1所述的有功无功耦合治理光伏接入农网过电压的方法，其特征在于：步骤2)中，如果判断节点电压V_i没有越限，输出光伏发电系统实际输出功率和节点电压。

4.根据权利要求1所述的有功无功耦合治理光伏接入农网过电压的方法，其特征在于：有功功率的计算公式如下：

P_out＝P_MPPT-0.1m (2)

其中，P_out为光伏逆变器发出的功率；P_MPPT为光伏最大输出功率，m为把节点电压从电压越限状态调节至安全稳定运行状态的有功削减次数。

5.根据权利要求1所述的有功无功耦合治理光伏接入农网过电压的方法，其特征在于：所述系统的电压幅值变化量ΔV与有功功率变化量ΔP和无功功率变化量ΔQ用公式表示为：

式中：是节点i对节点j的电压-有功灵敏度，即节点j单位有功功率变化所引起节点i的电压所发生的变化；是节点i对节点j的电压-无功灵敏度，即节点j单位无功功率变化所引起节点i的电压所发生的变化；ΔP_j为第j个节点有功功率的变化量；ΔQ_j为第j个节点无功功率的变化量。

6.根据权利要求1所述的有功无功耦合治理光伏接入农网过电压的方法，其特征在于：所述目标函数为：

式中：n为农网支路总数；R_i为第i条支路的电阻，Ω；P_i为第i条支路末端流过的有功功率，kW；Q_i为第i条支路末端流过的无功功率，kVar；V_i为第i条支路末端的电压。