CN110011321A - 一种基于首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制方法，基于分布式光伏智能采集装置和智能控制终端实现。智能采集装置安装在变电站内，对站内低压侧母线电压进行实时采集，并与馈线上所有分布式光伏电站通讯，将首端电压信号下发。智能控制终端向上接收智能采集装置下发的馈线首端母线电压信号，将其作为控制策略整定的关键参数，生成变斜率下垂控制曲线；向下与逆变器相连，通过采集光伏电站并网点电压，实现逆变器无功功率按变斜率下垂曲线控制。本发明在线路电压较高的运行工况下，控制光伏逆变器吸收较少的无功功率，在满足电压运行要求的同时降低线路损耗；相比传统全状态观测方法，是一种理想的分布式光伏无功电压控制的工程实用性方法。

Description

一种基于首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制方法，本 发明属分布式光伏无功电压控制技术领域。

背景技术

近年来，随着光伏扶贫计划的大力实施，农村分布式光伏接入容量持续增 长，分布式光伏高渗透率地区配网线路潮流反送及电压越限问题开始凸显，对 配电网的安全运行及光伏消纳产生了不利影响，配电网电压越限控制迫在眉睫。

传统的电压越限控制方案包括增加导线半径减小阻抗、增加无功补偿装置 和储能设备等，但经济性较差。充分利用逆变器的无功容量进行电压调节具有 明显的经济性，受到越来越多的学者和工程技术人员的关注。德国电气工程师 协会提出适用于分布式光伏逆变器的四种标准化无功控制策略：恒定无功功率 控制、恒定功率因数控制、基于光伏有功出力的控制和基于并网点电压 幅值的下垂控制。

针对分布式光伏容量小、数量多，且通讯和自动化手段缺乏等特点，国内 外学者在此基础上进行了众多改进控制策略研究，总的来说主要集中在局部自 适应控制和全局协调控制两方面。局部自适应控制方案利用本地测量仪器监测 并网点电压水平及变化，可以将电压控制在可接受的范围之内。但其只考虑了 光伏电站本地信息，无法辨别是否由于馈线首端电压过高引起的并网点电压越 限，容易造成光伏电站从电网吸收大量无功但调压效果不佳，反而增加配电线 路损耗。全局协调控制基于分布式光伏电站多级电压控制系统设计，测量单元 采集各个节点发电、负荷、电压等潮流计算所需信息，集群控制主站收集终端 测量信息，通常以线路损耗最小为优化目标，采用优化算法求得各分布式光伏 的最优出力解，并下发无功控制指令给分布式光伏控制终端执行。但是多级电 压协调优化控制基于大量的终端测量与控制装置，依赖可靠的组网通讯，成本 投入高，实现难度大。

发明内容

本发明为了兼顾分布式光伏调压效果与线路损耗，同时尽量减少控制系统 建设成本，提供一种基于馈线首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制方法。

本发明的技术方案如下：一种基于首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂 控制方法，基于分布式光伏智能采集装置和智能控制终端实现。智能采集装置 布置在变电站内，负责实时采集站内低压侧母线电压，并与馈线上所有分布式 光伏电站通讯，将首端电压信号下发；智能控制终端安装在光伏电站内，向上 接收智能采集装置下发的馈线首端母线电压信号，将其作为控制策略整定的关 键参数，生成变斜率下垂控制曲线；向下与逆变器相连，通过采集光伏电站并 网点电压，实现逆变器无功功率按变斜率下垂曲线控制。控制系统通讯架构如 图1所示。

本发明的工作原理如下：在传统的无功电压下垂曲线中引入首端电压变量 V₀，当V₀＜V_n时，沿用传统控制策略，如图2所示；当V₀≥V_n时，对传统控制 策略中下垂控制曲线的右半部分进行修正。当并网点电压V_x<V_n时，按传统控制 方法发出无功；当V_n≤V_x≤V₀时，光伏电站与配网不发生无功交换；当V_x＞V₀时， 按照点(V₀，0)和点P2的连线控制无功吸收量。因为V₀是变化的，故下垂控 制曲线的斜率也随着V₀变化，下垂控制曲线不再固定不变，而是随V₀在x轴上 滑动，形成下垂控制曲线簇，如图3虚线部分所示。

不同并网点电压水平下，根据控制曲线下垂特性光伏逆变器吸收的无功功 率满足：

式(1)中V_max为正常运行所允许的最大电压，V_min为正常运行所允许的最 小电压，Q_max为当前时刻逆变器能够发出的最大无功功率，Q_min为当前时刻逆变 器能够吸收的最大无功功率。

设10kV配网线路低压侧母线电压为V₀，光伏并网点电压为V_x，线路阻抗 为R+jX，P+jQ为馈线首端注入并网节点功率，P_g+jQ_g为光伏注入功率，P_c+jQ_c为光伏接入点的负荷功率，如图4所示。

忽略电压降落的横分量，有

根据无功功率关系可知

Q+Q_g＝Q_c (3)

式(3)代入式(2)，将Q_g用V_x表示，有

由式(4)可知，在其它条件一定的情况下，光伏电站无功出力Q_g关于并网 点电压V_x的函数曲线是一条开口向上的抛物线。

将并网点电压与光伏无功出力的关系曲线映射到下垂控制曲线坐标轴上， 在传统下垂控制策略下，抛物线与L1的交点A确定了并网点电压V_x1，对应的光 伏电站无功出力为Q_g1；在首端电压追踪控制策略下，抛物线与L2的交点B确定 了并网点电压V_x2，对应的光伏电站无功出力为Q_g2，如图5所示：

L₁和L₂的斜率可以表示为

由于V_n＜V₀＜V_max，故首端电压滑动区间始终满足k₂＜k₁＜0。

由式(5)可知，两种控制策略下，电压平衡后光伏电站的无功出力可以表 示为

联立式(1)和式(6)，可得

式(8)减式(7)，整理可得

将式(5)代入式(9)，消去Vn和V0，有

或者

由图5可知，下垂控制策略中并网点电压的有效区间是V_x∈(V_n，V_max)，因 此V_x1＜V_max，V_x2＜V_max，又不难看出V_x1+V_x2-V₀-k₂X＞0，故式(10)和(11)恒 定小于0，即交点B的横坐标V_x2恒大于交点A的横坐标V_x1。由式(1)可知，V_x在大于V₀/2区间，Q_g随V_x单调递增，故Q_g2＞Q_g1，即当并网点电压高于额定电压V_n，采用变斜率下垂控制策略时，光伏电站吸收的无功功率总是会小于传统下 垂控制策略。

由图4可知，线路损耗Loss可以表示为：

将式(3)代入式(12)，有

当Q_g>0时，表示光伏电站发出感性无功；当Q_g<0时，表示光伏电站吸收感 性无功。通常无功负荷呈感性，即Q_c为正值。不难看出，当光伏电站吸收的无 功Q_g从0开始不断增大时，Q_c-Q_g的值同样不断增加，而由式(3)可知，在抛物 线的右半部分，V_x随着Q_g的减小而减小，故线路损耗Loss在Q_g∈(Q_min，0]区间 是单调递减的。

因此，在并网点电压偏高需要通过光伏电站吸收无功来降低节点电压时， 吸收的无功电压越多，线损也会随之增加。当并网点电压高于额定电压V_n，采 用变斜率下垂控制策略时，光伏电站吸收的无功功率总是会小于传统下垂控制 策略，从而可以实现降低线路损耗的目标。

本发明的有益效果是，本发明动态追踪馈线首端母线电压，实时改变下垂 控制曲线斜率，在满足调压要求的前提下减少了逆变器无功功率吸收量，在降 低配网线路损耗方面效果明显。相比基于馈线全状态监测的优化控制方法，本 发明所提方法在硬件建设投资和通讯可靠性要求方面大大降低，即使部分分布 式光伏控制终端与智能采集装置的通讯出现中断，故障站点也能切换至就地自 适应控制模式执行传统下垂控制策略，不影响其他站点控制策略执行，降损效 果有所降低，但是仍然优于传统下垂控制策略。

附图说明

图1为智能采集装置与控制终端的通讯架构；

图2为传统无功电压下垂控制曲线；

图3为基于首端电压追踪的变斜率下垂控制策略；

图4为光伏并网等值电路；

图5为无功功率平衡确定电压水平；

图6为首端电压追踪控制逻辑及流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。图6所示为基于首端母线电压追踪 的分布式光伏变斜率下垂控制方法流程图，主要包括以下步骤：

步骤一：在分布式光伏智能控制终端中设定V_max、V_min和额定电压V_n，确 定传统下垂控制曲线斜率。

步骤二：智能采集装置实时采集配网馈线首端母线电压V₀，并下发给智能 控制终端。

步骤三：各个分布式光伏智能控制终端接收到首端母线电压V₀，根据V₀和 V_n的大小关系做出控制策略选择。若V₀＜V_n，启动传统下垂控制模式；若V₀≥V_n， 启动本发明所提首端母线电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制模式，同时根 据首端母线电压大小生成变斜率下垂控制曲线。

步骤四：各个分布式光伏智能控制终端采集并网点电压V_x，在传统下垂控 制模式下，按固定斜率下垂特性控制无功；在本发明所提控制模式下，根据V_x与V₀、V_n的大小关系进行无功电压分段控制。若V_x＜V_n，沿用固定斜率下垂特 性控制无功；若V_n≤V_x≤V₀，控制分布式光伏电站与电网不发生无功交换；若V_x＞V₀，按变斜率下垂特性控制无功。

Claims (4)

1.一种基于首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制方法，其特征在于，所述方法通过智能采集装置实时采集变电站内低压侧母线电压，并将首端电压信号下发；分布式光伏智能控制终端接收智能采集装置下发的馈线首端母线电压信号，将其作为控制策略整定的关键参数，生成变斜率下垂控制曲线，并根据光伏并网点电压值调整逆变器无功功率吸收量，从而实现分布式光伏变斜率下垂控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

(1)在分布式光伏智能控制终端中设定光伏并网点电压最大值V_max、光伏并网点电压最小值V_min和额定电压V_n，确定传统下垂控制曲线斜率；

(2)智能采集装置实时采集配网馈线首端母线电压V₀，并下发给分布式光伏智能控制终端；

(3)各个分布式光伏智能控制终端接收到首端母线电压V₀，根据V₀和V_n的大小关系做出控制策略选择；若V₀＜V_n，启动传统下垂控制模式；若V₀≥V_n，启动首端母线电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制模式，同时根据首端母线电压大小生成变斜率下垂控制曲线；

(4)各个分布式光伏智能控制终端采集并网点电压V_x，在传统下垂控制模式下，按固定斜率下垂特性控制无功；在变斜率下垂控制模式下，根据V_x与V₀、V_n的大小关系进行无功电压分段控制；若V_x＜V_n，沿用固定斜率下垂特性控制无功；若V_n≤V_x≤V₀，控制分布式光伏电站与电网不发生无功交换；若V_x＞V₀，按变斜率下垂特性控制无功。

3.根据权利要求1所述的一种基于首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制方法，其特征在于，所述下垂控制曲线斜率为：

其中，k₂为首端电压追踪控制策略下，某一个首端电压对应的下垂控制曲线中斜线的斜率；Q_min为当前时刻光伏逆变器能够吸收的最大无功功率；V_max为正常运行所允许的最大值；V₀为首端电压变量。

4.根据权利要求1所述的一种基于首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制方法，其特征在于，实现所述方法的一种分布式光伏变斜率下垂控制系统，包括分布式光伏智能控制终端和智能采集装置；所述智能采集装置布置在变电站内，负责实时采集站内低压侧母线电压，并与馈线上所有分布式光伏电站通讯；所述智能控制终端安装在光伏电站内，事先设定光伏并网点电压最大值V_max、光伏并网点电压最小值V_min和额定电压V_n静态参数，实时接收所述智能采集装置下发的动态参数首端电压变量V₀，生成变斜率下垂控制曲线，同时获取并网点电压调整逆变器无功输出。