CN110034584A - 一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法，包括无功变下垂控制、有功缩减控制和有功恢复控制，无功变下垂控制包括采用最大功率跟踪控制法的有功功率控制和采用下垂控制法的无功功率控制，根据光伏电站的无功容量，设置无功下垂系数，提供无功功率支撑；所述有功缩减控制采用有功削减动态排序法，优先削减优先级高的光伏电站的有功出力，释放出更多的无功容量，实现系统的无功功率支撑；所述有功恢复控制采用有功恢复动态排序法，优先恢复优先级高的光伏电站的有功出力，实现各光伏电站无功功率的协调分配，并且在无功充裕性不足时，可以在取得同样调压效果的同时，最大化地减少有功功率缩减，提高光伏的消纳能力。

Description

一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法

所属领域

本发明涉及光伏电站无功电压控制技术领域，具体涉及一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法。

背景技术

全球化石能源危机使得对新能源的需求越来越迫切，而光伏作为一种清洁能源日益受到青睐，但是随着光伏产业的快速发展，电压越限现象在并网光伏发电系统中日益凸显，成为了影响光伏并网的一个重要因素。

为了维持大型光伏电站并网点电压的稳定，需要大量的无功功率来进行电压支撑，而事实上，光伏电站本身就具备一定的无功电压调节能力，可以利用光伏电站的无功输出能力，在电网发生无功功率缺额时提供一定的无功支撑，必要时给电网提供紧急无功控制，因此，合理开发和研究光伏电站的无功电压控制方法就变的尤为重要了。

目前，现有针对光伏电站的无功电压控制方法的研究主要集中在外部无功补偿装置的协调控制以及光伏电站自身的无功电压控制上，几乎没有关注度在各光伏电站无功充裕性的差异上，更加没有任何有关当光伏电站无功充裕性不足时的控制方案或利用方法，因而光伏电站自适应无功电压的控制，有很大的潜力供人们挖掘和开拓。

发明内容

本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法，包括无功变下垂控制、有功缩减控制和有功恢复控制，所述无功变下垂控制包括采用最大功率跟踪控制法的有功功率控制和采用下垂控制法的无功功率控制，所述无功功率控制，根据光伏电站的无功容量，设置无功下垂系数，提供无功功率支撑；所述有功缩减控制采用有功削减动态排序法，对光伏电站的有功削减优先级进行实时排序，优先削减优先级高的光伏电站的有功出力，释放出更多的无功容量，实现系统的无功功率支撑；所述有功恢复控制采用有功恢复动态排序法，对光伏电站有功恢复控制的优先级进行排序，优先恢复优先级高的光伏电站的有功出力，实现各光伏电站无功功率的协调分配，并且在无功充裕性不足时，可以在取得同样调压效果的同时，最大化地减少有功功率缩减，提高光伏的消纳能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法，包括无功变下垂控制、有功缩减控制和有功恢复控制，

所述无功变下垂控制包括有功功率控制和无功功率控制，所述有功功率控制采用最大功率跟踪控制法；所述无功功率控制采用下垂控制法，根据光伏电站的无功容量，设置无功下垂系数，提供无功功率支撑；

所述有功缩减控制采用有功削减动态排序法，对光伏电站的有功削减优先级进行实时排序，优先削减优先级高的光伏电站的有功出力，释放出更多的无功容量，实现系统的无功功率支撑；

所述有功恢复控制采用有功恢复动态排序法，对光伏电站有功恢复控制的优先级进行排序，优先恢复优先级高的光伏电站的有功出力，保证光伏的消纳能力。

作为本发明的一种改进，所述无功下垂系数1/k_q设为：

其中，为第i个光伏电站t时刻所能提供的最大无功功率；α为整定参数；S为光伏电站的额定容量；P_i ^t为第i个光伏电站t时刻输出的有功功率；

所述无功下垂系数为电网提供的无功功率支撑具体为：

U-U^*＝-k_q(Q-Q^*)

其中，U^*,Q^*分别为所控制母线的电压参考值和光伏逆变器输出无功功率的参考值；U,Q分别为所控制母线的电压实际值和光伏逆变器输出无功功率的实际值。

作为本发明的另一种改进，所述有功缩减控制中削减优先级的判断方法为：

其中，S是光伏电站的视在功率；P_i ^t是光伏电站i在t时刻的有功输出；ΔP是光伏电站有功削减量；ΔQ_i,ΔQ_k是光伏电站i和k在有功削减后无功容量的增量，且k是该时刻拥有削减优先级最高的光伏电站。

作为本发明的额另一种改进，当有功缩减控制中的有功削减结束后，有功功率控制采用恒定有功控制，无功功率控制仍采用变下垂控制，所述有功控制为：

其中，P_ref光伏电站有功削减后的有功功率参考值；P为光伏电站实际输出的有功功率；i_dref是功率外环输出的有功电流参考值；k_p,k_i是PI控制器的参数。

作为本发明的又一种改进，所述有功恢复控制中恢复优先级的判断方法为：

其中，S是光伏电站的视在功率；P_i ^t是光伏电站i在t时刻的有功输出；ΔP是光伏电站有功恢复量；ΔQ_i,ΔQ_m是光伏电站i和m在有功恢复后无功容量的增量，且m是该时刻拥有恢复优先级最高的光伏电站。

为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法的应用，包括以下步骤：

S1，检测并网点电压，若电压越限，各光伏电站采用无功变下垂控制，进行并网点的无功功率支撑；

S2，检测光伏电站的无功容量，若无功容量用尽，继续步骤S3，否则返回步骤S1；

S3，有功缩减控制步骤：对光伏电站的有功削减优先级进行实时排序，所述排序以在缩减相同有功功率的条件下，按照释放的无功容量大小进行排序，优先缩减优先级高的光伏电站；

S4，有功缩减结束后，各光伏电站释放出更多的无功容量，,根据无功变下垂控制进行并网点的无功电压控制；

S5，继续检测并网点电压，若电压仍越限，返回步骤S2，反之则继续步骤；

S6，有功恢复控制步骤：对光伏电站有功恢复控制的优先级进行排序，所述排序以在恢复相同有功功率的条件下，按照损失的无功容量大小进行排序，优先恢复优先级高的光伏电站；

S7，有功恢复控制结束后，各光伏电站恢复到有功缩减控制前的状态，步骤结束。

与现有技术相比，本发明所提出的一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法，可以实现无功功率在各光伏电站间的协调分配，避免出现部分光伏电站无功容量用尽而另一部分光伏电站还留有较大无功裕度的问题，可以保证各光伏电站具有大致相同的无功裕度，合理布局和分配；另外，现有的技术方案采用恒定的下垂系数，而本发明所提出的方法在无功调节时能够很好地适应光伏电站运行状态的改变，并且对天气变化时光伏电站间的无功电压协调控制具有较强的适应性，在光伏无功充裕性不足的情况下，本发明所提出的方法依旧能够在保证电力系统无功需求的前提下，尽可能的减少光伏的有功削减，提高光伏的消纳能力。

附图说明

图1为本发明一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法应用的的流程图；

图2为本发明实施例2中并网光伏发电系统的结构示意图；

图3为本发明的外环功率控制器的结构框图；

图4为本发明的内环电流控制器的结构框图；

图5为本发明实施例2的仿真结果图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

实施例1

一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法，包括无功变下垂控制、有功缩减控制和有功恢复控制。

在无功变下垂控制阶段，包括有功功率控制和无功功率控制，其中，有功功率控制采用最大功率跟踪控制，使各光伏电站发出其所能发的最大有功功率；无功功率控制采用变下垂控制，根据各光伏电站现有的无功容量，为其设置无功下垂系数：

其中，1/k_q为下垂系数，为第i个光伏电站t时刻所能提供的最大无功功率，α根据实际经验进行整定，S为光伏电站的额定容量，P_i ^t为第i个光伏电站t时刻输出的有功功率。

若检测到并网点电压越限，各光伏电站根据无功下垂系数为电网提供无功功率支撑，具体为：

U-U^*＝-k_q(Q-Q^*)

其中，U^*,Q^*分别为所控制母线的电压参考值和光伏逆变器输出无功功率的参考值,U,Q分别为所控制母线的电压实际值和光伏逆变器输出无功功率的实际值。

检测光伏电站的无功容量，若无功容量用尽，则进入有功缩减控制阶段，此时，光伏电站的无功容量已不能满足系统的无功需求，因而采用有功削减动态排序法，对各光伏电站的有功削减优先级进行实时排序，优先削减优先级高的光伏电站的有功出力，以释放出更多的无功容量实现系统的无功功率支撑。具体为，利用下式进行削减优先级的判断：

其中，S是光伏电站的视在功率，P_i ^t是光伏电站i在t时刻的有功输出，ΔP是光伏电站有功削减量，ΔQ_i,ΔQ_k是光伏电站i和k在有功削减后无功容量的增量，且k是该时刻拥有削减优先级最高的光伏电站。

有功削减结束后，光伏电站的有功功率控制采用恒定有功控制，有功参考值为削减后的光伏电站的有功输出；无功功率控制仍采用变下垂控制。

在导致系统无功缺额的因素消失后，利用有功恢复动态排序法，对各光伏电站有功恢复控制的优先级进行排序，优先恢复优先级高的光伏电站的有功出力，具体为，利用下式进行恢复优先级的判断：

其中，S是光伏电站的视在功率，P_i ^t是光伏电站i在t时刻的有功输出，ΔP是光伏电站有功恢复量，ΔQ_i,ΔQ_m是光伏电站i和m在有功恢复后无功容量的增量，且m是该时刻拥有恢复优先级最高的光伏电站，以保证光伏的消纳能力。

实施例2

本实施例中基于的并网光伏发电系统结构如图2所示，所述系统中，3个额定容量为2MW的光伏电站经0.4kV/10kV、10kV/110kV、110kV/220kV升压变压器并入电网，bus1母线处接有负荷18-j2.4MVA，施加扰动为在图2所示母线1处，仿真时刻为5s时投入一个无功负荷，扰动持续时间10s。

一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法的应用，所述流程方法如图1所示，包括三个阶段：无功变下垂控制阶段、有功缩减控制阶段和有功恢复控制阶段。

检测到光伏发电系统发生扰动，bus1母线电压越限，则进入无功变下垂控制阶段，图3为光伏电站采用的外环功率控制器的结构框图，有功功率控制采用最大功率跟踪控制，无功功率控制采用变下垂控制，有功最大功率跟踪控制和无功变下垂控制是光伏逆变器单元功率外环输出有功无功电流参考值获取的途径，具体为：

其中，i_dref,i_qref是功率外环输出的有功无功电流的参考值，U_pref是最大功率跟踪控制(MPPT)所得到的参考电压，U_dcp是光伏电池的工作电压，U_pcc是光伏电站并网点bus1处的电压，Q是光伏电站输出的无功功率，k_p,k_i是PI控制器的参数，是光伏电站的下垂系数。

光伏电站的无功下垂系数根据其现有的无功容量设定：

其中，1/k_q为下垂系数，为第i个光伏电站t时刻所能提供的最大无功功率，α根据实际经验进行整定，S为光伏电站的额定容量，P_i ^t为第i个光伏电站t时刻输出的有功功率。

光伏逆变器的功率外环控制，电流内环控制是光伏逆变器单元目前公认的控制方式，所有的控制方法均需进行双环控制才能得到逆变器的控制信号，进而驱动逆变器工作，达到控制目的。也就是说，本方法得到外环控制的输出(电流参考值)，由此输出作为内环电流的输入，经内环电流控制后，得到电压控制信号，进而驱动逆变器动作，由功率外环控制得到有功无功电流的参考值后，根据电流内环控制得到光伏逆变器的控制信号，图4为光伏电站采用的内环电流控制器的结构框图，具体为：

其中，i_dref,i_qref是功率外环输出的有功无功电流的参考值，i_d,i_q是电流的测量值，U_d,U_q是电压的测量值，U_dref,U_qref是内环电流控制得到的电压控制信号，k_p,k_i是PI控制器的参数。

光伏电站1,2,3根据各自设定的无功下垂系数，为电网提供无功支撑，如图5所示，由于光伏电站的无功容量不足以应对所加入的无功负荷扰动，因此母线1处的电压仍处于较低水平，约0.968p.u.。

检测光伏电站的无功容量，若无功容量用尽，则进入有功缩减控制阶段。此时，光伏电站的无功容量已不能满足系统的无功需求，本实施例利用一种有功削减动态排序法，对各光伏电站的有功削减优先级进行实时排序，优先削减优先级高的光伏电站的有功出力，以释放出更多的无功容量实现系统的无功功率支撑。具体为，利用下式进行削减优先级的判断：

其中，S是光伏电站的视在功率，P_i ^t是光伏电站i在t时刻的有功输出，ΔP是光伏电站有功削减量，ΔQ_i,ΔQ_k是光伏电站i和k在有功削减后无功容量的增量，且k是该时刻拥有削减优先级最高的光伏电站。

有功削减结束后，有功功率控制采用恒定有功控制，无功功率控制仍采用变下垂控制，如图3所示，有功控制为：

其中，P_ref光伏电站有功削减后的有功功率参考值，P为光伏电站实际输出的有功功率，i_dref是功率外环输出的有功电流参考值，k_p,k_i是PI控制器的参数。

如图5所示，光伏电站1和光伏电站2分别进行了不同程度的有功功率削减，光伏电站3不进行有功功率削减，因而释放出了额外的无功容量进行光伏电站并网点电压的支撑，从图5可以看出，无功功率在各光伏电站间进行了重新分配，并且母线1处的电压水平也提高到将近0.98p.u.

在导致系统无功缺额的因素消失后，利用有功恢复动态排序法，对各光伏电站有功恢复控制的优先级进行排序，优先恢复优先级高的光伏电站的有功出力，以保证光伏的消纳能力，具体为，利用下式进行恢复优先级的判断：

其中，S是光伏电站的视在功率，P_i ^t是光伏电站i在t时刻的有功输出，ΔP是光伏电站有功恢复量，ΔQ_i,ΔQ_m是光伏电站i和m在有功恢复后无功容量的增量，且m是该时刻拥有恢复优先级最高的光伏电站。

有功恢复结束后，光伏电站恢复到有功缩减之前的状态运行，可以在保证系统无功需求的前提下，增大光伏的消纳能力。如图5所示，在所加入的无功负荷扰动消失后，各光伏电站恢复到初始的运行状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法，其特征在于，包括无功变下垂控制、有功缩减控制和有功恢复控制，

所述无功变下垂控制包括有功功率控制和无功功率控制，所述有功功率控制采用最大功率跟踪控制法；所述无功功率控制采用下垂控制法，根据光伏电站的无功容量，设置无功下垂系数，提供无功功率支撑；

所述有功缩减控制采用有功削减动态排序法，对光伏电站的有功削减优先级进行实时排序，优先削减优先级高的光伏电站的有功出力，释放出更多的无功容量，实现系统的无功功率支撑；

所述有功恢复控制采用有功恢复动态排序法，对光伏电站有功恢复控制的优先级进行排序，优先恢复优先级高的光伏电站的有功出力，保证光伏的消纳能力。

2.如权利要求1所述的一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法，其特征在于所述无功下垂系数1/k_q设为：

其中，为第i个光伏电站t时刻所能提供的最大无功功率；α为整定参数；S为光伏电站的额定容量；P_i ^t为第i个光伏电站t时刻输出的有功功率；

所述无功下垂系数为电网提供的无功功率支撑具体为：

U-U^*＝-k_q(Q-Q^*)

其中，U^*,Q^*分别为所控制母线的电压参考值和光伏逆变器输出无功功率的参考值；U,Q分别为所控制母线的电压实际值和光伏逆变器输出无功功率的实际值。

3.如权利要求1所述的一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法，其特征在于所述有功缩减控制中削减优先级的判断方法为：

其中，S是光伏电站的视在功率；P_i ^t是光伏电站i在t时刻的有功输出；ΔP是光伏电站有功削减量；ΔQ_i,ΔQ_k是光伏电站i和k在有功削减后无功容量的增量，且k是该时刻拥有削减优先级最高的光伏电站。

4.如权利要求3所述的一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法，其特征在于当有功缩减控制中的有功削减结束后，有功功率控制采用恒定有功控制，无功功率控制仍采用变下垂控制，所述有功控制为：

其中，P_ref光伏电站有功削减后的有功功率参考值；P为光伏电站实际输出的有功功率；i_dref是功率外环输出的有功电流参考值；k_p,k_i是PI控制器的参数。

5.如权利要求1所述的一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法，其特征在于所述有功恢复控制中恢复优先级的判断方法为：

其中，S是光伏电站的视在功率；P_i ^t是光伏电站i在t时刻的有功输出；ΔP是光伏电站有功恢复量；ΔQ_i,ΔQ_m是光伏电站i和m在有功恢复后无功容量的增量，且m是该时刻拥有恢复优先级最高的光伏电站。

6.一种计及无功充裕性的光伏电站自适应无功电压控制方法的应用，其特征在于，包括以下步骤：

S1，检测并网点电压，若电压越限，各光伏电站采用无功变下垂控制，进行并网点的无功功率支撑；

S2，检测光伏电站的无功容量，若无功容量用尽，继续步骤S3，否则返回步骤S1；

S3，有功缩减控制步骤：对光伏电站的有功削减优先级进行实时排序，所述排序以在缩减相同有功功率的条件下，按照释放的无功容量大小进行排序，优先缩减优先级高的光伏电站；

S4，有功缩减结束后，各光伏电站释放出更多的无功容量，,根据无功变下垂控制进行并网点的无功电压控制；

S5，继续检测并网点电压，若电压仍越限，返回步骤S2，反之则继续步骤；

S6，有功恢复控制步骤：对光伏电站有功恢复控制的优先级进行排序，所述排序以在恢复相同有功功率的条件下，按照损失的无功容量大小进行排序，优先恢复优先级高的光伏电站；

S7，有功恢复控制结束后，各光伏电站恢复到有功缩减控制前的状态，步骤结束。