CN115719973A - 一种分布式光伏并网电压综合治理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光伏并网电压综合治理方法及系统，包括：获取并网母线的电压数据；当电压越过并联电抗器动作电圧的上限时，投入并联电抗器进行无功补偿；否则，并联电抗器不动作；当投入并联电抗器后并网母线的电压大于储能系统的电压死区最大值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略发出无功降低电压；当投入并联电抗器后并网母线的电压小于储能系统的电压死区最小值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略吸收无功提高电压；当投入并联电抗器后并网母线的电压落入储能系统的电压死区范围内时，储能系统不动作。本发明首先投入并联电抗器实施粗调，然后由BESS进行细调，使并联电抗器在较长时间内保持投入状态，避免频繁投切。

Description

一种分布式光伏并网电压综合治理方法及系统

技术领域

本发明涉及分布式光伏出力技术领域，尤其涉及一种分布式光伏并网电压综合治理方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，随着能源短缺问题的日益突显，基于用户单位的分布式光伏发电技术逐渐成为新能源技术的重要构成，分布式光伏发电系统不仅能够满足日常的家用电力供应，还能够通过并网方式向主电网供应电力，为用户带来一定的经济效益。

但是，分布式光伏接入配电网之后引起网络的潮流方向发生不确定性改变，配电网潮流逆向流动更加频繁，节点电压存在越限风险，配电网电压分布发生剧烈变化；同时，PV出力的不确定性导致配电网电压波动和越限等问题愈发突出。

在传统的配电网中，主要是采取调节电容器组数或者有载调压变压器的方式来进行无功优化。但是，分布式电源的并网改变了配电网的潮流分布，其特有的随机性和波动性增加了配电网无功调节的难度，传统的无功优化手段已经难以应对。如何确保含分布式电源配电网的电能质量，实现新能源发电的高效消纳，对电网系统来说至关重要。

现有技术利用蓄电池和超级电容器作为储能载体，设计混合储能系统，旨在实现光伏出力波动与负载随机变化等情境下，实现源荷互动，保证直流母线电压稳定。但是，混合储能系统内部结构复杂，存在环境敏感型和寿命衰退的特点，并且较难准确评估系统的内部状态，从而较难实现对电能的协调控制。

现有技术分析了分布式光伏电源接入配电网引起电压越限的基本原理，并针对电压越限问题，对比常用的电压控制方法和控制策略，提出分布式电抗器电压控制方式。但是，采用电抗器进行电压控制易发生过调或欠调现象，并且在投切瞬间容易引起暂态冲击。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种分布式光伏并网电压综合治理方法及系统，基于并联电抗器和储能协同调压的方法，能够提高储能电站的利用率，同时提高电能质量。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种分布式光伏并网电压综合治理方法，包括：

获取并网母线的电压数据；

当所述电压越过并联电抗器动作电圧的上限时，投入并联电抗器进行无功补偿；否则，并联电抗器不动作；

当投入并联电抗器后并网母线的电压大于储能系统的电压死区最大值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略发出无功降低电压；

当投入并联电抗器后并网母线的电压小于储能系统的电压死区最小值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略吸收无功提高电压；

当投入并联电抗器后并网母线的电压落入储能系统的电压死区范围内时，储能系统不动作。

所发出的无功功率由Q/V下垂控制策略中的斜率和电压死区共同决定。

所吸收的无功功率由Q/V下垂控制策略中的斜率和电压死区共同决定。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种分布式光伏并网电压综合治理系统，包括：

数据获取模块，用于获取并网母线的电压数据；

并联电抗器动作判定模块，用于当所述电压越过并联电抗器动作电圧的上限时，投入并联电抗器进行无功补偿；否则，并联电抗器不动作；

储能系统动作判定模块，用于当投入并联电抗器后并网母线的电压大于储能系统的电压死区最大值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略发出无功降低电压；

当投入并联电抗器后并网母线的电压小于储能系统的电压死区最小值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略吸收无功提高电压；

当投入并联电抗器后并网母线的电压落入储能系统的电压死区范围内时，储能系统不动作。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的分布式光伏并网电压综合治理方法。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的分布式光伏并网电压综合治理方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明在并网点电压越过上限时，首先投入并联电抗器，由大容量的并联电感实施粗调，可以避免大规模电池储能系统(以下简称BESS)长时间高负荷运行，从而达到延长BESS寿命和降低运维成本的目的；同时，由BESS进行细调，可以在一定范围内适应光伏电源并网带来的潮流迅速变化，使并联电抗器在较长时间内保持投入状态，避免频繁投切。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中的分布式光伏并网电压综合治理方法流程图；

图2为本发明实施例中的光伏并网原理图；

图3为本发明实施例中的Q/V下垂控制策略示意图；

图4为本发明实施例中的分布式光伏并网电压综合治理方法等效电路图；

图5为本发明实施例中的仿真模型；

图6(a)-(c)分别为本发明实施例中的综合治理方案下的并网点电压曲线、储能的无功输出曲线以及并联电抗器的无功输出曲线。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种分布式光伏并网电压综合治理方法，结合图1，具体包括如下过程：

(1)获取并网母线的电压数据；

(2)判断所述电压是否大于并联电抗器的动作电圧；若是，投入并联电抗器；否则，并联电抗器不动作；

(3)判断投入并联电抗器后并网母线的电压是否大于储能系统的电压死区最大值；若是，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略发出无功降低电压；若否，判断并网母线的电压是否小于储能系统的电压死区最小值，若小于，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略吸收无功提高电压；若不小于，储能系统不动作。

本实施例中，定义U_max表示的是电压的上限值，U_min表示的是电压的下限值。

①并网母线的电压大于U_max说明电压过大，投入并联电抗器下调电压；

②并网母线电压小于U_min说明电压过小，如果此时有并联电抗器接入，则切除并联电抗器，否则仅储能动作。

下面对本实施例的方法进行详细说明。

光伏并网指的是由光伏电池板以及其他组件产生直流电，由并网逆变器转换作用得到符合公共电网需求的交流电，此交流电可以直接接入公共电网和用户网络中。

分布式光伏电站一般是指规模较小的光伏电站，其应用范围较广，可以在建筑物的屋顶进行安装，安装方便、安装地点灵活，且光伏系统的容量能够结合场地的实际情况进行调整。

以图2为例，对含分布式光伏的潮流进行分析。图2中PCC为公共连接点(光伏并网点)；

为公共连接点的电压；

为配电网电压。设U_S为恒定值；Z＝R+jX为输电线路阻抗；P、Q分别为配电母线向负载方向传输的有功功率和无功功率；P_L和Q_L分别为本地负载的有功功率和无功功率，P_G和Q_G分别为光伏电源发出的有功功率和无功功率。

根据基尔霍夫电压定律，则可以列出配电网到并网点的电压降落为：

上式中

为流经支路的电流，由功率传输方向可得：

假设已知末端功率

则电流

为：

联立，可得：

线路上损失的有功功率和无功功率远小于节点处的有功P和无功Q，可忽略其导致的电压损失，由此可得并网点处的电压为：

光伏发电一般采用最大功率点跟踪控制方式，使光伏系统运行在最佳工作状态。所以，光伏发电输出功率随着光照强度和温度的波动一直处于不断变动的过程中。比如：

夏季由于日照时间长，光照强度大，因此光伏电源出力最大。同理可得，冬季日照时间短，光照强度小，光伏电源出力最小。春秋两季光照强度和温度较为接近，因此光伏出力也较为接近，且功率介于冬夏之间。

晴天时光伏电源出力最为稳定，其功率随着光照强度的变化而平稳变化。阴天和雨雪天时，白天中光照强度变化不大且远小于晴天时的光照强度，而在多云天气时，由于阳光收到云层遮挡的影响，光照强度变化较大，此时光伏出力波动性最大，短时间波动量甚至可能超过装机容量的50％，因此多云天气下接入大规模分布式光伏电源的配电网的系统电压波动性也会明显增大，严重情况下可能影响电网的安全运行。

在一天内，居民负荷会在上午和晚上分别出现一个用电高峰，而在深夜至凌晨期间和中午时间用电量呈现下降趋势。在不同季节内，居民用户负荷夏季需求最大，并且远大于其他三个季节；冬季负荷需求次于夏季但高于其他两个季节，这是因为天气变化致使居民用户在夏季时需采用降温设备而冬季时需采用取暖设备，且降温设备负荷远高于取暖设备负荷。居民用户单日负荷曲线变化特性也略有不同。

并网点电压越限及波动的机理如下：

无穷大电网和并网点电压的电压偏移与以下几个因素有关：线路上流过的有功和无功，以及线路的参数R、X。对式的等式两侧分别取微分可得：

可以看出，dP和dQ的系数不仅与线路的参数有关，还与并网点处的有功和无功有关。由于式(2-15)中

同时U_grid和U_pcc相差不大，所以分母一般取正值。由于负荷对应的电阻和电抗一般小于线路的电阻和电抗，所以

且

不会出现

和

的情况，并网点处电压将随着P和Q的减小而增大。由于，且配电网中电阻一般大于电抗，所以C_UP一般大于C_UQ。

为简化分析，将光伏发电功率作为负的负荷与电网负荷进行叠加，得到光伏发电接入后的等效负荷。通过分析等效负荷波动性分析电网电压，等效负荷的计算公式为：

P_eql＝P_load-P_pv (7)

式中，P_eql为电网等效负荷；P_load为电网实际负荷；P_pv为光伏发电功率。

光伏和光伏发电波动对系统电压的影响与光伏发电渗透率密切相关。光伏发电装机容量比例比较低时，光伏发电对等效负荷的影响非常小，可以忽略光伏发电波动性对电网的影响；光伏发电比例比较高时，其对等效负荷的影响比较大，分布式光伏功率大幅度和快速变化可能引起电压的波动和越限。一方面，分布式光伏发电功率跟随太阳辐照度变化而变化，气象因素的变化引起投射到光伏电池板太阳辐照度的变化，造成局部配电线路的电压波动和越限。另一方面，通常中午光伏发电达到峰值，而此时往往用电负荷比早高峰有所下降，二者叠加在一起，将会加剧电压的波动。

储能系统(BESS，大规模电池储能系统)的四象限运行功能提供了两种调压手段：一是吸收有功功率，减少线路上的有功，减少线路上的负压差；二是发出感性无功功率，增大线路上的感性无功，增大线路上的正压差。

BESS发出/吸收无功功率仅占用逆变器容量，而不影响BESS的荷电状态，因此在有逆变器容量剩余时利用储能参与电网电压调节，可提高储能电站的利用率，储能调压采用的Q/V下垂控制策略如图3所示。

当并网点电压越过上限时，首先投入并联电抗器，根据投入后的电压值决定储能是否动作、如何动作以把电压调整到允许范围内。由大容量的并联电感实施粗调，可以避免BESS长时间高负荷运行，从而达到延长BESS寿命和降低运维成本的目的；同时，由BESS进行细调，可以在一定范围内适应光伏电源并网带来的潮流迅速变化，使电抗器在较长时间内保持投入状态，避免频繁投切。

本实施例中，令BESS采取Q/V下垂控制策略，并设置BESS的电压死区小于电抗器恰好不动作时的电压范围最大值U_max(即电压上限)。这样设置的目的是为了确保调压之后的并网点电压距离上下限留有一定的安全裕量，防止投入电容器后因潮流变化导致电压再次越限而BESS动作缓慢引起电压偏离额定值过多的情况出现。

设并网点母线电压使电抗器恰好不动作的范围为[U_min,U_max]；BESS的电压死区为[U_BESSmin，U_BESSmax]，并联电抗器的补偿容量为QXL，以光伏电源接入导致并网点电压升高并越过电抗器动作电压为例，其控制流程图如图1所示：

当光伏并网点电压升高并越过上限时，首先投入并联电抗器进行无功补偿，若调整后的电压落在BESS电压死区内，则BESS无需动作；若投入电抗器后出现过调以致并网点电压越BESS死区下限(即U_t＜U_BESSmin)时，BESS吸收无功进行补偿使电压上升，吸收的无功功率由Q/V下垂策略中的斜率和电压死区共同决定；同理，投入电抗器后出现欠调(即U_t＞U_BESSmax)时，应根据Q/V下垂策略由BESS发出无功进行补偿。

具体地，结合图3，U₁表示电压下限值Umin，U₄表示电压上限值Umax，U₂表示储能死区最小值U_BESSmin，U₃表示储能死区最大值U_BESSmax。

并联电抗器动作后，采用如图3所示的Q/V下垂策略：

①若此时电网电压U>U4，则储能发出最大无功Q_max。

②若此时电网电压U3<U<U4，则储能发出如图3中U3～U4之间斜线U对应的无功功率。

③若此时电网电压U2<U<U3，则储能不动作。

④若此时电网电压U1<U<U2，则储能吸收如图3中U1～U2之间斜线U对应的无功功率。

⑤若此时电网电压U<U1,则储能吸收最大无功Q_max。

值得注意的是，该策略不是静止的，而是实时动态的，需要时刻监测并网点母线电压的变化趋势，并基于动态数据随时调整补偿策略。

为了达到这一目的，本实施例在并网点加装一台控制器，如图4所示，控制器应当由采集模块、判断模块和控制模块三部分组成。其中，采集模块负责获取并网母线电压、光伏出力和负荷功率等数据；判断模块用于判断电压是否越过上下限，并将判断结果传输给控制模块，再由控制模块决定是否投入并联电抗器以及BESS是否动作。

本实施例在DIGSILENT中搭建如图5所示的仿真模型，在节点处增加储能和两组并联电抗器，并联电抗器的额定容量为0.5Mvar，储能采用下垂控制的方式，逆变器容量为1MVA，下垂系数取为10，死区电压设置为9.6和10.4kV。

当电压超出10.4kV时，投入一组电抗器，若电压仍超出10.4kV，则投入另一种电抗器。当电压低于9.6kV时，则切除一组电抗器，若电压仍低于9.6kV，则切除另一组电抗器。当投入或者切除所有电抗器仍不能满足要求时，则储能采用下垂控制的方式参与调压。仿真结果如图6(a)-(c)所示。

由图6(a)可以看出，采用并联电抗器和储能联合调压的方式能够维持全天的电压在允许范围内变化，在12时，最大电压为10.61kV，在20时，电压最低为9.32kV。由图6(b)-(c)可以看出，储能采用下垂控制后，能够随并网点电压平滑地调节感性无功的输出。在7时48分，并网点的电压超出了10.4kV，第一组并联电抗器开始投入，并网点电压迅速降至10.4kV以下，随着时间的延长，辐照度开始增大，光伏输出的有功功率开始上升，在8时12分，并网点的电压再次超出10.4kV，第二组并联电抗器投入，并网点的电压再次降至10.4kV以下，直至8点40分，虽然已经投入了全部的并联电抗器，但是并网点电压仍超出了10.4kV，储能开始发出感性无功参与电压调节，以抑制电压的升高。在16时左右，光伏出力降低导致并网点电压降低至10.4kV以下，电压在储能下垂控制的死区之内，仅依靠并联电抗器就可以调节并网点电压在允许值以内，储能输出的无功为零，退出电压调节。在18时后，光伏出力为零，用户负荷开始上升，并网点电压降低至9.6kV以下，超出了储能下垂控制的死区，储能开始吸收感性无功参与电压调节。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种分布式光伏并网电压综合治理系统，包括：

数据获取模块，用于获取并网母线的电压数据；

并联电抗器动作判定模块，用于当所述电压越过并联电抗器动作电圧的上限时，投入并联电抗器进行无功补偿；否则，并联电抗器不动作；

储能系统动作判定模块，用于当投入并联电抗器后并网母线的电压大于储能系统的电压死区最大值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略发出无功降低电压；当投入并联电抗器后并网母线的电压小于储能系统的电压死区最小值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略吸收无功提高电压；当投入并联电抗器后并网母线的电压落入储能系统的电压死区范围内时，储能系统不动作。

需要说明的是，上述各模块的具体实现方式与实施例一中相同，不再详述。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的一种分布式光伏并网电压综合治理方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例四

在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的一种分布式光伏并网电压综合治理方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种分布式光伏并网电压综合治理方法，其特征在于，包括：

获取并网母线的电压数据；

当所述电压越过并联电抗器动作电圧的上限时，投入并联电抗器进行无功补偿；否则，并联电抗器不动作；

当投入并联电抗器后并网母线的电压大于储能系统的电压死区最大值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略发出无功降低电压；

当投入并联电抗器后并网母线的电压小于储能系统的电压死区最小值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略吸收无功提高电压；

当投入并联电抗器后并网母线的电压落入储能系统的电压死区范围内时，储能系统不动作。

2.如权利要求1所述的一种分布式光伏并网电压综合治理方法，其特征在于，还包括：

当并网母线的电压小于并联电抗器恰好不动作时的电压范围最小值U_min时，如果此时有并联电抗器接入，则切除并联电抗器；如果没有并联电抗器接入，则仅储能系统动作。

3.如权利要求1所述的一种分布式光伏并网电压综合治理方法，其特征在于，

所述储能系统的电压死区最大值U_BESSmax小于电抗器恰好不动作时的电压范围最大值U_max。

4.如权利要求1所述的一种分布式光伏并网电压综合治理方法，其特征在于，根据Q/V下垂控制策略发出无功降低电压，所发出的无功功率由Q/V下垂控制策略中的斜率和电压死区共同决定。

5.如权利要求1所述的一种分布式光伏并网电压综合治理方法，其特征在于，根据Q/V下垂控制策略吸收无功提高电压，所吸收的无功功率由Q/V下垂控制策略中的斜率和电压死区共同决定。

6.如权利要求1所述的一种分布式光伏并网电压综合治理方法，其特征在于，实时监控并网母线的电压，并根据所述电压值实时调整并联电抗器和/储能系统的电压补偿策略。

7.一种分布式光伏并网电压综合治理系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取并网母线的电压数据；

并联电抗器动作判定模块，用于当所述电压越过并联电抗器动作电圧的上限时，投入并联电抗器进行无功补偿；否则，并联电抗器不动作；

储能系统动作判定模块，用于当投入并联电抗器后并网母线的电压大于储能系统的电压死区最大值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略发出无功降低电压；

当投入并联电抗器后并网母线的电压小于储能系统的电压死区最小值时，储能系统动作，根据Q/V下垂控制策略吸收无功提高电压；

当投入并联电抗器后并网母线的电压落入储能系统的电压死区范围内时，储能系统不动作。

8.如权利要求7所述的一种分布式光伏并网电压综合治理系统，其特征在于，储能系统动作判定模块还包括：当并网母线的电压小于并联电抗器恰好不动作时的电压范围最小值U_min时，如果此时有并联电抗器接入，则切除并联电抗器；如果没有并联电抗器接入，则仅储能系统动作。

9.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的分布式光伏并网电压综合治理方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的分布式光伏并网电压综合治理方法。

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