CN206060206U - 一种光伏电站无功支撑系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光伏发电技术领域，具体涉及一种光伏电站无功支撑系统，其特征在于：包括无功整定模块、无功分配模块和无功补偿模块，所述无功整定模块用于计算系统无功功率缺额Q_ref，所述无功分配模块用于将系统无功功率缺额分配到所述无功补偿模块，所述无功补偿模块用于补偿系统无功功率缺额。本实用新型能够充分调动光伏逆变器和无功补偿源的无功调节能力，使光伏电站具有灵活的无功支撑能力，解决了光伏电站普遍存在的光伏接入节点电压越限和静态电压失稳的问题，有利于光伏电站安全稳定运行。

Description

一种光伏电站无功支撑系统

技术领域

本实用新型属于光伏发电技术领域，具体涉及一种光伏电站无功支撑系统。

背景技术

太阳能光伏发电作为一种可再生的清洁能源，得到了国家越来越多的重视。但是，随着光伏发电在电网电源中比例不断增大，光伏系统对电网的影响逐渐显现。目前，我国光伏电站普遍存在并网点电压波动甚至越限的问题，光伏电站输出功率随着光照强度、温度等因素变化而变化，进而引起并网电压波动，并且光伏电站可视为一个无旋转惯量的电流源，光伏电站并网在一定程度上降低了电网的稳定裕度，进一步加剧了电压不稳定性。因此，光伏电站的无功电压问题已经成为亟待解决的问题之一。

目前，我国光伏电站的并网逆变器主要采用单位功率因数并网方式，因此无功支撑方式主要是在并网点装设无功补偿源(装置)，但大容量的无功补偿源(装置)会增加系统成本，并且忽视了光伏并网逆变器的无功支撑能力，造成资源浪费。近年来国内外学者开始研究基于光伏逆变器的光伏电站无功支撑系统，但光伏逆变器受容量的限制，在有功满发时，无功输出能力较弱，此时通常需要安装一些无功补偿源(装置)；当光伏电站的电压控制同时考虑光伏逆变器的无功能力与无功补偿设备的作用时，就需要确定如何使他们之间进行有效的协调控制的策略。对此，文献[鲍新民,许士光.光伏电站无功电压控制策略的研究[J].低压电器.2014(4):32-36.]，以并网点电压为控制目标，优先利用光伏逆变器输出无功调节电压，将光伏电站的总无功差额在光伏逆变器间按等无功容量原则进行分配，如果无功不足再由SVC共同调节，但每台逆变器分配的无功容量相等，可能导致部分逆变器无功出力越限。文献[晁阳.并网光伏发电系统无功电压控制研究[D].重庆:重庆大学.2014.5]，针对大型光伏电站电压稳定性问题提出了电压无功分层控制策略，其中第一层优先考虑SVG进行调压，第二层将剩余无功容量采用基于加权系数的电压无功灵敏度方法在光伏发电单元间进行分配，第三层考虑逆变器容量约束按照无功整定值正比于其无功极限在光伏发电单元总无功极限中所占的比例进行分配，由此提高了光伏电站无功调控的准确度。以上光伏电站无功支撑系统仅考虑了并网点电压稳定问题，并没有考虑到光伏电站内部电压分布的问题。实际上，光伏电站内部由于各光伏逆变器之间的线路阻抗，导致各光伏逆变器接入点处电压分布不均，沿着集电线路末端逐渐抬高，可能导致集电线末端电压越限。而申请公布号为CN 103580030A的中国专利，名称为《并网型光伏电站无功电压控制方法及系统》，采用一种光伏电站三层无功功率控制策略，该策略协调无功补偿装置与光伏发电单元之间及单个光伏发电单元逆变器之间的无功输出，但仅考虑到电压越限问题，而没有考虑系统电压稳定性的问题。因此，亟需一种既能保证并网点电压及各光伏逆变器接入点电压保持在要求范围内，又能够提高系统电压稳定性的光伏电站无功支撑系统。

发明内容

本实用新型的目的是为了满足配网系统运行要求，提供一种既能保证并网点电压及各光伏逆变器接入点电压保持在要求范围内，又能够提高系统电压稳定性的光伏电站无功支撑系统，为了实现上述目的，本实用新型采取如下解决方案：

一种光伏电站无功支撑系统，其特征在于：包括无功整定模块、无功分配模块和无功补偿模块，所述无功整定模块用于计算系统无功功率缺额Q_ref，所述无功分配模块用于将系统无功功率缺额分配到所述无功补偿模块，所述无功补偿模块用于补偿系统无功功率缺额。

优选地，所述无功整定模块包括PI控制器，所述PI控制器用于根据并网点电压实际值与给定值的差值整定系统无功功率缺额Q_ref并产生反馈信号。

优选地，所述无功补偿模块包括光伏逆变器和无功补偿装置SVG。

优选地，所述无功分配模块包括牛拉法潮流计算单元、无功给定量计算单元。其中，牛拉法潮流计算单元用于对系统进行潮流计算，得到光伏电站内部每个光伏逆变器接入节点处的电压无功灵敏度，以及电站各光伏接入节点对应于系统雅可比矩阵最小模特征值的参与因子p_i；无功给定量计算单元用于根据电压灵敏度及系统无功功率缺额Q_ref计算得到光伏逆变器的无功给定值Q_iref，并根据各光伏接入节点参与因子p_i的大小以及无功功率缺额Q_ref的正负确定各光伏逆变器发出无功的顺序。

综上所述，本实用新型最突出的有益效果在于：能够充分调动光伏逆变器和无功补偿装置SVG的无功调节能力,使光伏电站具有灵活的无功支撑能力，并且能够确保并网点及电站内部各光伏逆变器接入点的电压保持在要求范围内，能有效的提高光伏电站的电压稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的原理图；

图2是本实用新型的流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示为一种光伏电站无功支撑系统的原理图。图中PV表示光伏逆变器，Z_g表示输电线路阻抗，Z表示光伏电站内部集电线路阻抗，T表示光伏电站主变压器，主变压器高压侧为并网点，u_PCC表示并网点电压，u₁、u₂、u₃…u_i…u_n、u_n-1分别表示各光伏逆变器接入节点的电压，即无功补偿源(无功补偿装置)的接入点。

从图中可以看出，本实用新型一种光伏电站无功支撑系统，包括无功整定模块、无功分配模块和无功补偿模块。其中：

无功整定模块包括PI控制器，PI控制器用于根据并网点电压实际值与给定值的差值整定系统无功功率缺额Q_ref并产生反馈信号。

无功补偿模块包括光伏逆变器和无功补偿装置SVG，用于补偿系统无功功率缺额。

无功分配模块包括牛拉法潮流计算单元、无功给定量计算单元，牛拉法潮流计算单元用于对系统进行潮流计算，得到光伏电站内部每个光伏逆变器接入节点处的电压无功灵敏度，以及电站各光伏接入节点对应于系统雅可比矩阵最小模特征值的参与因子p_i。无功给定量计算单元用于根据电压灵敏度及系统无功功率缺额Q_ref计算得到光伏逆变器的无功给定值Q_iref，并根据各光伏接入节点参与因子p_i的大小以及无功功率缺额Q_ref的正负确定各光伏逆变器发出无功的顺序。

在本实用新型中，光伏电站无功支撑系统的工作原理是利用无功补偿模块通过无功整定模块和无功分配模块对系统进行补偿，重点在于光伏电站无功缺额的整定以及无功功率的分配。无功整定模块用于计算系统无功功率缺额，无功分配模块用于将系统无功功率缺额分配到每一台光伏逆变器及无功补偿装置SVG。而无功分配环节主要从以下两个方面来考虑：

(1)协调控制光伏逆变器与无功补偿装置间的无功分配，充分考虑各无功源发出或吸收无功功率对系统电压稳定性的影响。

(2)协调控制光伏逆变器间的无功分配，充分考虑各光伏逆变器发出或吸收无功功率对系统电压稳定性的影响以及对光伏电站内部各光伏接入节点电压的影响。

结合图1、图2所示，本实用新型一种光伏电站无功支撑系统的工作步骤为：

S1：利用并网点电压实际值与给定值的差值整定系统无功功率缺额；

作为本实用新型的具体实施例，所述系统无功功率缺额整定利用并网点电压实际值与给定值的差值计算的表达式如下：

Q_ref＝(U_ref-u_PCC)(k_p+k_i/s)，

其中Q_ref表示系统无功功率缺额，U_ref表示并网点电压给定值，u_PCC表示并网点检测电压，k_p、k_i分别表示无功整定调节器的比例和积分调节系数。

S2：计算光伏电站各光伏接入节点对应于系统雅可比矩阵最小模特征值的参与因子p_i，并在参与因子最大的节点装设无功补偿装置SVG；

作为本实用新型的具体实施例，所述光伏电站各光伏接入节点对应于系统雅可比矩阵最小模特征值的参与因子p_i是由以下公式获得：

p_i＝u_iv_i，

其中v_i、u_i分别为系统雅可比矩阵最小模特征值所对应的左、右特征向量的第n+i-1个元素。

S3：通过系统无功功率缺额的正负及各光伏接入节点参与因子p_i的大小确定无功补偿装置SVG及各光伏逆变器无功功率注入的顺序；

作为本实用新型的具体实施例，所述无功补偿装置SVG及各光伏逆变器无功功率注入的顺序如下获得：

(a)按照参与因子从大到小对各节点重新排序，并在参与因子最大处节点(排为节点0)装设无功补偿装置SVG。

(b)当无功功率缺额Q_ref>0时：优先利用无功补偿装置SVG进行无功补偿，当无功不足时利用光伏逆变器按接入节点参与因子p_i由大到小依次发出无功，令第一台需要分配无功给定值的光伏逆变器的节点编号i＝1，则下一台需要分配无功给定值的光伏逆变器的节点编号为i+1，直到总注入无功功率等于系统无功功率缺额或需要分配无功给定值的节点编号等于总节点数n；

(c)当无功功率缺额Q_ref<0时：优先利用光伏逆变器进行无功补偿，各光伏逆变器按接入节点参与因子p_i由小到大依次吸收无功，令第一台需要分配无功给定值的光伏逆变器的节点编号i＝n，则下一台需要分配无功给定值的光伏逆变器的节点编号为i-1，直到总注入无功功率等于系统无功功率缺额。当需要分配无功给定值的节点编号等于1，光伏逆变器注入无功总量仍不等于系统无功功率缺额时，利用无功补偿装置SVG进行无功补偿，直到总注入无功功率等于系统无功功率缺额。

因此，确定了光伏发电单元的无功投入顺序后，每个光伏逆变器的无功给定量应该使各光伏逆变器接入节点电压保持在同一水平，防止光伏电站内部节点电压越限，导致光伏逆变器脱网。光伏电站中每个光伏逆变器接入点的电压无功灵敏度表征了该节点注入无功功率对电压的影响程度，利用电压无功灵敏度来求取每个光伏逆变器的无功给定量，就能使各光伏逆变器接入节点电压保持在同一水平。此外，光伏逆变器无功给定量还受到光伏逆变器容量的限制，因此，通过各光伏逆变器接入节点处的电压无功灵敏度和光伏逆变器无功容量确定各光伏逆变器的无功给定量。

由于光伏电站各光伏接入节点对应于系统雅可比矩阵最小模特征值的参与因子p_i表示第i个光伏接入点状态变量对系统雅可比矩阵最小模特征值的影响程度，因此p_i越大表示该光伏接入节点电压越不稳定。此外，光伏电站发出无功时，系统雅可比矩阵最小模特征值增大，电压稳定性增强；而光伏电站吸收无功时，系统雅可比矩阵最小模特征值减小，电压稳定性减弱。结合以上特点通过系统无功功率缺额的正负及各光伏接入节点参与因子p_i的大小确定无功补偿装置SVG及各光伏逆变器无功功率注入的顺序。

S4：计算光伏电站内部每个光伏逆变器接入节点处的电压无功灵敏度

作为本实用新型的最佳实施例，所述光伏电站内部每个光伏逆变器接入节点处的电压无功灵敏度按以下方程计算：

式中J表示系统雅可比矩阵，表示相角有功灵敏度，表示相角无功灵敏度，表示电压有功灵敏度，表示电压无功灵敏度。其中可展开成如下式所示：

式中每个元素表示该节点电压对节点注入无功的灵敏度，则每个光伏逆变器接入节点处的电压无功灵敏度等于上式中对角线的值。

S5：通过各光伏逆变器接入节点处的电压无功灵敏度和光伏逆变器无功容量确定各光伏逆变器的无功给定量；

作为本实用新型的最佳实施例，在确定光伏逆变器无功注入顺序后，各光伏逆变器的无功给定量由以下公式所得：

式中Q_iref表示第i个光伏逆变器的无功给定值，U_iref表示第i个光伏逆变器接入节点电压的给定值，U_i表示第i个光伏逆变器接入节点电压的实际值，Q_imax表示第i个光伏逆变器的感性无功容量，Q_imin表示第i个光伏逆变器的容性无功容量，Q_i表示第i个光伏逆变器当前的无功注入量。

S6：利用系统整定得到的总无功功率缺额和各光伏逆变器无功注入量的总和确定无功补偿装置SVG的无功给定值。

无功补偿装置SVG的无功给定值利用系统总无功功率缺额和各光伏逆变器无功注入量的总和求取，根据步骤S3确定本实用新型的光伏逆变器和无功补偿装置SVG的无功注入顺序，可得：

当无功功率缺额Q_ref>0时：优先利用无功补偿装置SVG进行无功支撑，如果无功补偿装置SVG容量大于系统总无功功率缺额Q_ref，则无功补偿装置SVG的给定量等于系统总无功功率缺额Q_ref；如果无功补偿装置SVG容量小于系统总无功功率缺额Q_ref，则无功补偿装置SVG的给定量等于无功补偿装置SVG的感性容量Q_SVGmax。

当无功功率缺额Q_ref<0时：优先利用光伏逆变器进行无功支撑，如果光伏逆变器无功注入量的总和ΣQ_iref大于系统总无功功率缺额Q_ref，则无功补偿装置SVG的给定量等于0；如果光伏逆变器无功注入量的总和ΣQ_iref小于系统总无功功率缺额Q_ref，则无功补偿装置SVG的给定量等于系统总无功功率缺额减去光伏逆变器无功注入量总和。因此，所述无功补偿装置SVG的给定量由下式决定：

式中Q_SVGref表示无功补偿装置SVG的无功给定值，Q_SVGmax表示无功补偿装置SVG的感性无功容量，ΣQ_iref光伏逆变器注入无功量之和。

这样，采用本实用新型就能够充分调动光伏逆变器和无功补偿装置SVG的无功调节能力,使光伏电站具有灵活的无功支撑能力，并且能够确保并网点及电站内部各光伏逆变器接入点的电压保持在要求范围内，能有效的提高光伏电站的电压稳定性。

以上所述仅为实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光伏电站无功支撑系统，其特征在于：包括无功整定模块、无功分配模块和无功补偿模块，所述无功整定模块用于计算系统无功功率缺额Q_ref，所述无功分配模块用于将系统无功功率缺额分配到所述无功补偿模块，所述无功补偿模块用于补偿系统无功功率缺额。

2.根据权利要求1所述的一种光伏电站无功支撑系统，其特征在于：所述无功整定模块包括PI控制器，所述PI控制器用于根据并网点电压实际值与给定值的差值整定系统无功功率缺额Q_ref并产生反馈信号。

3.根据权利要求1所述的一种光伏电站无功支撑系统，其特征在于：所述无功补偿模块包括光伏逆变器和无功补偿装置SVG。

4.根据权利要求3所述的一种光伏电站无功支撑系统，其特征在于：所述无功分配模块包括牛拉法潮流计算单元和无功给定量计算单元，所述牛拉法潮流计算单元用于对系统进行潮流计算，所述无功给定量计算单元用于计算光伏逆变器的无功给定值Q_iref。