高比例分布式光伏并网无功电压控制方法综述_顾泰宇.pdf

年第 卷第 期东北电力技术 专论高比例分布式光伏并网无功电压控制方法综述顾泰宇，孙丝萝，田 野，王智博，李海峰（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳）摘要：随着我国光伏装机容量逐年提高以及整县光伏试点工作的全面开展，分布式光伏并网渗透率提升迅速，高渗透率对配电网电能质量的影响日益凸显。其中，光伏并网点的电压越限问题严重威胁配电网安全运行，面向光伏的无功电压控制方法研究是未来光伏能否大规模并网的关键，目前对于无功电压控制技术仍处于广泛研究阶段，因此对现有光伏无功电压控制技术研究进行归纳总结。首先对光伏系统的光伏电池本体和光伏并网逆变器建模，随后分析单一及多光伏源配电网接入对有功功率、无功功率以及电压的影响，最后从无功电压调节速度、调节裕度、设备投资、安全性等多个角度对各类无功控制方法优缺点进行综述对比，并对未来高比例分布式光伏并网无功电压控制研究提出展望。关键词：分布式光伏；光伏并网；电压越限；无功电压控制中图分类号 文献标志码 文章编号（）基金项目：国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院提高技术创新能力及群众性创新课题研究（），（，）：（），：；随着人类对环境问题的日益重视，传统化石能源发电占比逐年递减，风电、光伏等清洁能源发电将成为替代者。在我国大力推进碳中和、碳达峰的背景下，我国光伏产业发展迅速，年我国光伏发电新增装机容量.，其中分布式光伏新增.。分布式光伏具有投资小、安装方便、占地合理、发用共存等特点，在“整县光伏”试点工作开展及政府补贴的影响下，我国分布式光伏并网规模迅速增加，未来将会成为区域配电网潮流的重要组成部分。由于光伏发电具有随机性和不确定性，当高比例光伏接入配电网同时也会带来诸多消极影响，如降低配电网电能质量，增加继电保护难度，影响现有自动化设备运行等。其中，功率倒送导致的光伏并网点电压越限问题影响最为严重，高比例分布式光伏并网条件下配电网无功 东北电力技术 年第 卷第 期电压控制成为制约光伏产业发展的关键技术，得到各界的广泛关注。分布式光伏具有容量小、数量多、分布广的特点，难以通过传统的集中调度方式控制，在不降低电能质量的前提下保证分布式光伏安全接入，对于未来清洁型配电网建设具有重要意义。本文通过对目前国内外高比例分布式光伏并网无功电压控制方法梳理和综述，从多角度分析对比现有控制策略优缺点，为后续技术人员相关研究提供参考。分布式光伏并网建模.光伏电池等效模型分布式光伏阵列通常可以认为由若干个单位光伏电池构成，光伏电池发电的原理为光生伏打效应，是一种由光子转化为电子的过程，为了便于工程仿真计算，通常将光伏电池转化为等效电路模型，图 为典型光伏电池单向二极管等效模型，该模型包括理想恒流源、并联半导体二极管、并联电阻及串联电阻组成。图 光伏电池等效模型根据基尔霍夫定律可以得到：()（）式中：为光伏电池输出电流；为光生电流，与辐照强度相关，通过恒流源与单向二极管 模拟光伏电池的输出外特性曲线；为二极管 的反向饱和电流；为光伏电池对外输出电压；为电子电荷常量（.）；为二极管的理想参数，取；为玻尔兹曼常数，取.；为光伏电池温度，；并联电阻及串联电阻分别为模拟电池表面污秽的泄漏电阻及电路内阻。.光伏并网逆变器拓扑模型光伏逆变器是光伏并网的关键电子器件，通过电力电子开关的导通和关闭实现直流电的逆变功能，保证光伏电量满足并网条件，部分并网逆变器融合了最大功率点跟踪及孤岛效应保护等功能，图 为典型 光伏并网逆变器拓扑模型。光伏逆变器拓扑结构由 环节 个半导图 光伏并网逆变器拓扑模型体元件、稳压电容、滤波电感 及电阻 构成，在三相静止坐标系下可以得到：（）式中：为逆变器三相输出电流；为逆变器三相电压；为外部电网三相电压；、为各相电阻、电感。将式（）转化至同步旋转 坐标系，并进行拉氏变换后，得到光伏逆变器的频域模型：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：、为 轴外部电压；、为 轴逆变器输出电压；、为 轴逆变器输出电流；为同步旋转角频率。当利用前馈量使 轴完全解耦并简化后，根据瞬时无功功率理论可以得到：（）可以看出，轴电流能够分别控制逆变器输出的有功及无功功率，当忽略损耗后可以通过控制控制 轴电流输出。分布式光伏并网电压影响.单一光伏源并网电压影响以典型辐射状配电网为例展开单一光伏源对电压影响，图 为其典型结构，该线路包含 个用户负荷并沿线排布，第 个用户电压为，用户负荷为，在第 个用户处存在光伏源并网，光伏注入功率为。在光伏接入前，为零，用户负荷、通常为正数，可以得到第 个用户处电压为 年第 卷第 期顾泰宇，等：高比例分布式光伏并网无功电压控制方法综述 图 典型辐射状单一光伏源接入配电网 （）可以看出，当忽略用户无功影响情况下，电压降主要与线路电阻有关，用户电压从馈线始端向末端逐渐下降。在单一光伏源接入后，当光伏并网逆变器未发出无功情况下，为零，此时并网点前端用户电压（）为 ()（）并网点后端用户电压（）为 ()()（）综合式（）、式（）可以得出以下结论。.当单一光伏源注入较小时，线路电压降幅度减小，总体均低于，此时光伏并网起到提高线路末端电压的作用。.当单一光伏源注入增大后，光伏并网点电压将会超过，同时拉升相邻用户电压，甚至发生电压越限。.多光伏源并网电压影响在单一光伏源配电网基础上，在全部用户负荷处接入光伏源，图 为其典型结构，该线路包含 个用户负荷并沿线排布，第 个用户电压为，用户负荷为，光伏注入功率为。图 典型辐射状多光伏源接入配电网在忽略用户负荷及逆变器无功的情况下，可以得到第 个用户处电压为 (）（）第 个用户处与第 个用户处电压降为 (）（）通过式（）可知，当 (）时，即第 个用户至线路末端光伏注入功率小于用户总负荷，并网点电压低于；当 (）时，即第 个用户至线路末端光伏注入功率大于用户总负荷，并网点电压高于。分布式光伏并网无功电压控制方法目前国内外对于配电网无功电压控制研究类别广泛，控制策略多样，从参与控制设备角度，可分为传统无功设备控制和光伏逆变器协同控制两大类；从是否通信参与可分为集中式、分布式、就地式；从时间尺度上可以分为日前调度控制、实时调度控制等。本文就现有研究成果分类归纳介绍，从无功电压调节速度、调节裕度、设备投资、安全性等多个角度对各类无功控制方法优缺点进行综述对比，为技术人员后续相关研究提供参考。.传统无功设备控制策略配电网传统无功补偿装置包括有载调压变压器、并联电容电抗器、静止无功补偿器、储能装置等，此类方法补偿容量大，调节效果明显，但存在调节速度慢、频繁动作影响装置寿命等问题，运行及投资成本高。文献针对有载调压变压器和电容器组在无功调节中误动作问题，提出九区图控制策略，通过横轴无功功率和纵轴电压将控制策略分为 个区域，并构建时间序列的控制策略，最大化减少无功补偿设备动作次数，优化光伏并网点电压水平。文献提出采用分布式电抗器无功电压控制策略，通过对不同安装位置、容量、接入方式仿真分析，给出分布式电抗器配置建议：并联电抗器接入点靠近线路末端时调解效果显著，串联电抗器所需容量小于并联电抗器等。文献基于光伏逆变器及储能系统特性，将逆变器无功利用率与储能系 东北电力技术 年第 卷第 期统 变化量作为一致性变量，利用动态一致性算法实现光伏储能的双向协调控制。相比于传统控制策略，该方法能够根据用户负荷进行无功功率的按比例分配，能够有效抑制电压越限问题。文献将配电网供电可靠性及光伏接入问题相结合，提出一种基于虚拟变电站的光伏储能协调控制方法，通过虚拟同步机控制策略，在满足光伏安全接入的同时实现配电网供电可靠性的提升。文献考虑传统无功调节设备动作慢的问题，分别建立光伏高功率因数、光伏低功率因数、无功调节能力不足 种光伏并网运行状态，在日前时间尺度进行日前无功协调优化，在分钟级尺度进行实时无功协调优化，充分发挥现有配电网无功补偿设备快、慢动作的特点，在不进一步增加设备投资的条件下保证光伏接入的安全稳定。.逆变器协同控制策略光伏逆变器通常基于固定功率因数运行，由于光伏出力的波动性，导致其部分无功容量浪费，这部分无功容量参与到配电网无功电压控制中，能够快速、灵活地改善电能质量，目前光伏逆变器参与无功控制被国内外学者广泛关注。文献针对德国电气工程师协会提出的 种光伏逆变器控制策略进行仿真，定量分析 种控制策略利弊：恒无功功率控制难以应对急剧变化的光伏出力，造成功率因数超限；恒功率因数控制会造成电压越限；基于光伏有功出力控制增加电网无功，提高运行成本；恒并网点电压控制成本较低，但调压能力不足。文献在仿真分析光伏逆变器基于光伏有功出力控制、恒并网点电压控制的基础上，提出基于 种控制方法加权的控制策略，在光伏出力较小时侧重于恒并网点电压控制，在光伏出力较大时侧重于光伏有功出力控制，兼具电压调节及优化功率因数的功能。文献针对分布式光伏大规模集群式接入的情况，提出一种分层多模式无功控制策略，包括具有信息采集和模糊控制功能的智能控制层以及若干光伏逆变器的设备执行层，通过该策略能够在维持电压水平的情况下降低无功发出，进而降低线路损耗。文献提出一种以分区质量函数为指标，基于网络快速分区算法的配电网有功、无功分区控制策略，在无功分区中将逆变器无功调节量最小作为目标函数，在有功分区中将光伏有功出力剪切量最小为目标函数，分别优化求解。文献在 调压、恒电压控制、恒有功控制的基础上，提出一种采用集中控制模式，协调区域逆变器输出的无功电压控制策略，利用复合型算法计算各逆变器输出有功、无功功率值。文献提出了一种计及本地负荷参与光伏并网无功电压控制方法，通过背靠背变流器对本地负荷的无功功率进行控制，采用该方法能够在解决电压越限问题的同时减少光伏有功出力的削减，进而提高光伏投资回报率，促进光伏产业升级。现有无功电压控制策略优缺点对比见表。表 现有无功电压控制策略优缺点对比控制类别控制方法优点缺点并联电容、电抗器组占地小，成本较低整组投切，会造成欠 过补偿有载调压抽头 无需其他投资调节速度慢，效果一般传统无功设备静止同步补偿器 较 占地面积小设备昂贵，需额外投资、能够快速调节，可提供感性、容性无功占地面积大，不适合分布式采用储能装置能够提升光伏接纳能力，降低损耗储能安装、维护成本高恒无功功率控制需要精准负荷预测恒功率因数控制存在电压越限风险基于光伏有功出力控制控制策略简单控制效果一般基于并网点电压控制电压调节幅度有限分层、分区策略通信能力要求不高，具有自主性逆变器动作频繁，稳定性差逆变器参与基于日前优化策略充分利用配电网各类资源计算数据量大，策略复杂计及本地负荷控制充分利用本地负荷调节能力无功调节能力有限无精准建模策略配电网参数可缺省控制精度不高集中式控制能够全局优化控制测量、通信成本高分散（就地）式控制响应速度快，投资成本低调压能力有限，资源利用不充分分布式控制通信量适中，资源利用充分控制方法策略难度高 年第 卷第 期顾泰宇，等：高比例分布式光伏并网无功电压控制方法综述 上述控制方法为不考虑借助通信装置的本地控制方法，本地控制方法不能够协调区域内全部逆变器联动，资源利用率不高。目前配电网通信可靠性一般，因此部分学者提出改进型分布式无功电压控制方法，文献在传统分布式电压控制方法的基础上，提出一种包括下垂控制级和基于 分布式递阶控制策略，利用 的次级通信，保证相邻光伏逆变器之间电压恢复和无功投入，通过该控制策略能够保证在较大功率变化或通信失去部分 时仍保证电压调节的稳定性。结论本文围绕配电网高比例分布式光伏接入所带来的电压越限风险问题，首先建立分布式光伏发电、光伏逆变器模型，其次定量分析光伏源接入后对配电网电能质量的影响，最后就国内外现有无功电压控制方法从无功电压调节速度、调节裕度、设备投资、安全性等多个角度进行全方位分析，为后续研究拓展思路。通过本文研究，主要结论及思考如下。.针对高比例光伏并网的无功电压控制，应优先考虑光伏逆变器的无功控制能力，在控制能力不足时，尽量采用配电网现有无功补偿装置协调控制，在保证光伏接入比例的条件下减少设备投资。.针对区域内配电网各并网点之间协调联动问题，在现有配电网建设标准下，以分布