考虑光伏电站无功出力能力的光伏地区无功协调控制方法

1.本发明属于电力系统分析、运行与控制技术领域。


背景技术：

2.近年来，能源紧缺和自然环境污染问题日益严重，大力发展绿色能源是缓解该问题的有效途径，随着光伏发电成本不断降低，并网技术日益成熟，其作为清洁能源的重要形式越来越受到重视。大型光伏电站多建设于荒漠地区，本地负荷较小，电能需依靠远距离线路外送，电网相对薄弱，易导致并网点的电压波动，需要一定的无功支撑。此外，大规模光伏电站并网后，不仅需要向电网提供有功功率，同时也应具备调节无功参与并网点的电压调节的能力。因此，对有光伏电站参与的系统无功控制方法进行研究是十分必要的。现阶段对基于补偿点电压支撑能力的光伏并网电压控制研究较少，且多是针对某一类装置的无功调节能力进行分析，需要根据不同补偿点的电压支撑能力情况，对多无功补偿设备间的协调控制。


技术实现要素：

3.本发明的目的是以充分利用各无功补偿设备的无功调节能力为原则，对有光伏电站参与的多补偿设备进行无功协调控制，最终实现对并网点电压支撑的考虑光伏电站无功出力能力的光伏地区无功协调控制方法。
4.本发明步骤是：a.光伏并网的无功需求u为电网电压，u
pcc
为并网点电压，u1～u
n
为各光伏接入点电压，r+jx为并网点至电网的线路阻抗，p+jq为注入电网的功率，p
n
+jq
n
为第n个光伏电站发出的功率，jq
si
为第i个无功补偿设备发出的无功功率，p
ldn
+jq
ldn
为第n个光伏电站附近的负荷功率，以u为参考电压，光伏电站的输出功率对并网点电压的影响可表示为忽略线路横向压降的影响，式可表示为：式中的p和q可分别表示为：其中，p
loss
和q
loss
分别为功率传输过程中的有功损耗和无功损耗；b.综合信息电压/无功灵敏度的求取潮流计算的修正方程通常可写为:
δy＝jδx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中：j为系统节点的节点雅可比矩阵；控制变量增量δy＝[δp δq]
t
，δp和δq分别表示节点有功和无功注入变化量；状态变量增量δx＝[δθ δu]
t
，δθ和δu分别表示节点电压相角和幅值的变化量；进一步将注入节点分为研究近区和远区两部分，即δy＝[δy
ⅰ δyⅱ]
t
，δx＝[δx
ⅰ δxⅱ]
t
，δyⅰ和δxⅰ为近区的状态和控制增量，δyⅱ和δxⅱ为其他各节点的状态和控制增量，同时将矩阵j也分成对应的四块，即将(4)式化为只考虑远区δyⅰ的无功增量对于研究节点电压的影响，设δy
′ⅱ＝[0 δqⅱ]
t
，则式(5)可变形为对式(6)进行变换，消去δxⅱ得到式(7)其中j
l
表征研究近区的功率波动对研究节点电压的灵敏度；j
r
表征其他节点的无功波动对研究节点电压增量的灵敏度，并设若j
′
qθ
为非奇异阵，消去δθ
i
，可得到包含反映节点电压/无功(有功)之间变化关系灵敏度矩阵的(8)式δu
i
＝j
si
δq
i
+j
sii
δq
ii
‑
j
siii
δp
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，j
sⅰ和j
sⅱ分别反映了研究近区和远区的无功功率与研究点电压之间的变化关系；c.光伏系统的无功支撑能力评估设系统中包含了n个注入节点，其中有m个处于研究近区，有n
‑
m个处于远区，则近区可选择的补偿点包括并网点共有m+1个，远区的可选择补偿点有n
‑
m个；由(9)可以得到(m+1)维的矩阵j
sⅰ、j
sⅲ和(m+1)
×
(n
‑
m)的矩阵j
sⅱ，当选择并网点作为电压观测点时，其有功波动δp
m+1
为研究近区内，所有与之相连的光伏与负荷有功波动之和，即δp
m+1
＝∑(δp
i
+δp
ldi
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
令δqⅱ＝0，可由式(8)得到研究近区内电压观测点电压u
j
对的无功补偿量δqⅰi
的灵敏度关系s
ij,i
，进一步可将近区的无功补偿点对研究节点电压的支撑能力表示为：δu
j
＝s
ij,i
·
δq
ii
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)i节点的无功补偿量δqⅰi
对本节点电压u
i
的电压支撑能力可表示为：δu
i
＝s
ii,i
·
δq
ii
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)令δq
i
＝0，可由式(8)得到研究近区内电压观测点电压u
j
对的远区无功补偿量δq
iii
的灵敏度关系s
iii,j
，进一步可将近区的无功补偿点对研究节点电压的支撑能力表示为：δu
j
＝s
iij,i
·
δq
ii
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)按照无功控制策略给各调节装置发送相应的动作指令，控制的流程为：(1)通过装设在并网点的传感器获取并网电流、电压等信息，通过ems系统获取各补偿装置的运行状态信息；(2)将并网点电压与参考值作比较，得到电压偏差值
△
u；(3)判断电压控制死区，若
△
u处于需要调整的区间则由avr对并网电压进行无功调节；(4)确定各无功补偿点的电压支撑能力强弱；(5)对补偿点的电压越限情况进行校验，若越限，则其无功出力调整量
△
q
i
按照式进行校正式中u
imax
、u
imin
分别为节点电压的上下限；(6)由avc对各参与调节的各无功补偿设备下达动作指令。
[0005]
本发明考虑光伏电站出力的有功波动对并网点电压的影响，需要一定无功功率对电网稳定进行支撑，尤其在光伏出力大和负荷高峰时段，无功需求量更高。系统中可通过调节光伏逆变器、无功补偿装置的无功出力以及变压器分接头的形式对电网电压进行支撑，其中调节分接头能够提高节点的电压水平，但不能产生无功功率，用该方法调节的电压水平越高，无功缺额越大。因此本发明通过研究区域内具备无功调节能力的装置进行协调控制以维持并网点电压稳定，控制既要充分发掘各设备的调节能力，又要避免过多无功的传输，导致不必要的网损。
附图说明
[0006]
图1是光伏电站接入系统模型图；图2是控制策略结构图；图3是控制策略流程图。
具体实施方式
[0007]
本发明针对光伏并网地区的电压稳定问题，研究了一种光伏电站参与并网点电压调节的无功控制方法。该方法以控制光伏接入地区的并网点电压稳定为目标，首先对光伏并网的无功需求进行分析，并利用无功/电压灵敏度分析方法，对光伏电站的无功电压调节
能力进行评估；然后，以充分利用各无功补偿设备的无功调节能力为原则，对有光伏电站参与的多补偿设备进行无功协调控制，最终实现对并网点电压的支撑。
[0008]
本发明的步骤是：a.光伏并网的无功需求分析大型光伏电站通常地处偏远，通过高压输电线路进行电力传输，多光伏电站通过同一升压变压器并网的等值模型如图1所示。
[0009]
图1中u为电网电压，u
pcc
为并网点电压，u1～u
n
为各光伏接入点电压，r+jx为并网点至电网的线路阻抗，p+jq为注入电网的功率，p
n
+jq
n
为第n个光伏电站发出的功率，jq
si
为第i个无功补偿设备发出的无功功率，p
ldn
+jq
ldn
为第n个光伏电站附近的负荷功率。以u为参考电压，光伏电站的输出功率对并网点电压的影响可表示为
[0010]
忽略线路横向压降的影响，式可表示为：
[0011]
式中的p和q可分别表示为：其中，p
loss
和q
loss
分别为功率传输过程中的有功损耗和无功损耗。
[0012]
光伏发电系统的稳定运行会受到光照强度、温度等因素的影响。由式可见，当有光伏电站的功出力发生变化时，会引起并网点电压的波动，甚至可能造成并网点电压越限，可以通过调节无功补偿设备和光伏电站无功输出的方式参与电网调压控制。
[0013]
b.综合信息电压/无功灵敏度的求取系统潮流的雅可比矩阵中包含系统内各个节点的注入功率对于电压和相角的灵敏度信息，而在实际的电力系统中，并不是所有节点都与电场或负荷相连。因此，为了减少系统中观测节点的数量，也为了避免无功率注入的节点的存在对于稳定性分析的影响，有学者将网络中的节点分为有功率注入的“注入节点”和无功率注入的“联络节点”，并在分析过程中忽略联络节点，形成只由注入节点信息构成的“注入节点降阶雅可比矩阵”。在此基础上，本文结合光伏并网系统的结构特点，考虑到光伏电站地处偏远，当地负荷较小，其中有功波动对并网点电压的影响更低，若该类“注入节点”接入无功补偿装置，则在分析中忽略其有功波动，对雅克比矩阵进行降阶，得到改进的综合无功/电压灵敏度信息。具体分析方法如下。
[0014]
潮流计算的修正方程通常可写为:δy＝jδx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中：j为系统节点的节点雅可比矩阵；控制变量增量δy＝[δp δq]
t
，δp和δq分别表示节点有功和无功注入变化量；状态变量增量δx＝[δθ δu]
t
，δθ和δu分别表示节点电压相角和幅值的变化量。
[0015]
进一步将注入节点分为研究近区和远区两部分，即δy＝[δy
ⅰ δyⅱ]
t
，δx＝[δ
x
ⅰ δxⅱ]
t
。δyⅰ和δxⅰ为近区的状态和控制增量，δyⅱ和δxⅱ为其他各节点的状态和控制增量，同时将矩阵j也分成对应的四块，即将(4)式化为
[0017]
由于电气距离较远节点的有功增量对于研究近区节点的电压影响有限。故只考虑远区δyⅰ的无功增量对于研究节点电压的影响，设δy
′ⅱ＝[0 δqⅱ]
t
，则式(5)可变形为
[0018]
对式(6)进行变换，消去δxⅱ得到式(7)其中j
l
表征研究近区的功率波动对研究节点电压的灵敏度；j
r
表征其他节点的无功波动对研究节点电压增量的灵敏度，并设
[0019]
若j
′
qθ
为非奇异阵，消去δθ
i
，可得到包含反映节点电压/无功(有功)之间变化关系灵敏度矩阵的(8)式δu
i
＝j
si
δq
i
+j
sii
δq
ii
‑
j
siii
δp
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，其中j
sⅰ和j
sⅱ分别反映了研究近区和远区的无功功率与研究点电压之间的变化关系。光伏发电受光照等自然因素影响出力会产生波动，进一步会引起电压的波动，因此该部分的有功波动对于研究点的电压影响不可忽略，在此处引入反映观测点的电压与研究近区的有功功率之间的变化关系的j
sⅲ，能够更加准确的反映系统的实际情况。
[0020]
c.光伏系统的无功支撑能力评估设所研究的系统中包含了n个注入节点，其中有m个处于研究近区，有n
‑
m个处于远区，则近区可选择的补偿点包括并网点共有m+1个，远区的可选择补偿点有n
‑
m个。
[0021]
通过本文所述方法，由(9)可以得到(m+1)维的矩阵j
sⅰ、j
sⅲ和(m+1)
×
(n
‑
m)的矩阵j
sⅱ。当选择并网点作为电压观测点时，其有功波动δp
m+1
为研究近区内，所有与之相连的光伏与负荷有功波动之和，即δp
m+1
＝∑(δp
i
+δp
ldi
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0022]
令δqⅱ＝0，可由式(8)得到研究近区内电压观测点电压u
j
对的无功补偿量δqⅰi
的灵敏度关系s
ij,i
，进一步可将近区的无功补偿点对研究节点电压的支撑能力表示为：
δu
j
＝s
ij,i
·
δq
ii
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)i节点的无功补偿量δqⅰi
对本节点电压u
i
的电压支撑能力可表示为：δu
i
＝s
ii,i
·
δq
ii
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0023]
令δq
i
＝0，可由式(8)得到研究近区内电压观测点电压u
j
对的远区无功补偿量δq
iii
的灵敏度关系s
iii,j
，进一步可将近区的无功补偿点对研究节点电压的支撑能力表示为：δu
j
＝s
iij,i
·
δq
ii
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)。
[0024]
对系统中的光伏逆变器、无功补偿装置进行无功协调控制，控制策略结构如图2所示。主要分为两个模块：模块1的功能为电压支撑能力的计算。计算各节点功率波动对并网点电压的影响，对各无功补偿点的电压调节能力进行评估，确定各装置参与补偿的的顺序；模块2为无功需求量的协调控制，由avc从ems系统获取所需数据信息，并按照无功控制策略给各调节装置发送相应的动作指令。
[0025]
控制的流程如图3所示，具体步骤为：(1)通过装设在并网点的传感器获取并网电流、电压等信息，通过ems系统获取各补偿装置的运行状态信息；(2)将并网点电压与参考值作比较，得到电压偏差值
△
u；(3)判断电压控制死区，若
△
u处于需要调整的区间则由avr对并网电压进行无功调节；(4)确定各无功补偿点的电压支撑能力强弱；(5)对补偿点的电压越限情况进行校验，若越限，则其无功出力调整量
△
q
i
按照式进行校正式中u
imax
、u
imin
分别为节点电压的上下限；(6)由avc对各参与调节的各无功补偿设备下达动作指令。