改善光伏引起的配网过电压的方法与流程

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种改善光伏引起的配网过电压的方法。

背景技术：

能源与环境问题不断显现的今天，发展可再生能源与调整传统能源结构的思路已经被广泛接受和认可。但是随着光伏以及分布式发电技术的不断发展，配电网中的科技成分将会越来越丰富，未来这些新技术将会带给供电网络更多机遇与挑战。由于光伏电源输出具有波动性和随机性，电压的波动也是不可避免的，而由此将会带来较为普遍的谐波污染、电压闪变与波动以及电压越限等严重的电能质量问题，其将不仅给用户带来经济上的损失，还威胁到电气设备的安全性和可靠性。

光照强度和温度都会对光伏的出力产生影响，由于外界环境不受人为控制，光照强度和温度随机变化，导致光伏出力也具有随机性和波动性，光伏这种特性不可避免的会引起电压质量问题。目前，对于光伏引起的配网电压越限问题还没有较为有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种改善光伏引起的配网过电压的方法，可以降低pcc点电压，从而限制电压越限。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种改善光伏引起的配网过电压的方法，包括：

实时检测光伏电源发出的最大功率pmppt和并网点电压u；若并网点电压u小于设定的电压上限umax，则光伏电源输出最大功率pmppt；若并网点电压u超过设定的电压上限umax，则利用逆变器进行无功控制，计算无功功率qc；再比较无功功率qc与逆变器无功吸收最大容量qcmax的大小；若qc小于qcmax，则光伏电源输出最大功率pmppt；若qc大于qcmax，则进入有功限值控制；

进入有功限值控制后，实时检测光伏电源发出的最大功率pmppt，ta时刻的并网点电压ua，光伏电源输出功率pa，以及tb时刻并网点电压ub，光伏电源输出功率pb；根据ta时刻的并网点电压ua，光伏电源输出功率为pa，以及tb时刻并网点电压ub，光伏电源输出功率pb来计算并网点的功率极限pmax；若最大功率pmppt大于功率极限pmax，则输出功率极限pmax，并将剩余功率δp＝pmppt-pmax通过储能设备存储；若最大功率pmppt小于功率极限pmax，则光伏电源输出最大功率pmppt。

所述无功功率qc的计算公式如下：

其中，pmax为并网点的功率极限。

计算并网点的功率极限pmax包括：

所述ta时刻与tb时刻的间隔在规定范围内，则近似认为(pa，ua)，(pb，ub)两点成一条直线，从而计算p-v曲线的斜率k：

进而根据并网点设定的电压上限umax求得相应的功率极限pmax：

pmax＝pa+k(umax-ua)。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方案从调节电压的基本方法着眼，通过吸收无功功率以及控制光伏电源发出有功的方式，降低pcc点电压，从而限制电压越限。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种改善光伏引起的配网过电压的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的光伏发电系统等效电路示意图；

图3为本发明实施例提供的无功控制方案的的流程图；

图4为本发明实施例提供的光伏电源注入配电网的有功功率上限设定示意图；

图5为本发明实施例提供的p-v关系曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的有功限值控制方案的流程图；

图7为本发明实施例提供的光伏电源有功输出及无功吸收曲线示意图；

图8为本发明实施例提供的采用无功控制后各节点的电压示意图；

图9为本发明实施例提供的分布式光伏电源接入低压配电网的仿真模型示意图；

图10为本发明实施例提供的光伏电源有功出力的曲线示意图；

图11为本发明实施例提供的采用有功限值控制策略时各节点电压示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种改善光伏引起的配网过电压的方法，该方法综合无功控制和有功控制。考虑到有功限值方案可能导致光伏能源利用率被大大削减，同时增大了对储能装置的要求。如果光伏削减过大，可能超过储能设备的极限；逆变器无功控制方案调节能力有限，若电压出现严重越限情况，所要吸收的无功功率超过逆变器极限qcmax，则也无法可靠控制电压越限。所以提出一种综合无功控制和有功控制的方案以改善光伏引起的配网过电压问题。

当光伏能源大容量集中接入，光伏并网点(pcc点)出现过电压问题时，优先考虑逆变器无功控制，通过逆变器吸收无功，降低pcc点电压，在最大程度保证光伏电源渗透率的前提下进行电压越限消除；若逆变器吸收无功功率已达上限qcmax，此时电压越限仍未消除，则考虑投入有功限值控制。具体的实现过程如图1所示，主要包括：

实时检测光伏电源发出的最大功率pmppt和并网点电压u；若并网点电压u小于设定的电压上限umax，则光伏电源输出最大功率pmppt(即，p＝pmppt)；若并网点电压u超过设定的电压上限umax，则利用逆变器进行无功控制，计算无功功率qc；再比较无功功率qc与逆变器无功吸收最大容量qcmax的大小；若qc小于qcmax，则光伏电源输出最大功率pmppt(即，p＝pmppt)；若qc大于qcmax，则进入有功限值控制；

进入有功限值控制后，实时检测光伏电源发出的最大功率pmppt，ta时刻的并网点电压ua，光伏电源输出功率pa，以及tb时刻并网点电压ub，光伏电源输出功率pb；根据ta时刻的并网点电压ua，光伏电源输出功率为pa，以及tb时刻并网点电压ub，光伏电源输出功率pb来计算并网点的功率极限pmax；若最大功率pmppt大于功率极限pmax，则输出功率极限pmax(即，p＝pmax)，并将剩余功率δp＝pmppt-pmax通过储能设备存储；若最大功率pmppt小于功率极限pmax，则光伏电源输出最大功率pmppt(即，p＝pmppt)。

在上述无功控制时，无功补偿设备或逆变器吸收的无功功率qc的计算公式如下：

其中，pmax为并网点的功率极限(也即光伏电源发出的功率极限)；r、x分别表示输电线路的电阻和电抗。

在上述有功限值控制时，计算并网点的功率极限pmax包括：

所述ta时刻与tb时刻的间隔在规定范围内，则近似认为(pa，ua)，(pb，ub)两点成一条直线，从而计算p-v曲线的斜率k：

进而根据并网点设定的电压上限umax求得相应的功率极限pmax：

pmax＝pa+k(umax-ua)。

本发明实施例上述方案，从调节电压的基本方法着眼，通过吸收无功功率以及控制光伏电源发出有功的方式，降低pcc点电压，从而限制电压越限。

为了便于理解，下面针对计算原理做详细的说明。

一、光伏引起的配网过电压理论分析。

如图2所示，为光伏发电系统等效电路示意图，光伏能源大容量集中接入，渗透率过高，导致潮流反转。图2中，p+jq表示光伏出力的有功和无功；ps+jqs表示线路上的有功和无功；r+jx表示线路阻抗；pl+jql表示负荷的有功和无功；

由功率关系可得：

光伏接入前并网点电压uo为：

光伏接入后并网点电压u为：

则光伏接入前和光伏接入后，并网点电压变化量δu为：

式(4)第二项(1/u0-1/u)近似为0，忽略此项可得：

若光伏能源运行在单位功率因素情况下，式(5)可表示为：

式(6)表明：光伏能源大容量集中接入后，导致光伏输出的有功不但满足了当地负荷需求，同时还向电网倒送潮流，导致潮流逆转，这样光伏并网点电压变化量与光伏出力近似成正比关系，即光伏出力越大，并网点电压就会越高，极有可能造成电压越限问题。

二、无功控制。

对光伏电源接入引起的配网过电压优先进行逆变器无功控制，即充分利用逆变器的无功特性，通过改变光伏输出的无功来改变pcc点电压。这样一方面可以提高电压水平，另一方面可以增大光伏的渗透率，提高光伏的利用率。减小储能设备的压力。有功逆变器控制方案将光伏能源本身的逆变器作为无功吸收器。当配电网出现电压越限风险时，利用逆变器剩余容量吸收无功功率，降低配电网电压。

假设，并网点设定的电压上限为umax，根据前文的方法求得并网点的有功极限pmax，若光伏电源发出的有功功率增加到pmppt，且pmppt>pmax，要使并网点电压满足要求，相应的无功补偿设备或逆变器必须从系统吸收无功(感性)功率qc。

由式(7)和式(8)可推出：

由式(10)可知：光伏电源发出的有功功率越多，线路阻抗比r/x越大，为防止电压越限逆变器或无功补偿设备需要吸收的无功功率就越多。当光伏逆变器离满载运行还有一定余量时，分布式光伏电源按超前功率因数运行，利用逆变器剩余容量吸收感性无功功率。可提高最大允许接入峰值容量，从而提高分布式光伏电源在配电网中的渗透率。

根据式(10)可设计逆变器无功控制方案，其流程如图3所示，不断检测光伏的pmppt和并网点电压u，若并网点电压在设定的电压上限umax以内，则光伏按照最大功率跟踪的功率pmppt向电网输送功率，若并网点电压超过设定的电压上限umax，则逆变器进行无功控制，利用剩余容量吸收无功功率qc，降低并网点电压，则可能在不削减有功出力的情况下，将并网点电压控制在安全稳定运行的范围内。

三、有功限值控制。

当光伏能源大容量集中接入，渗透率高于某一限值时，光伏并网点就会出现过电压问题，针对这一问题，最直接的方法是进行有功限值控制，即控制光伏的出力，将其限制在产生过电压的边界出力以内。

在配电网中，考虑到电阻远远大于电抗，电压降落受有功功率的影响较大。导致各节点电压会随着有功潮流的改变而改变。因此只要对光伏并网时进行有功功率的限制，就可以避免产生过电压问题。

由于光伏出力和负荷都具有随机性和波动性，因此根据实际负荷和节点电压情况找到光伏出力的上限是解决问题的关键。随着光伏注入到电网中的功率增加，并网点电压升高，因此考虑两种p-v曲线。如图4所示。

对于并网点，在ta和tb时刻分别进行检测。在ta时刻测得并网点的电压为ua，光伏输出功率为pa，tb时刻测得并网点的电压为ub，光伏输出功率为pb。由于ta和tb检测时间相隔较短，可近似认为(pa，ua)，(pb，ub)两点成一条直线，这样就可以求得p-v曲线的斜率，如式(11)所示。

假设p-v曲线近似呈直线，根据测得点(pa，ua)和k可求得p-v近似直线如公式(12)所示。这样就可以根据pcc点的电压上限(umax)要求，求得相应的功率极限pmax：

pmax＝pa+k(umax-ua)(12)

由于考虑到p-v曲线有p(v)-1和p(v)-2两种不同的走势，若p(v)-1曲线是实际的的光伏有功出力和pcc点电压的关系曲线，则设定的pmax对应的电压为u1，u1小于umax，按照此方法设定的功率上限不会引起过电压问题，甚至有一定的电压裕度。反之，p(v)-2曲线更接近实际的p-v曲线，则此设定有功上限的方法会导致节点电压为u2，u2大于umax。此方法将不再有效。因此我们要对p-v曲线的走势进行理论分析。

将并网点电压u作为自变量，光伏的有功输出p为因变量，即电压随着有功的变化而变化。曲线p(v)-1的变化趋势是：du/dp>0且d²u/dp²<0，随着光伏有功注入的增加，并网点电压随着上升，但是节点电压对有功的变化率是在减小的，即随着有功注入的不断增加，电压的变化不再那么明显，趋向于一个稳定的电压。曲线p(v)-2的变化趋势是：du/dp>0且d²u/dp²＞0，随着光伏有功注入的增加，并网点电压随着上升，同时节点电压对有功的变化率是也在增大，即随着有功注入的不断增加，电压增加的速度越来越快。

光伏并网前pcc点电压设为u0，并网后pcc点电压设为u，将两者的差值记为δu，即u＝u0+δu，对式(8)求导可得如下式子：

根据公式(13)可知，图4中p(v)-1是合理的，符合实际的光伏输出与节点电压的关系曲线。因此按照公式(13)设定的有功上限值是合理的，能够有效的防止节点过电压问题。

光伏能源一般都有mppt控制，会一直跟踪到最大功率点，光伏的最大功率有可能大于pmax,同时有可能小于pmax。pmax与pmppt之间的关系如图5所示：

为了防止电压越限，光伏输出注入到电网的功率应该取为：

p＝min{pmax,pmppt}(15)

在上式中：pmppt是对光伏电源进行功率追踪得到的最大值。pmax为根据设定的电压上限，求得的功率上限值。

根据上述原理可以设计有功限值控制方案，如图6所示，即通过不断的检测pmppt和(pa，ua)，(pb，ub)。根据检测的两点求得p-v曲线的斜率，根据设定的pcc点最大电压umax，根据公式(12)求得pmax，然后控制光伏输送到电网的功率p为min(pmax，pmppt)。若pmax＞pmppt，则光伏输出为最大功率pmppt；若pmax＜pmppt，则光伏输出到电网的功率为pmax，剩余功率δp＝pmppt-pmax要通过储能蓄电池暂时存储起来，到负荷高峰期时释放。

四、综合控制方案

综合控制方案在前文已经进行了详细的介绍，主要就是将第二部分与第三部分相结合，其具体实现过程还可参见图1，主要流程如下：

步骤一：不断地检测pmppt和u。

步骤二：比较u和umax大小。

若u<umax，光输出p＝pmppt；

若u>umax，光伏输伏出p＝pmppt，

步骤三：比较qc与qcmax大小；

若qc小于qcmax，则光伏输伏出p＝pmppt；

若qc大于qcmax，则进入有功限值控制。

步骤四：不断的检测pmppt和(pa，ua)，(pb，ub)；

步骤五：根据公式(11)和(12)求得pmax

步骤六：比较pmax，pmppt大小；

若pmax<pmppt，则剩余功率δp要通过储能设备暂时存储起来；

若pmax>pmppt，则光伏输出：p＝pmppt。

以上为本发明实施例所提供方案的主要原理介绍；下面针对该方案进行仿真；具体如下：

一、无功控制方案仿真

分析光伏逆变器无功控制方案抑制配电网过电压的能力。设定umax＝1.05un。经过逆变器无功控制后，光伏电源实际出力及各节点电压如图7～图8所示。

图7中上方曲线对应有功发出曲线，下方曲线对应无功吸收曲线。由图7可知：光伏电源实际注入到配电网中的有功功率等于光伏电源的最大输出功率，没有发生有功削减。随着光伏电源有功出力的增加，在逆变器的无功调节作用下，逆变器吸收的感性无功功率也相应的增加。图8中的曲线n1～n6分别表示采用无功控制后节点1～节点6的电压。由图8可知，在采用逆变器无功控制策略以后，在没有有功削减的情况下，并网点的电压运行在允许的范围内，这是由于逆变器无功电压控制降低并网点电压的作用。与仅采用有功限值控制相比，采用逆变器无功控制在更大程度上保证了光伏电源的有功功率并网能力。只有当有功出力持续增加超过逆变器的无功控制能力以后，则有功限值控制将会失效。

二、有功限值控制方案仿真

为验证本文控制策略的有效性，在digsilent中搭建了分布式光伏电源接入低压配电网的仿真模型，配网是链接结构，如图9所示。

仿真数据：

线路电压等级为10kv，线路上有6个负荷。每个节点之间的距离是0.5km。线路单位长度的阻抗是(0.3+j0.35)ω/km，配电网允许的最高电压等级是1.05un，其中un为额定电压。下面分别对三种情况进行仿真分析对比。

由于光伏接入末端节点对电压的提升作用是最明显的，所以研究光伏电源接入的情况下选择接入节点n6。仿真时间为40s，分布式光伏逆变器容量为500kva。15台并联运行。负荷为恒功率负载。各负荷有功功率为0.5mw。无功功率为0。10～40s之间光伏出力突然增加，峰值为7mw。

不采取任何限制过电压的措施时，各节点的电压如表1所示：随着光伏出力达到峰值7mw时，表格中黄色区域都为电压越限区域。节点5和节点6电压越限，分别是1.058un和1.07un。因此要保证配网各节点电压满足运行要求，必须采取一定的措施。

表1有功出力与节点电压关系

下面对有功限值控制策略在实际使用中所能发挥的作用进行仿真分析。设定ua＝1.02un，ub＝1.025un，umax＝1.05un，在该控制策略的控制下，得到的实际光伏电源的出力情况如图10～图11所示。

从图10可以看出，经过有功限值以后，光伏输送到电网的功率限制在5.8mw，即并网点允许电压上限对应的光伏注入到电网中的极限功率。被限制的功率要暂时存储于蓄电池等储能装置之中。由图11可知，经过有功限值后，配网中各节点电压均运行在安全运行允许的范围内。

综上所述，通过光伏的有功限值控制策略，能够有效的解决配网过电压问题。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。