大型光伏电站无功电压控制策略

大型光伏电站无功电压控制策略

何军1,王陆炜1,杨亮2

1新疆独山子供水供电公司     新疆独山子 833699

2新疆独山子热电厂电气车间新疆独山子 833699

摘要：我国电力系统正在由传统型向新能源型过渡，电力系统承载高比例新能源需解决功率平衡和安全并网两个问题。并网问题关注新能源能否安全接入配电网而不引起电压和潮流越限，其中电压问题是突出问题之一。

关键词：光伏电站；无功电压；控制策略

前言

随着化石能源枯竭和环境污染恶化日益严重，可再生能源代替传统能源得到了世界的广泛重视。光伏发电由于具有清洁环保和灵活高效等众多优点而获得快速发展，光伏发电接入配电网的规模越来越大，光伏并网后会使配电网由无源网络变为有源网络，配电网的潮流大小和方向均会发生变化，且光伏发电的出力具有很强的不确定性和波动性，使得配电网的运行变得更加复杂，因此，研究含大规模光伏并网的配电网电压调控策略对保证配电网的电压质量及其安全稳定运行具有重要的意义。

1光储VSG的系统电压控制机理

光伏和储能系统均采用VSG策略控制并网，优先设定光伏以MPPT模式稳定出力，储能单元作为系统的备用电源，侧重系统电压和无功功率的稳定控制。若储能在其放电功率限制内可输出的功率不足以弥补系统缺额无功时，考虑牺牲一定光伏发电经济性，即降低光伏的有功出力以提高系统整体无功水平。当系统中工业负荷较多时，冲击、间歇负荷容易引起大幅度的功率冲击，由此导致系统产生较大的电压波动，严重影响电网电能质量

2算例分析

系统基准电压为400V即1.0pu，额定频率为50Hz，基准功率为300kVA，滤波电感3.5mH，滤波电容400μF，另外系统采用光伏单元容量为150kW，储能单元容量为50kW。负荷部分采用静态负荷与动态负荷相结合的综合负荷模型，两者比例为4∶6。其中静态负荷包括50%恒功率负荷和50%恒阻抗负荷；动态负荷包含80%电动机冲击负荷和20%电弧炉间歇负荷。本节的算例一进行针对电动机冲击负荷的无功优化测试，以验证本策略对电动机负荷波动所造成冲击的电压平抑效果；算例二测试电弧炉间歇负荷波动的电压调节作用，进一步验证本策略对间歇性负荷波动的功率突变抑制能力。并且将两算例分别与D-STATCOM的电压调节结果进行对比分析，验证本文策略在负荷扰动下无功优化的优越性。

2.1算例一

设定系统内冲击负荷为15kW异步电动机，初始为空载状态，在20s时刻电动机带负载运行。分别测试了VSG初始控制参数、本文优化后参数以及D-STATCOM的无功补偿和动态电压调节效果。在VSG取值的初始控制参数下，电动机负荷出现变化时，无功功率最大突变量为平衡状态的3.285倍，最大电压波动率可达7.29%，对电网形成很大冲击导致负荷点电压跌落至0.933pu，自T0时刻电动机负荷开始变化起，经过14.33s后在T1时刻恢复至额定电压稳定水平内。当系统配置有D-STATCOM时，发生冲击负荷突变，无功最大突变量为2.841倍，电压波动率为5.46%，较PSO优化前的电压波动率有所下降，电压最大跌落值为0.951pu，并在T2时刻恢复至稳定电压状态，调节时间为12.12s。本文策略下参数优化后的VSG光储协控系统可以明显看出较优化前的电压波动受到很大程度的抑制。优化后曲线在T3时刻系统恢复稳定状态，调节时间为9.59s，电压波动率为4.30%，无功最大突变为2.334倍。本文策略VSG参数优化后相较于D-STATCOM而言，系统最大冲击电流更小，系统网损更小，并且有效降低了负荷中高比例感应电动机对电网造成的功率冲击。合可以看出，采用D-STATCOM可以很好的补充系统缺额无功，平抑电压波动，而VSG参数优化后光储协控系统的无功最大突变经补偿后对系统的功率冲击最小，在有功网损更小的前提下负荷点电压有较大提升，并且本策略的调节时间在3种系统中最短，能够以较快的速度完成无功补偿，验证了本策略无功补偿有效性和优越性。

2.2算例二

工业负荷比重较高时，电弧炉作为常见间歇性变化的负荷，对系统电压稳定性产生很大影响。以12kW电弧炉为例，设定系统的初始运行状态为额定功率运行状态，在10s时刻电弧炉出现较大无功功率变化，一段时间后恢复至额定状态，30s时再次出现无功突变。以第一段无功突变的数据进行分析，VSG初始参数下的系统测试结果显示，无功功率最大突变至额定无功的2.966倍，对电网造成巨大功率冲击，此时负荷电压闪变至0.895pu，严重影响电网电压稳定。当系统中配置D-STATCOM装置后，可以看出其能够为系统补充一大部分无功，电压波动率为7.64%，将电压跌落值提升至0.927pu。而从两者运行的比较而言，调节速度几乎同步，但此时的电压跌落值为0.946pu，较D-STATCOM有一定的优化，同时电压波动率减小了2.03%。从三者的负荷点无功电压优化控制效果中可以看出，含电弧炉负荷的系统无功和电压容易出现大幅度的剧烈波动，不能满足电网对电能质量的要求，需要进行无功补偿。VSG参数优化后光储协控策略相较于D-STATCOM而言，能够更好地补充无功缺额，在电压调节能力上有更为优越的表现。由于目前实际电网已存在大量无功补偿装置，采用VSG光储协控的电压调节策略可作为备用补偿源，依据实际电网的情况和设备改造经济性与之协同调控，为电网无功补偿提供新的思路。

结束语

本文研究了VSG光储协控进行系统内无功电压补偿的控制策略，考虑了电网运行的经济性和稳定性，提出以系统有功网损最小、电压偏差最小为原则的无功电压优化目标函数和系统运行约束条件，设计出基于罚函数的VSG控制参数粒子群优化整定算法。最后，仿真测试和分析结果表明VSG光储协控优化策略的无功补偿可行有效，调节后电压提升至0.95pu，并且相较于D-STATCOM对电压波动的抑制有2%左右的提升，调压能力更为优越。未来可以进一步研究光储VSG与其他无功补偿装置协同控制，提升高比例新能源系统的电压稳定控制水平。

参考文献：

［1］裴晓娟，王倩，金英博.分布式发电对配电网电压的影响[J].电力学报，2010，25（6）：480⁃483.

[2]樊懋，姚李孝，张刚.光伏电站并网逆变器与无功补偿装置的协调控制策略[J].电网与清洁能源，2017，33（10）：107-115.