分布式光伏无功电压控制策略研究郑瑜

分布式光伏无功电压控制策略研究郑瑜

郑瑜

（国网沧州供电公司061000）

摘要：近年来，我国光伏产品生产成本持续下降，光伏产业规模不断扩大，为分布式光伏发电并网的发展提供了坚实的产业支撑，以及良好的发展环境。我国政府更是大力扶持分布式光伏产业，对光伏发电的补贴政策也在实践中不断改进，近年来国家发起的光伏发电竞价上网政策、分布式光伏发电示范项目、分布式光伏发电补贴政策等一系列政策的出台，我国分布式光伏发电扶持政策已更加完善，更加符合实际情况。以上政府引导策略，必将推动我国分布式光伏发电并网向更大规模发展。

关键词：分布式光伏；无功电压；控制；研究

1分布式光伏发电概况

根据2013-2016年我国光伏发电累计装机容量统计图，如图1所示，近年来，我国集中型光伏新增装机容量及分布式光伏新增装机容量逐年攀升。截至2016年底，我国累计装机容量达到7742万千瓦，新增光伏发电装机容量达到3454万千瓦，居全球第一。目前，我国分布式光伏累计装机容量为1032万千瓦，2017年底我国光伏累计装机容量将达8930万千瓦，新增装机容量约3564.5万千瓦。国家能源局于2016年11月7日正式发布《电力发展“十三五”规划》，计划将在“十三五”末实现我国太阳能发电装机容量达到110GW以上，预计分布式光伏发电装机容量将达到60GW以上.

图12013-2016年我国光伏发电累计装机容量统计

总之，我国分布式光伏发电产业发展空间巨大，在能源趋势、资源优势、成本下降、国家政策等因素的推动下，分布式光伏发电并网规模化并网必将成为未来太阳能发电的主要应用形式。

2分布式光伏发电并网无功电压控制方法研究

2.1分布式光伏并网对配电系统的重要性

分布式光伏发电并网不但节约土地资源，控制灵活，而且大量分布式光伏发电直接接入配电网可以减小线路因传输功率产生的能量损耗。然而，分布式光伏发电并入配电网规模扩大，将改变配电网原有的辐射状网架结构，必然会对配电网原有的潮流分布产生影响，进而影响配电用户的用电质量，为提高光伏并网发电系统的供电质量，促进国内光伏技术的发展，研究分布式光伏并网对配电系统的影响是至关重要的前提条件。

2.2分布式光伏并网对配电系统的影响

分布式光伏并网会对配电系统造成很多不利影响，例如增加配电网发生电压越限问题的几率、增加配电系统进行继电保护的控制难度等。光伏发电容量相对于电网较小时，分布式光伏电源输出功率的扰动对电网的影响甚微，但是当随着分布式光伏发电的并网规模逐渐扩大，光伏系统对电网的不利影响也更加显著，其中，最不容忽视的问题之一便是光伏电源的无功功率支撑能力较弱，大大增加了并网点电压发生电压越限的风险。如果无法良好解决上述电压越限问题，将直接使得分布式光伏发电并网规模受到限制，所以配电网无功和电压的管理问题已成为我国大规模发展分布式光伏发电并网系统所面临的最大挑战之一。

2.3分布式光伏并网系统电压控制方法

下面将分别介绍针对分布式光伏并网系统无功电压越限问题的传统调压方法和近年来新兴的利用逆变器无功功率输出调压方法，并对各种控制方案的优缺点进行比较，为后续研究提供参考。

2.3.1传统光伏并网系统电压控制方法

针对光伏并网引起的电压越限问题最直接的解决方法就是增大导线半径、减小线路阻抗，然而此方法经济性太差。就分布式光伏并网系统而言，传统的电压越限控制方法包括：对于分布式光伏发电接入配电网所导致的电压越限问题，可以利用调节有载调压变压器的分接头来调控，但对于配电系统末端的电压越限问题，此控制方法无法快速有效的控制；在分布式光伏电源安装位置安装电抗器，但是电抗器投切瞬间可能因为其暂态冲击较大而引起谐振等问题；安装静止无功同步补偿器（D-STATCOM），但是一但光伏并网功率过多，无功功率控制效果也将受到一定影响，而且安装大容量的无功功率补偿装置会增大系统成本；利用储能装置控制无功电压，通过储能装置的充放电来维持并网系统功率的平衡，在光伏阵列维持工作在最大功率点处的前提下，保证直流母线电压的稳定，但是控制技术也非常复杂，并且安装储能装置成本昂贵；削减有功出力的方法，即在发生电压越限时削减光伏电源的有功出力，以降低电压，但同时也降低了光伏利用率。

2.3.2利用逆变器的无功功率调节能力进行调压

我国光伏发电系统接入配电网技术标准（GB/T29319-2012）对分布式光伏电源接入380V配电网系统做出如下规定：光伏发电系统功率因数应在超前0.95～滞后0.95范围内连续可调。光伏并网逆变器应具备在其无功功率输出范围内，根据并网点电压水平调节无功功率输出，参与电网电压调节的能力。近年来，越来越多的研究者提出，对于大规模分布式光伏并网系统应在并网点利用光伏逆变器解决电压越限问题。并网逆变器在上层控制策略下可以进行中央控制或本地控制，并网逆变器的中央控制需要重新定义和重新设计配电网的主要操作，在传感器和通讯系统的设施建设上投资较大，但其可以调动各个并网点的逆变器相互协调工作；而本地控制方式无需通讯设备，能够对环境变化做出更加快速的反应，但无法调动所有逆变器互相协调工作。

3分布式光伏并网对配电网无功电压控制策略

3.1单个分布式光伏并网

单个分布式光伏电源接入配电用户时，如果其并网容量非常高同时用户负荷非常低，或并网容量非常低同时用户负荷非常高，都可能会引起其所在的配电线路上发生较严重的电压越限问题。图2所示为单个分布式光伏电源接入低压配电线路的负荷分布模型。设配电线路一共包含负荷节点数为N，第n个负荷节点消耗功率为Pn+jQn（n=1，2，3，…N），逆变器功率因数为cosφ，逆变器发出的无功功率为Qpv。设线路始端电压为U0，第n个负荷节点为Un（n=1，2，…N），第n-1和第n个节点间的线路阻抗为Rn+jXn=ln（r+jx），r和x分别代表线路的单位电阻和单位电抗，ln表示两节点间的线路长度。定义潮流向负载方向流动为正方向，反之为负，线路损耗忽略不计。

图2单个分布式光伏电源接入低压配电线路负荷分布

假设线路初始端电压不变，单个光伏电源接入后，光伏并网点前方的用户电压相比于未接入时的电压有一定的升高，且提升幅度与光伏电源出力、光伏电源接入位置、用户负荷大小密切相关：光伏电源出力越大、线路参数越大、接入位置越靠后、用户功负荷越小，线路电压提升越明显，并网容量较高系统中可能在并网点附近可能发生电压越上限问题；光伏并网点后方线路电压沿线降低，在并网容量较低系统中当线路负荷过大线路末端可能发生电压越下限问题。

3.2多个分布式光伏并网

图3所示为多个分布式光伏电源接入低压配电线路的负荷分布图。

多个分布式光伏并网，配电系统的无功电压的变化趋势与各个接入光伏电源的发电容量、光伏电源的接入位置、用户负荷大小密切相关，而光伏电源的出力对配电系统的各节点电压的分布影响最大。弱逆变器吸收的感性无功功率为零时，很有可能发生电压越限。

图3多个分布式光伏电源接入低压配电线路负荷分布

4光伏有功功率变化时电压无功调节仿真

仿真过程中模拟光伏注入有功功率变化，比较了cosφ=1的单位功率因数控制和文本研究的无功控制两种控制方式下接入点电压的电压质量。从t=0时刻开始，直到t=2s前，气候条件为G=400W/m2和T=25℃；t=2s时刻，气候条件发生改变（G=800W/m2和T=25℃）致使光伏注入功率增加。当光伏并网逆变器采用cosφ=1的单位功率因数控制时，逆变器输出的无功功率为0pu，配电网接入点电压由1.007pu上升到1.028pu，存在接入点电压波动问题。采用无功控制策略，在光伏注入功率增加的同时立刻使逆变器吸收一定数量的无功功率，此时接入点的电压在波动后迅速降低到1.01pu，基本上维持了接入点电压的稳定。

结语

对于两极式光伏逆变器，其无功调节能力受接入点电压影响较大，分布式光伏接入配电网运行时，发挥逆变器无功调节作用将有效改善由配电网负荷变化和光伏注入功率变化引起的接入点电压波动，改善电压质量。

参考文献：

[1]吕新良，张旭，宋晓林.分布式光伏发电运行控制技术研究[J].陕西电力，2012（2）：66-69.

[2]邹必昌，李涛，唐涛波.分布式发电对配电网的影响研究[J].陕西电力，2011（5）：9-13.

[3]曹璞佳.分布式光伏发电并网无功电压控制策略研究[D].东北电力大学，2017.