光伏发电互动模式下电压安全控制策略研究

光伏发电互动模式下电压安全控制策略研究

杨宣民

华能济宁高新区热电有限公司 新能源管理部

摘要：针对光伏发电与储能设备大量接入配电网，考虑多种电压无功资源协调的电压最优控制问题，该文研究“源-网-荷”互动模式下的含光伏发电与储能配电网最优电压控制策略。采用LQR理论，建立含光伏发电与储能配电网最优电压控制模型，并针对含光伏发电与储能配电网稳态运行点多变且模型和参数信息不完整或不精确的情况，引入ADP算法设计最优控制策略的在线计算方法。算例仿真表明，基于ADP的最优电压控制策略可以在配电网和分布式光伏的不同运行情况下取得良好的电压改善效果。因此该方法适用于电力系统在线控制应用。

关 键 词：配电网；光伏发电；电压安全；ADP；最优控制策略

为促进太阳能产业持续健康发展，加快太阳能多元化应用，推动建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系，中国太阳能发电装机将达到1.1亿kW以上，其中，分布式光伏发电装机容量将达到 6000万kW。部分地区配电网将面临高比例光伏发电接入，并由此带来运行控制方面的问题。然而，近年来，尽管中国配电网受重视程度明显加强，建设改造进程明显加快，但是大部分地区，特别是光伏扶贫地区的农村配电网，本身安全运行水平仍比较低，在面临高比例光伏接入时将暴露出更多的运行问题。同时，由于光伏发电波动性、随机性、间歇性等固有特征，电压问题则成为高比例光伏配电网首先要解决的问题。

但是，也应注意到，光伏发电造成配电网电压问题更加复杂的同时，另一方面也给配电网电压控制带来了更强的控制能力和控制灵活性。电网企业为了提高系统安全运行能力，促进光伏发电等新能源更好更快发展，也将在部分光伏发电渗透率较高的地区建设储能电站。另外，考虑到用户对供电可靠性要求的差异性及其负荷特性，个别用户负荷也可在必要的时候参与电压安全控制。

因此，该文综合考虑“源—网—荷”的电压无功控制能力及其互动运行的可行性，研究含光伏发电与储能配电网的电压安全最优控制策略。①分析分布式光伏对配电网电压安全的影响，进而综合考虑“源—网—荷”的电压无功控制能力及其互动运行模式，提出电压安全最优控制问题；②以最小化控制成本为目标，采用LQR理论，建立含光伏发电与储能配电网电压安全最优控制模型；③考虑含光伏发电与储能配电网稳态运行点的多变性以及参数的不可精确获得性，引入ADP方法，设计含光伏发电与储能配电网电压安全最优控制算法；④对含光伏发电与储能配电网的典型运行情况进行算例分析，验证该文模型和算法的有效性。

1 配电网“源—网—荷”互动模式

1.1 分布式光伏对配电网电压安全的影响

对于长距离配电线路，当线路负荷较小而光伏有功出力较大时，光伏并网点的电压可能超过运行上限值(1.07 p.u.)，特别是对于接入线路末端的光伏，其并网点电压越上限的可能性越大。这是由于负荷较小时线路电压本身较高，而此时高比例光伏的总有功出力较大，容易造成线路潮流反向从而导致线路末端电压发生过电压现象。在这种情况下，若利用光伏逆变器吸收无功功率，则可有效降低光伏并网点的电压。

而当线路负荷较大且光伏有功出力较小时(极端情况为夜间不发有功)，光伏并网点的电压可能低于运行下限值(0.93 p.u.)，特别是对于接入线路末端的光伏，其并网点电压越下限的可能性越大。在这种情况下，若利用光伏逆变器发出无功功率，则可有效提高光伏并网点的电压。

可见，分布式光伏一方面对配电网电压安全带来影响，另一方面，也增强了电压控制能力，而且光伏逆变器可实现灵活控制从而满足各种运行情况下的控制需求。另外，也应注意到，光伏逆变器的无功输出能力也应考虑逆变器容量的限制。

1.2 配电网“源—网—荷”互动模式及电压安全最优控制问题

考虑光伏逆变器的无功控制能力，同时结合电网储能电站逆变器的有功无功控制能力，以及负荷侧无功补偿能力和部分负荷的可中断性，未来配电网内将具有来自“源—网—荷”的多种控制能力，从而有效保证电压安全，但是这涉及“源—网—荷”不同主体间控制能力的电压协调控制问题。另外，由于含光伏发电与储能配电网运行状态的多变性^[7-8]，以及配电网自身模型参数信息的不完整性和不精确性，最优控制策略不应依赖于配电网模型和参数。

2 含光伏发电与储能配电网电压安全最优控制LQR模型

该文采用线路二次型调节器(linear quadratic regulator, LQR)理论建立含光伏发电与储能配电网电压安全最优控制模型。该模型以最小化控制成本为目标，且考虑“源—网—荷”的各种电压控制调节能力，具体包括储能电站充放电控制能力、储能电站和光伏电站的无功控制能力、负荷侧无功补偿能力以及可中断负荷等实现各种电压无功资源的协调控制。

3 算例分析

对含光伏发电和储能配电网的典型运行情况进行算例分析，以验证该文所提模型和算法的有效性。以一个变电区域系统为算例。该变电区域包含1个主变、1段10 kV母线和3条10 kV馈线，节点1为变电站10 kV母线，节点2～8属于馈线1，节点9～17属于馈线2，节点18～24属于馈线3，总计23个负荷节点，其中，2个负荷节点(12，20)处有储能电站接入，5个负荷节点处(4，6，10，15，23)有分布式光伏接入，3个负荷节点(8，16，24)有无功补偿设备，可将功率因数补偿至1.0。

该算例系统的支路参数，电阻、电抗、电纳为标幺值(基准电压为10 kV，基准容量为100 MV·A)，有功单位均为MW，无功单位均为MVar。假定主变分接头调节和低压侧无功补偿可令10 kV母线电压保持为1.0 p.u.，且在计算中作为平衡节点。

于是，含光伏发电和储能配电网电压安全最优控制策略问题即为求解储能电站有功、储能电站无功、光伏电站无功、负荷侧无功补偿以及可中断负荷等的优化结果，达到最小化各节点电压偏差和控制成本的目的。同时，为了避免控制调节过于频繁，设定电压偏差的允许范围(0.02 p.u.)，即当所有节点电压均介于0.98 ～1.02之间时，无需更改控制策略。

LOR模型和ADP算法相关的参数设置，R为控制量u在目标函数中的权重，为体现储能电站有功、储能电站无功、光伏电站无功、负荷侧无功补偿以及可中断负荷的逐级优先次序r的元素r_i。

4 结语

该文研究了含光伏发电与储能配电网电压安全的最优控制问题，基于LQR理论建立了电压安全最优控制模型，考虑含光伏发电和储能配电网的特点，设计了基于ADP方法的最优控制策略在线求解算法，并进行了算例仿真验证。

1)光伏逆变器无功控制能力有助于提高配电网电压水平；

2)该文提出的模型和算法可有效解决高比例光伏配电网在不同运行情况下的电压协调控制问题；

3)基于ADP的最优控制算法不依赖于电网模型和参数信息，仅需在线监测信息即可计算最优控制策略。

ADP方法可推广应用于电力系统在运行方式多变且模型参数不完整或不精确情况下的最优控制问题。

参考文献：

[1]刘全,王飞,严星,等.含分布式光伏电源的配电网故障分析与研究[J].智慧电力,2018,46(8):79-83..

[2]赵宪,周力行,熊家伟.含分布式电源配电网电压质量综合评估[J].电力科学与技术学报,2018,28(4):49-53.