本發(fā)明涉及電壓控制領(lǐng)域,更具體地,涉及一種光伏配電網(wǎng)的區(qū)域電壓分層分布式協(xié)同控制系統(tǒng)
背景技術(shù):
能源需求的不斷增長(zhǎng)和日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題推動(dòng)了光伏發(fā)電技術(shù)的規(guī)模化發(fā)展和應(yīng)用。然而,隨著分布式光伏滲透率的提高,電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制面臨著諸多挑戰(zhàn),其中,電壓控制問題尤為突出。
配電網(wǎng)電壓控制策略的控制對(duì)象分為三類:(1)傳統(tǒng)的無功電壓控制設(shè)備,如電容器、有載調(diào)壓開關(guān)(oltc)等;(2)增強(qiáng)型設(shè)備,如儲(chǔ)能裝置、配電靜止無功補(bǔ)償器(dstatcom);(3)具有無功調(diào)節(jié)能力的分布式光伏(distributedphotovoltaic,pv)等。
根據(jù)目前的研究成果,解決分布式電源接入引起的電壓?jiǎn)栴}的方法有兩類。一類是集中控制,以系統(tǒng)全局優(yōu)化為目標(biāo),統(tǒng)一調(diào)配可控資源,但存在諸多不足:量測(cè)數(shù)據(jù)量大、決策時(shí)間長(zhǎng)、通訊負(fù)擔(dān)重且投資成本高。另外,這種控制方式只能在一定程度上緩解pv大規(guī)模接入引起的過電壓?jiǎn)栴}。且電容器在投切瞬間暫態(tài)沖擊大、電壓響應(yīng)速度慢、可能引起系統(tǒng)諧振,而調(diào)節(jié)變壓器分接頭的方法不能有效處理配電網(wǎng)內(nèi)電壓幅值差過大的情況。另外一類是分布式控制策略,具有良好的自治性和適應(yīng)性,能夠充分利用分布式電源的無功調(diào)節(jié)能力,并結(jié)合其他調(diào)壓設(shè)備使電壓處于安全區(qū)間,保證供電質(zhì)量,且相比集中控制,系統(tǒng)投資減少,對(duì)于通訊的依賴程度也降低。然而,采用分布式控制策略控制光伏進(jìn)行無功補(bǔ)償與有功縮減時(shí),多以電壓質(zhì)量為控制目標(biāo),而忽視對(duì)調(diào)壓成本的考慮。
同時(shí),分布式或集中控制策略控制儲(chǔ)能裝置在分布式光伏功率過高時(shí)充電,在負(fù)荷最大時(shí)放電能有效保證配電網(wǎng)的供電質(zhì)量,但是安裝和維護(hù)儲(chǔ)能裝置的成本較高,同時(shí)也會(huì)增加控制方面的難度。
綜上,現(xiàn)有的光伏配電網(wǎng)電壓控制策略調(diào)壓成本高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
有鑒于此,本發(fā)明提供了一種光伏配電網(wǎng)的區(qū)域電壓分層分布式協(xié)同控制系統(tǒng),在降低調(diào)壓成本的同時(shí)提高了電壓控制的反應(yīng)速度。
具體技術(shù)方案如下:
一種光伏配電網(wǎng)的區(qū)域電壓分層分布式協(xié)同控制系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括:用戶層電壓控制子系統(tǒng)和變電站層電壓控制子系統(tǒng);
所述用戶層電壓控制子系統(tǒng)包括:就地預(yù)防控制模塊、分布式協(xié)調(diào)控制模塊和功率恢復(fù)控制模塊;所述就地預(yù)防控制模塊用于饋線電壓未越限時(shí)對(duì)電壓就地控制器進(jìn)行控制,使饋線電壓保持在正常范圍內(nèi);所述分布式協(xié)調(diào)控制模塊用于饋線電壓越限時(shí)控制饋線上電壓越限的節(jié)點(diǎn)的電壓就地控制器向上下游節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求無功補(bǔ)償,當(dāng)無功容量耗盡且饋線電壓仍然越限時(shí),根據(jù)少量分布式通信和本地計(jì)算,獲得光伏有功縮減優(yōu)化方案,縮減有功功率;所述功率恢復(fù)控制模塊用于當(dāng)饋線電壓恢復(fù)正常后,控制電壓就地控制器調(diào)節(jié)本地光伏有功功率和無功功率的輸出;
變電站層電壓控制子系統(tǒng)由站內(nèi)的區(qū)域控制器執(zhí)行,包括參數(shù)計(jì)算模塊和指令生成模塊;所述參數(shù)計(jì)算模塊用于在預(yù)設(shè)控制周期內(nèi),基于饋線電壓的峰谷值和變壓器低壓側(cè)電壓值,控制電壓區(qū)域控制器計(jì)算出新的變壓器低壓側(cè)電壓參考值,以預(yù)防或抑制饋線電壓越限;所述指令生成模塊用于根據(jù)變壓器低壓側(cè)母線電壓參考值和高壓側(cè)輸出功率值,并基于模糊無功邊界九區(qū)圖,控制電壓區(qū)域控制器調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的分接頭和投切并聯(lián)電容器組。
優(yōu)選的,所述就地預(yù)防控制模塊具體用于:根據(jù)預(yù)設(shè)的饋線電壓的正常運(yùn)行上限v4和下限v1,以及預(yù)設(shè)的饋線電壓的理想運(yùn)行上限v3和下限v2,當(dāng)饋線電壓處于范圍[v2,v3]時(shí),光伏逆變器不進(jìn)行無功補(bǔ)償;當(dāng)饋線電壓處于范圍[v1,v2]時(shí),控制光伏逆變器發(fā)出感性無功;當(dāng)饋線電壓處于范圍[v3,v4]時(shí),控制光伏逆變器吸收感性無功,抑制饋線電壓越限。
優(yōu)選的,所述分布式協(xié)調(diào)控制模塊包括第一控制子模塊;
所述第一控制子模塊用于當(dāng)饋線上的節(jié)點(diǎn)n電壓越限,且所述節(jié)點(diǎn)n的光伏無功容量也用盡時(shí),所述節(jié)點(diǎn)n的電壓就地控制器向上游和下游節(jié)點(diǎn)發(fā)送無功補(bǔ)償請(qǐng)求;節(jié)點(diǎn)n-1和節(jié)點(diǎn)n+1收到節(jié)點(diǎn)n的無功補(bǔ)償請(qǐng)求后,分別增大各自控制區(qū)域內(nèi)光伏的無功補(bǔ)償量,直至節(jié)點(diǎn)n電壓恢復(fù)正?;蛘吖?jié)點(diǎn)n-1與節(jié)點(diǎn)n+1的無功補(bǔ)償量達(dá)到上限;若節(jié)點(diǎn)n電壓恢復(fù)正常,則節(jié)點(diǎn)n-1和節(jié)點(diǎn)n+1的無功補(bǔ)償量保持不變;若節(jié)點(diǎn)n-1和節(jié)點(diǎn)n+1的控制區(qū)域內(nèi)的無功補(bǔ)償量達(dá)到上限而饋線電壓依舊越限時(shí),分別向上游節(jié)點(diǎn)n-2和下游節(jié)點(diǎn)n+2請(qǐng)求無功補(bǔ)償,依次類推,若上游所有節(jié)點(diǎn)的無功容量全部耗盡,但饋線電壓依舊越限時(shí),節(jié)點(diǎn)n-1向節(jié)點(diǎn)n發(fā)送上游節(jié)點(diǎn)無功容量耗盡信號(hào),告知上游節(jié)點(diǎn)無功容量的耗盡,若下游所有節(jié)點(diǎn)的無功容量全部耗盡,但饋線電壓依舊越限時(shí),節(jié)點(diǎn)n+1向節(jié)點(diǎn)n發(fā)送下游節(jié)點(diǎn)無功容量耗盡信號(hào),告知下游節(jié)點(diǎn)無功容量的耗盡。
優(yōu)選的,所述分布式協(xié)調(diào)控制模塊還包括第二控制子模塊;
所述第二控制子模塊用于當(dāng)無功容量耗盡且饋線電壓仍然越限時(shí),電壓越限節(jié)點(diǎn)的電壓就地控制器發(fā)送電壓越限信息到上下游電壓就地控制器;所述電壓越限信息包括有功縮減信號(hào)和本地電壓阻抗信息;若電壓越限節(jié)點(diǎn)接收到上、下游發(fā)來的電壓越限信息,電壓就地控制器將其與本節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行比較,確定最大越限電壓,若最大越限電壓為本節(jié)點(diǎn)電壓則保存電壓阻抗信息;若所述最大越限電壓為其他節(jié)點(diǎn)電壓,越限節(jié)點(diǎn)的電壓就地控制器將所述越限節(jié)點(diǎn)的電壓越限信息轉(zhuǎn)發(fā)到其他電壓正常節(jié)點(diǎn);電壓正常節(jié)點(diǎn)的電壓就地控制器接受上游或下游發(fā)送的電壓越限信息信息,轉(zhuǎn)發(fā)并保存電壓較大者的電壓越限信息;各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓就地控制器基于本地保存的電壓越限信息和相鄰節(jié)點(diǎn)的發(fā)送的電壓越限信息,計(jì)算求得光伏有功縮減量pdec,本地光伏無功容量的最大增量和對(duì)應(yīng)的電壓越限節(jié)點(diǎn)電壓預(yù)估值unew;首端節(jié)點(diǎn)電壓就地控制器將本地計(jì)算的電壓預(yù)估值unew傳送給下游節(jié)點(diǎn);末端節(jié)點(diǎn)電壓就地控制器將本地計(jì)算的電壓預(yù)估值unew傳送給上游節(jié)點(diǎn);中間節(jié)點(diǎn)電壓就地控制器比較上游傳來的電壓預(yù)估值與本地計(jì)算值,并將較小的值傳送給下游節(jié)點(diǎn),比較下游傳來的有效電壓預(yù)估值與本地計(jì)算值,并將較小者傳送給上游節(jié)點(diǎn);各個(gè)電壓就地控制器比較上游和下游傳來的有效電壓預(yù)估值與本地計(jì)算值,若本地計(jì)算的電壓預(yù)估值最小,則按最大無功增量的方式縮減本節(jié)點(diǎn)光伏的有功功率pdec,兩端的電壓就地控制器只需比較上游或下游節(jié)點(diǎn)的有效電壓預(yù)估值與本地計(jì)算值,再?zèng)Q定是否縮減本節(jié)點(diǎn)光伏有功;若饋線電壓依舊越限,則觸發(fā)所述第一控制子模塊繼續(xù)進(jìn)行有功縮減控制。
優(yōu)選的,當(dāng)所述光伏的輸出有功功率縮減δppv時(shí),無功容量的增量δqpv的計(jì)算方法為:
當(dāng)節(jié)點(diǎn)只含一臺(tái)光伏逆變器時(shí),所述光伏逆變器容量為spv,輸出有功功率為ppv,無功容量的增量為:
其中,有功功率的縮減下限為
當(dāng)節(jié)點(diǎn)含有一臺(tái)以上光伏逆變器時(shí),根據(jù)每臺(tái)所述逆變器的容量從大到小進(jìn)行排序,依次將每臺(tái)所述逆變器的有功功率縮減至功率因數(shù)下限
優(yōu)選的,當(dāng)確定光伏的單次有功縮減量pdec后,電壓就地控制器計(jì)算電壓越限節(jié)點(diǎn)電壓預(yù)估值unew具體為:
縮減光伏有功后,配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)n電壓可由下式進(jìn)行估計(jì):
其中,vn為節(jié)點(diǎn)n的電壓值;pn、qn表示從上游支路流入節(jié)點(diǎn)n的有功功率值和無功功率值;ppv、qpv為節(jié)點(diǎn)n處接入pv的有功功率值和無功功率值;rn、xn表示節(jié)點(diǎn)n-1與節(jié)點(diǎn)n之間的支路電阻值和電抗值;
當(dāng)節(jié)點(diǎn)n電壓越限時(shí),節(jié)點(diǎn)n的所有上游節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)n的當(dāng)前電壓值
優(yōu)選的,所述功率恢復(fù)控制模塊具體用于:當(dāng)饋線電壓長(zhǎng)時(shí)間不再越限時(shí),各個(gè)電壓就地控制器調(diào)整本地光伏輸出有功功率,使所述本地光伏有功功率逐漸恢復(fù)至最大功率值,再逐步調(diào)節(jié)輸出的無功功率為正常運(yùn)行狀態(tài)的無功補(bǔ)償量。
優(yōu)選的,所述變電站層電壓控制子系統(tǒng)包括:
參數(shù)計(jì)算模塊,饋線上光伏用戶的電壓就地控制器可通過分布式通信,定時(shí)向上游節(jié)點(diǎn)上傳下游所有節(jié)點(diǎn)的電壓最大值和最小值;各饋線首端電壓就地控制器將所在饋線上光伏用戶的并網(wǎng)電壓最大值和最小值發(fā)送給站內(nèi)的區(qū)域電壓控制器,而不含光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要用戶將并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓?jiǎn)为?dú)定時(shí)傳給區(qū)域控制器;區(qū)域電壓控制器從所有獲得的電壓值中確定饋線電壓的最大值vmax和最小值vmin;
當(dāng)饋線電壓偏移額定值超過預(yù)設(shè)值時(shí),根據(jù)饋線電壓的最大值vmax、最小值vmin和變壓器低壓側(cè)電壓值vbusbar,區(qū)域電壓控制器計(jì)算主變壓器低壓側(cè)電壓參考值vtarget,具體計(jì)算方法為:
vtraget=vbusbar+δv;
其中,vref為饋線電壓的額定值,δv為變壓器低壓側(cè)電壓的調(diào)整量;判斷變壓器低壓側(cè)電壓根據(jù)所述主變壓器低壓側(cè)電壓參考值vtarget進(jìn)行調(diào)整后得到的電壓最大值或最小值是否越限,若是,調(diào)整vtarget的值,得到新的主變壓器低壓側(cè)電壓參考值v′target,使區(qū)域電壓控制器根據(jù)所述新的主變壓器低壓側(cè)電壓參考值v′target調(diào)節(jié)變壓器分接頭和并聯(lián)電容器組;若否,使區(qū)域電壓控制器根據(jù)所述主變壓器低壓側(cè)電壓參考值vtarget調(diào)節(jié)變壓器分接頭和并聯(lián)電容器組。
優(yōu)選的,所述變電站層電壓控制子系統(tǒng)還包括:
指令生成模塊,區(qū)域電壓控制器在調(diào)節(jié)變壓器低壓側(cè)電壓時(shí)采用模糊無功邊界的九區(qū)圖,基于有載調(diào)壓變壓器的低壓側(cè)電壓參考值vtarget和檔位信息,區(qū)域控制器將離電壓參考值vtarget最近的兩個(gè)分接頭檔位作為所述模糊邊界九區(qū)圖的電壓上下限;當(dāng)電壓參考值vtarget超過變壓器分接頭的調(diào)節(jié)范圍時(shí),按分接頭的最大或最小檔位進(jìn)行調(diào)節(jié);區(qū)域電壓控制器的電壓控制規(guī)律為:調(diào)節(jié)變壓器分接頭和投切電容器組,使低壓側(cè)電壓盡量運(yùn)行在第一區(qū)域,其中un=vtarget,u為變壓器低壓側(cè)電壓,電壓上下限之差為一個(gè)分接頭檔位對(duì)應(yīng)的電壓;在第二區(qū)域和第六區(qū)域只存在電壓偏差,只調(diào)節(jié)變壓器分接頭;在第四區(qū)域和第八區(qū)域,只投切并聯(lián)電容器;在第五區(qū)域和第九區(qū)域,電壓無功均越限,先調(diào)節(jié)無功功率投切并聯(lián)電容器組;在第三區(qū)域和第七區(qū)域,先調(diào)節(jié)分接頭再投切電容器。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明提供的光伏配電網(wǎng)的區(qū)域電壓分層分布式協(xié)同控制系統(tǒng),用戶層電壓控制為就地預(yù)防控制、分布式協(xié)調(diào)控制和功率恢復(fù)控制的綜合。在電壓尚未越限時(shí),本地?zé)o功補(bǔ)償就發(fā)揮作用,以抑制過電壓的發(fā)生。當(dāng)饋線電壓越限時(shí),分布式協(xié)調(diào)控制的無功補(bǔ)償優(yōu)先發(fā)揮作用,以降低調(diào)壓成本。當(dāng)無功容量耗盡而電壓依舊越限時(shí),分布式協(xié)調(diào)控制的有功縮減策略僅依靠少量分布式通信和本地計(jì)算,就獲得優(yōu)化的光伏有功縮減方案。當(dāng)饋線電壓恢復(fù)正常后,功率恢復(fù)控制能保證光伏發(fā)電效益的最大化。本發(fā)明的用戶層電壓控制相比于已有的集中控制策略,通信和量測(cè)數(shù)據(jù)量顯著減少,實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單,投資成本更低,計(jì)算量遠(yuǎn)低,但調(diào)壓效果和取得的經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。相較于已有的分布式控制策略,本發(fā)明的用戶層電壓控制在降低調(diào)壓成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。變電站層電壓控制基于饋線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓信息和站內(nèi)信息,利用模糊無功邊界的九區(qū)圖,通過調(diào)節(jié)變壓器低壓側(cè)電壓來解決饋線電壓越限問題。本發(fā)明所提出的變壓器低壓側(cè)電壓參考值的設(shè)定、校驗(yàn)以及調(diào)整方法,結(jié)合模糊無功邊界的九區(qū)圖,不但能夠有效緩解饋線電壓越限狀況,而且能夠顯著降低變壓器分接頭和并聯(lián)電容器的動(dòng)作次數(shù)。區(qū)域電壓雙層協(xié)同控制的時(shí)間尺度不同,在進(jìn)行區(qū)域電壓控制時(shí),兩者各具優(yōu)勢(shì),但又不會(huì)產(chǎn)生沖突而引起系統(tǒng)電壓震蕩。對(duì)于光伏輸出功率突變?cè)斐傻碾妷和蝗辉较?,用戶層電壓控制具有較快的響應(yīng)速度;而對(duì)于規(guī)律性的日或季節(jié)性光伏發(fā)電功率變化,變電站層電壓控制具有更多的規(guī)律性優(yōu)勢(shì),可有效預(yù)防饋線電壓越限。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例,對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下,還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例公開的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖和區(qū)域電壓分層協(xié)同控制框架圖;
圖2為本發(fā)明實(shí)施例公開的變電站無功電壓控制等值電路圖;
圖3為本發(fā)明實(shí)施例公開的模糊無功邊界的九區(qū)圖;
圖4為本發(fā)明實(shí)施例公開的用戶層電壓控制的邏輯圖;
圖5為本發(fā)明實(shí)施例公開的用戶層就地預(yù)防控制的無功補(bǔ)償量與電壓關(guān)系示意圖;
圖6為本發(fā)明實(shí)施例公開的用戶層分布式電壓協(xié)調(diào)控制的無功補(bǔ)償流程圖;
圖7為本發(fā)明實(shí)施例公開的用戶層分布式電壓協(xié)調(diào)控制的有功優(yōu)化縮減流程圖;
圖8為本發(fā)明實(shí)施例公開的光伏逆變器輸出有功與無功功率的關(guān)系示意圖;
圖9為本發(fā)明實(shí)施例公開的一條簡(jiǎn)化的配電網(wǎng)饋線示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖,對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
本實(shí)施例應(yīng)用的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖和區(qū)域電壓分層協(xié)同控制框架如圖1所示。該配電網(wǎng)包含110/10kv變電站、多條10kv饋線以及眾多10kv用戶。其中部分10kv用戶裝有光伏發(fā)電系統(tǒng),并各作為一個(gè)自治區(qū)域,配有電壓就地控制器。變電站內(nèi)的有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)電容器由站內(nèi)的區(qū)域控制器來控制,以維持區(qū)域電壓穩(wěn)定和無功平衡。由此,配電網(wǎng)區(qū)域電壓控制分為用戶層和變電站層電壓控制,因此,光伏配電網(wǎng)的區(qū)域電壓分層分布式協(xié)同控制系統(tǒng)包括用戶層電壓控制子系統(tǒng)和變電站層電壓控制子系統(tǒng)。
變電站層電壓控制由站內(nèi)的區(qū)域控制器執(zhí)行,控制周期為30分鐘,控制對(duì)象為110/10kv有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)電容器。電壓區(qū)域控制器對(duì)有載調(diào)壓變壓器分接頭的調(diào)節(jié)和并聯(lián)電容器組的投切,基于的信息包括:各條10kv饋線的電壓最大值和最小值、變壓器低壓側(cè)電壓值以及高壓側(cè)輸入的功率值。由饋線電壓的峰谷值和變壓器低壓側(cè)電壓值,電壓區(qū)域控制器計(jì)算出新的變壓器低壓側(cè)電壓參考值,以預(yù)防或抑制饋線電壓越限。根據(jù)變壓器低壓側(cè)母線電壓參考值和高壓側(cè)輸出功率值,并基于模糊無功邊界九區(qū)圖,電壓區(qū)域控制器調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的分接頭和投切并聯(lián)電容器組。
10kv饋線上光伏用戶的電壓就地控制器可通過分布式通信,定時(shí)向上游節(jié)點(diǎn)上傳下游所有節(jié)點(diǎn)的電壓最大值和最小值。各饋線首端電壓就地控制器將所在饋線上光伏用戶的并網(wǎng)電壓最大值和最小值發(fā)送給站內(nèi)的區(qū)域電壓控制器,而不含光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要用戶將并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓?jiǎn)为?dú)定時(shí)傳給區(qū)域控制器。最后,區(qū)域電壓控制器從所有獲得的電壓值中找到饋線電壓的最大值vmax和最小值vmin。
10kv饋線的電壓允許運(yùn)行上下限,一般為1.07和0.93。為預(yù)防饋線電壓越限,當(dāng)饋線電壓偏移額定值超過預(yù)設(shè)值時(shí),所述預(yù)設(shè)值可以為6.5%,電壓區(qū)域控制器就開始對(duì)變壓器低壓側(cè)母線電壓進(jìn)行調(diào)整?;陴伨€電壓的最大值vmax和最小值vmin以及變壓器低壓側(cè)電壓值vbusbar,區(qū)域電壓控制器計(jì)算新的主變壓器低壓側(cè)電壓參考值vtarget,以預(yù)防或抑制饋線電壓越限。具體計(jì)算方法為:
vtraget=vbusbar+δv;
其中,vref為饋線電壓的額定值,值為1.0;δv為變壓器低壓側(cè)電壓的調(diào)整量。當(dāng)饋線電壓最大值高于額定電壓超過6.5%而最小值低于額定電壓超過6.5%時(shí),電壓區(qū)域控制器不對(duì)變壓器低壓側(cè)電壓進(jìn)行調(diào)整。電壓區(qū)域控制器在求得變壓器低壓側(cè)電壓參考值vtarget后,還需估算變電站低壓側(cè)電壓調(diào)整后對(duì)饋線電壓最大值vmax和最小值vmin的影響。例如,當(dāng)饋線電壓越上限超過6.5%,而調(diào)整vtarget后,估算的饋線電壓最小值將越下限,則電壓區(qū)域控制器不執(zhí)行vtarget,轉(zhuǎn)而調(diào)整vtarget的大小。其中,估算vtarget對(duì)饋線電壓最大值vmax和最小值vmin影響的方法為:
在推導(dǎo)中,上式忽略各節(jié)點(diǎn)電壓變化對(duì)線路功率損耗和負(fù)荷功率的影響。當(dāng)變壓器低壓側(cè)電壓參考值不合理時(shí),對(duì)vtarget的調(diào)整,也依賴于上式。繼續(xù)上例,
求得新的變壓器低壓側(cè)電壓參考值v′target作為區(qū)域電壓控制器調(diào)節(jié)變壓器分接頭和并聯(lián)電容器組的根據(jù),無論饋線電壓最大值越限問題能否完全解決。
圖2為變電站無功電壓控制等值電路。變電站內(nèi)可改變低壓側(cè)電壓的裝置包括有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)電容器組。調(diào)節(jié)變壓器的分接頭可改變有載調(diào)壓變壓器的變比,由ut2=ut1/kt可知,當(dāng)變壓器高壓側(cè)電壓不變時(shí),降低kt值可提高變壓器低壓側(cè)電壓。分組投切并聯(lián)電容器組也可以調(diào)節(jié)變壓器低壓側(cè)出口電壓。
若系統(tǒng)的并聯(lián)電容器qc未投入電網(wǎng)中,變壓器低壓側(cè)電壓ut2為:
投入并聯(lián)電容器qc后,可得:
比較兩式可知,并聯(lián)電容器通過調(diào)節(jié)變電站的無功功率來影響變壓器低壓側(cè)電壓和電力系統(tǒng)無功功率的重新平衡。當(dāng)變壓器低壓側(cè)電壓過高時(shí),可通過切除并聯(lián)電容器組來降低低壓側(cè)電壓。
圖3為模糊無功邊界的九區(qū)圖,圖中:qc表示變壓器從系統(tǒng)側(cè)輸入的無功功率;u為變壓器低壓側(cè)電壓。區(qū)域電壓控制器在調(diào)節(jié)變壓器低壓側(cè)電壓時(shí)采用模糊無功邊界的九區(qū)圖,保證在調(diào)整變壓器低壓側(cè)電壓時(shí)從系統(tǒng)側(cè)輸入的無功功率滿足國家標(biāo)準(zhǔn)(110kv變電站由電網(wǎng)供給的無功功率與有功功率的比值范圍為0~0.48)。在圖3中,基于有載調(diào)壓變壓器的低壓側(cè)電壓參考vtarget和檔位信息,區(qū)域控制器可將離vtarget最近的兩個(gè)分接頭檔位,作為模糊邊界九區(qū)圖的電壓上下限。若電壓參考vtarget超過變壓器分接頭的調(diào)節(jié)范圍,則按分接頭的最大或最小檔位進(jìn)行調(diào)節(jié)。
區(qū)域電壓控制器的電壓控制規(guī)律為:調(diào)節(jié)變壓器分接頭和投切電容器組,使低壓側(cè)電壓盡量運(yùn)行在區(qū)域0,其中un=vtarget,電壓上下限之差為一個(gè)分接頭檔位對(duì)應(yīng)的電壓;在1、5區(qū)域,僅存在電壓偏差,只調(diào)節(jié)變壓器分接頭;在3、7區(qū)域,只投切并聯(lián)電容器;在4、8區(qū)域,電壓無功均越限,若先調(diào)節(jié)分接頭升降電壓,會(huì)造成無功越限更多,故應(yīng)先調(diào)節(jié)無功功率,即投切并聯(lián)電容器組;同理,在2、6區(qū)域,應(yīng)先調(diào)節(jié)分接頭再投切電容器。相較于傳統(tǒng)九區(qū)圖,模糊無功邊界的九區(qū)圖能更有效地保持電壓穩(wěn)定并減少變壓器分接頭、并聯(lián)電容器的動(dòng)作次數(shù)。
圖4為用戶層電壓控制的邏輯圖。用戶層電壓控制由安裝在用戶側(cè)的電壓就地控制器執(zhí)行,包括就地預(yù)防控制、分布式緊急控制和功率恢復(fù)控制。當(dāng)饋線電壓處于正常運(yùn)行范圍時(shí),各電壓就地控制器采用就地預(yù)防控制以預(yù)防本節(jié)點(diǎn)電壓越限;而當(dāng)饋線電壓越限時(shí),電壓就地控制器通過分布式通信和本地計(jì)算得到解決電壓越限的優(yōu)化決策,并依據(jù)優(yōu)化決策對(duì)光伏逆變器的輸出功率進(jìn)行調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)低成本的電壓控制;最后,當(dāng)饋線電壓恢復(fù)正常后,電壓就地控制器啟動(dòng)功率恢復(fù)控制,在保證饋線電壓穩(wěn)定的同時(shí)使光伏發(fā)電效益最大化。
在恢復(fù)控制階段,若饋線電壓長(zhǎng)時(shí)間不再越限,各電壓就地控制器首先調(diào)整本地光伏逆變器輸出的有功功率,使其逐漸恢復(fù)至最大功率值,然后逐步調(diào)節(jié)輸出的無功功率為正常運(yùn)行狀態(tài)的無功補(bǔ)償量。在恢復(fù)過程中若電壓再次越限,則再次轉(zhuǎn)入緊急控制過程,直至各節(jié)點(diǎn)恢復(fù)正常狀態(tài)。恢復(fù)控制保證在電壓恢復(fù)正常后分布式光伏接入量最大化。
圖5為用戶層就地預(yù)防控制的無功補(bǔ)償量與電壓關(guān)系。在預(yù)防控制階段,饋線電壓均處于正常運(yùn)行范圍內(nèi)。電壓就地控制器控制本地光伏的有功功率跟隨最大功率點(diǎn)(mppt控制),同時(shí)調(diào)節(jié)輸出無功功率以預(yù)防電壓越限,如圖5所示。圖中,v4、v1為饋線電壓的正常運(yùn)行上下限,分別為1.07和0.93;v3、v2為電壓就地控制器開始進(jìn)行本地?zé)o功功率補(bǔ)償?shù)呐R界電壓值,可設(shè)為1.04和0.96。當(dāng)饋線電壓在理想電壓運(yùn)行范圍[v2,v3]內(nèi)時(shí),光伏逆變器不進(jìn)行無功補(bǔ)償;而當(dāng)饋線電壓過高但尚未越限時(shí),即范圍[v3,v4]內(nèi),光伏逆變器吸收感性無功,以抑制饋線電壓越上限;當(dāng)饋線電壓處于范圍[v1,v2]時(shí),控制光伏逆變器發(fā)出感性無功,以抑制饋線電壓越下限;且當(dāng)饋線電壓等于正常運(yùn)行上限值v4時(shí),光伏的無功輸出達(dá)到容量上限。
圖6為用戶層分布式電壓協(xié)調(diào)控制的無功補(bǔ)償過程。當(dāng)饋線電壓越限時(shí),用戶層電壓控制所采用的緊急控制為分布式電壓協(xié)調(diào)控制策略,控制對(duì)象是用戶的可控光伏逆變器,主要手段是使光伏逆變器補(bǔ)償無功和縮減有功功率?;诮?jīng)濟(jì)性的考慮,當(dāng)饋線電壓越限時(shí),光伏逆變器應(yīng)首先進(jìn)行無功補(bǔ)償,然后再進(jìn)行有功功率的縮減。
以饋線上n節(jié)點(diǎn)電壓越上限為例,對(duì)分布式電壓協(xié)調(diào)控制的無功補(bǔ)償過程進(jìn)行闡述,如圖6所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)n電壓越限時(shí),該節(jié)點(diǎn)的電壓就地預(yù)防控制已然失效,本節(jié)點(diǎn)的光伏無功容量也用盡,因而電壓就地控制器向上下游節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求進(jìn)行無功補(bǔ)償。
上游n-1節(jié)點(diǎn)收到n節(jié)點(diǎn)的無功補(bǔ)償信號(hào)后,逐漸增大其控制區(qū)域內(nèi)光伏的無功補(bǔ)償量,直至下游節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)正?;蛘弑竟?jié)點(diǎn)光伏的無功補(bǔ)償量達(dá)到上限。若下游n節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)正常,則節(jié)點(diǎn)n-1的光伏無功補(bǔ)償量保持不變;但若其控制區(qū)域內(nèi)的無功補(bǔ)償量達(dá)到上限而饋線電壓依舊越限,則向其上游節(jié)點(diǎn)n-2請(qǐng)求無功補(bǔ)償,依次類推。若上游所有節(jié)點(diǎn)的無功容量全部耗盡,但饋線電壓依舊越限,則上游節(jié)點(diǎn)n-1向電壓越上限節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào),告知上游節(jié)點(diǎn)無功容量的耗盡。下游節(jié)點(diǎn)n-1,同節(jié)點(diǎn)n-1一樣進(jìn)行無功補(bǔ)償和向其他節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求無功補(bǔ)償,只是請(qǐng)求無功補(bǔ)償?shù)姆较驗(yàn)橄掠巍?/p>
如果在上述無功補(bǔ)償過程中饋線電壓恢復(fù)正常,則各節(jié)點(diǎn)的無功補(bǔ)償量保持恒定不變。若在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),饋線電壓始終處于正常運(yùn)行范圍,則轉(zhuǎn)入用戶層電壓控制中的功率恢復(fù)控制。值得注意的是,若某節(jié)點(diǎn)尤其是饋線末端節(jié)點(diǎn)電壓越下限時(shí),則其不響應(yīng)上游節(jié)點(diǎn)的無功補(bǔ)償請(qǐng)求。當(dāng)某饋線的多個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓越限時(shí),將電壓最高點(diǎn)作為主越限節(jié)點(diǎn)向上下游節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào),而其他越限節(jié)點(diǎn)僅當(dāng)作普通節(jié)點(diǎn)傳遞無功補(bǔ)償信號(hào)。
圖7為用戶層分布式電壓協(xié)調(diào)控制的有功優(yōu)化縮減算法。當(dāng)饋線上所有用戶的光伏無功補(bǔ)償量都達(dá)到容量上限而饋線電壓依舊越限時(shí),用戶層分布式電壓協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)入有功優(yōu)化縮減階段。
1)電壓越限節(jié)點(diǎn)的電壓就地控制器發(fā)送有功縮減信號(hào)和本地電壓阻抗信息給上下游電壓就地控制器。若接收到上、下游發(fā)來的電壓越限信息,電壓就地控制器將其與本節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行比較,找出最大越限電壓,并保存其對(duì)應(yīng)的電壓阻抗信息進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。若最大越限電壓為其他節(jié)點(diǎn),電壓就地控制器還需轉(zhuǎn)發(fā)該越限節(jié)點(diǎn)的電壓阻抗信息。
2)電壓正常節(jié)點(diǎn)的電壓就地控制器接受上游或下游傳來的有功縮減信號(hào)和電壓阻抗信息,并轉(zhuǎn)發(fā)越限節(jié)點(diǎn)的信息。若同時(shí)接受到上下游傳來的電壓越限信息,電壓就地控制器先比較兩電壓大小,再轉(zhuǎn)發(fā)和保存較大者的電壓阻抗信息。
3)各電壓就地控制器基于本地?cái)?shù)據(jù)和相鄰節(jié)點(diǎn)的傳送數(shù)據(jù),通過本地計(jì)算求得同樣的光伏有功縮減量pdec下,本地光伏無功容量的最大增量和對(duì)應(yīng)的電壓越限節(jié)點(diǎn)電壓預(yù)估值unew。
4)首端電壓就地控制器將本地計(jì)算的電壓預(yù)估值傳送給下游節(jié)點(diǎn);末端電壓就地控制器將本地計(jì)算的電壓預(yù)估值傳送給上游節(jié)點(diǎn);中間電壓就地控制器比較上游傳來的有效電壓預(yù)估值與本地計(jì)算值,并將較小者傳送給下游節(jié)點(diǎn),比較下游傳來的有效電壓預(yù)估值與本地計(jì)算值,并將較小者傳送給上游節(jié)點(diǎn)。
5)各電壓就地控制器比較上游和下游傳來的有效電壓預(yù)估值與本地計(jì)算值,若本地計(jì)算的電壓預(yù)估值最小,則按最大無功增量的方式縮減本節(jié)點(diǎn)光伏的有功功率pdec。兩端的電壓就地控制器只需比較上游或下游節(jié)點(diǎn)的有效電壓預(yù)估值與本地計(jì)算值,再?zèng)Q定是否縮減本節(jié)點(diǎn)光伏有功。
6)若饋線電壓恢復(fù)正常,則各電壓就地控制器退出有功縮減階段,轉(zhuǎn)入功率恢復(fù)控制;若饋線電壓依舊越限,則重復(fù)步驟1至步驟5。
圖8為光伏逆變器輸出有功與無功功率的關(guān)系。圖中,ab段對(duì)應(yīng)無功補(bǔ)償階段,bc段對(duì)應(yīng)有功功率縮減且受逆變器容量限制,而co段對(duì)應(yīng)的有功縮減受功率因數(shù)限制。很顯然,bc段的有功功率在縮減的同時(shí)能夠增大逆變器的無功容量,對(duì)于過電壓的恢復(fù)是絕對(duì)有益的;而co段有功功率的減少使逆變器的無功容量降低,這對(duì)于過電壓的改善效果是不確定的。因而,對(duì)有功功率的縮減應(yīng)至功率因數(shù)下限為止。
當(dāng)某用戶光伏的輸出有功功率縮減δppv時(shí),其無功容量的增量大小δqpv與用戶的光伏逆變器參數(shù)和縮減方式有關(guān)。
(1)若用戶只含一臺(tái)光伏逆變器,其容量為spv,輸出有功功率為ppv。設(shè)功率因數(shù)下限
(2)若用戶含有兩臺(tái)以上的光伏逆變器,有功功率的縮減可按兩種方式進(jìn)行:
a)按逆變器容量大小排序,從最大容量的逆變器開始縮減有功功率,當(dāng)有功縮減至該逆變器的功率因數(shù)下限pmin=spv*0.95時(shí),再對(duì)次大容量的光伏逆變器進(jìn)行有功縮減,以此類推,縮減的有功功率總量為δppv。各臺(tái)光伏逆變器無功容量增量的計(jì)算方法同上式,再進(jìn)行加和為總的無功容量增量。
b)對(duì)該用戶內(nèi)的所有光伏逆變器按容量大小比例共同縮減有功功率,縮減的有功功率總量為δppv,每臺(tái)光伏無功容量的增量計(jì)算方法同式(1),再加和為總的無功容量增量。
利用以上兩種方法分別求得固定有功縮減量δppv下逆變器無功容量的增量,將較大者作為最終的δqpv,并參與計(jì)算電壓越限節(jié)點(diǎn)的電壓預(yù)估值unew。
圖9為一條簡(jiǎn)化的配電網(wǎng)饋線。圖中:vn為節(jié)點(diǎn)n的電壓值;pn,qn表示從上游支路流入節(jié)點(diǎn)n的有功功率值和無功功率值;pln,qln表示節(jié)點(diǎn)n處接入負(fù)荷的有功功率值和無功功率值;ppv,qpv為節(jié)點(diǎn)n處接入pv的有功功率值和無功功率值;rn,xn表示節(jié)點(diǎn)n-1與節(jié)點(diǎn)n之間的支路電阻值和電抗值。
利用以上參數(shù),配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)n與節(jié)點(diǎn)n-1的電壓關(guān)系可表示為:
若忽略兩節(jié)點(diǎn)間的功率損耗,上式可簡(jiǎn)化為:
對(duì)不同節(jié)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的公式進(jìn)行疊加,可得:
以節(jié)點(diǎn)n為例,若上游節(jié)點(diǎn)用戶注入功率恒定不變,并假設(shè)饋線首端節(jié)點(diǎn)電壓v0不變,節(jié)點(diǎn)n及其下游節(jié)點(diǎn)注入功率發(fā)生變化,節(jié)點(diǎn)n的電壓由
1)當(dāng)節(jié)點(diǎn)n電壓越限時(shí),對(duì)節(jié)點(diǎn)n的光伏縮減有功功率δppv,計(jì)算所得的光伏逆變器無功容量增量為δqpv。由于δppv=δpn,δqpv=δqn,則n節(jié)點(diǎn)下一時(shí)刻的電壓可由下式估算:
式中,
2)當(dāng)節(jié)點(diǎn)n電壓越限時(shí),對(duì)節(jié)點(diǎn)n+1用戶的光伏縮減有功功率δppv,計(jì)算其光伏逆變器的無功容量增量為δqpv。同樣地,δppv=δpn+1,δqpv=δqn+1,故n節(jié)點(diǎn)下一時(shí)刻的電壓估算為:
節(jié)點(diǎn)n+1及其所有下游節(jié)點(diǎn)的電壓估算公式均為上式,只是在不同節(jié)點(diǎn)處縮減光伏有功δppv對(duì)應(yīng)的逆變器無功增量δqpv不同。其中,
3)當(dāng)節(jié)點(diǎn)n電壓越限時(shí),也可通過降低n-1節(jié)點(diǎn)的電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)n節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié),具體措施為縮減n-1節(jié)點(diǎn)的光伏有功功率。對(duì)n-1節(jié)點(diǎn)用戶的光伏縮減有功功率δppv,并計(jì)算其相應(yīng)的無功容量增量為δqpv,則可得到n-1節(jié)點(diǎn)下一時(shí)刻的電壓:
當(dāng)節(jié)點(diǎn)n及其下游節(jié)點(diǎn)注入功率發(fā)生不發(fā)生變化時(shí),并忽略vn的微小變化對(duì)線路損耗的影響,則:
其中,
故
以此類推,所有上游節(jié)點(diǎn)只需知道n節(jié)點(diǎn)電壓的當(dāng)前值
以節(jié)點(diǎn)n電壓越限為例,饋線上各節(jié)點(diǎn)基于本地量測(cè)量和預(yù)存信息,以及分布式通信傳送的越限節(jié)點(diǎn)電壓和阻抗信息,可計(jì)算出本地光伏縮減有功δppv所對(duì)應(yīng)的n節(jié)點(diǎn)的電壓估計(jì)值
變電站層電壓控制為預(yù)設(shè)控制周期的控制策略,并不會(huì)與用戶層的預(yù)防控制、無功補(bǔ)償和有功縮減等控制策略產(chǎn)生沖突而引起電壓震蕩。區(qū)域電壓雙層協(xié)同控制因具有不同的時(shí)間尺度,在進(jìn)行區(qū)域電壓控制時(shí),各具優(yōu)勢(shì)。
高滲透光伏配電網(wǎng)饋線上的節(jié)點(diǎn)電壓在上午將會(huì)逐漸增大。當(dāng)電壓尚未越上限時(shí),用戶層的就地預(yù)防控制能夠通過本地?zé)o功補(bǔ)償抑制饋線電壓越上限。當(dāng)饋線電壓較高,接近電壓上限時(shí),長(zhǎng)時(shí)間尺度的變電站層區(qū)域電壓控制器對(duì)變壓器低壓側(cè)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),以預(yù)防電壓越限。當(dāng)饋線個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過電壓時(shí),該條饋線其他節(jié)點(diǎn)將協(xié)助電壓越限節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無功補(bǔ)償,以促進(jìn)電壓恢復(fù)正常。于此同時(shí),變電站層電壓控制也會(huì)調(diào)節(jié)變壓器低壓側(cè)電壓,在不引起饋線電壓越下限的前提下,改善某些節(jié)點(diǎn)的過電壓狀況。一般來說,在配電網(wǎng)內(nèi)各條饋線的負(fù)荷和光伏裝機(jī)容量相差不大的情況下,依靠光伏逆變器無功補(bǔ)償和變電站有載調(diào)壓變壓器、并聯(lián)電容器組調(diào)壓的控制手段完全能夠解決饋線電壓的越限問題。但若配電網(wǎng)各條饋線的負(fù)荷和光伏裝機(jī)容量相差較大,用戶層分布式電壓的有功功率優(yōu)化縮減策略將作為電壓越限恢復(fù)的最后一道防線。
對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明,使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的,本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下,在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此,本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例,而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。