含高比例户用光伏的低压配电网电压控制研究综述

1)基于cosφ(PPV)控制的逆变器无功调节。

cosφ(PPV)控制是一种常规的无功控制方法,旨在限制网络电压的上升和线路中过多的无功流动,德国光伏并网标准委员会给出了分布式光伏并网的指导性控制曲线[52],如图4所示。当光伏并网功率超过额定有功的50%时,光伏逆变器吸收无功以避免网络电压的进一步升高,同时应保证光伏并网点的功率因数维持在±0.95的范围内。我国的光伏电站并网标准也有类似的规定,需要将光伏并网点的功率因数维持在±0.95的范围内[53]。这种控制方式在光伏并网比例不高时能起到很好的效果,然而在含高比例户用光伏的低压配电网中,严格限制光伏的并网功率因数不利于充分发挥逆变器的无功调节能力。文献[13]指出强光照轻负荷的情况下,网络中会出现非常严重的过电压风险,如果严格限制光伏并网的功率因数,则可能无法动用全部的无功控制容量,从而导致严重的过电压风险。类似地,文献[54]指出在夜间无光照重负荷的情况下,如果严格限制光伏并网的功率因数则光伏并网无功只能设置为零,无法对网络提供电压支撑,从而导致网络面临欠电压风险。文献[10,54]均指出在强光照高负荷的情况下,一些固定光伏并网功率因数的控制方式反而会增加网络损耗,造成网络功率因数的劣化。

图4 cosφ(PPV)控制曲线

2)基于QPV(V)控制的逆变器无功调节。

QPV(V)下垂控制是一种非常经典的电压控制方法[55-57],控制曲线如图5所示。若光伏并网点电压高于预先制定的目标电压,光伏逆变器吸收无功以延缓节点电压的上升;反之,光伏逆变器注入无功功率以延缓节点电压的降低;若并网点电压达到网络电压的上限(下限)时,光伏逆变器按最大的无功容量吸收(注入)无功。考虑到上述策略可能会造成网络中不必要的无功流动,文献[58]对电压-无功下垂曲线进行分段,将图5中的目标电压设定为一个区间,在区间内逆变器无功输出为零以降低线路中的无功流动,避免不必要的网络损耗。文献[59]则对于网络中区间的协调设计问题进行了研究。然而,QPV(V)下垂控制可能出现的电压稳定问题难以预料和建模分析[60-61],当前的很多文献对于QPV(V)控制的研究是以稳态假设作为基础,对控制过程中可能出现的电压稳定问题探讨较少[9]。

图5 电压-无功控制曲线

3)基于QPV(PPV)控制的逆变器无功调节。

针对QPV(V)控制可能出现的问题,一些基于Q(P)控制的研究成果相继出现[10,12-13],控制曲线与图5类似,但横坐标为光伏并网的有功。相比于QPV(V)控制,QPV(PPV)中的有功和无功解耦,逆变器的无功调节并不会引起有功发生变化,因此QPV(PPV)控制不会引起稳定性问题[13]。为提高无功控制效率,降低对于无功容量的投资,文献[10]对QPV(PPV)控制的无功控制启动阈值和控制斜率的设计进行了研究,建立了控制参数的全局优化模型,使得了不同节点间的无功控制具有更高的协同性。为尽可能降低无功在线路中的流动,文献[13]设计了非线性的无功斜率参数。文献[12]则以节点的净功率作为控制输入量,设计了多模式的控制策略,将节点电压波动、过电压和欠电压的控制都考虑在内。可以看出,QPV(PPV)控制相比于和QPV(V)控制在实现上更加灵活,由于不用考虑电压稳定性的问题,在实际的使用过程中也更加容易。但是QPV(PPV)控制对于网络损耗以及网络功率因数影响的研究还有待补充和完善。

3.4 基于配变分接头的电压控制方法

配变分接头调节是一种有效的电压控制方法,在国内通常不考虑对于分接头进行调整,但是在国际上,特别是欧洲一些国家将分接头调节作为低压配电网中非常重要的电压调节手段[62],以电力电子设备为基础的固态分接头变压器在低压配电网中的应用也开始受到关注。

通过分接头进行电压控制的关键在于分接头的调节能够兼顾不同低压馈线的电压分布情况,同时避免频繁的分接头调节。文献[63]提出了一种基于规则的分接头控制策略,图6是一个含3条低压配电馈线的低压配电网,在每条线路末端以及OLTC控制器处安装电压通信设备,每条馈线将末端电压上传至OLTC控制器,控制器筛选出最大电压和最小电压,通过规则的判断选出合适的分接头动作策略,如最大电压和最小电压均出现越上限的情况,分接头则调节首端电压下降,而最大电压越上限,最小电压越下限则分接头不动作。这种控制策略能够对不同馈线的电压情况进行综合判断,从而避免不必要的分接头动作,同时所需要的通信节点数量较少。文献[35]的OLTC控制思路也类似,进一步指出OLTC的动作应当设置一定的控制延迟,避免不必要的分接头动作。为了避免对通信的依赖,文献[20]则提出了一种基于馈线参数和功率分布特征的远端电压估计方法,在无通信的情形下也能比较准确的估算出各馈线的末端电压。

图6 基于远端量测的分接头控制模型

3.5 多种设备综合协调的控制方法

对于光伏并网比例较高、线路r/x偏高及线路较长的低压配电网,往往需要同时采用光伏逆变器、储能、OLTC以及DSTATCOM等多种设备抑制电压越限和电压波动。对于光伏逆变器、储能以及DSTATCOM,由于其基于电力电子技术则可以频繁调节;对于OLTC,考虑到设备磨损程度较大则不适宜频繁动作,应尽可能降低其动作次数。通过对对国内外相关文献的分析,各种设备间的协调控制策略可分为以下3类：

1)按不同设备的控制目标进行划分。

通过对控制目标进行划分,可以减弱设备的控制压力。文献[64]提出了分区控制策略以减轻OLTC的控制压力,指出OLTC对电压的灵敏度随线路长度的增加而降低,末端光伏电压-无功(电压-有功)的灵敏度随线路长度的增加而增加,如图7所示,将灵敏度相等的节点作为分区节点,提高网络电压控制效果的同时降低OLTC控制压力。文献[65]给出了OLTC和储能的协调控制方式,指出对于OLTC,无反向潮流情况下控制目标应为远端电压,潮流反向情况下控制目标应为变压器出口电压;对于储能设备,无反向潮流情况下应提供功率支持,潮流反向情况下应通过吸收功率减弱反向潮流。

图7 控制区域确定原理图

2)按不同设备的调节顺序进行划分。

通过对控制顺序进行划分,也可以实现有效的协调控制。文献[35]提出了基于规则的分布式电压控制策略,指出网络电压出现越限时,首先应调节光伏逆变器无功功率,通过光伏逆变器吸收或发出无功来抑制电压越上限或下限;其次,再考虑进行光伏有功削减。类似地,文献[66]对储能和光伏逆变器调节的先后次序进行了优化,当网络出现电压越限时,优先采用光伏逆变器无功进行就地电压调节,控制无效的情况下再调节储能并网有功。

3)按不同设备的调节经济性进行划分。

调节经济性也是制定控制方案需要考虑的重要因素。OLTC的调节造成设备磨损程度比较明显,并且不能频繁调节,因此单次调节的经济代价较高。光伏、储能以及DSTATCOM本身具备频繁的动作特性,但是设备投资和维护成本之间的差异也会造成调节经济性的不同。文献[40]考虑设备投资和运行维护成本,基于电压-有功/无功/分接头灵敏度矩阵获得电压-价格灵敏度矩阵,当电压越限时根据电压-价格灵敏度矩阵对各种调节设备进行排序,选择出最经济的控制方案。但是目前考虑经济性因素的控制模型研究还相对较少。

4 低压配电网电压控制新技术展望

从以上的控制综述可以看出,当前已经存在一些针对低压配电网电压控制的研究成果,但是这些研究仍有一些不足和分析不充分的情形。在系统层面上,还鲜有文献研究网络运行的评估和预警模型,也鲜有文献从源-网-荷协调的角度探讨控制模型的建立;在控制方法上,现有文献对于光伏并网场景和网络运行指标的考虑还不充分,也少有文献将辅助服务的定价问题纳入到控制模型中;在设备层面上,当前文献多关注光伏逆变器、分布式储能和OLTC等设备,对于诸如虚拟同步机和固态分接头变压器等新型设备在含高比例户用光伏低压配电网中应用和控制的研究还有所不足。因此,从系统、控制方法和控制设备3个层面对低压配电网电压控制新技术进行展望。

4.1 低压配电网电压越限评估与风险预警研究

当前户用光伏较多的接入农村低压配电网,其可控设备较少、通信条件较差,导致对光伏消纳能力较弱,常常需要削减光伏并网功率才能避免电压越限,造成了资源浪费和经济损失。因此,应根据负荷水平、光伏接入比例、网络参数、拓扑结构及控制设备条件,对低压配电网光伏消纳能力和电压越限风险进行评估,帮助有关部门制定合理的户用光伏并网计划。此外,结合区域负荷变化特征和周期性气候变化等因素建立风险预警系统则可以进一步为有关部门的管理提供依据和参考,避免网络出现严重的电压越限。

4.2 源-网-荷协调的电压控制研究

电压问题出现的根本原因是网络对于光伏发电消纳能力不足,即源网荷的协调程度还有待提高。首先,并网光伏电源端需要具备一定的有功和无功可控能力,降低对网络的影响;其次,网络中的负荷应当具备一定的弹性可调能力,减小负荷峰值与光伏发电峰值的不匹配程度;不仅如此,低压网络中的通信和量测条件应当不断完善以提高网络自身的协调控制能力。当前相关的研究还有待补充。从更宏观的角度看,户用光伏的消纳问题不仅需要做到局部就地平衡,还应当考虑区域间互供和整体消纳协调,如一些学者已经提出在低压配电网中建立微型能源互联网的设想[67],通过多能互补和区域互联提高对光伏的消纳能力,从而化解网络电压越限风险。