賈春蓉，楊昌海，石屹，李媛，趙健

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅蘭州 730050；2.天津大學(xué)，天津 300072）

基于光伏變流器協(xié)調(diào)控制的提高風(fēng)機(jī)滲透率研究

賈春蓉1，楊昌海1，石屹1，李媛1，趙健2

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅蘭州 730050；2.天津大學(xué)，天津 300072）

為了促進(jìn)可再生能源的協(xié)調(diào)利用，基于主動配網(wǎng)管理的分布式電源控制研究成為可再生能源研究的熱點之一。以利用光伏變流器的無功輸出能力提高風(fēng)機(jī)滲透率為主要目標(biāo)，根據(jù)光伏陣列的有功功率、逆變器的大小和所需的無功功率設(shè)置，提出了不同類型的光伏變流器控制方案，并且確定了主動配網(wǎng)規(guī)劃方案的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。將新的主動配網(wǎng)規(guī)劃方案應(yīng)用于一個含可再生能源的典型的10 kV主動配網(wǎng)系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，該方案可顯著提高風(fēng)電的滲透率。

光伏變流器；無功輸出；主動配網(wǎng)管理

近年來，由于政府的政策激勵，光伏系統(tǒng)的技術(shù)和價格的優(yōu)化，光伏系統(tǒng)的應(yīng)用在全球引起了重視[1-2]。大量的研究集中于高滲透率的光伏帶來的沖擊、挑戰(zhàn)和限制[3-5]。大規(guī)模的光伏系統(tǒng)接入給大電網(wǎng)帶來很多不利影響：影響配網(wǎng)電壓暫態(tài)過程[6]、諧波交互[7]以及光照變化帶來的電壓波動與越線[8]。目前的研究主要是提出消除這些不利影響的方案，并希望擴(kuò)展光伏變換器的用途。這些方案已經(jīng)通過實時仿真、實驗驗證甚至現(xiàn)場運行，但只是停留在運行層面，而沒有從規(guī)劃層面進(jìn)行考慮。為了減少高滲透率光伏的不利影響并最大化其在配電網(wǎng)的應(yīng)用效果，文獻(xiàn)[9-10]中提出了一種只利用光伏變流器輸出無功的光伏使用方案，將其作為傳統(tǒng)的STATCOM接入，驗證了光伏系統(tǒng)提供的無功可以為附近風(fēng)電的接入帶來穩(wěn)定性方面的支撐。文獻(xiàn)[11]歸納了一些應(yīng)用較廣的主動配網(wǎng)管理方案，包括有載調(diào)壓變壓器和電壓調(diào)節(jié)器的協(xié)調(diào)控制、無功補(bǔ)償裝置的控制、潮流控制器以及分布式發(fā)電單元的切除等。文獻(xiàn)[12]在現(xiàn)有的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能拓展，使該系統(tǒng)能同時具備光伏并網(wǎng)發(fā)電、無功及諧波補(bǔ)償?shù)墓δ?。文獻(xiàn)[10]利用電網(wǎng)電壓前饋控制環(huán)節(jié)對有功電流和無功電流的參考值重新分配來抑制變流器輸出電流沖擊，并使變流器運行在靜止無功補(bǔ)償模式，向電網(wǎng)提供無功支持。但是在這些方案中，光伏變流器的無功輸出能力并沒有在無有功輸出和無功率因數(shù)約束的情況下得到相應(yīng)的研究[13]，其中應(yīng)該得到重視的光伏變流器的過載能力也沒有進(jìn)一步的討論。

本文主要從光伏變流器的控制方法出發(fā)，提供一種新的主動配網(wǎng)管理方法。本文的主要內(nèi)容有：提出多種光伏變流器控制方法所能提供的最大無功功率；討論了考慮變流器過載能力的綜合控制方案，增加了光伏變流器控制效果；在某10 kV主動配網(wǎng)系統(tǒng)中驗證了所提出方案的有效性，并討論了不同控制方案對風(fēng)電接納能力的影響。

1 光伏變流器的無功輸出能力

在許多文獻(xiàn)中，討論了變流器型DG的無功輸出能力，其中電壓源型光伏變流器可以單獨控制有功無功輸出。在經(jīng)典的光伏系統(tǒng)理論中，光伏系統(tǒng)的無功輸出受到很多因素的影響：有功輸出，電壓和功率因數(shù)限制，電網(wǎng)需求，線路電抗，熱穩(wěn)定限制，變流器額定功率限制和安裝位置等。例如：由于低壓饋線的阻抗比高，所以其電壓變化受光伏變流器注入的無功功率影響較小，在饋線末端安裝光伏系統(tǒng)將提供更有效的無功支撐。然而，現(xiàn)階段仍有大部分國家地區(qū)的政策和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不允許光伏變流器的無功注入，但是，德國電網(wǎng)已經(jīng)做出了一定的修改，現(xiàn)有的變流器技術(shù)已經(jīng)可以在電網(wǎng)故障情況下提供無功支撐以實現(xiàn)低電壓穿越[14]。

為了發(fā)揮PV變流器的無功輸出能力并且得到高效應(yīng)用，變流器的容量是規(guī)劃設(shè)計中的重點。容量選擇一般與制造商指導(dǎo)容量、當(dāng)?shù)貧夂蚝瓦\行策略有關(guān)，主要是面向具體應(yīng)用?，F(xiàn)有的工程應(yīng)用證明，當(dāng)光伏陣列輸出的有功長期低于其標(biāo)稱值并且沒有無功輸出需求時，選擇小容量的PV變流器是更有效的方案。

對于標(biāo)準(zhǔn)容量的PV變流器，最大無功輸出取決于光伏陣列的有功輸出和變流器的標(biāo)稱容量：

同時，光伏系統(tǒng)的最大無功輸出也能用功率因數(shù)約束表示：

由于單位功率因數(shù)意味著只允許有功的輸出，功率因數(shù)約束嚴(yán)重限制了PV變流器的無功輸出。而對于擴(kuò)展后的功率因數(shù)約束，無功輸出約束與光伏陣列是線性相關(guān)的。PV系統(tǒng)的最大無功輸出可以由式（1）和式（2）聯(lián)合表示：

2 光伏應(yīng)用問題的提出

2013年2月27日，國家電網(wǎng)公司發(fā)布《關(guān)于分布式電源并網(wǎng)相關(guān)意見和規(guī)范的通知》，明確規(guī)定將位于客戶附近，所發(fā)電能就地利用，以10 kV及以下電壓等級接入電網(wǎng)，且單個并網(wǎng)點總裝機(jī)容量不超過6 MW的太陽能、天然氣、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、資源綜合利用發(fā)電等類型發(fā)電項目全部納入到分布式電源的范圍[15-16]。預(yù)計到2020年，全國新能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)4.1億kW，其中風(fēng)電2.4億kW，太陽能發(fā)電1.5億kW，分布式光伏達(dá)7 000萬kW，主要集中在浙江、江蘇等東中部地區(qū)[17]。

本節(jié)將利用某分布式光伏電站1 a的監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，為利用光伏變流的無功輸出能力提供數(shù)據(jù)支持。在以0.5 h為監(jiān)控周期的1 a的光伏和風(fēng)力發(fā)電的潮流數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本節(jié)將作一系列的分析研究。

為了便于分析，將監(jiān)控數(shù)據(jù)做離散化處理，風(fēng)力發(fā)電和光伏的潮流數(shù)據(jù)的離散化處理結(jié)果見表1。其中，在指定區(qū)間內(nèi)的潮流數(shù)據(jù)是這個區(qū)間內(nèi)潮流上下限的均值（例如在（20%，40%]內(nèi)潮流的均值是0.3 pu）。同時，對一些發(fā)電端和負(fù)荷側(cè)極端的情況也作相應(yīng)的處理：任何低于20%的負(fù)荷需求都離散化為20%，任何高于95%的負(fù)荷需求離散化為100%。同理，任何低于3%的發(fā)電量都離散化為0%，任何高于97%的發(fā)電量離散化為100%。

表1 數(shù)據(jù)離散化Tab.1 Data discretization process Rrl %

表2中列出了風(fēng)電和光伏的不同和相同發(fā)電量的統(tǒng)計情況，其中，55.58%的時間（4 868.5 h）光伏沒有有功輸出，41.96%的時間（3 675.5 h）風(fēng)電沒有有功的輸出。在大多數(shù)的時間里（8 748 h）光伏的發(fā)電量是不足其額定功率的90%的，只有0.14%的時間（12 h）發(fā)出了大于其額定功率90%的有功。這就是說，在99.86%的時間里有至少10%的PV變流器功率，在55.58%的時間里有100%的功率可以發(fā)出用于支撐電網(wǎng)的無功。

表2 光伏和風(fēng)電發(fā)電量統(tǒng)計Tab.2 Statistic data of wind and PV generations

3 主動配網(wǎng)規(guī)劃中光伏變流器的控制策略

本節(jié)主要從規(guī)劃的層面上使用最優(yōu)潮流的方法來利用PV變流器的無功輸出能力。目標(biāo)函數(shù)為提高附近接入的風(fēng)電滲透率，提出了一種利用光伏的光伏變流器控制方法。介紹了一種過容量的PV變流器規(guī)劃方法，并且介紹了這種規(guī)劃方法輸出不同無功的情況。

3.1 變流器的過容量選擇（擴(kuò)大光伏系統(tǒng)的無功輸出能力）

在第2節(jié)中分析了大于90%的PV變流器容量在90%的時間內(nèi)是沒有被利用到的。這樣，10%的變流器容量就可以被用來為電網(wǎng)提供無功支撐。但是，在大多數(shù)情況下，不是總有可能存在相應(yīng)電網(wǎng)需要的容量的變流器等待使用。光伏系統(tǒng)作為一種有功和無功電源，為了達(dá)到其最大使用效率，需要過容量的光伏變流器來24 h提供滿足需求的無功功率。過容量的光伏變流器輸出的無功功率上限為

式中：OR%為每個光伏變流器單元的過容量的百分比，OR%值的選取是由電網(wǎng)規(guī)劃人員決定的，這個值可以作為影響提升風(fēng)電滲透率指標(biāo)的選擇之一。例如OR%值的PV變流器在全功率運行時是不能提供任何無功功率的，當(dāng)OR%值為5%時就可以提供上限為32%的無功功率，而且當(dāng)PV變流器不處于全功率運行時，無功功率的輸出最大可以達(dá)到105%。

3.2 PV變流器容量選擇

本節(jié)主要描述應(yīng)用PV變流器無功的方案，主要基于不同的光伏陣列的有功輸出、需要的無功功率以及變流器的選型。

1）無有功輸出時（NAP）。當(dāng)光伏陣列不輸出有功即閑置的時候，PV變流器可以在規(guī)定的約束下輸出額定功率的無功來支撐并網(wǎng)風(fēng)電的電壓。NAP時間一般在半夜、清晨和傍晚，在NAP時間內(nèi)，光伏系統(tǒng)是靠變流器直流側(cè)的電容來實現(xiàn)無功輸出的，此時，整個光伏系統(tǒng)相當(dāng)于STATCOM在運行。NAP方案的無功輸出的最大值為

2）部分有功輸出時（PART）。在實際運行中，PV系統(tǒng)在大多數(shù)時間中（8 748 h）輸出的功率是在90%以下。所以，在PART方案中，在PV系統(tǒng)輸出90%的有功時，10%的變流器容量可以轉(zhuǎn)化為43.6%的無功輸出

3）全有功輸出（FULL）。在FULL方案中，光伏陣列輸出其95%以上的有功，例如當(dāng)PV系統(tǒng)輸出95%的有功時（在數(shù)據(jù)整合中認(rèn)為是滿發(fā)），剩余的5%的變流器容量可以發(fā)出最大為31%的無功。對于正常容量和過容量變流器，此方案的最大無功輸出為

4）過有功輸出（OVER）。在OVER方案中，PV變流器的容量比光伏陣列的容量大。當(dāng)光伏陣列輸出其額定功率的有功時，PV變流器仍然可以輸出需求的無功功率。例如，當(dāng)PV變流器的容量大5%～10%時，光伏系統(tǒng)可以輸出32%～45.8%的無功：

5）復(fù)合方案。當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出無功時，也可以采用NAP+PART或是NAP+OVER的方案來獲取光伏系統(tǒng)輸出無功的最大值。

3.3 PV變流器容量選擇

本文的主要目的是充分利用現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)來增大風(fēng)電系統(tǒng)的滲透率，目標(biāo)函數(shù)選取為風(fēng)電裝機(jī)容量的最大值。將所提出的PVIC方案應(yīng)用于DG非線性規(guī)劃中，然后在不同的最大PV變流器輸出無功值的前提下，使用多周期最優(yōu)潮流計算方法。具體公式如下：

1）目標(biāo)函數(shù)：

等式約束（功率平衡條件）：

2）不等式約束

式中：N代表系統(tǒng)中的母線；M代表多周期方案的數(shù)量；TN為PVIC方案的數(shù)量，Vi，m為電壓幅值；τm、ωm、υm分別為多周期方案中負(fù)荷、風(fēng)電和光伏的功率；Tt，m為有載調(diào)壓變壓器的分接頭設(shè)置；WPi、PVi為風(fēng)機(jī)和光伏的額定功率；φi，m為風(fēng)機(jī)功率因數(shù)角；為光伏變流器的無功輸出；網(wǎng)側(cè)有功和無功輸出；P為負(fù)荷有功和無功；Pi，j，m、Qi，j，m為ij線路中有功和無功；為ij線路上功率的上限。

4 仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)說明

采用英格蘭16節(jié)點33 kV通用分布式系統(tǒng)進(jìn)行驗證。該系統(tǒng)具有如下特點：線路較長、負(fù)荷裕度大、用戶負(fù)荷密度小、輻射狀架構(gòu)、總體規(guī)模小，可以代表一類分布式發(fā)電應(yīng)用的典型系統(tǒng)，包含該通用分布式系統(tǒng)在內(nèi)的典型系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)可以在文獻(xiàn)[18]中獲得。大電網(wǎng)與該通用分布式系統(tǒng)通過2個相同的30-MV、A 132/33-kV變壓器連接，在僅有大電網(wǎng)供電的情況下，連接有載調(diào)壓變壓器的低壓側(cè)的母線1的目標(biāo)電壓是1.036 pu。位于母線8和9之間的電壓調(diào)節(jié)器維持母線9的電壓為1.03 pu。本系統(tǒng)接入了2個DG單元：16母線上的風(fēng)機(jī)和11母線上的10 MW光伏[19]。

表3 3種驗證方案Tab.3 Three verified methods

4.2 仿真方案說明

某典型10 kV主動配電網(wǎng)系統(tǒng)見圖10在本文研究中，擬采用在對無功靈敏度最高的母線11末端安裝10 MW的光伏系統(tǒng)來提高母線16處的風(fēng)電的滲透率。這種研究方案允許不同母線間的有功無功的相互傳輸，且不影響有載調(diào)壓變壓器和電壓調(diào)節(jié)器的大范圍調(diào)壓，同時也考慮了不同容量選擇下的PV變流器對本研究的影響。

圖1 某典型10 kV主動配電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Modified 16-bus 10 kV active distributive model

本文分析了3個采用不同主動配網(wǎng)管理的驗證方案。在驗證過程中，電壓協(xié)調(diào)控制方案當(dāng)作大體上的主動配網(wǎng)管理來調(diào)節(jié)有載調(diào)壓和電壓調(diào)節(jié)器的電壓在合理范圍內(nèi)（正負(fù)6%）。3種不同的風(fēng)機(jī)運行功率因數(shù)都被考慮到了，全功率因數(shù)，0.98落后的功率因數(shù)，和功率因數(shù)控制（±0.95）。

在基礎(chǔ)仿真方案中，安裝在11母線處的光伏系統(tǒng)選擇在無PVIC策略全功率因數(shù)下運行。在這種方案中，16母線處允許接入的風(fēng)機(jī)容量為單位功率因數(shù)、落后功率因數(shù)0.98和可調(diào)功率因數(shù)條件下的3.92 MW，4.83 MW和5.67 MW。為了得到更好的對比，將以基礎(chǔ)仿真方案中得到的3種功率因數(shù)條件下的功率值的平均值來作為基數(shù)，計算每1種PVIC策略的增長百分?jǐn)?shù)。

平均值：

增長百分?jǐn)?shù)：

4.3 仿真結(jié)果討論

本文的主要目的是通過控制光伏的無功輸出來增加配網(wǎng)中風(fēng)機(jī)的容量，在分析的多種光伏變流器控制方法所能提供的最大無功功率的基礎(chǔ)上，方案1是在正常容量下驗證光伏的無功支撐對風(fēng)機(jī)滲透率提高的影響的。在此基礎(chǔ)上，方案2考慮了本文中提出的結(jié)合變流器過載能力的綜合控制方案，驗證是否可以增強(qiáng)光伏逆變器的無功支撐能力。

在方案1中，正常容量下的PV變流器以文中提出的PVIC控制策略運行。無有功輸出的控制策略下，16節(jié)點處風(fēng)機(jī)的滲透率在單位功率因數(shù)、落后功率因數(shù)0.98和可調(diào)功率因數(shù)的情況下，分別提高至5.67 MW、7.02 MW和8.28 MW。在無有功輸出控制策略下，風(fēng)機(jī)的平均功率值為6.99 WM（20.97 MW/3），相比于基礎(chǔ)方案平均功率值提高了45.4%（標(biāo)于圖2中的第一象限）。圖2中還標(biāo)注了部分有功、部分有功+無有功和全有功3種控制策略的風(fēng)機(jī)平均功率增長率，分別為50.9%、86.4%、88.8%。因此，方案1的仿真結(jié)果表明了通過有效采用文中提出的不同控制策略，整個微網(wǎng)的風(fēng)機(jī)滲透率可以得到顯著最大化。同時還可以看出，由于部分有功+無有功和全有功的控制策略下光伏變流器輸出更多的無功，部分有功+無有功和全有功控制策略下的風(fēng)機(jī)滲透率都高于無有功和部分有功的。

圖2 方案1中16母線處風(fēng)機(jī)最大滲透率Fig.2 Maximum wind capacity at bus-16 for case 1

在方案2中，主要對比研究了本文討論的過容量變流器PVIC控制方案。由式（6）、式（7）可知，PVIC控制方案的無功輸出主要與變流器的容量有關(guān)，提高變流器地容量可以大幅度的提升變流器的無功輸出能力。所以除了采取方案1中的PVIC控制方案外，還可以通過小幅度增加變流器的額定容量來獲得更高的風(fēng)機(jī)滲透率。圖3中，在變流器容量增加5%和10%的情況下，相比于方案1，采用無有功和全有功PVIC控制方案下的風(fēng)機(jī)不同功率因數(shù)下的平均功率增長值有了很大提高：采用無有功PVIC控制方案的過容量5%變流器可以將風(fēng)機(jī)滲透率從方案1中的45.4%提高至77.2%，同時，當(dāng)過容量增加至10%時，風(fēng)機(jī)滲透率從方案1中的45.4%提高至88.0%；采用全無功PVIC控制方案的過容量變流器在過容量5%和10%的情況下，分別提高風(fēng)機(jī)滲透率90.6%和92.3%。

圖3 方案2中16母線處風(fēng)機(jī)最大滲透率Fig.3 Maximum wind capacity at bus16 for case 2

5 結(jié)語

基于主動配電網(wǎng)管理的分布式網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃近年來蓬勃發(fā)展，使得集中式新能源的滲透率得到了很大提升。本文提出的PVIC控制方案作為主動配電網(wǎng)管理的一部分參與到分布式電網(wǎng)規(guī)劃的過程中。針對使用配電網(wǎng)中已安裝的光伏系統(tǒng)提高配網(wǎng)中的風(fēng)機(jī)的滲透率的問題，本文提出了多種PVIC方案，并進(jìn)行了分析對比，同時提出了過容量的PV變流器的選擇方案，進(jìn)一步增加了光伏系統(tǒng)在提升配網(wǎng)中風(fēng)機(jī)滲透率的能力。PVIC方案在某10 kV配電網(wǎng)中進(jìn)行了驗證。結(jié)果顯示，配電網(wǎng)中已經(jīng)安裝的光伏系統(tǒng)可以顯著的提高風(fēng)機(jī)的滲透率。同時，當(dāng)在規(guī)劃階段選擇過容量的PV變流器時，光伏系統(tǒng)還可以提供更多的無功支撐?？傊岢龅腜VIC方案顯示了光伏系統(tǒng)在提高風(fēng)機(jī)滲透率方面的有效性。

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（編輯 董小兵）

Research of Increasing Wind Turbines Penetration Based on PV Inverter Control Schemes

JIA Chunrong1，YANG Changhai1，SHI Yi1，LI Yuan1，ZHAO Jian2
（1.Power Economic Research Institute of State Grid Gansu Electric Power Company，Lanzhou 730050，Gansu，China；2.Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The distribution network planning based on active network management（ANM）schemes has become one of hot topics in promoting coordinated utilization of renewable energy.The main target of this paper is increasing penetration of wind turbines by using reactive power output ability of PV inverter.According to the active power of photovoltaic arrays，the size of the inverter and the desired reactive power settings，several PV inverter control（PVIC）schemes are proposed with constraint conditions and objective function confirmed.In this study，the PVIC schemes are applied to maximize the total wind-distributed generation penetration on a typical 10 kV active distribution system.The simulation results show that the proposed schemes can significantly increase the wind penetration level.

photovoltaic inverter；reactive output；active network management

2016-08-12。

賈春蓉（1974—），女，本科，高級工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作；

楊昌海（1982—），男，本科，工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作；

石 屹（1986—），男，本科，工程師，研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃；

李 媛（1987—），女，本科，助理工程師，研究方向為配電網(wǎng)規(guī)劃。

國家自然科學(xué)基金（50877053）；天津市自然科學(xué)基金（09JCYBJC07100）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（50877053）；the Natural Science Foundation of Tianjin（09JCYBJC07100）.

1674-3814（2017）03-0131-06

TM734

A