【精彩论文】基于小交流信号的低压配电网中分布式光伏辅助调压控制策略

基于小交流信号的低压配电网中分布式光伏辅助调压控制策略

颜湘武, 王晨光, 贾焦心, 马宏斌

（华北电力大学 河北省分布式储能与微网重点实验室，河北 保定 071003）

摘要：随着国内光伏产业不断发展，低压配电网中接入的分布式光伏电源的容量逐渐增多，当光照充足时配电网可能出现严重的过电压问题。分析了配电网中出现过电压现象的原因，针对配网的特点提出一种针对分布式光伏电源的辅助调压控制策略，旨在保证每台光伏电源的经济效益的同时充分发挥每台光伏电源的调压能力。所提出的控制策略在无功调节的基础上削减部分有功功率来调节电压，利用最大功率估计的方式实现光伏电源有功功率的削减控制，并通过向电网注入小交流信号来实现光伏电源间的通信和协调配合。最后算例结果验证了所提策略的有效性。

引文信息

颜湘武, 王晨光, 贾焦心, 等. 基于小交流信号的低压配电网中分布式光伏辅助调压控制策略[J]. 中国电力, 2022, 55(5): 134-142.

YAN Xiangwu, WANG Chenguang, JIA Jiaoxin, et al. Distributed pv auxiliary voltage control strategy in low voltage distribution network based on small ac signals[J]. Electric Power, 2022, 55(5): 134-142.

引言

人类步入工业社会以来化石能源被大量开发，化石能源是不可再生能源而且在燃烧时会对环境造成严重污染，因此各个国家都大力发展新能源以减小对化石能源的依赖^[1]。中国的光伏产业近年来发展迅速，截至2019年年末，中国的光伏发电装机总容量达到204.3 GW，位居全球第一。2019年新增装机容量30.1 GW，其中新增分布式光伏装机容量12.19 GW，占2019年新增装机容量的40.5%^[2]。分布式光伏多为屋顶光伏或小规模建筑光伏，经过低压线路接入电网且不受电网的统一调度。随着光伏装机容量不断提高，低压配电网中开始出现过电压问题。低压配电网中R/X值较大，电网电压除了受无功分布的影响还受有功分布的影响^[3-4]。在光照充足光伏电源出力较大时，配电网中会出现功率倒送的情况，导致线路末端电压升高。线路电压过高会降低电网的稳定性，甚至导致过电压节点附近的用户负荷不能正常工作最终造成经济损失^[5-7]。文献[8-11]针对配电网中的过电压问题，提出了不同的利用无功功率调节电压(RPC)的方法。无功功率对配电网电压的影响有限，因此只利用无功功率调节电压的效果并不理想。文献[12]提出了通过削减有功出力来调节电压(APC)，但削减有功功率会影响光伏电源的经济效益。而低压配电网中的光伏发电主要形式是小型的分布式光伏发电，大幅度削减光伏出力会给光伏发电用户造成一定的经济损失。文献[13-16]中提出了不同的利用有功和无功共同调节电压的控制策略。配电网中过电压的线路上往往有多台光伏电源接入，其中线路末端出现过电压的情况也最严重。文献[13]中的策略通过削减有功保证了并网点处电压不会越限，但对于线路末端的光伏电源有功出力削减最多，损害了线路末端光伏用户的经济利益。文献[14]和[15]考虑到了多台光伏电源间的配合问题，提出了利用其余光伏电源的无功容量来配合调节电压的宏观控制方法，但没有给出具体的多台光伏电源间配合的控制策略实现方法。文献[16]的策略同样仅针对单台光伏电源接入的情况，不适用于一条馈线上含有多台光伏电源的情况。本文提出一种光伏逆变器间相互配合的辅助调压控制策略。电网电压处于正常状态时，光伏电源以单位功率因数运行在最大功率点处。随着电压升高光伏电源开始吸收无功功率，来抑制电网电压升高。当电网电压继续升高超过设定值时，光伏电源通过削减有功功率来防止电压进一步升高。一旦光伏电源达到调节极限，便会向上一级光伏电源发出一个信号。上一级光伏电源收到该信号后会更新调压策略中的设定电压为当前并网点电压，以此类推直到全部光伏电源都达到调节极限。该控制策略让每台光伏逆变器都参与到电网的调压过程中，同时尽可能地保证每个光伏电源的经济效益。本文利用一个4节点含光伏电源的辐射型拓扑对提出的控制策略进行了验证。

1  光伏接入导致配电网过电压原因

低压配电网含有分布式光伏电源的典型结构如图1所示。图1  含光伏电源的配电网拓扑Fig.1  Distribution network with photovoltaic sources

图1中，U_k为节点k处的电压值；P_k和Q_k分别为流入节点k的有功功率和无功功率；P_pv,k和Q_pv,k分别为第k台光伏电源发出的有功和无功功率；P_load,k和Q_load,k表示节点k处的当地负荷。电压降落的横分量、纵分量与电压间的关系为

节点电压与电压降落的横分量、纵分量关系相量图如图2所示。

图2  电压降落相量图Fig.2  Voltage drop phasor diagram
在低压配电网中，两节点电压间的相角差较小，电压幅值的差主要受电压降落的纵分量影响，横分量影响可以忽略。因此节点间的电压差为低压配电网中 R≫X ，因此电压的幅值主要受有功分布影响。忽略线路上的损耗时，流入k节点的有功功率为当光照充足时，光伏的发电量远远大于当地负荷，即 P_PV≫P_load ，此时从线路末端向电网输送有功功率，即忽略线路损耗后，各个节点电压降公式为

由式（5）可知，当光照幅度较大时，光伏电源发出的有功功率会远超出当地负荷，配电网的线路末端电压会远高于首端电压，并且末端电压会随着光伏电源出力的增加而升高，最后导致线路末端的电压严重越限。

2  辅助调压控制策略

在低压配电网中R/X值较大，改变无功功率对电压调节的作用有限，因此有必要利用有功功率来调节电压，但削减有功功率会影响光伏的经济效益。根据式（5）可知在光照特别充足的时候，线路末端的过电压情况最严重。如果只依照并网点电压削减有功功率来控制电压，会大量削减线路末端光伏电源的有功输出而很小削减线路前部分光伏电源的有功功率，这种方法损害了线路末端光伏用户的利益。因此必须让光伏电源间相互配合，才能在保证各个用户经济效益的同时，更好地发挥每台光伏逆变器的调压能力。所提出的策略利用无功和有功功率共同调节电压，通过最大功率估计实时计算最大功率来保证每台光伏电源利用10%的有功功率参与调压，通过向系统注入小交流信号来进行光伏电源间的通信以保证光伏电源间相互配合调节电压。具体步骤如下。（1）当并网点电压处于电压调节死区内时，每台光伏电源以单位功率工作模式运行。（2）随着并网点电压继续升高而超出电压死区范围时，光伏电源开始吸收与并网点电压相对应的无功功率。（3）当并网点电压升高达到电压限值后，光伏电源开始削减有功，每台光伏电源最多削减10％的有功功率来参与系统调压。（4）当光伏电源达到调节极限后，若电压继续升高，会向前一台逆变器发出达到调节极限的信号。前一台光伏电源接收到此信号时，会把此时刻的并网点电压作为自己电压控制策略的电压设定值来参与系统调压。

2.1  无功功率控制策略

无功控制策略采用Q-U下垂控制，电压为并网点处电压幅值，根据并网点处的电压决定光伏逆变器输出的无功功率。其中无功与并网点电压的关系为

无功功率会引起更多的损耗，所以考虑到经济效益设置Q-U控制的电压死区。并网点电压在死区范围内时，光伏逆变器以单位功率运行。当电压超过U_limit时，光伏逆变器输出最大无功功率。本文选择的死区电压和U_limit分别为1.02和1.05，无功调节的Q-U曲线如图3所示。

图3  光伏电源发出无功与电压关系Fig.3  The relationship between reactive power and voltage emitted by photovoltaic source
无功调节的上限受系统的最小功率因数和光伏逆变器的最大容量限制，本文的控制策略选取0.7作为最小功率因数。式中：F_min为最小功率因数；P为当前光伏发出的有功功率；S为光伏逆变器的额定容量。

2.2  有功功率控制策略

当并网点处电压升高到U_set并继续升高时，就需要削减有功输出来控制电压的升高。一天中光照和温度不断变化，光伏电源输出的功率也随着时间变化，在任一时刻光伏电源都具有一个最大输出功率P_max。以某时刻的有功功率控制策略为例：检测并网处电压，当电压超过U_set时，光伏电源就会削减输出功率。当有功功率削减到0.9P_max后，光伏逆变器达到有功功率的调节极限，对应图4中阴影区域的左边界。

图4  电压调节时光伏电源工作范围

Fig.4  PV source operating range when voltage control

图4中的阴影区域即为本文控制策略下光伏电源的运行区域。当到有功功率的调节极限后，若电压继续升高超过U_set，光伏电源就会向上一级光伏逆变器发出一个信号。以图1中4节点为例一旦检测到下一级传来的信号，说明下一级的光伏电源已经达到有功功率调节极限且并网点电压已经越限。检测到信号后，光伏电源把当前并网点处电压作为新的U_set，即

光伏电池可以通过调整光伏电池的工作电压来调节输出功率。当要削减光伏电池输出功率时，需提高工作电压；当要增加光伏电池输出功率时，需降低光伏电池工作电压。本文的有功功率调节策略总流程如图5所示。

图5  有功功率控制流程

Fig.5  Active power control process

2.3  光伏电池最大功率估计

正常运行时为了保证系统的稳定性，光伏电源应该工作在区域Ⅱ内。当系统电压正常时，光伏电源处于最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）工作状态运行在图6中的M点。当电压超过U_set时开始不断削减有功功率直到有功功率达到0.9P_max，即从图6中M点运行到A点，当运行到A点时系统达到调节极限。

图6  光伏电池P-V曲线

Fig.6  Photovoltaic cell P-V curve

工作点A处dP/dU值较大，为了防止功率波动较大，可以在削减功率和MPPT时采用两种步长（见图5）。让光伏电池可以工作在A点，需要对光伏电池的最大功率进行实时计算。光伏电池的模型如图7所示，该模型相对简单同时具有较高的精度。

图7  光伏电池等效电路

Fig.7  Equivalent circuit of photovoltaic cell

式中：I和U分别为光伏电池的输出电流和电压；I_ph为光生电流；I₀为二极管反向饱和电流；n为二极管理想因子；U_th为温度电势；R_s为串联内阻；R_sh为并联内阻。从式(11)可以看出直接求取最大功率公式复杂且计算量大，难以在小型控制器上直接求解。为了简化计算，可以采用关于光照和温度的二次多项式来计算光伏最大功率^[17-19]。

式中：P_max为光伏电池对应温度和光照条件下的最大输出功率；T和G分别为温度和光照度。式中的系数可以通过光伏电池的P_max、G和T数据进行线性回归分析得出。一个光伏模块由许多串联和并联的单元组成，假设阵列没有被遮挡，整个模块可以用同样的方法进行估计而且总功率等于小单元功率的总和。本文使用SPR-305 E-WHT-D型的光伏电池，对其数据进行线性回归得出其最大功率估计的参数如表1所示。

表1  光伏最大功率估计公式参数

Table 1  Parameters of PV maximum power estimation

把表1中的参数代入式（12）中，将式（12）计算出的最大功率估计值与光伏电池实际最大功率对比，结果如表2所示。图8为不同光照和温度下的功率估计值组成的曲面, 图中紫色的点为回归计算采用的16个光伏电池的数据。从图8和表2中可见式（12）对于最大功率的计算有较高的准确性。

表2  最大功率估计值与实际值

Table 2  Maximum power estimate and actual value

图8  最大功率估计值曲面Fig.8  Surface of maximum power estimate

2.4  基于小交流信号的逆变器间通信

本文提出的辅助调压策略利用电力线作为通信的传输线，通过向系统中注入一个小交流信号实现光伏逆变器间的通信。通信过程如图9所示，以第k台光伏电源为例，当达到调节极限后电压越限，光伏电源k会在短时间内注入k次小交流信号。当检测到短时间内有k次的小交流信号，第k–1台光伏电源就会依照调压措施将U_set,k–1设置为当前并网点电压值U_k–1。

图9 光伏电源间信息传递过程

Fig.9  Information transmission process between PV sources

通信策略通过在原有的调制波上叠加一个小交流信号将信号注入系统中，且同一时间内只有一台光伏电源会输出小交流信号。由图10可以看出，任意一台光伏电源输出小交流信号时，其他电源在并网点处都可以检测到信号。检测到的信号幅值为小交流信号滤波环节衰减后再经阻抗分压得到的幅值，因此设置阈值时要根据滤波器以及网络参数来综合考虑。

图10  含小交流信号的系统简化图

Fig.10  System simplification diagram with small AC signal

为了避免检测时提取算法精度不够导致误判、误动作，小交流信号的频率选取时要避开系统基波附近的频率。由于光伏电源并网点靠近负荷，选取频率时要避免一些民用和工业负荷易产生的谐波频率。另外光伏逆变器交流侧有滤波器，选择的小信号频率不能过高。信号频率必须要低于逆变器交流侧滤波器整定时的截止频率，防止信号通过滤波器时衰减过大。本文小交流信号频率选取基波二倍频100 Hz，同时小交流信号的幅值选取要考虑系统的总谐波含量。一般要求逆变器的并网总谐波含量不超过5%，单个谐波含量不超过3%^[20-21]。本文仿真中选取的配电网电压幅值为311 V，小交流信号的幅值选取为5 V。

3  仿真分析

为了验证本文的控制策略，对图1中的拓扑在Matlab上进行仿真，仿真中用的参数如表3所示。pv1~4为参数相同的光伏电源，每个光伏电源的U_set初始值均为1.05。

表3  仿真系统参数

Table 3  Parameters of simulation system

随着光照强度不断增强，光伏电源输出的有功功率不断增加。根据式（5）当光伏电源输出功率增加时，电网中各节点电压不断升高（见图11）。利用本文的控制策略进行调压，pv4和pv3的输出如图12、13所示。光伏电源随着并网点电压U不断升高，依照式（6）从电网中吸收无功功率。P_max是利用最大功率估计方法估计的最大功率值，当系统没到达调节极限时光伏电源始终处于MPPT状态。从图11、12可以看出，当U4电压超过U_set,4时，pv4开始削减有功功率，此时无功功率受系统最小功率因数限制同样开始削减。当Ppv,4等于0.9P_max时，pv4达到调节极限向，系统中注入一个小交流信号。如图14所示，当pv3检测到pv4发来的小交流信号时，将U_set,3设置为当前U₃值1.046，当电压继续升高时，pv3开始削减有功功率。

图11  pv4和pv3的并网点电压和Uset

Fig.11  The voltage of grid-connection point and Uset of pv4 and pv3

图12  pv4的有功和无功功率Fig.12  The active and reactive power of pv4

图13  pv3的有功和无功功率

Fig.13  The active and reactive power of pv3

每台光伏电源实时对并网点电压进行傅立叶分析，提取并网点电压中频率100 Hz的信号。如图14所示，短时间内共有4次小交流信号，此时可以判断pv4已经达到调节极限，pv3检测到该信号后，开始响应将此刻的电压设为新的U_set,3。将本文有功无功协调配合的控制策略与传统RPC控制策略对调压效果进行对比。在相同工况下，2种不同策略控制下各节点在不同时刻下的电压如图15所示。

图14  pv3处检测到的小交流信号

Fig.14  Small AC signal detected at pv3

图15  2种控制策略下各节点电压

Fig.15  Node voltage under two control strategies

由图15可见，无功功率调节在一定程度上可以起到调节电压的作用，但当光伏电源功率较高时电压还是会很快越限。中午12:00时各节点电压如表4所示。以表4中的U4为例可见，无控制的情况下电网电压为1.069，再加入无功功率控制后电网电压下降到了1.059，利用本文的控制策略在削减10%有功功率后节点电压降到了1.054，在电压越限后，光伏电源削减10%有功功率对电网电压的调节作用十分明显。

表4  中午12:00时各节点电压

Table 4  The voltage of each node at 12:00 o'clock

4  结论

本文针对低压配电网中R/X比值较大的特点，同时考虑到一条馈线上多台光伏电源间的配合以及各台光伏电源的经济效益，提出了改进的分布式光伏辅助调压控制策略。利用仿真验证了所提策略的可行性，并将所提控制策略与传统的无功调压(RPC)策略进行对比。仿真结果表明，本文方法在光照幅度较大时比RPC策略具有更好的调压效果。虽然与RPC控制策略相比，采用所提策略时光伏电源减少了输出的有功功率以至降低了光伏利用率，但本文策略平衡了多台光伏电源间的有功功率削减量，尽可能地保证了各台光伏电源的经济效益。

（责任编辑　吴恒天）

作者介绍

颜湘武（1965—），男，博士，教授，从事新能源电力系统、电力电子高效变换以及新型储能与节能研究，E-mail：[e-mail];

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王晨光（1997—），男，通信作者，硕士研究生，从事虚拟同步机控制及光伏并网控制技术研究，E-mail：[e-mail].

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编辑：杨彪、于静茹

校对：蒋东方

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