本發(fā)明涉及分布式電源接入電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化控制領(lǐng)域，特別涉及一種分布式電源的本地電壓控制方法。

背景技術(shù)：
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隨著技術(shù)的進(jìn)步和政策的支持，我國(guó)分布式發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，分布式光伏發(fā)電的發(fā)展尤其迅猛，截止2014年底，我國(guó)分布式光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容已經(jīng)達(dá)到4.67GW，其中新增2.05GW，同比增長(zhǎng)256％。分布式發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速增長(zhǎng)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著良好的推動(dòng)作用，但同時(shí)也給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了隱患。由于分布式電源(DG)裝機(jī)容量占總裝機(jī)比例仍然較低，對(duì)主網(wǎng)的影響仍十分有限，但對(duì)于局部配電網(wǎng)的影響日益突出。DG的接入對(duì)配電網(wǎng)的影響主要包括電能質(zhì)量方面、繼電保護(hù)方面和可靠性方面的影響。由于DG一般經(jīng)過(guò)升壓變壓器并網(wǎng)，因此其諧波影響問(wèn)題并不突出；由于DG容量不大且多為逆變器或異步機(jī)并網(wǎng)型，因此其對(duì)短路電流和繼電保護(hù)的影響較小也容易應(yīng)對(duì)；影響DG消納的關(guān)鍵在于因其引起的電壓偏高問(wèn)題，因此應(yīng)對(duì)DG接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響提高消納能力成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)可以通過(guò)對(duì)電源、負(fù)荷和配電網(wǎng)的主動(dòng)協(xié)調(diào)控制和管理提高配電網(wǎng)對(duì)DG的消納能力，為提高配電網(wǎng)對(duì)DG的消納能力提供了一種可行的解決方案，是未來(lái)的配電網(wǎng)的發(fā)展方向之一。但是主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)依賴(lài)高速可靠的通信和先進(jìn)的計(jì)量設(shè)施，而我國(guó)配電網(wǎng)的信息化建設(shè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的建設(shè)。另外，過(guò)分依賴(lài)高速可靠的通信通道，也會(huì)使配電網(wǎng)十分脆弱而不夠安全可靠。本地控制技術(shù)是根據(jù)接入點(diǎn)的電氣量對(duì)配電網(wǎng)中的可控元件進(jìn)行就地控制的技術(shù)，因不進(jìn)行多個(gè)對(duì)象的協(xié)調(diào)控制而不依賴(lài)通信手段(甚至可以不建設(shè)通信通道)，僅在控制點(diǎn)加裝本地控制組件即可?，F(xiàn)階段，對(duì)配電網(wǎng)中DG實(shí)施有效的本地控制是提高配電網(wǎng)運(yùn)行水平和對(duì)DG消納能力的切實(shí)可行解決方案。

國(guó)外許多學(xué)者已經(jīng)展開(kāi)了含DG配電網(wǎng)的本地電壓控制研究。

文獻(xiàn)“Inverter-Based Local AC Bus Voltage Control Utilizing Two DOF Control”對(duì)基于逆變器并網(wǎng)的DG的本地電壓控制展開(kāi)研究，建立兩自由度的控制器動(dòng)態(tài)模型，可使DG具有不間斷電源的運(yùn)行特性。

文獻(xiàn)“Local voltage control of DGS in distribution networks”提出一種電壓自適應(yīng)控制器以實(shí)現(xiàn)含光伏發(fā)電配電網(wǎng)的本地電壓控制，并通過(guò)電磁仿真驗(yàn)證所提方法的有效性。

文獻(xiàn)“Local control of heat pump water heaters for voltage control with high penetration of residential DG systems”針對(duì)高滲透率分布式光伏接入的配電網(wǎng)，提出了基于熱泵式熱水器的本地電壓控制策略。

文獻(xiàn)“Local Voltage Control Strategies for DG Storage Systems in Distribution Grids”提出基于光伏發(fā)電和儲(chǔ)能的本地電壓控制技術(shù)，通過(guò)控制儲(chǔ)能的充放電和光伏的棄光來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的控制目標(biāo)。雖然國(guó)內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展本地電壓控制的研究，但研究成果相對(duì)較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種分布式電源的本地電壓控制方法，在優(yōu)先保證分布式電源有功功率出力的前提下，充分利用其剩余容量的無(wú)功出力能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)接入點(diǎn)電壓的本地自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保接入點(diǎn)電壓不越限。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種分布式電源的本地電壓控制方法，根據(jù)分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)電壓實(shí)際測(cè)量值與電壓允許上下限的偏差結(jié)合配電線(xiàn)路的阻抗參數(shù)計(jì)算有功和無(wú)功調(diào)節(jié)量，綜合考慮分布電源的有功和無(wú)功調(diào)節(jié)先后順序，當(dāng)某輪控制過(guò)程啟動(dòng)以后，若監(jiān)測(cè)到的是并網(wǎng)點(diǎn)電壓越上限時(shí)，優(yōu)先計(jì)算無(wú)功調(diào)節(jié)量并執(zhí)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)控制，若無(wú)功功率已達(dá)到當(dāng)前出力極限時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓仍越上限，則再計(jì)算有功調(diào)節(jié)量并執(zhí)行有功功率調(diào)節(jié)控制；若監(jiān)測(cè)到的是并網(wǎng)點(diǎn)電壓越下限時(shí)，則優(yōu)先計(jì)算有功調(diào)節(jié)量并執(zhí)行有功功率調(diào)節(jié)控制，若有功功率已達(dá)當(dāng)前出力上限時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓仍越下限，則再計(jì)算無(wú)功調(diào)節(jié)量并執(zhí)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)控制；若監(jiān)測(cè)到電壓在正常范圍時(shí)，則優(yōu)先計(jì)算有功調(diào)節(jié)量并執(zhí)行有功功率調(diào)節(jié)控制，若還可減少無(wú)功功率則計(jì)算有功調(diào)節(jié)量并執(zhí)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)控制；如此反復(fù)進(jìn)行，不斷跟蹤分布式電源處理變化和負(fù)荷變化，進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，針對(duì)具體的分布式電源接入節(jié)點(diǎn)m，其電壓偏差越限時(shí)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)量計(jì)算方法如下：

計(jì)算當(dāng)前m節(jié)點(diǎn)分布式電源所能提供的最大無(wú)功功率Q_m,max為：

式中，S_m為該分布式電源的容量，P_m,max為最大功率跟蹤方式下該分布式電源的有功出力；

當(dāng)節(jié)點(diǎn)m的電壓實(shí)際測(cè)量值越上限時(shí)，最小無(wú)功調(diào)節(jié)量為：

式中，為電壓偏差允許上限(標(biāo)幺值)，為節(jié)點(diǎn)m到母線(xiàn)之間的所有饋線(xiàn)段電抗值之和，U_N為系統(tǒng)額定電壓(有名值)，U_m為節(jié)點(diǎn)m的電壓實(shí)際測(cè)量值(標(biāo)幺值)，對(duì)于給定的配電網(wǎng)，a和c都是常量；

當(dāng)節(jié)點(diǎn)m的電壓實(shí)際測(cè)量值越下限時(shí)，將上述公式中c的取值為計(jì)算最小無(wú)功調(diào)節(jié)量，為電壓偏差允許下限(標(biāo)幺值)；

本輪調(diào)節(jié)后，該分布式電源的無(wú)功功率出力為：

式中，上標(biāo)^<k>和^<k+1>分別表示第k和k+1輪調(diào)節(jié)；

若Q_DG,m超過(guò)了當(dāng)前m節(jié)點(diǎn)分布式電源所能提供的最大無(wú)功功率Q_m,max時(shí)，則令：

|Q_DG,m|＝Q_m,max

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，針對(duì)具體的分布式電源接入節(jié)點(diǎn)m，其電壓偏差越限時(shí)的有功功率調(diào)節(jié)方法量計(jì)算如下：

分布式電源的有功功率出力P_DG,m范圍為：

0<P_DG,m<P_m,max

式中，P_m,max為最大功率跟蹤方式下該分布式電源的有功出力；

當(dāng)節(jié)點(diǎn)m的電壓實(shí)際測(cè)量值越上限時(shí)，最小有功調(diào)節(jié)量ΔP_DG.m為：

ΔP_DG.m＝-b(U_m-c)

式中，為節(jié)點(diǎn)m到母線(xiàn)之間的所有饋線(xiàn)段電阻值之和，U_N為系統(tǒng)額定電壓(有名值)，U_m為節(jié)點(diǎn)m的電壓實(shí)際測(cè)量值(標(biāo)幺值)，

當(dāng)節(jié)點(diǎn)m的電壓實(shí)際測(cè)量值越下限時(shí)，將上述公式中c的取值為計(jì)算最小有功調(diào)節(jié)量；

本輪調(diào)節(jié)后，該分布式電源的有功功率出力為：

若P_DG.m超過(guò)了分布式電源的最大有功出力能力時(shí)，則令P_DG,m＝P_m,max；若P_DG.m超過(guò)了分布式電源的最小有功出力能力時(shí)，則令P_DG,m＝0。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，針對(duì)具體的分布式電源接入節(jié)點(diǎn)m，在其電壓處于正常范圍時(shí)的有功功率調(diào)節(jié)量和無(wú)功功率調(diào)節(jié)量計(jì)算方法如下：

有功功率調(diào)節(jié)：

其中，ΔP_DG,m為保證電壓不越上限計(jì)算得到的有功可調(diào)節(jié)量，ΔPp為由自然因素決定的該DG可增大的有功功率；

無(wú)功功率調(diào)節(jié)：

將當(dāng)前量測(cè)數(shù)據(jù)Um代入電壓偏差越下限時(shí)的無(wú)功調(diào)節(jié)量計(jì)算公式，計(jì)算出Δ|Q_DG,m|，若|Q_DG,m|＜ε，則不進(jìn)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)，否則進(jìn)行一輪調(diào)節(jié)；

其中，ε為調(diào)節(jié)啟動(dòng)判據(jù)。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，ε的取為0.3，S_m為該分布式電源的容量。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)不需要借助通信手段，控制方法簡(jiǎn)單，僅依賴(lài)本地電壓監(jiān)測(cè)信號(hào)，信息采集要求低，實(shí)用性好。

2)綜合考慮有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)先后順序，以確保有功出力為優(yōu)先原則，充分利用了自然資源，保護(hù)了分布式電源業(yè)主的利益。

附圖說(shuō)明：

圖1為分布式電源單輪本地電壓控制流程圖。

圖2為算例測(cè)試算例拓?fù)鋱D。所采用的配電網(wǎng)，輸電線(xiàn)路為L(zhǎng)GJ-120型架空線(xiàn)(電阻為0.263Ω/km，電抗為0.348Ω/km)，長(zhǎng)度為10km；10個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)(LD1～LD10)等距離分布，每個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的功率因數(shù)均為0.95；3個(gè)分布式光伏電源(PV1～PV3)分別在離饋線(xiàn)始端1.5km，5km和7.5km處并網(wǎng)，容量均為3MVA。

具體實(shí)施方式：

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本地控制方法只需針對(duì)較大容量的分布式電源(DG)即可，它不必借助通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)調(diào)控制，而僅僅根據(jù)DG本地采集到的接入點(diǎn)實(shí)時(shí)電壓信息，對(duì)其輸出的無(wú)功功率或有功功率進(jìn)行本地調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足輕載或重載條件下的電壓偏差不致越限的要求。

所提出的控制方法是按固定時(shí)間間隔對(duì)DG的出力進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)接入點(diǎn)電壓越上限時(shí)進(jìn)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)并在有必要時(shí)配合以有功功率調(diào)節(jié)以消除電壓越限；當(dāng)接入點(diǎn)不出現(xiàn)電壓越上限時(shí)，計(jì)算該點(diǎn)實(shí)時(shí)可繼續(xù)接納的DG的有功功率，并釋放相應(yīng)的受限上網(wǎng)出力以實(shí)現(xiàn)最大化接納DG，另外在電壓不越限的條件下調(diào)節(jié)并網(wǎng)的無(wú)功功率，以減小DG無(wú)功功率帶來(lái)的損耗并釋放無(wú)功功率所占用的并網(wǎng)逆變器容量。

1)電壓偏差越限時(shí)的本地?zé)o功功率調(diào)節(jié)

設(shè)m節(jié)點(diǎn)處DG當(dāng)前的無(wú)功功率輸出為Q_DG,m，該處觀測(cè)到的電壓偏差為ΔU_m(＝U_m-1，U_m為m點(diǎn)處測(cè)量電壓的標(biāo)幺值)，則當(dāng)ΔU_m越電壓偏差上限和越電壓偏差下限時(shí)，可對(duì)該DG的無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

以ΔU_m越上限的情形為例進(jìn)行分析，由疊加定理可知，調(diào)整后的電壓偏差ΔU′_m為

其中，ΔQ_DG.m表示節(jié)點(diǎn)m處DG的無(wú)功調(diào)節(jié)量，為節(jié)點(diǎn)m到母線(xiàn)之間的所有饋線(xiàn)段電抗值之和。

期望則最小無(wú)功調(diào)節(jié)量為:

式中，對(duì)于給定的配電網(wǎng)，a和c都是常量，U_m可直接測(cè)量得到。同理，可得U_m越下限時(shí)，最小無(wú)功功率調(diào)節(jié)量仍如上式，只是c的取值變?yōu)閁_m越上限時(shí)，ΔQ_DG.m<0；U_m越下限時(shí)，ΔQ_DG.m>0。

本輪調(diào)節(jié)后，該DG的無(wú)功功率出力為：

在本申請(qǐng)中，上標(biāo)^<k>和^<k+1>分別表示第k和k+1輪調(diào)節(jié)。

若Q_DG.m超過(guò)了DG的無(wú)功出力上限，即

其中，Q_m,max為當(dāng)前m節(jié)點(diǎn)DG所能提供的最大無(wú)功功率，S_m為該DG的容量，P_m,max為最大功率跟蹤方式下該DG的有功出力，則令：

|Q_DG,m|＝Q_m,max

其減少電壓偏差的作用可以算得出，但尚未調(diào)整到位，剩余部分電壓偏差需要調(diào)節(jié)有功功率來(lái)配合完成。

2)電壓偏差越限時(shí)的本地有功功率調(diào)節(jié)

設(shè)m節(jié)點(diǎn)處DG當(dāng)前的有功功率輸出為P_DG,m，該處觀測(cè)到的電壓偏差為ΔU_m％，與無(wú)功控制的推導(dǎo)過(guò)程類(lèi)似，可得最小有功調(diào)節(jié)量為：

ΔP_DG.m＝-b(U_m-c)

式中，為節(jié)點(diǎn)m到母線(xiàn)之間的所有饋線(xiàn)段電阻值之和，b和c都是常量，U_m可直接測(cè)量得到?？傻肬_m越下限時(shí)，最小有功功率調(diào)節(jié)量仍如上式，只是c的取值變?yōu)楫?dāng)電壓越上限時(shí)，ΔP_DG.m<0；當(dāng)電壓越下限時(shí)，ΔP_DG.m>0。

本輪調(diào)節(jié)后，該DG的有功功率出力為：

該DG的有功功率出力能力范圍為：

0<P_DG,m<P_m,max

若P_DG.m超過(guò)了DG的最大或最小有功出力能力，則令P_DG,m＝P_m,max或P_DG,m＝0。

3)電壓處于正常范圍時(shí)的本地有功功率調(diào)節(jié)

為了充分利用清潔能源，當(dāng)電壓處于正常范圍時(shí)，若還有繼續(xù)增大DG的有功功率輸出的潛力，則應(yīng)調(diào)節(jié)DG接入電網(wǎng)的有功功率，盡量將該潛力發(fā)揮出來(lái)。

為了保證調(diào)節(jié)后的電壓仍滿(mǎn)足要求，增大的有功功率不應(yīng)該超過(guò)根據(jù)實(shí)時(shí)觀測(cè)信息計(jì)算所得的ΔP_DG.m，由此可得該DG的有功功率出力為：

其中，ΔP_p為該DG可增大的有功功率。

無(wú)功功率調(diào)節(jié)：

將當(dāng)前量測(cè)數(shù)據(jù)Um代入電壓偏差越下限時(shí)的無(wú)功調(diào)節(jié)量計(jì)算公式，計(jì)算出Δ|Q_DG,m|，若|Q_DG,m|＜ε，則不進(jìn)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)，否則進(jìn)行一輪調(diào)節(jié)。

其中，ε為調(diào)節(jié)啟動(dòng)判據(jù)，ε根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際選取，一般可取為0.3S_m，S_m為該分布式電源的容量。

4)本地電壓控制的流程

分布式電源的本地電壓控制方法以固定的時(shí)間間隔自動(dòng)執(zhí)行，單輪本地電壓控制的流程如附圖1所示。在某輪本地控制啟動(dòng)后，若監(jiān)測(cè)到電壓越上限，則優(yōu)先執(zhí)行該輪電壓偏差越限時(shí)的本地?zé)o功功率控制，若仍存在越限則執(zhí)行該輪電壓偏差越限時(shí)的本地有功功率控制；若監(jiān)測(cè)到電壓越下限，則優(yōu)先執(zhí)行該輪電壓偏差越限時(shí)的本地有功功率控制，若仍存在越限則執(zhí)行該輪電壓偏差越限時(shí)的本地?zé)o功功率控制；若監(jiān)測(cè)到電壓在正常范圍，則優(yōu)先執(zhí)行該輪電壓處于正常范圍時(shí)的本地有功功率控制，若|Q_DG|＞ε(ε根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際選取，一般可取為0.3S_m)，則執(zhí)行該輪本地?zé)o功功率控制。如此反復(fù)進(jìn)行，不斷跟蹤分布式電源處理變化和負(fù)荷變化，進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

由于在消除電壓越上限時(shí)，所求得的是實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的最小調(diào)節(jié)量，在實(shí)際應(yīng)用中為了保證控制的穩(wěn)定性和魯棒性，控制目標(biāo)應(yīng)略低于配電網(wǎng)運(yùn)行要求的電壓上限值；在消除電壓越下限時(shí)，由于分布式電源接入點(diǎn)非電網(wǎng)電壓最低點(diǎn)，其控制目標(biāo)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況高于配電網(wǎng)運(yùn)行要求的電壓下限值。另外，實(shí)際應(yīng)用中可同時(shí)加入積分環(huán)節(jié)以增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5)算例分析驗(yàn)證

采用如附圖2所示的10kV配電網(wǎng)和分布式光伏進(jìn)行算例分析。配網(wǎng)額定電壓為10kV，母線(xiàn)電壓為額定電壓；電壓偏差上限標(biāo)準(zhǔn)要求為±7％，考慮到調(diào)節(jié)的裕度，取6.5％，取-6.0％。

計(jì)算式中的參數(shù)得到各控制參量如表1所示。

表1控制參量

為了更好地驗(yàn)證所提的控制方法，選取電網(wǎng)運(yùn)行中配電網(wǎng)狀態(tài)變化較大的3種情景如表2所示。在分析中，取本地控制時(shí)間間隔為5s。由于負(fù)荷和分布式電源出力的慣性，可以認(rèn)為在數(shù)輪本地控制實(shí)施過(guò)程中負(fù)荷和分布式電源可用的有功出力不變。

表2 3種典型情景的參數(shù)

(1)情景1各處PV同時(shí)切入

當(dāng)各處PV在其出力較大并且負(fù)荷較輕時(shí)并入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)瞬間提高配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)電壓，此時(shí)，本地控制器將調(diào)節(jié)光伏并網(wǎng)逆變器的出力以消除過(guò)大的電壓偏差，經(jīng)過(guò)30s后系統(tǒng)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)過(guò)程如表3所示。

表3情景1各PV的有功和無(wú)功出力

由表3可知，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，電壓存在起伏最終趨于平穩(wěn)；PV3的有功功率和無(wú)功功率都參與調(diào)節(jié)，且幅度較大，PV2只有無(wú)功功率參與調(diào)節(jié)，PV1沒(méi)有參與；穩(wěn)定后，PV3的有功出力受限。

(2)情景2負(fù)荷增大

通過(guò)情景1的調(diào)節(jié)后，PV3的有功出力受限，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)有所降低，此時(shí)，本地控制器可以釋放PV3受限的有功出力，調(diào)節(jié)過(guò)程如表4所示。

表4情景2各PV有功和無(wú)功出力

(3)情景3晚高峰PV切入改善電壓

在晚高峰時(shí)，負(fù)荷水平較高，而PV又不能提供有功功率，饋線(xiàn)末端往往會(huì)出現(xiàn)電壓過(guò)低的現(xiàn)象。PV并網(wǎng)逆變器一般為電壓源換流器(VSC)，可以消耗少量的有功功率向配電網(wǎng)提供無(wú)功功率，若充分利用PV并網(wǎng)逆變器的容量，使其在夜間保持并網(wǎng)，可以通地本地控制有效地消除電壓偏差。在情景3下，本地控制消除電壓偏差的過(guò)程如表5所示。

表5情景3各PV有功和無(wú)功出力