摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，电网建设越来越多。对电网来说，大规模光伏电站的接入，可能会引起其并网点电压波动。为了防止并网点电压越限，需要光伏电站自身具备一定的无功支撑能力。为此，在光伏电站未配备无功补偿装置时，提出了一种光伏电站三层无功电压控制策略。该策略在光伏电站并网点电压发生波动时，能够以线路损耗最小为优化目标，通过协调控制各个光伏发电单元逆变器之间的无功输出来维持并网电压在要求的范围内，从而确保电网安全稳定运行。最后，通过仿真算例验证了控制策略的准确性和可行性。
关键词：光伏电站；无功补偿；电压控制
引言
光伏发电是目前分布式电源的主要形式，通过光伏电池将太阳光照能源转化为电能并通过逆变器实现并网发电。光伏电源作为清洁绿色能源，在缓解传统化石能源危机和减轻大气污染的同时，也给配电网带来一些不利影响，如可能引起电网过电压、电压暂降等电能质量问题。如何在良好利用光伏能量的同时，避免光伏发电带来的不利影响或利用光伏逆变器的辅助功能改善电网的电能质量，得到学者们的广泛关注。
1大型光伏电站结构
大型光伏电站一般采用分块发电、集中并网的方案，以特变电工某100MW光伏发电项目为例进行说明，图1为此大型光伏电站结构图。该项目中，将100MW光伏系统分成100个1MW的光伏发电单元（PVgenerationunit，PVGU），每组PVGU分别配置1台0.315kV/35kV升压变压器（Ti），经Ti升压至35kV接入母线，再通过升压站中的35kV/110kV主变压器（T）接入110kV电网，最终实现并网发电。实际光伏电站中PVGU数目较多，光伏阵列的占地面积较大，且各组PVGU相距较远，因此需要通过m回集电线路（每回集电线路由l组PVGU串联组成）将电能汇集后接入电网。其中，Ui（i=1，2，…，n）为第i组升压变压器（Ti）35kV侧电压，UPOI为主变压器（T）110kV侧电压；U为电网电压。无功补偿装置并接在35kV母线上。
图1 大型光伏电站结构图
2最大功率点跟踪控制策略研究
最大功率跟踪的一个难点在于，从整体系统上来看，本质上来讲，光伏电池也是电池的一种，是电池就会有内阻，光伏电池也不例外。要想实现整个系统的功率达到一直维持在最大值。这个问题也可以换一种说法，即如何让系统负载的电阻一直处于等于内阻的状态。而问题的难点在于：随着温度、光照强度的变化系统的内阻是处于不断变化中的。如何让负载的电阻也处于同样的变化中，这就是研究的难点。最大功率点跟踪控制问题的另一个比较困难的是，不同的光伏电板供应商所提供的光伏面板的系统有一定的差别。这就带来了另一个问题，要么需要针对不同的系统研究不同的算法，要么就要研究一个适用于很多的系统的算法，研发的难度都比较高。
3光伏电站无功电压控制策略
1）运行状态1。电网调度部门根据并网点电压偏差情况判断出光伏电站处于正常运行状态时，根据电网调度要求选择相应的无功控制模式，包括：①功率因数控制模式，该模式下控制目标为实现光伏电站经济效益的最大化。光伏电站不提供无功支撑，输出无功功率Qref为0；②定无功控制模式，该模式下光伏电站根据调度计划向系统提供一定的无功支撑，输出无功功率Qref根据调度计划确定；③电压控制模式，该模式下转入运行状态2。2）运行状态2。电网调度部门根据并网点电压偏差情况判断出光伏电站处于运行模式2时，说明光伏电站接入地区无功不足或无功响应较慢。此时，光伏电站切换到电压控制模式。电压控制模式主要控制并网点电压UPOI稳定在参考值Uref附近，在稳态时，光伏电站的无功输出改变量与并网点电压波动量之间呈线性关系，因此利用PI调节器可以跟踪控制并网点电压。第2层的无功分配策略的原则是：在光伏电站发出总的无功功率Qref确定的前提下，将无功功率在m回集电线路进行再分配，从而最大效率地减少有功损耗。第2层无功分配采用基于线路损耗最小的无功优化分配策略为各集电线路的光伏发电单元分配无功功率。为研究各集电线路的光伏发电单元无功输出对有功损耗的影响，建立简化等值电路。
4仿真与实验
在Matlab/Simulink仿真软件中搭建了容量为20MW的光伏电站仿真模型。光伏电站模型中包含2回集电线路，各回集电线路均由10组容量为1MW的PVGU并联组成，单组1MW的PVGU由2台500kW逆变器并联组成，并通过1台0.315kV/35kV升压变压器接入35kV集电线路。连接相邻2组PVGU的电缆型号为YJV23-8.7/10（3×150mm2），长度为250m。35kV/110kV主变压器容量为20MW，与电网之间选用型号为LGJ-185，长度为20km的导线连接。整个仿真分为3个阶段：0～1.5s时，光照强度Sref=300W/m2，电站中各个光伏发电单元接收光照开始进入工作状态；1.5～2.5s时，光照强度Sref=500W/m2；2.5～3.5s时，光照强度Sref=900W/m2当光伏电站未采用无功电压支撑策略时，在1.5～2.5s时，随着光伏有功出力增大，引起并网点电压上升；在2.5～3.5s时，光照强度继续增加，此刻光伏电站的出力以及站内无功消耗均达到最大，逆向无功的影响大于有功的影响，最终导致并网点电压下降。采用三层无功电压控制策略后，并网点电压被稳定在参考值的附近，保证了电网的安全稳定运行。在0～1.5s时，由于并网点电压基本稳定在参考值附近，因此需要的无功量较小，为-0.5Mvar；在1.5～2.5s时，随着光伏电站无功出力的增加，并网点电压出现越限，此时需要光伏电站提供大量的容性无功，因此总的无功给定为-5Mvar；在2.5～3.5s时，由于并网点电压出现了大幅度的跌落，此时需要消耗大量的无功功率来稳定并网点电压，此时需要的无功参考量为5Mvar。采用三层无功电压控制策略前后光伏电站中集电线路的功率损耗可知，在光照强度S ref =300 W/m 2 时，光伏电站基本不需要输出无功功率，并网点电压也能稳定在0.98~1.02（标幺值）之间，此阶段支撑前后的损耗近似相等。在光照强度 S ref =500 W/m 2 以及 S ref =900 W/m 2 时，并网点电压出现波动，需要光伏电站提供大量的容性/感性无功，在此光照条件下，采用三层无功电压控制策略可以明显降低光伏电站内的功率损耗。
结束语
综上所述，针对大规模光伏电站接入电网引起并网点电压波动问题，提出了一种三层无功功率控制策略。当光伏电站未配备无功补偿装置时，该策略能以站内无功损耗最小为目标对站内进行无功优化，协调控制各个光伏逆变器发出对应无功功率，从而保证在并网点电压稳定的基础上尽可能地降低损耗，大大降低了光伏电站的发电成本。
参考文献
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论文作者:李双德
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
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