一种光伏就地多模式切换控制方法与流程

本发明涉及分布式光伏接入配电网就地电压控制技术领域，具体涉及一种光伏就地多模式切换控制方法。

背景技术：

在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源资源短缺的形势下，光伏发电在世界范围内受到高度重视，近年来发展很快。截至2016年底，我国光伏发电新增装机容量3454万千瓦，累计装机容量7742万千瓦，新增和累计装机容量均为全球第一。其中，光伏电站累计装机容量6710万千瓦，分布式累计装机容量1032万千瓦。全年发电量662亿千瓦时，占我国全年总发电量的1％。光伏发电向中东部转移，其中江苏省新增装机容量123万千瓦；分布式光伏发电装机容量发展迅速，2016年江苏省新增装机容量53万千瓦。目前，在我国东部经济发达地区分布式光伏和集中式光伏均呈现快速发展趋势，按照容量的不同分别接入不同电压等级配电网，受端配电网高比例多电压等级接入光伏发电已经成为发展常态。

光伏发电接入配电网，给电力系统的安全稳定运行将带来新挑战和机遇：

(1)大量光伏接入配电网的终端或馈线末端，潮流倒送抬高接入变电站母线电压，特别是在光伏高发时段，变电站主变处于最低档位仍无法保证母线电压在合格范围之内，电压越限经常发生。电压越限不仅会导致光伏发电系统保护动作使其离网，限制了光伏并网能力，同时还会引起变压器和线路等设备的损耗增加。

(2)大量光伏发电接入电网，如遇到多云天气，光伏出力波动剧烈，会带来电网电压波动和功率因数超标等问题，进而导致无功补偿设备频繁投切和主变开关频繁调档，对局部电网的安全可靠运行造成威胁。

(3)现有配电网缺少双向无功调节手段，晚间负荷高峰期，变电站母线电压偏低；夜间负荷低谷期，电缆线路轻/空载运行，容性充电功率汇集到上级变电站，造成变电站母线电压偏高；随着光伏电站高比例接入电网，其双象限无功调节能力为该问题的解决提供了一种新的手段和机遇。

目前，光伏逆变器就地控制模式多种多样，不同控制模式根据其特点适用于不同的运行场景。现有的技术针对单一的光伏逆变器控制模式，不断改进其控制原理，然而单一的光伏逆变器控制模式已不能很好地适用于复杂多变的环境。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术难点，针对分布式光伏接入配电网后造成配电网电压越限问题，目前运行于中低压配电网的部分分布式光伏发电并未配置光纤或无线公网通信方式，尚不具备全局优化调节的条件，同时光伏逆变器单一的控制模式在不同场景下调节能力不尽相同，因此提供一种光伏就地多模式切换控制方法，用以解决分布式光伏接入配电网电压越限问题和光伏逆变器单一控制模式调节能力不足的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

步骤1：监测光伏接入点电压和光伏有功出力大小，保存相关信息；

步骤2：判断是否满足切换时间间隔T1，若满足则进行下一步，若不满足则继续监测保存相关信息；

步骤3：选取当天某一时间段T2内保存的电压和功率信息，确定光伏有功出力区间和节点电压状态区间；

步骤4：根据控制模式分区图，选择合适的光伏逆变器控制模式。

本发明进一步技术改进方案是：

步骤1所述监测光伏接入点电压和光伏有功出力大小，保存相关信息。光伏逆变器监测为实时监测电压和功率状态，用以提供光伏逆变器某一就地电压控制模式所需的实时输入参数；为防止保存的电压和功率信息量过大，可以设置为每k分钟保存一次数据。

本发明进一步技术改进方案是：

步骤2所述满足切换时间间隔T1，是指此时刻距离上一次满足切换条件时刻的间隔时间T1，可以理解为计时每过T1的时间能够进行切换，如果切换前后控制模式没有发生改变，则计时仍然清零，需要等待下一个T1的间隔时间才能满足下一次的切换条件。如果不满足切换时间间隔T1，则返回步骤1。

本发明进一步技术改进方案是：

步骤3所述选取当天某一时间段保存的电压和功率信息，某一时间段是指从当前时刻向前推T2的时间段，该时间段内存有每k分钟保存一次的多组光伏接入点电压和光伏有功出力数据。

步骤3所述确定光伏有功出力区间和节点电压状态区间的过程为：

(1)根据所选取的某一时间段内的光伏有功出力数据，计算其平均值Pm为光伏额定有功功率)，来确定所处的光伏有功出力区间；

(2)根据所选取的某一时间段内的光伏接入点电压数据，与设置的电压上下限值VH和VL作比较，若有超过20％的电压数据大于VH，则视为该节点电压状态为过电压状态；若有超过20％的电压数据小于VL，则视为该节点电压状态为欠电压状态；若既有超过20％的电压数据大于VH又有超过20％的电压数据小于VL，则以占比最多的为准来确定是过电压状态还是欠电压状态；其余情况下则都视为安全电压状态。

本发明进一步技术改进方案是：

步骤4所述控制模式分区图依据光伏有功出力区间和节点电压状态区间共分为9个区，共有3种光伏就地控制模式，分别为Q(V)模式、PF(P)模式和APC模式，而这3种光伏就地控制模式对应的9个区为：

1区：节点电压状态为欠电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

2区：节点电压状态为安全电压状态，光伏逆变器采用PF(P)模式；

3区：节点电压状态为过电压状态，光伏逆变器采用APC模式；

4区：节点电压状态为欠电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

5区：节点电压状态为安全电压状态，光伏逆变器采用PF(P)模式；

6区：节点电压状态为过电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

7区：节点电压状态为欠电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

8区：节点电压状态为安全电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

9区：节点电压状态为过电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

步骤4所述的3种光伏就地控制模式：Q(V)模式、PF(P)模式和APC模式，它们的控制原理如下：

(1)Q(V)模式

该控制模式下，光伏的有功输出保持不变，根据光伏接入点的电压Vi计算其无功输出Qvi。

式中，V1＝VL，V2＝0.98p.u.，V3＝1.02p.u.，V4＝VH，Qimax为该光伏逆变器额定有功输出时所对应的最大无功输出。

(2)PF(P)模式

该控制模式下，功率因数随有功功率变化而改变，当光伏有功P输出小于某一阈值Pd时，光伏的功率因数为1；当光伏有功P∈[Pd,PN]时，光伏功率因数线性变化，且有功输出越高，功率因数越小，无功输出量也越大；当光伏有功输出达到额定值PN时，功率因数达到最低值pfmin。功率因数的计算如式(1.2)所示：

根据功率因数pf，求出光伏无功输出光伏输出的有功保持不变，控制无功输出为±Qref(光伏接入点电压Vi>1p.u.时，输出感性无功-Qref；光伏接入点电压Vi<1p.u.时，输出容性无功Qref)。

(3)APC模式

该控制模式通过调整光伏的有功出力实现电压的调节：当电压偏高时，削减光伏的有功出力，从而降低电压。实现方式如下：采集光伏接入点电压Vi，将其与电压限制VH进行比较。

在Vi<VH的情况下：光伏保持有功输出不变，无功输出为0；

在Vi≥VH的情况下，按照下列方式进行控制：

如果P≥Plim，则限制光伏有功输出为Plim，无功输出为0；

如果P<Plim，则保持光伏有功输出不变，无功输出为0。

其中，Plim是指定的限定值，Plim＝r·Pm。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

本发明解决了由于分布式光伏出力波动造成的电压越限问题和光伏逆变器单一控制模式调节能力不足的问题，通过光伏接入点的电压和功率信息，确定光伏有功出力区间和接入节点电压状态，根据控制模式分区图选择合适的光伏逆变器控制模式，能够在不同的运行场景下选择最合适的光伏逆变器就地控制模式，充分发挥不同就地控制模式适用场景的优势，减少专用无功补偿装置的配置、光纤或无线公网通信设备的配备，降低运维工作量。

附图说明

图1为本发明光伏就地多模式切换控制方法流程图；

图2为本发明控制模式分区图；

图3为本发明Q(V)模式控制曲线图；

图4为本发明PF(P)模式控制曲线图；

图5为本发明分布式光伏接入33节点配电网网络结构图；

图6为本发明切换前后各节点电压分布对比图。

具体实施方式

下面结合附图1-6和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示的光伏就地多模式切换控制方法流程图，包括如下步骤：

步骤1：监测光伏接入点电压和光伏有功出力大小，保存相关信息；

所述监测光伏接入点电压和光伏有功出力大小，保存相关信息。光伏逆变器监测为实时监测电压和功率状态，用以提供光伏逆变器某一就地电压控制模式所需的实时输入参数；为防止保存的电压和功率信息量过大，可以设置为每k分钟保存一次数据。

步骤2：判断是否满足切换时间间隔T1，若满足则进行下一步，若不满足则继续监测保存相关信息；

所述满足切换时间间隔T1，是指此时刻距离上一次满足切换条件时刻的间隔时间T1，可以理解为计时每过T1的时间能够进行切换，如果切换前后控制模式没有发生改变，则计时仍然清零，需要等待下一个T1的间隔时间才能满足下一次的切换条件。如果不满足切换时间间隔T1，则返回步骤1。

步骤3：选取当天某一时间段T2内保存的电压和功率信息，确定光伏有功出力区间和节点电压状态区间；

所述选取当天某一时间段保存的电压和功率信息，某一时间段是指从当前时刻向前推T2的时间段，该时间段内存有每k分钟保存一次的多组光伏接入点电压和光伏有功出力数据。

所述确定光伏有功出力区间和节点电压状态区间的过程为：

(1)根据所选取的某一时间段内的光伏有功出力数据，计算其平均值Pm为光伏额定有功功率)，来确定所处的光伏有功出力区间；

(2)根据所选取的某一时间段内的光伏接入点电压数据，与设置的电压上下限值VH和VL作比较，若有超过20％的电压数据大于VH，则视为该节点电压状态为过电压状态；若有超过20％的电压数据小于VL，则视为该节点电压状态为欠电压状态；若既有超过20％的电压数据大于VH又有超过20％的电压数据小于，则以占比最多的为准来确定是过电压状态还是欠电压状态；其余情况下则都视为安全电压状态。

步骤4：根据控制模式分区图，选择合适的光伏逆变器控制模式。

如图2所示，所述控制模式分区图依据光伏有功出力区间和节点电压状态区间共分为9个区，共有3种光伏就地控制模式，分别为Q(V)模式、PF(P)模式和APC模式，而这3种光伏就地控制模式对应的9个区为：

1区：节点电压状态为欠电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

2区：节点电压状态为安全电压状态，光伏逆变器采用PF(P)模式；

3区：节点电压状态为过电压状态，光伏逆变器采用APC模式；

4区：节点电压状态为欠电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

5区：节点电压状态为安全电压状态，光伏逆变器采用PF(P)模式；

6区：节点电压状态为过电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

7区：节点电压状态为欠电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

8区：节点电压状态为安全电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

9区：节点电压状态为过电压状态，光伏逆变器采用Q(V)模式；

所述的3种光伏就地控制模式：Q(V)模式、PF(P)模式和APC模式，它们的控制原理如下：

(1)Q(V)模式

如图3所示，该控制模式下，光伏的有功输出保持不变，根据光伏接入点的电压Vi计算其无功输出Qvi。

式中，V1＝VL，V2＝0.98p.u.，V3＝1.02p.u.，V4＝VH，Qimax为该光伏逆变器额定有功输出时所对应的最大无功输出。

(2)PF(P)模式

如图4所示，该控制模式下，功率因数随有功功率变化而改变，当光伏有功P输出小于某一阈值Pd时，光伏的功率因数为1；当光伏有功P∈[Pd,PN]时，光伏功率因数线性变化，且有功输出越高，功率因数越小，无功输出量也越大；当光伏有功输出达到额定值PN时，功率因数达到最低值pfmin。功率因数的计算如式(1.2)所示：

根据功率因数pf，求出光伏无功输出光伏输出的有功保持不变，控制无功输出为±Qref(光伏接入点电压Vi>1p.u.时，输出感性无功-Qref；光伏接入点电压Vi<1p.u.时，输出容性无功Qref)。

(3)APC模式

该控制模式通过调整光伏的有功出力实现电压的调节：当电压偏高时，削减光伏的有功出力，从而降低电压。实现方式如下：采集光伏接入点电压Vi，将其与电压限制VH进行比较。

在Vi<VH的情况下：光伏保持有功输出不变，无功输出为0；

在Vi≥VH的情况下，按照下列方式进行控制：

如果P≥Plim，则限制光伏有功输出为Plim，无功输出为0；

如果P<Plim，则保持光伏有功输出不变，无功输出为0。

其中，是指定的限定值，Plim＝r·Pm。

实施例

首先对分布式光伏接入33节点配电网实施例中的相关参数进行定义：

仿真算例采用IEEE33节点配电系统仿真算例，系统基准电压10kV，基准容量10MVA。中压配电网电压越限相关参数：设定电压越限的上下限值为VH＝1.05p.u.和VL＝0.95p.u.；分布式光伏接入33节点配电网网络结构见图5，光伏1、2、3、4分别接入节点14、18、25、31，各光伏容量都为1100kVA，各光伏额定有功都为1000kW。

假设光伏1、2、3、4上一次切换时各光伏都是切换至控制模式分区图的5区对应的PF(P)模式，即切换前各光伏控制模式都为PF(P)模式。当前光伏出力较大而负荷需求较小，电压存在越上限的问题，各光伏有功出力分别设为700kW、900kW、900kW、900kW，系统各节点负荷数据乘上系数0.3。

(1)监测光伏接入点电压和光伏有功出力大小，保存相关信息。光伏逆变器监测为实时监测电压和功率状态，用以提供光伏逆变器某一就地电压控制模式所需的实时输入参数；为防止保存的电压和功率信息量过大，可以设置为每30分钟保存一次数据；

(2)判断是否满足切换时间间隔T1，若满足则进行下一步，若不满足则继续监测保存相关信息。其中切换时间间隔T1设为8小时，根据当前检测的时刻，距离上一次切换已超过8小时，满足切换条件；

(3)选取当天某一时间段T2内保存的电压和功率信息，确定各光伏有功出力区间和节点电压状态区间。其中T2设为4小时，根据当前时刻的前4小时内保存的电压和功率信息，确定光伏1和光伏2接入节点电压处于过电压状态，光伏3和光伏4接入节点电压处于安全电压状态，光伏1有功出力区间为0.4Pm～0.8Pm，光伏2、3、4有功出力区间为0.8Pm～Pm。

(4)根据控制模式分区图，选择合适的光伏逆变器控制模式。光伏1处于6区对应于Q(V)模式，光伏2处于3区对应于APC模式，光伏3和4处于2区对应于PF(P)模式。3种控制模式参数设置，Q(V)模式中的Qimax为458kvar，PF(P)模式中pfmin为0.9，Pd＝0.5PN，APC模式中Plim＝0.5·Pm，即r＝0.5。

(5)通过仿真，切换前后各节点电压分布对比图如图6所示，切换前光伏1、2、3、4都为PF(P)模式，如果仍采用该模式，则光伏1、2、3、4的有功出力分别为700kW、900kW、900kW、900kW，无功出力分别为-292kvar、-426kvar、-426kvar、-426kvar；如果按照切换后的控制模式，则光伏1、2、3、4的有功出力分别为700kW、500kW、900kW、900kW，无功出力分别为-458kvar、0、-426kvar、-426kvar。从图6可以看出，切换后的控制效果要优于不进行切换的控制效果，因此本发明所提的一种光伏就地多模式切换控制方法效果明显。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。