技术领域
[0001] 本
发明涉及一种控制方法，具体涉及一种基于功率预测的并网光伏电站无功-电压控制方法。
背景技术
[0002]
太阳能光伏发电具有随机性、间歇性、周期性以及
波动性的特点，随着光伏发电规模不断增长，对
电网电压稳定的影响日益明显。在并网光伏电站安装无功-电压自动控制系统(下文简称为光伏AVC系统)是保证电网电压稳定、无功平衡的重要手段，典型光伏AVC系统结构如图1所示，光伏AVC系统通过协调光伏电站内无功调节设备出
力完成并网点电压控制。
[0003] 光伏发电与火电/
风电相比较，由于缺少机械设备的
转动惯量及阻尼特性，出力变化呈阶跃特性，对光伏AVC系统响应时间(各地规定不同，一般要求在10～20秒左右)、控制
精度的要求明显提高，这使得传统定步长调节、多轮反馈控制方法难以满足系统要求。在实际工程应用中暴露以下问题：
[0004] (1)无功调节设备控制协调困难，理论上光伏逆变器及静态无功补偿设备具有毫秒级响应速度，电容器投切时间也小于1秒，但在实际工程中，各无功调节设备响应速度受通讯方式影响较大。特别是独立控制的光伏逆变器，若采用环形而非光纤直联方式通讯，响应速度较慢的逆变器往往在数秒以上，采用传统控制方法容易出现在规定调节时间内
母线电压超调或调节不到位问题。
[0005] (2)无功调节总量计算困难，由于并网点无功、电压变化较小以及测量数据不同步等因素的影响，根据电压偏差及无功变化在线计算得到系统阻抗往往误差较大，导致调节总量计算存在问题，进而影响到光伏AVC系统的响应时间及控制精度。
[0006] (3)连续调节设备与离散调节设备的协调控制问题，现有的无功优化
算法中，电容器投切次数作为计算约束性条件，并作为最后调节手段。因此，电容器投切操作一般滞后于电站并网点电压变化情况，并导致光伏逆变器及静态无功补偿设备部分时段无功出力偏高，影响 发电效率。
[0007] (4)较少考虑电站内无功损耗的影响，当电网整体无功平衡时，影响光伏电站并网点电压的重要因素之一是站内无功损耗，因此，无功-电压调节过程中应充分考虑站内无功损耗变化情况,现有无功-电压控制算法一般是不计及站内无功损耗的。
[0008] (5)静态无功补偿设备(SVC/SVG/MCR)的不合理应用。为保证电网故障下的暂态无功储备，基于传统火电/风电AVC系统发展而来的光伏AVC系统，在调节过程中一般不使用静态无功补偿设备的控制策略。这一方面容易导致电容器的频繁投切；另一方面也使得主变无功需求完全由远方的光伏逆变器提供，一定程度上增大了线损。实际运行经验表明，在准确功率预测及无功裕度计算
基础上，通过合理、有限制的应用静态无功补偿设备调节容量，可有效提高电压控制精度及AVC系统响应速度，减少电容器的投切次数。
发明内容
[0009] 为了克服上述
现有技术的不足，本发明提供一种基于功率预测的并网光伏电站无功-电压控制方法，针对不同无功调节设备响应速度差异，则用了分步控制保证光伏电站无功-电压控制的精度及响应速度。
[0010] 为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
[0011] 本发明提供一种基于功率预测的并网光伏电站无功-电压控制方法，通过光伏AVC系统协调并网光伏电站内的无功调节设备，完成并网点电压控制；所述无功调节设备包括光伏逆变器、并联补偿电容器组和静态无功补偿设备；
[0012] 所述方法包括：
[0013] 步骤1：确定并网光伏电站再并网点电压调节结束时的无功损耗；
[0014] 步骤2：确定并网光伏电站的无功调节总量；
[0015] 步骤3：确定光伏逆变器和静态无功补偿设备的
无功功率极限；
[0016] 步骤4：进行并联补偿电容器组的投切控制；
[0017] 步骤5：进行光伏逆变器和静态无功补偿设备的控制。
[0018] 所述步骤1中，并网光伏电站包括集电线路和
变压器；包括：
[0019] 步骤1-1：计算集电线路的总无功损耗，包括：
[0020] 设集电线路电压和
电流分别为U和I，Xl为集电线路的等值电抗，xl为集电线路单位长度电抗，l为集电线路长度，有Xl＝xl·l；
[0021] 于是集电线路的无功损耗Ql和充电功率Qc分别表示为：
[0022] Ql＝3·I2Xl＝3·I2xl·l (1)
[0023] QC＝U2ωC/1000＝U2·2πf·c·l/1000 (2)
[0024] 其中，f为电力系统
频率，取50Hz；ω为电力系统
角速度；C为集电线路对地电容，c为集电线路单位长度对地电容；
[0025] 于是，集电线路的总无功损耗为Ql-QC；
[0026] 步骤1-2：计算变压器的总无功损耗，包括：
[0027] 单台变压器的无功损耗Q'T表示为：
[0028]
[0029] 其中，SN为变压器的额定功率，I0％为变压器空载电流百分比，Uk％为变压器
短路电压百分比，S为变压器视在功率，β为变压器负荷率，且β＝S/SN；
[0030] 于是，并网光伏电站内变压器的总无功损耗QT表示为：
[0031] QT＝ΣQ'T (4)
[0032] 步骤1-3：计算并网光伏电站在并网点电压调节开始时的无功损耗QΣ(t0)，其表示为：
[0033] QΣ(t0)＝Ql-QC+QT (5)
[0034] 采用求和自回归滑动平均模型对并网点电压调节过程中并网光伏电站的无功损耗进行预 测，于是并网光伏电站在并网点电压调节结束时的无功损耗QΣ(t)表示为：
[0035] QΣ(t)＝QΣ(t0)+▽Q'Σ+▽Q”Σ (6)
[0036] 其中，t0为并网点电压调节开始时刻，t为并网点电压调节结束时刻，▽Q'Σ为并网光伏电站出力变化导致的并网光伏电站的无功损耗差值，▽Q”Σ为并网点电压变化导致的并网光伏电站的无功损耗差值。
[0037] 所述步骤2包括：
[0038] 并网点电压Upcc与并网点无功功率Qpcc满足以下关系：
[0039]
[0040] 其中，Q'PV为光伏逆变器当前输出的总无功功率，且Q'PV＝Qinv-QΣ(t0)，Qinv表示光伏逆变器输出的无功功率，QΣ(t0)为并网光伏电站在并网点电压调节开始时的无功损耗；Qcap为并联补偿电容器组当前输出无功功率，Qsvc为静态无功补偿设备当前输出无功功率；
ΔUpcc为并网点电压增量，ΔQpcc为并网点无功功率增量，ΔQ'PV为光伏逆变器输出无功功率增量，ΔQcap为联补偿电容器组输出无功功率增量，ΔQsvc为静态无功补偿设备输出无功功率增量；
[0041] 并网点电压Upcc和无穷大母线电压U∞分别表示为：
[0042]
[0043]
[0044] 其中，UPV为并网光伏电站低压侧母线电压，PPV和QPV分别为并网光伏电站低压侧注入有功功率和无功功率；中间量RΣ和XΣ分别表示为RΣ＝R1+R2，XΣ＝X1+X2，R1和X1分别 为主变等值
电阻和电抗，R2和X2分别为并网点外部等值电阻和电抗；
[0045] 由式(8)和(9)得到：
[0046]
[0047] 设并网光伏电站的电压控制灵敏度和无功控制灵敏度分别为 和 有：
[0048]
[0049] 由式(11)可得：
[0050]
[0051] 并网光伏输出无功功率Qpcc表示为：
[0052]
[0053] 由式(11)和(13)可得：
[0054]
[0055] 并网光伏电站的无功调节总量Qtarget表示为：
[0056] Qtarget≈Q'PV+Qcap+Qsvc+Qinitial+ΔQpcc+ΔQΣ(t-t0) (12)
[0057] 其中，ΔQΣ(t-t0)为并网光伏电站在并网点电压调节周期内的无功损耗，且ΔQΣ(t-t0)＝ΔQΣ(t)-ΔQΣ(t0)，QΣ(t0)为并网光伏电站在并网点电压调节开始时的无功损耗， ΔQΣ(t)为并网光伏电站在并网点电压调节结束时的无功损耗。
[0058] 所述步骤3包括：
[0059] 步骤3-1：确定光伏逆变器的无功功率极限Qinvmax，有：
[0060]
[0061] 其中，Uinv为光伏逆变器
输出电压，Upcc为并网点电压，ω为电力系统角速度，L为光伏逆变器交流侧电感，Pinv和Qinv表示光伏逆变器输出有功功率和无功功率，且 Pinv和Qinv之间还满足θ为Uinv和Upcc之间的
相位差；
[0062] 步骤3-2：确定静态无功补偿设备的无功功率极限Qsvcmax满足：
[0063] Q'linemin≤Qsvcmax≤Q'linemax (14)
[0064] 其中，Q'linemin、Q'linemax分别为并网光伏电站中支路输出的无功功率下限和上限。
[0065] 所述步骤4中，采用分段控制方式对并联补偿电容器组进行投切控制，包括：
[0066] 1)稳步上升阶段，即并网光伏电站出力稳步上升阶段，对应的典型时间段在并网光伏电站在上午6点至10点期间，在此典型时间段，并联补偿电容器组采用超前控制，即并联补偿电容器组在预计负荷上升前投入；
[0067] 2)拐点阶段，即并网光伏电站出力相对平稳阶段，对应的典型时间段在并网光伏电站在上午10点至下午4点期间，在此典型时间段，并联补偿电容器组采用滞后控制，即光伏逆变器可调裕度低于并网光伏电站的无功调节增量情况下对并联补偿电容器组进行投切，其中并网光伏电站的无功调节增量为Qinvmax-QPV；
[0068] 3)稳步下降阶段，即并网光伏电站出力稳步下降阶段，对应的典型时间段在并网光伏电站在下午4点至8点期间，在此典型时间段，并联补偿电容器组采用超前控制，即并联补偿 电容器组在预计负荷下降前切出。
[0069] 所述步骤5包括：
[0070] 步骤5-1：光伏AVC系统对光伏逆变器进行控制，包括：
[0071] 1)在并网点电压调节周期中，改变光伏逆变器的无功功率以实现并网点电压控制；
[0072] 2)在并网点电压调节结束时刻后，保持并网点无功功率不变的情况下，采用光伏逆变器的无功功率置换静态无功补偿设备输出的无功功率，并使静态无功补偿设备输出的无功功率降为零，同时优化并网光伏电站内集电线路电压分布；
[0073] 步骤5-2：光伏AVC系统对静态无功补偿设备进行控制，包括：
[0074] 1)在并网点电压调节结束时刻前，若并网点电压仍未满足相应的设定目标值，则需调节静态无功补偿设备输出的无功功率；
[0075] 2)在并网点电压调节结束时刻后，若静态无功补偿设备输出无功功率，而同时光伏逆变器具备可调裕度，则采用光伏逆变器的无功功率置换静态无功补偿设备输出的无功功率，并使静态无功补偿设备输出的无功功率降为零。
[0076] 与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
[0077] (1)综合考虑了并网光伏电站内集电线路、变压器的无功损耗，并对调节过程中无功损耗的变化进行了预测，可较为精确的计算并网光伏电站的无功调节总量；
[0078] (2)精确计算光伏电站控制灵敏度，具备更好的无功-电压控制精度及响应速度；
[0079] (3)功率预测与光伏电站AVC系统相结合，从而实现光伏电站电容器组分段控制，实现了无功-电压控制与设备保护间较好的平衡。
附图说明
[0080] 图1是本发明
实施例中光伏AVC系统结构图；
[0081] 图2是本发明实施例中并网光伏电站内集电线路等值
电路图；
[0082] 图3是本发明实施例中典型的并网型光伏电站拓扑结构图；
[0083] 图4是本发明实施例中典型光伏功率预测曲线图；
[0084] 图5是本发明实施例中并网光伏电站AVC控制系统闭环控制
框图。
具体实施方式
[0085] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0086] 本发明提供一种基于功率预测的并网光伏电站无功-电压控制方法，如图5，通过光伏AVC系统协调并网光伏电站内的无功调节设备，完成并网点电压控制；所述无功调节设备包括光伏逆变器、并联补偿电容器组和静态无功补偿设备；
[0087] 所述方法包括：
[0088] 步骤1：确定并网光伏电站再并网点电压调节结束时的无功损耗；
[0089] 步骤2：确定并网光伏电站的无功调节总量；
[0090] 步骤3：确定光伏逆变器和静态无功补偿设备的无功功率极限；
[0091] 步骤4：进行并联补偿电容器组的投切控制；
[0092] 步骤5：进行光伏逆变器和静态无功补偿设备的控制。
[0093] 所述步骤1中，并网光伏电站包括集电线路和变压器；包括：
[0094] 步骤1-1：计算集电线路的总无功损耗，包括：
[0095] 光伏电站内集电线路等值电路如图2所示，设集电线路电压和电流分别为U和I，Xl为集电线路的等值电抗，xl为集电线路单位长度电抗，l为集电线路长度，有Xl＝xl·l；
[0096] 于是集电线路的无功损耗Ql和充电功率Qc分别表示为：
[0097] Ql＝3·I2Xl＝3·I2xl·l (1)
[0098] QC＝U2ωC/1000＝U2·2πf·c·l/1000 (2)
[0099] 其中，f为电力系统频率，取50Hz；ω为电力系统角速度；C为集电线路对地电容，c为集电线路单位长度对地电容；
[0100] 于是，集电线路的总无功损耗为Ql-QC；
[0101] 步骤1-2：计算变压器的总无功损耗，包括：
[0102] 单台变压器的无功损耗Q'T表示为：
[0103]
[0104] 其中，SN为变压器的额定功率，I0％为变压器空载电流百分比，Uk％为变压器短路电压百分比，S为变压器视在功率，β为变压器负荷率，且β＝S/SN；
[0105] 于是，并网光伏电站内变压器的总无功损耗QT表示为：
[0106] QT＝ΣQ'T (4)
[0107] 步骤1-3：计算并网光伏电站在并网点电压调节开始时的无功损耗QΣ(t0)，其表示为：
[0108] QΣ(t0)＝Ql-QC+QT (5)
[0109] 采用求和自回归滑动平均模型对并网点电压调节过程中并网光伏电站的无功损耗进行预测，于是并网光伏电站在并网点电压调节结束时的无功损耗QΣ(t)表示为：
[0110] QΣ(t)＝QΣ(t0)+▽Q'Σ+▽Q”Σ (6)
[0111] 其中，t0为并网点电压调节开始时刻，t为并网点电压调节结束时刻，▽Q'Σ为并网光伏电站出力变化导致的并网光伏电站的无功损耗差值，▽Q”Σ为并网点电压变化导致的并网光伏电站的无功损耗差值。
[0112] 所述步骤2包括：
[0113] 典型并网光伏电站结构如图3所示，并网点电压Upcc与并网点无功功率Qpcc满足以下关系：
[0114]
[0115] 其中，Q'PV为光伏逆变器当前输出的总无功功率，且Q'PV＝Qinv-QΣ(t0)，Qinv表示光伏逆变器输出的无功功率，QΣ(t0)为并网光伏电站在并网点电压调节开始时的无功损耗；Qcap为并联补偿电容器组当前输出无功功率，Qsvc为静态无功补偿设备当前输出无功功率；
ΔUpcc为并网点电压增量，ΔQpcc为并网点无功功率增量，ΔQ'PV为光伏逆变器输出无功功率增量，ΔQcap为联补偿电容器组输出无功功率增量，ΔQsvc为静态无功补偿设备输出无功功率增量；
[0116] 并网点电压Upcc和无穷大母线电压U∞分别表示为：
[0117]
[0118]
[0119] 其中，UPV为并网光伏电站低压侧母线电压，PPV和QPV分别为并网光伏电站低压侧注入有功功率和无功功率；中间量RΣ和XΣ分别表示为RΣ＝R1+R2，XΣ＝X1+X2，R1和X1分别为主变等值电阻和电抗，R2和X2分别为并网点外部等值电阻和电抗；
[0120] 由式(8)和(9)得到：
[0121]
[0122] 设并网光伏电站的电压控制灵敏度和无功控制灵敏度分别为 和 有：
[0123]
[0124] 由式(11)可得：
[0125]
[0126] 并网光伏输出无功功率Qpcc表示为：
[0127]
[0128] 由式(11)和(13)可得：
[0129]
[0130] 并网光伏电站的无功调节总量表示为：
[0131] Qtarget≈Q'PV+Qcap+Qsvc+Qinitial+ΔQpcc+ΔQΣ(t-t0) (12)
[0132] 其中，ΔQΣ(t-t0)为并网光伏电站在并网点电压调节周期内的无功损耗，且ΔQΣ(t-t0)＝ΔQΣ(t)-ΔQΣ(t0)，QΣ(t0)为并网光伏电站在并网点电压调节开始时的无功损耗，ΔQΣ(t)为并网光伏电站在并网点电压调节结束时的无功损耗。
[0133] 所述步骤3包括：
[0134] 步骤3-1：确定光伏逆变器的无功功率极限Qinvmax，有：
[0135]
[0136] 其中，Uinv为光伏逆变器输出电压，Upcc为并网点电压，ω为电力系统角速度，L为光伏 逆变器交流侧电感，Pinv和Qinv表示光伏逆变器输出有功功率和无功功率，且 Pinv和Qinv之间还满足 θ为Uinv和Upcc之间的
相位差；
[0137] 步骤3-2：确定静态无功补偿设备的无功功率极限Qsvcmax：
[0138] 本发明中基于以下因素决定静态无功补偿设备短时无功功率极限：
[0139] 静态无功补偿设备的稳态功率输出极限，多数情况下静态无功补偿设备的稳态输出极限为额定值的50～80％之间。
[0140] 保障光伏电站并网安全，当光伏电站发电系统中某个电气元件由于故障退出时，为了保持并网点电压稳定，需要投入备用无功补偿设备，避免由于并网点电压过低影响主网电压稳定。光伏电站中最普遍出现的导致电压突降故障是集电线路的跳闸退出，从满足事故后光伏电站对电网电压无功
支撑的要求，AVC系统调节中必须随时备有足够的暂态无功储备，因此，静态无功补偿装置功率极限不能超过光伏电站中当前最大支路输出无功。综合以上两个条件，Qsvcmax满足：
[0141] Q'linemin≤Qsvcmax≤Q'linemax (14)
[0142] 其中，Q'linemin、Q'linemax分别为并网光伏电站中支路输出的无功功率下限和上限。
[0143] 所述步骤4中，采用分段控制方式对并联补偿电容器组进行投切控制，包括：
[0144] 1)稳步上升阶段，即并网光伏电站出力稳步上升阶段，如图4所示，对应的典型时间段在并网光伏电站在上午6点至10点期间，在此典型时间段，并联补偿电容器组采用超前控制，即并联补偿电容器组在预计负荷上升前投入；
[0145] 2)拐点阶段，即并网光伏电站出力相对平稳阶段，对应的典型时间段在并网光伏电站在上午10点至下午4点期间，在此典型时间段，并联补偿电容器组采用滞后控制，即光伏逆变器可调裕度低于并网光伏电站的无功调节增量情况下对并联补偿电容器组进行投切，其中并网光伏电站的无功调节增量为Qinvmax-QPV；
[0146] 3)稳步下降阶段，即并网光伏电站出力稳步下降阶段，对应的典型时间段在并网光伏电站在下午4点至8点期间，在此典型时间段，并联补偿电容器组采用超前控制，即并联补偿电容器组在预计负荷下降前切出。
[0147] 所述步骤5包括：
[0148] 步骤5-1：光伏AVC系统对光伏逆变器进行控制，包括：
[0149] 1)在并网点电压调节周期中，改变光伏逆变器的无功功率以实现并网点电压控制；
[0150] 2)在并网点电压调节结束时刻后，保持并网点无功功率不变的情况下，采用光伏逆变器的无功功率置换静态无功补偿设备输出的无功功率，并使静态无功补偿设备输出的无功功率降为零，同时优化并网光伏电站内集电线路电压分布；
[0151] 步骤5-2：光伏AVC系统对静态无功补偿设备进行控制：
[0152] 静态无功补偿设备的控制主要承担以下三个任务：1)辅助无功-电压控制灵敏度的计算；2)当电压调节周期接近结束，而光伏逆变器无功出力暂时难以达到计算值时，提供快速无功调节以保证电压调节成功率；3)光伏逆变器出力接近功率极限，而电站整体出力接近拐点时，承担短时无功出力。
[0153] 光伏AVC系统对静态无功补偿设备进行控制包括：
[0154] 1)在并网点电压调节结束时刻前，若并网点电压仍未满足相应的设定目标值，则需调节静态无功补偿设备输出的无功功率；
[0155] 2)在并网点电压调节结束时刻后，若静态无功补偿设备输出无功功率，而同时光伏逆变器具备可调裕度，则采用光伏逆变器的无功功率置换静态无功补偿设备输出的无功功率，并使静态无功补偿设备输出的无功功率降为零。
[0156] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在
申请待批的本发明的
权利要求保护范围之内。
