董玉辉 梁君亮

（华电山东新能源有限公司，山东 济南 250000）

1 风电/光伏发电接入电网的电压稳定分析

1.1 静态电压稳定分析

电压稳定指的是电力系统受扰动后维持母线电压在可接受范围内的能力，当电力系统出现小扰动时，须采用静态模型进行电压稳定分析。在风电接入电网过程中，迅速增长的负荷或较大的风速波动都将给系统带来小扰动，导致系统出现短期或长期电压失稳问题。双馈型、永磁型发电机则能通过变流器连接电网，实现有功和无功功率解耦控制，采用无功补偿和无功潮流调整等方式稳定电压。针对光伏发电入网环节，该文将发电机组当成是电压源或电流源，在静态电压稳定分析中，将根据节点潮流进行判别，精确模拟节点性质。系统由DC-AC变换器、控制器、光伏电池列阵、电能储存单元等构成，在产生的直流电转换为与电网同频的交流电后并网，此时需要依靠控制器进行最大功率点、并网频率等参数跟踪控制。

1.2 动态电压稳定分析

由于新能源并网规模呈持续扩大的趋势，因此需要加强动态电压稳定分析，以确定机组和逆变器等设备动态响应特性给系统电压稳定带来的影响。对于风电入网期间发生的脱网等事故，应主要从增加硬件装置和改进控制策略两个方面改善系统的暂态电压稳定性。如在转子控制上采用撬棒电路，能够增强机组低电压穿越能力。使用柔性交流系统和无功调节设备，能够为系统提供无功支持。在光伏发电并网期间，内部无功调节设备配合不当，会导致机组出现过补偿或欠补偿问题。如果根据机组低电压穿越特性进行建模仿真分析，则可以根据故障恢复时的无功功率进行补偿，实现机组电压输出的动态无功调节，保证电网稳定运行。

图1 风电入网电压分层预测控制架构

2 风电/光伏发电接入电网的电压控制策略

2.1 风电接入电网的电压控制

虽然风电机组多能实现动态无功补偿，但要求装设的多个无功设备可以达到电压协调控制要求，则容易出现电压滞后控制的问题。因此该文引入分层预测模型MPC进行无功电压控制，通过预测电压和无功变化实现自适应调节。

在电压控制过程中，考虑到风电机组输出电压较低将产生较大的电阻和电抗比，在一个节点电流不为零的情况下，可以根据节点电压和该点功力确定有功和无功电压灵敏度系数。因此在并网节点，由功率波动引发的机组和系统的电压偏差ΔU与有功和无功的关系满足式（1）。

式中：U为并网点实际电压，ΔP为有功变化，ΔQ为无功变化。

可以根据上级发送的参考电压和有功功率预测结果估测调压极限，达到超前控制并网点电压的目的。根据1min内并网点电压变化轨迹，与机组调压能力相结合，并根据极限调压曲线和调度指令可确定有功输出曲线，实现电压自适应调节，如图2所示。在对最大功率曲线进行追踪时，应确认t时刻是否超出指令控制周期T，超出后需要确定新的指令，对下一控制周期进行预测，未超出则可以在t+1时刻继续执行指令。而参考指令超出调节范围，判断机组无功调节不足，需要使调节后电压和节点指令偏差达到最小值，然后在预测有功达到最大值时进行输出功率调整。

图2 风电入网电压分层预测自适应调节

机组无功输出上限应取参考指令和有功上限中的最大值，输出下限则取参考指令和有功下限中的最小值。因此在有功功率发生变化时，机组无功输出也将发生变化，通过将无功调节和节点预测电压叠加，能够获得极限电压调节的上限和下限。根据预测到的最大功率值，应在无功补偿不足的情况下进行有功调节，处于预测有功最大值位置的电压偏差值ΔU可以利用式（2）计算。

式中：min F为最小偏差目标函数。

通过分析能够确定电压偏差值，得到需要调节的有功输出量。在无功协调分配方面，需要先确定控制目标，即使节点电压和参考电压偏差达到最小值，同时使静态无功储备达到最大值。在k时刻，根据并网节点电压和参考指令偏差，能够确定母线电压和参考电压偏差，如公式（3）所示。

式中：U为母线实际电压；ΔP（k）和ΔQ（k）分别为k时刻的有功和无功变化。

将参考指令电压当成目标，利用静态无功发生器进行节点电压跟踪控制，能够避免出现电压不稳的问题。在提供足够无功补偿的情况下，可以及时响应调节指令。但在实际的风电机组运行过程中，无法做到向各机组等比例分配无功输出，这将使部分机组无功输出无法得到有效利用，对此需要进行无功补偿，如公式（4）所示。

式中： Q为无功参考指令；Q无功补偿需求，n为风机数量，δ为风机i的无功分配系数，根据其最大无功值Q，Q为全部风机最大无功输出。

通过合理分配能够做到有效利用风机无功补偿性能。在实现MPC控制方面，为实现快速响应，可对无功电压进行跟踪。对于风电入网的弱连接性问题，需要建立状态空间模型，结合风机特性对控制输入和外部干扰等变量进行离散化处理，然后进行有功和无功输出跟踪。令转子d轴和q轴电流分量分别表示有功和无功输出，能够得到电流输出参考值，建立机组输出控制目标函数，使输出变化达到最小，如公式（5）所示。

式中：minF为机组输出控制目标函数；M指的是预测时间段，y为有功输出参考值，y（k+m|k）为k时刻、m步的有功预测控制输出结果，y为电流输出参考值，W和W分别为系统控制的输出和输入权重，Δu（k+m|k）为系统控制输入变化。

通过实现分层预测控制，能够提升风机风速，使有功出力渐渐达到饱和状态。未进行无功补偿时，系统将利用静态发生器进行电压调节，如果未能满足需求，系统将进行无功补偿，使裕度取得理想的电压控制效果。

2.2 光伏发电接入电网的电压控制

光伏发电带有分散性，通常单点容量较小，需要就近接入电网。受负荷密度低、供电距离长等多种因素的影响，在机组发电高峰时段，光伏发电可能引发电网潮流分布变化迅速造成沿线电压升高，因此需要采取适当的机组接入方式，并做好电压调整，综合运用不同策略加强电压控制。

在光伏发电接入过程中，需要根据并网容量、电站电压等级等多项因素确定电压水平。从理论层面来看，应确保机组负荷距比最大负荷距的运行电压小，以满足并网要求。如10kV光伏电站的接入容量和距离应满足表1的要求，即接入容量为1800 kW～2500 kW。在光资源相对集中的区域，考虑到装机位置已经固定，为确保接入容量和配电变压器相互匹配，并确保尚未接入容量不超变压器的一半，可以采取增设变压器数量或减小供电半径等措施，避免光伏发电机组在入网过程中引发电压升高问题。如果光伏发电接入的配电网为中低压等级，应通过末端接入电网，并通过无功补偿设备或变压器变比进行电压调节。通常情况下，35kV光伏电站均配有动态无功补偿设备，入网后带来的电压波动较小，可以满足电网稳定运行的要求。而通过10kV线路接入电网时，可以加装调压器来应对光伏发电功率变化，实现电压自动调节。如果为屋顶光伏发电机组，在分散接入电网的过程中可以在进线侧使用双向调压器来进行高、低电压调节。

表1 10kV光伏电站接入容量表

对于目前需要接入大量光伏发电机组的情况，应实施动态无功补偿，以免出现电压严重越限问题。该文应用自适应模型进行功率预测，运用智能控制算法进行电压控制，以保障电压的稳定性。具体来讲，就是在当前时刻建立预测模型，使控制量u（k）进入实际和预测的被控制对象模型，通过分析得出下一刻的实际和预测输出，如图3所示。根据二者差值确定预测误差，能够对下一刻预测模型进行修正。

在逆变器输出的有功功率和无功功率不可控的情况下，需要利用传感器进行信息采集和传递，然后通过内部运算确定线路负载情况。保持四象限运行，可以使逆变器满足视在功率，然后产生任意输出。通过控制无功输出，可以达到电压升高上限控制要求，如图4所示。将1s看作一个周期，各周期开始时预测模型无变化，根据上个周期a等模型参数和有功功率输出P能够对逆变器输出无功值Q进行确认。实现无功输出的目的是使节点电压V下降。无功输出达到负值，说明存在有功引起的电压越限问题，需要对感性无功进行吸收；无功输出为正值，说明有功输出较小，不会导致节点电压越限，无需吸收无功。在误差允许的条件下，节点电压将与调度层预定值相等，说明不存在电压越限问题，因此模型不会发生变化。根据实际输出的无功值，可以对模型结构参数进行更新。在模型发生变化时，则需要进行电压反馈调节，在电压超出上限时使系统吸收更多的无功，否则应减少无功吸收。

3 结论

受发电间歇性特性影响，风电/光伏发电接入电网过程中会出现静态和动态电压稳定问题，导致电力系统出现较大电压波动，给电网稳定运行带来威胁。该文结合不同发电项目特点，在风电入网阶段采用分层预测电压控制策略，充分利用了机组无功补偿。在光伏发电入网阶段，对接入方式和电压控制策略等进行了系统优化，以满足电网稳定运行要求。可见，解决新能源消纳问题，构建以新能源为主体的新型电力系统，能够推动电力事业的健康、可持续发展。

图3 光伏发电入网电压自适应模型预测算法