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利用功率调节系统的无功功率控制去避免光伏发电和电动汽车充电引起的高压配电系统中的电压偏差
摘要：电动汽车以及光伏发电系统的引入一直在增加。 这些引入会导致高压配电线路上的电压下降和上升，因此电压偏差将超出规定的电压范围。针对该问题，具有静态无功补偿器（SVC）的电压控制方法被提出并运用。 然而，SVC昂贵并且使得配电线上的功率损耗增加。本文提出了一种新颖的电压控制方法，使功率调节系统输出超前和滞后的无功功率去解决上述问题。明确说明，本文的方法在解决这些问题时比使用SVC的电压控制方法更有效。
关键词：高压配电系统，领先和滞后的无功功率，光伏发电，功率调节系统，静止无功补偿器
1 引言
近年来,面向低碳社会，光伏发电（PV）系统的引入越来越多。在光伏发电系统集中安装的地区，系统由于剩余功率的增加引起电压的上升，可能会超出规定的范围.此外，全电动房屋和电动汽车（EV）或插电式混合动力电动汽车（PHEVs）已广泛传播.电动汽车和插电式混合电动汽车经常在电力便宜的夜间充电。由于夜间充电，系统电压随负载增加而下降,并且可能超出其规定的范围.按常规，通过安装在配电变电站和配电线上的负载比控制变压器（LRTs）或稳压器（SVRs）分接开关，将系统电压保持在指定范围内。然而，分接开关操作LRT和SVR需要几十秒;因此，许多EV和PHEV的光伏发电系统输出的突然波动和由于夜间充电的电压波动不一定能完全补偿。
为了应对PV互连和EV / PHEV充电引起的突然电压波动，系统电压可以通过功率设备输出的无功功率来控制。静态无功补偿器（SVC）被用于此目的，当负载功率导致电压下降时，SVC提供领先的无功功率（相对于电网而言的相位提前）来提高系统电压。另一方面，当系统电压因互连光伏发电系统引起的反向功率流而上升时，提供滞后的无功功率来降低系统电压。 SVC经常安装在系统终端附近以提高电压调节效果.这样做，无功功率在系统中
流过更长的距离，这引起了人们关于配电线路的功率损耗的担忧（以下称为配电线路损耗）。
在本文中，我们提出了一种电压控制方法来将系统电压保持在规定范围内;特别地，分布式PV的功率调节系统（PCS）设备具有SVC功能，以提供领先/滞后的无功功率。这样做，当光伏发电设备内接时，它的PCS尽可能地输出滞后的无功功率来响应电压上升。 如果系统电压仍不能保持在其指定范围内，PV功率输出将被抑制。 至于负载功率引起的电压降，PCS输出领先的无功功率以提高系统电压。 用所提出的方法，系统来自上限和下限的电压偏差，，将通过PCS的SVC功能提供超前/滞后的无功功率来防止。 而且，当存在的分布式的
PCS具有SVC功能时，没有必要引入新的SVC或其他控制设备。通过比较SVC功能和分布式PCS提供的SVC功能之间的电压维持和配电线路损耗，我们证明了提出的方法的有效性。
2互联电力系统和电压控制的技术要求指标
2.1互联电力系统和功率调节系统运行的技术要求指标
在反向功率流的情况下，PCS可以通过限制发电机输出或提供滞后无功功率来调节电压。此外，互联电力系统技术要求指南要求接收点的功率因数基本上应为85％或更高（必要时应高于80％），从系统中看，功率因数不得超出以防止电压上升。
使用本文提出的方法，系统电压通过领先/ 滞后无功功率控制保持在其指定范围内，与SVC相同，使用PCS安装在客户端，但需要对指南进行一些修改。 PCS的主电路如图1所示.光伏发电系统产生的直流电压转换为交流电， 并通过升压斩波器，PWM逆变器和电抗控制后与交流系统连接。另外，PCS通过改变操作点执行最大功率点跟踪控制，以确保光伏发电系统的最大功率输出。
PCS的配置方式与SVC几乎相同，因此可以输出超前的无功功率。PCS通过调节逆变器电压幅度使之与系统电压同步增长来控制无功功率。在这项研究中， 通过带有SVC功能的分布式PCS提供的领先/滞后的反应功率，保持系统电压在其指定范围内。
2.2 PCS无功功率输出
在图2中说明了PCS无功功率控制的概念，无功功率在领先时定义为正，在滞后时定义为负。图中的圆圈表示PCS额定容量。当PCS无功功率用于电压控制时，必须符合以下容量限制条件：
=. (1)
这里，是节点数，是PCS视在功率，是PV产生的输出，是PCS无功功率，是PCS额定容量。
当PV输出为P1时，如果系统电压超过其上限，从0到-Q1的滞后无功功率可以输出。 如果电压偏移没有被清除，即使滞后的无功功率已经增加到-Q1，PCS功率限制功能将被启用，使PV输出被抑制到P2，无功功率可以达到-Q2输出。 当PV系统未运行时，PCS可以输出从0到Q3的领先无功功率以响应电压降。 在所提出的方法中，当PV操作期间电压上升时，PCS提供滞后的无功功率，当PV不工作或由于负载功率引起电压下降时，PCS提供领先的无功功率。因此，系统电压可保持在指定的范围。
3使用SVR，PCS，和SVC的高压配电系统的电压调节
3.1使用SVR的电压控制
安装在配电线路上的SVR通过切换绕组接头控制控制死区内的二次电压。 这样，在配电线上提供带传感器的k部分的开关; SVR通过通信网络获得开关安装点处的电压，并通过整合控制执行分接开关。
图3说明了SVR接头开关切换控制的概念，该图显示了开关安装点处的电压（k = 1,2,3）和来自控制死区的偏差（％sdot;s）。 在图中，是参考电压，是电压上限，是电压下限，是SVR控制死区带宽。来自控制死区的偏差在SVR控制周期内计算，并且如果偏差超过操作设定时间beta;，则切换分接头开关以保持系统电压在控制死区范围内。 的计算方法如下：
这里，是SVR控制周期,要获取每个周期内控制点的电压信息。在图3中，在数据采集周期J0中偏离，而在数据采集周期J1内超过beta;; 结果，SVR接头开关在J1周期中的秒之后切换。 现在，如果没有超过beta;和保持在J1周期的死区内， 接头开关就不用切换。当接头开关切换或 设定在J1周期的死区范围内，将被重置为0。
3.2使用PCS控制提出的自主无功功率控制
针对系统电压控制，我们提出了一种方法，称为自主无功功率控制，其中每个节点有PCS输出基于自节点电压信息的超前/滞后无功功率。与SVC相同，PCS供应滞后或领先的无功功率分别处理控制死区上限或下限的违规行为，以便将系统电压保持在规定的范围内。 无功功率（kVar）根据以下表达式输出：
这里，是与PCS额定容量的比率，而（kVar / kVA）是无功功率控制系数，是一个初始设置为0的整数。确定此的公式如下：
PV运行期间,当节点处的系统电压超过PCS控制死区的上限时（即ge; ），根据等式（4）减小，并且在节点处的滞后无功功率从PCS输出。此外，当节点处的电压位于PCS控制死区内时（即 - lt; lt; 和 lt;0），提供的滞后无功功率输出根据等式（5）减小。这里，是参考电压，是PCS控制死区宽度。
PV运行期间，当节点处的系统电压低于PCS控制死区的下限时（即le;- ），根据等式（5）增加，并且在节点处的超前无功功率从PCS输出。此外，当节点处的电压位于PCS控制死区内（即， - lt; lt; 和gt; 0），提供的领先无功功率输出根据等式（4）减少。当PCS供应滞后无功功率时，是负值；当PCS供应领先无功功率时，是正值。
3.3使用SVC的系统电压控制
SVC通常安装在系统终端附近以改善无功功率的电压调节效应。 SVC的无功功率（kVar）输出如下：
这里，是SVC额定容量，是SVC容量的比率,（kVar / kVA）是无功功率控制系数，是一个初始设置为0的正整数。当节点的电压超过SVC控制死区的上限时（即ge; ）， 如等式（4）所示降低，并且从SVC输出滞后无功功率。 另一方面，当节点处的电压低于SVC控制死区的下限（即le; - ），如等式（5）所示增加，并且从SVC输出超前无功功率。 每个控制循环中的SVC无功功率输出控制使用类似于等式（4）和（5）的表达式以增加或减少。与提出的方法相比，当SVC 运作时，PCS控制仅产生电力。
4高压配电系统提出方法的验证
4.1高压配电系统模型
这项研究中，我们采用了如图4所示的六节点高压配电系统模型，图表1中给出了仿真条件。图4中的模型假定为预计在未来光伏电站和电动汽车普及率高的住宅区。通常，住宅区的配电线路跨度有3公里至4公里;因此，我们设定了高压配电线路的长度为3.65公里，并选择了线路参数以满足承载能力要求。从配电变电站到节点1的距离是650米，节点之间的距离是500米，节点6到SVC安装点的距离是500米。带传感器的截面开关在节点3和节点6之间提供。放置在节点3和节点4之间，节点4和节点5之间，节点5和节点6之间的开关分别由Sen-1，Sen-2和Sen-3表示。十极变压器连接到节点1到4和节点6，每个极变压器连接13个家庭。奇数节点上，13个家庭中有8个安装了光伏电站；偶数节点上，13个家庭中的9个安装了光伏电站。光伏电站每户的额定容量为5千瓦，而PCS每户的额定容量为4.4千伏安。此外，额定容量为800 kW的光伏系统（PCS：800 kVA）连接到节点5.此外，在节点1到4和节点6的13个家庭中的8个拥有EV。当使用SVC时，在系统端连接一个90 kVA的单元。
表1 模拟条件
|
极变压器数量 |
50 |
||
|
住宅数量 |
650 |
||
|
电动汽车数量 |
400 |
||
|
PV额定容量 |
(KW) |
5.0 |
|
|
PCS额定容量 |
(KVA) |
5.5 |
|
|
SVC 额定容量 |
(Kvar) |
90 |
|
|
大PV额定容量 |
(KW) |
800 |
|
|
大PCS额定容量 |
(KVA) |
900 |
|
|
SVR的接头宽度 |
(p. u.) |
0.01 |
|
|
SVR的运行周期 |
(s) |
60 |
|
|
开关接头的响应时间 |
(s) |
2 |
|
|
PCSs运行周期 |
(s) |
2 |
|
|
SVR安置时间百分比 |
beta; |
(%sdot;s) |
45 |
|
PCS无功功率控制百分比 |
(%) |
0.5 |
|
|
SVC无功功率控制百分比 |
|
(%) |
1/60 |
|
SVR控制死区宽度 |
|
(p. u.) |
0 |
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