針對大型光伏電站各發電單元位置差異導致的併網接線阻抗不同，以及光伏電站內各單元最大輸出光伏功率運行狀況不一致的問題，電網智能化調度與控制教育部重點實驗室（山東大學）的李桐、韓學山，在2023年第11期《電工技術學報》上撰文，建立以時變追蹤併網光伏電站最大輸出功率為目標的無功優化數學模型，並給出相應的快速求解方法。
該模型建立和求解是在量測、通信技術完備的前提下，藉助逆變器可快速調製有功功率和無功功率輸出的電力電子化技術，依據秒級優化周期內光伏系統狀態量變化微小的特點，對非線性優化模型實施泰勒展開、線性擬合等線性化近似處理，通過靈敏度計算對逆變器無功功率運行基點進行快速求解，必要時將自動棄光，達到時變追蹤光伏電站最大併網輸出功率並滿足併網點電壓水平要求的目的。
我國光伏發電呈現「分散開發，低壓接入，就地消納」和「集中開發，高壓併網，遠距離送出」兩種發展方式並舉的格局。就後者而言，由於受光照等自然因素限制，光伏發電功率具有很強的時變性、波動性和間歇性，若運行控制措施不當，大型光伏電站併網會帶來衝擊，影響電網經濟穩定的運行。可見，跟蹤與控制發電功率併網點的電壓支撐問題就成為關注的焦點。
同時，對於大型光伏電站的併網運行，站內的電壓支撐問題同樣值得關注。
①大型光伏電站由諸多光伏單元有機構成，每個光伏單元都要通過集電線並聯到主變壓器低壓側母線公共連接點（PCC），集電線長短不同，阻抗就不同，即各個光伏單元彙集到併網母線的電氣距離存在差異；
②各個光伏單元所在位置光照強度不同，發電功率存在差異，以及光照的波動性與間歇性導致光伏發電功率具有極強的波動性，由此造成各個光伏單元運行狀況的不一致。
上述兩點給滿足併網條件的光伏電站調度與控制帶來困難，若偏離併網條件嚴重，將在各個光伏單元間產生電磁環流，不僅損耗大而且影響運行效率，同時對設備造成危害，輕者影響壽命，重者損壞元件，發生運行事故。可見，就併網光伏發電全消納而言，關注併網點及其內部各點的電壓支撐是關鍵，對其進行深入研究具有重要的理論和現實意義。
目前針對光伏電站併網電壓問題的研究主要集中在兩個方面：①PCC母線附近配置儲能及無功補償設備來提供電壓支撐；②挖掘光伏逆變器的無功調節能力來支撐併網點電壓。額外配置儲能及無功補償設備需要增加一定的成本，且難以實現對內部多個逆變器滿足並行協調運行條件的控制，且多為長時間尺度協調配合決策，並不能時變追蹤不確定性的光伏功率，逆變器快速的無功功率調節能力也難以得到有效發揮。因此，依靠光伏逆變器剩餘容量的無功電壓控制，不僅有利於併網點電壓支撐水平的控制，也會間接考慮光伏電站內部運行狀況不一致與接線阻抗不相等帶來的協調配合問題。
現有的研究大多聚焦於大型光伏電站站內無功補償設備與逆變器對於併網點電壓的協調控制。這些方法在一定程度上提高了光伏併網運行的穩定性，但研究關注的焦點在於維持併網點電壓水平，對於如何消除站內各個發電單元之間接線阻抗和運行參量的差異以便於更好地滿足併網點及其他節點電壓水平的實現研究不夠。
電網智能化調度與控制教育部重點實驗室（山東大學）的科研人員聚焦於光伏電站沒有其他調壓措施的前提下，考慮連同內部結構的統一時變追蹤最大光伏功率發電的優化問題，僅依靠光伏逆變器的快速無功調節能力來提供電壓支撐，必要時自動棄光，保證併網電壓滿足要求。通過快速決策逆變器有功功率、無功功率的控制基點，挖掘光伏電站自身的無功電壓調控潛力。
圖1 電站最大功率的無功優化演算法求解
他們首先針對光伏單元並聯運行的特性，分析接線阻抗與輸出功率對於併網電壓的影響。在此基礎上，假設量測、通信技術完備，建立考慮接線阻抗不相等與運行狀況不一致的時變追蹤大型光伏電站最大輸出功率併網的無功優化數學模型，並給出相應的快速求解方法。
該方法依據極短決策時段內光伏系統狀態量變化極小的特點，基於泰勒展開與線性擬合將優化周期內的目標函數與約束條件進行線性化處理，構造罰函數，通過靈敏度計算對逆變器的運行基點進行快速求解，達到時變追蹤光伏電站最大輸出功率併網，並滿足併網點電壓水平要求的目的。
圖2 採用本演算法的光伏電站無功電壓控制
研究者指出，類比同步發電機的並聯運行，光伏電站內部光伏單元的並聯運行也需要滿足到達PCC母線的電壓與電流幅值、相位及頻率完全一致。頻率的一致由逆變器控制系統依照電網頻率來進行控制，在此不做考慮。由於各個光伏發電單元到PCC母線的集電線路阻抗不同，各個單元發出的有功功率也不同，要保持併網電壓一致的前提下，需要對併網逆變器輸出無功功率進行分別調控，來保證併網條件的滿足。
圖3 採用本演算法的光伏電站損耗降低情況
他們表示，利用分布在光伏電站內部各個單元光伏逆變器自身的有功、無功調節能力，解決集中式補償無法有效解決的光伏電站內部電壓問題。基於實時量測與通信設備，結合電力電子化設備的快速控制，可以實現對各發電單元的功率輸出的快速決策與控制，充分挖掘光伏電站自身的無功電壓調節潛力。結果表明，該方法具有較高的計算精度，能夠快速決策逆變器的功率設定點，通過快速調節逆變器無功功率的輸出來解決光伏電站內部的電壓問題，利用演算法的實時性有效應對光伏發電的不確定性。
研究者指出，目前的研究是對光伏電站自身調控能力的深度挖掘，而且是基於電網完全接納光伏功率的前提下。當電網要求光伏電站參與調度時，光伏逆變器自身的調節能力可能無法滿足，需要儲能、無功補償等輔助設備的合作配合，這些問題將在後續研究中進一步深入。
本工作成果發表在2023年第11期《電工技術學報》，論文標題為「時變追蹤併網光伏電站最大輸出功率的無功優化方法」。本課題得到國家自然科學基金資助項目的支持。
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