针对大型光伏电站各发电单元位置差异导致的并网接线阻抗不同，以及光伏电站内各单元最大输出光伏功率运行状况不一致的问题，电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学）的李桐、韩学山，在2023年第11期《电工技术学报》上撰文，建立以时变追踪并网光伏电站最大输出功率为目标的无功优化数学模型，并给出相应的快速求解方法。
该模型建立和求解是在量测、通信技术完备的前提下，借助逆变器可快速调制有功功率和无功功率输出的电力电子化技术，依据秒级优化周期内光伏系统状态量变化微小的特点，对非线性优化模型实施泰勒展开、线性拟合等线性化近似处理，通过灵敏度计算对逆变器无功功率运行基点进行快速求解，必要时将自动弃光，达到时变追踪光伏电站最大并网输出功率并满足并网点电压水平要求的目的。
我国光伏发电呈现“分散开发，低压接入，就地消纳”和“集中开发，高压并网，远距离送出”两种发展方式并举的格局。就后者而言，由于受光照等自然因素限制，光伏发电功率具有很强的时变性、波动性和间歇性，若运行控制措施不当，大型光伏电站并网会带来冲击，影响电网经济稳定的运行。可见，跟踪与控制发电功率并网点的电压支撑问题就成为关注的焦点。
同时，对于大型光伏电站的并网运行，站内的电压支撑问题同样值得关注。
①大型光伏电站由诸多光伏单元有机构成，每个光伏单元都要通过集电线并联到主变压器低压侧母线公共连接点（PCC），集电线长短不同，阻抗就不同，即各个光伏单元汇集到并网母线的电气距离存在差异；
②各个光伏单元所在位置光照强度不同，发电功率存在差异，以及光照的波动性与间歇性导致光伏发电功率具有极强的波动性，由此造成各个光伏单元运行状况的不一致。
上述两点给满足并网条件的光伏电站调度与控制带来困难，若偏离并网条件严重，将在各个光伏单元间产生电磁环流，不仅损耗大而且影响运行效率，同时对设备造成危害，轻者影响寿命，重者损坏元件，发生运行事故。可见，就并网光伏发电全消纳而言，关注并网点及其内部各点的电压支撑是关键，对其进行深入研究具有重要的理论和现实意义。
目前针对光伏电站并网电压问题的研究主要集中在两个方面：①PCC母线附近配置储能及无功补偿设备来提供电压支撑；②挖掘光伏逆变器的无功调节能力来支撑并网点电压。额外配置储能及无功补偿设备需要增加一定的成本，且难以实现对内部多个逆变器满足并行协调运行条件的控制，且多为长时间尺度协调配合决策，并不能时变追踪不确定性的光伏功率，逆变器快速的无功功率调节能力也难以得到有效发挥。因此，依靠光伏逆变器剩余容量的无功电压控制，不仅有利于并网点电压支撑水平的控制，也会间接考虑光伏电站内部运行状况不一致与接线阻抗不相等带来的协调配合问题。
现有的研究大多聚焦于大型光伏电站站内无功补偿设备与逆变器对于并网点电压的协调控制。这些方法在一定程度上提高了光伏并网运行的稳定性，但研究关注的焦点在于维持并网点电压水平，对于如何消除站内各个发电单元之间接线阻抗和运行参量的差异以便于更好地满足并网点及其他节点电压水平的实现研究不够。
电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学）的科研人员聚焦于光伏电站没有其他调压措施的前提下，考虑连同内部结构的统一时变追踪最大光伏功率发电的优化问题，仅依靠光伏逆变器的快速无功调节能力来提供电压支撑，必要时自动弃光，保证并网电压满足要求。通过快速决策逆变器有功功率、无功功率的控制基点，挖掘光伏电站自身的无功电压调控潜力。
图1 电站最大功率的无功优化算法求解
他们首先针对光伏单元并联运行的特性，分析接线阻抗与输出功率对于并网电压的影响。在此基础上，假设量测、通信技术完备，建立考虑接线阻抗不相等与运行状况不一致的时变追踪大型光伏电站最大输出功率并网的无功优化数学模型，并给出相应的快速求解方法。
该方法依据极短决策时段内光伏系统状态量变化极小的特点，基于泰勒展开与线性拟合将优化周期内的目标函数与约束条件进行线性化处理，构造罚函数，通过灵敏度计算对逆变器的运行基点进行快速求解，达到时变追踪光伏电站最大输出功率并网，并满足并网点电压水平要求的目的。
图2 采用本算法的光伏电站无功电压控制
研究者指出，类比同步发电机的并联运行，光伏电站内部光伏单元的并联运行也需要满足到达PCC母线的电压与电流幅值、相位及频率完全一致。频率的一致由逆变器控制系统依照电网频率来进行控制，在此不做考虑。由于各个光伏发电单元到PCC母线的集电线路阻抗不同，各个单元发出的有功功率也不同，要保持并网电压一致的前提下，需要对并网逆变器输出无功功率进行分别调控，来保证并网条件的满足。
图3 采用本算法的光伏电站损耗降低情况
他们表示，利用分布在光伏电站内部各个单元光伏逆变器自身的有功、无功调节能力，解决集中式补偿无法有效解决的光伏电站内部电压问题。基于实时量测与通信设备，结合电力电子化设备的快速控制，可以实现对各发电单元的功率输出的快速决策与控制，充分挖掘光伏电站自身的无功电压调节潜力。结果表明，该方法具有较高的计算精度，能够快速决策逆变器的功率设定点，通过快速调节逆变器无功功率的输出来解决光伏电站内部的电压问题，利用算法的实时性有效应对光伏发电的不确定性。
研究者指出，目前的研究是对光伏电站自身调控能力的深度挖掘，而且是基于电网完全接纳光伏功率的前提下。当电网要求光伏电站参与调度时，光伏逆变器自身的调节能力可能无法满足，需要储能、无功补偿等辅助设备的合作配合，这些问题将在后续研究中进一步深入。
本工作成果发表在2023年第11期《电工技术学报》，论文标题为“时变追踪并网光伏电站最大输出功率的无功优化方法”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。
