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当前，以光伏为代表的可再生能源发电并网逐年增加，但光伏发电功率固有的时变性、波动性和间歇性等不确定性特征，使得大型光伏电站的并网运行具有一定难度。因此，文章针对大型光伏电站内部拓扑结构不对称、运行参量不一致问题，建立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，算例分析验证了所提方法的有效性和合理性。

研究背景

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。因此，跟踪与控制这一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，由于各发电单元位置不同，连接阻抗不同，发电单元最大输出光伏功率运行状态不一致，这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，对设备运行造成危害。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。

论文所解决的问题及意义

在假设光伏电站没有其他调压措施的前提下，文章研究时变追踪最大光伏功率发电并网的无功优化问题，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，通过快速求解逆变器控制基点，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。

论文方法及创新点

（1）光伏发电单元并联运行特性分析

类比同步发电机的并联运行条件，总结大型光伏电站内部单元并联运行需要满足的条件，得出结论：在连接阻抗不相等、有功功率不一致的情况下，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。

（2）时变追踪光伏发电最大功率的无功优化模型及求解

以光伏逆变器的输出有功功率、无功功率为决策变量，建立其在满足潮流约束、电压水平约束、光伏发电输出功率约束条件下，追求整个光伏电站并网功率最大为目标的数学优化模型。

在量测、通信技术完备的前提下，假设光伏电站系统状态可观、可控，即t时刻可观，依此可优化t-1时刻决策量，当这两个时刻相差时间极短时，该模型可转变为线性优化模型，通过灵敏度求解达到时变追踪光伏逆变器有功功率和无功功率控制基点的效果。具体求解流程如图1所示。

图1 时变追踪光伏电站最大功率的无功优化算法求解框图

算例分析结果如图2所示，可得：文章算法可将光伏电站节点电压控制在允许范围之内。当光伏电源高发导致节点电压超过上限时，逆变器吸收无功功率，抵消一部分光伏高发对电压的抬升作用，当光伏电源零发或少发导致电压越下限时，逆变器会增加无功功率的输出，保证电压不低于下限。

图2 光伏电站无功电压控制效果

结论

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，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。

团队介绍

山东大学电气工程学院经济运行团队主要围绕国家重大工程需求，开展电网在新形势下的安全稳定分析、调度与控制的理论及应用技术研究。团队由韩学山教授、梁军教授、杨明教授带领多位年轻教师与博士、硕士研究生组成，完成多个国家级/省级研究项目。

李桐

硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。

韩学山

教授，博士生导师，主要从事电力系统运行分析与控制、优化调度、EMS及电力经济等方向研究。主持完成国家自然科学基金项目4项，主持或参与若干纵横向科技项目；获国家电力科技进步二等奖1项，省部级科技进步奖3项；主编出版十二五国家规划教材1部，专著1部，译著1部。

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。

引用本文

李桐, 韩学山. 时变追踪并网光伏电站最大输出功率的无功优化方法[J]. 电工技术学报, 2023, 38(11): 2921-2931. Li Tong, Han Xueshan. Reactive Power Optimization for Time-Varying Tracking of Maximum Output Power of Grid-Connected Photovoltaic Power Station. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(11): 2921-2931.

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