基于可變功率和阻抗平抑主動配電網(wǎng)母線電壓偏差方法研究

黃利軍 王雷濤 李獻偉 盛京格 白貫雨

（許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

隨著分布式電源（distributed generation, DG）、儲能裝置、電動汽車等新元素接入配電網(wǎng)滲透率的不斷提高，給傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來的諸如電壓波動、損耗增加、潮流反送等影響日益擴大[1]。DG接入位置和容量不合適，可能導(dǎo)致系統(tǒng)某些薄弱母線失穩(wěn)，引起系統(tǒng)電壓崩潰[2]。此外，清潔能源發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)利用和用戶更苛刻的電能質(zhì)量需求，對傳統(tǒng)配電網(wǎng)的運行方式提出了新的挑戰(zhàn)。為此，國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）于2008年提出了主動配電網(wǎng)的理念。

主動配電網(wǎng)（active distribution network, ADN）是在主網(wǎng)配網(wǎng)協(xié)同控制的基礎(chǔ)上，具有分布式發(fā)電、儲能和需求側(cè)響應(yīng)等電源、負荷調(diào)控手段，能夠針對電力系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)其電源、網(wǎng)絡(luò)及負荷的配電網(wǎng)[3]。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，ADN有機整合先進信息通信、電力電子及智能控制等技術(shù)，為實現(xiàn)分布式可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)與高效利用提供了一種有效解決方案[4]。盡管 ADN具備了DG、儲能裝置等優(yōu)化調(diào)控的物理條件，但由于上述條件具有隨機性、不確定性等特點，通常造成ADN電壓波動，因此如何通過有效手段保障ADN電壓在允許的范圍內(nèi)已成為研究的熱點之一。

針對新能源不斷接入下的配電網(wǎng)，如何控制其電壓穩(wěn)定，國內(nèi)外學(xué)者展開了多方面的研究。文獻[5]分析了接入不同電壓等級母線、不同滲透率條件下的光伏電源對配電網(wǎng)電壓偏差的影響規(guī)律，對不同滲透率光伏電源的并網(wǎng)位置提出了合理建議。文獻[6]指出光伏接入配電網(wǎng)節(jié)點電壓的大小與光伏出力、接入位置及線路阻抗和初始端電壓有關(guān)，并針對光伏總接入容量過大時所造成的接入點電壓越上限，提出了采用P-U下垂調(diào)節(jié)方法抑制過電壓；在弱通信能力的低壓配電網(wǎng)中，文獻[7-8]提出了“分布式+就地”和“集中式+就地”改進的儲能控制策略，最終通過分布式（集中）階段和就地階段之間的不斷迭代和調(diào)整實現(xiàn)對電壓的控制。文獻[9]為解決 ADN中分布式能源和儲能系統(tǒng)對電壓波動造成的影響，提出了通過 DG、儲能系統(tǒng)和有載調(diào)壓變壓器，采用最小控制成本的方案對電壓進行控制。文獻[10]應(yīng)用分布式電壓主動控制策略，采取主動負荷、變壓器分接頭、DG有功功率和功率因數(shù)相結(jié)合的方式進行電壓控制，實現(xiàn)穩(wěn)定配電網(wǎng)電壓的目的。文獻[11]使用儲能裝置實現(xiàn)配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)，提出一種基于多種低碳技術(shù)的電壓控制策略。文獻[12]指出DG接入配電網(wǎng)饋線中后段、分散接入比集中接入更有利于提高靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性，且隨著DG接入配電網(wǎng)一定容量的增加，節(jié)點電壓呈正相關(guān)的增長。文獻[13]指出光伏發(fā)電滲透率越高，則逆向的功率越顯著，導(dǎo)致饋線電壓上升甚至出現(xiàn)越上限的情況；同時分析了DG滲透率對配網(wǎng)電壓的影響，指出DG滲透率越大對電壓的支撐作用越大。針對傳統(tǒng)電容器組不能頻繁投切調(diào)壓的情況，文獻[14]提出基于靈敏度分析法綜合調(diào)節(jié)DG出力和投切電容器組來調(diào)節(jié)電壓，通過仿真證明調(diào)節(jié)DG出力能有效改善調(diào)壓。文獻[15]提出了基于牛頓－拉夫遜的三相連續(xù)潮流算法，并以此為工具，將DG接入母線視為PQ和PV節(jié)點，對含DG的配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行了分析。上述研究從不同角度分析了DG接入配電網(wǎng)對電壓造成的影響，并提出了一些治理措施，但在如何最大化利用新能源、通過改變負荷總功率和輸電線路的電壓損失，平抑負荷端電壓波動，相關(guān)的研究還比較匱乏。

近年來，由于柔性負荷（flexible load, FL）[16]日益增多，負荷類型和特性更加豐富，為配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)提供了新的手段和方案，因此，本文根據(jù)DG、FL、輸電線路阻抗對電壓損失的影響，提出一種基于可變功率和阻抗平抑ADN電壓偏差的方法。該方法首次提出根據(jù)電壓偏差方向，對DG輸出功率、饋線阻抗和負荷總功率進行協(xié)調(diào)控制，以改變饋線電壓損失，平抑負荷母線電壓偏差。

1 平抑負荷母線電壓偏差分析

1.1 電壓偏差因素分析

電壓偏差是指供電網(wǎng)絡(luò)中某點的實際電壓同該處的額定電壓之差。ADN在運行過程中，由于負荷和DG功率變化、運行方式變化導(dǎo)致系統(tǒng)阻抗變化等因素，使得各部分的電壓實時處于動態(tài)變化中，從而出現(xiàn)電壓可能越上限或下限的現(xiàn)象，因此通過分析各因素對電壓偏差的影響，能夠為制定平抑電壓偏差的合理策略奠定基礎(chǔ)。

在配電網(wǎng)系統(tǒng)額定電壓恒定的情況下，電壓偏差涉及系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β逝c綜合電阻的乘積、系統(tǒng)傳輸?shù)臒o功功率與綜合電抗的乘積兩方面的因素，如式（1）所示。

式中，UΔ為負荷母線處的電壓損失，UN為系統(tǒng)額定電壓，PL和 QL分別為負荷的總有功功率和總無功功率，R和X分別為輸電線路等效電阻和電抗。

由式（1）得到此時負荷母線處的實際電壓U可表示為

由式（2）可知，若出現(xiàn)負荷母線處的實際電壓超出允許的范圍，則通過調(diào)節(jié)負荷功率和輸電線路的綜合阻抗，可改變線路電壓損耗，實現(xiàn)平抑電壓偏差的目標(biāo)。

1.2 可變負荷功率平抑負荷母線電壓偏差可行性分析

配電網(wǎng)在一定的運行方式下，負荷功率的變化將引起主要供電元件（如線路、變壓器等）電壓損失的變化，使受端電壓出現(xiàn)偏差。

隨著儲能裝置、電動汽車等 FL的出現(xiàn)和滲透率的不斷提高，與配電網(wǎng)中近乎剛性用電需求的重要負荷相比，F(xiàn)L可在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)其用電行為的優(yōu)點提高了負荷總功率調(diào)控的便利性，為通過改變負荷功率平抑負荷母線電壓偏差提供了新方法。

1.3 DG平抑負荷母線電壓偏差可行性分析

傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般呈輻射狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)態(tài)運行狀況下，沿饋線潮流方向，電壓逐漸降低。在ADN中，由于 DG的接入，整個系統(tǒng)由一個放射狀的網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€電源和用戶互聯(lián)的有源網(wǎng)絡(luò)，從而在負荷功率一定的情況下，必然會引起輸電線路中傳輸功率的變化，導(dǎo)致線路上電壓損失的改變，進而引起受端電壓出現(xiàn)偏差。

在圖1所示含DG的ADN中，輸電線路的電壓損失可表示為[17]

圖1 ADN架構(gòu)示意圖

式中，PDG和 QDG分別為 DG接入配電網(wǎng)的有功功率和無功功率。

此時負荷母線的實際電壓U表示為[17]

由式（3）、式（4）可知，當(dāng)負荷母線接入DG時，隨著DG接入功率的變化，輸電線路電壓損失可能為正值或負值，從而使母線實際電壓可能大于所允許的最大值或小于所允許的最小值，因此通過調(diào)節(jié)DG的輸出功率可實現(xiàn)平抑負荷母線電壓偏差。

1.4 可變阻抗平抑負荷母線電壓偏差可行性分析

電力系統(tǒng)電壓偏差的原因是由于變化的負荷電流通過阻抗元件引起電壓損失造成的。由式（3）、式（4）可知，在負荷總功率和DG接入功率不變的情況下，若改變通過電流元件的阻抗，則電壓損失也將發(fā)生變化，從而實現(xiàn)平抑負荷母線電壓偏差的目標(biāo)。

2 基于可變功率和阻抗平抑負荷母線電壓偏差流程分析

在ADN中，DG的合理分布可對配電網(wǎng)電壓起支撐作用，增強系統(tǒng)的電壓強度，平抑電壓波動，起到調(diào)節(jié)電壓偏差的作用[18]。由于輸電線路阻抗能夠影響負荷端電壓偏差，對于對供電可靠性有特殊要求的負荷，在負荷和電源功率調(diào)節(jié)困難的情況下，可通過增加柔性線路改變線路綜合阻抗調(diào)節(jié)電壓偏差，其中柔性線路是指可在任意時間段進行投切、電阻和電抗能夠靈活改變的線路。

綜上所述，本節(jié)根據(jù)圖1的配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，通過改變DG功率、柔性線路阻抗和FL功率3種因素，對ADN負荷母線電壓正負偏差進行調(diào)節(jié)，整體調(diào)節(jié)流程如圖2所示。

圖2 負荷母線電壓偏差整體調(diào)節(jié)流程

圖2中，ADN主站系統(tǒng)對柔性線路和FL進行投切，未對ADN母線電壓偏差進行調(diào)節(jié)前，兩者均處于冷備用狀態(tài)。

3 基于可變功率平抑負荷母線電壓正向偏差策略研究

傳統(tǒng)配電網(wǎng)運行時，負荷變化可能造成不同節(jié)點電壓抬升，使電壓正向偏差超出允許范圍，而ADN中的DG，又會造成不同節(jié)點出現(xiàn)電壓正偏差。鑒于 FL具有靈活可變的特性和重要負荷對供電可靠性的苛刻需求，為了盡可能最大化的利用 DG，本文根據(jù)圖1配電網(wǎng)典型架構(gòu)，研究將FL與DG相結(jié)合，平抑負荷母線電壓正向偏差的策略。

ADN運行時，若負荷母線電壓U滿足 UN≤U≤Umax（Umax為重要負荷正常運行時的最大電壓），則配電網(wǎng)正常運行；若Umax＜U，則在重要負荷（important load, IL）和DG功率、輸電線路Y1阻抗不變的情況下，投入FL，并調(diào)節(jié)其功率，使之滿足式（5）的關(guān)系，以減小輸電線路的電壓損失，實現(xiàn) UN≤U ≤ Umax；若投入FL不能實現(xiàn)平抑負荷母線電壓偏差的目標(biāo)，則保持此時已經(jīng)投入的 FL功率不變，進一步通過降低DG的輸出功率使之滿足式（6）的關(guān)系，實現(xiàn)平抑負荷母線電壓偏差。上述調(diào)節(jié)流程如圖3所示。

圖3 基于可變功率平抑母線電壓正向偏差流程

式中，PL=PIL+PFL，QL=QIL+QFL。

上述策略中，為實現(xiàn)平抑負荷母線電壓偏差的目標(biāo)，可以投入單個或多個FL，以及調(diào)節(jié)單個或多個 DG的接入功率。若電壓正向偏差過高，即使投入全部FL或切除全部DG仍不能使電壓恢復(fù)至正常范圍內(nèi)，則可通過有足夠容量的能進行雙向調(diào)節(jié)的無功補償裝置如調(diào)相機、裝有并聯(lián)電抗器的電容器組、靜止無功補償器等，使母線電壓恢復(fù)至允許的范圍。

4 基于可變功率和阻抗平抑負荷母線電壓負向偏差策略研究

在負荷所需功率不變的 ADN中，由于負荷端DG接入功率的變化能夠引起輸電線路所傳輸功率的變化，從而改變輸電線路電壓損失，因此基于輸電線路可變傳輸功率，能夠?qū)ω摵赡妇€電壓偏差進行平抑。

對供電電壓有特殊需求的重要負荷，當(dāng)電壓出現(xiàn)負偏差超出所允許的范圍時，亦可考慮通過調(diào)節(jié)輸電線路的阻抗平抑受電端電壓偏差。為此，本文根據(jù)圖1配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，將DG與阻抗可變的柔性線路相結(jié)合，研究平抑負荷母線電壓負向偏差的策略。

ADN運行時，若負荷母線電壓U滿足 Umin≤U≤UN（Umin為重要負荷正常運行時所允許的最小電壓），則系統(tǒng)正常運行，僅通過輸電線路 Y1向重要負荷進行供電；若 U ＜Umin，則保持IL功率和輸電線路Y1阻抗不變，增大DG的輸出功率，使其滿足式（7）的關(guān)系，以減小輸電線路電壓損失，平抑負荷母線電壓至允許的范圍內(nèi)；若通過調(diào)節(jié) DG不能實現(xiàn) Umin≤ U ≤ UN，則保持IL和此時DG接入功率不變，投入柔性線路Y2，通過調(diào)節(jié)其阻抗，使之滿足式（8）的關(guān)系，實現(xiàn) Umin≤ U ≤ UN，上述調(diào)節(jié)流程如圖4所示。

圖4 負荷母線電壓負向偏差調(diào)節(jié)流程

式中，

若電壓負向偏差過大，即使切除全部 FL或投入全部DG仍不能使電壓恢復(fù)至正常范圍，則可通過直接在低壓電網(wǎng)終端上加裝適量的無功補償裝置，改善電壓質(zhì)量，使母線電壓恢復(fù)至允許的范圍，保障配電網(wǎng)的可靠經(jīng)濟運行[19]。

5 算例仿真

為驗證本文所提方法的可行性，以圖1配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)為例，搭建如圖5所示的Matlab/Simulink仿真模型，DG、FL、IL分別為等效的分布式電源、柔性負荷、重要負荷，通過調(diào)節(jié) DG直流電壓改變其輸出功率，負荷額定線電壓為380V。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，低壓 380V配電網(wǎng)系統(tǒng)單相電壓偏差峰值范圍為[280, 333]。線路 Y1采用電纜輸電，忽略其電容影響，單位電阻和電感分別為 R =0.271Ω/km、L= 0 .2771mH/km，相關(guān)的初始參數(shù)見表1。

圖5 電壓偏差調(diào)節(jié)策略仿真模型

表1 配電網(wǎng)系統(tǒng)初始參數(shù)

5.1 基于可變功率平抑負荷母線電壓正向偏差策略仿真

根據(jù)初始條件，仿真得到母線電壓峰值為300V，如圖6所示，滿足允許的范圍。

若電源電壓為450V，母線峰值電壓則為354V，超出允許范圍，如圖 7所示。在 0.03s投入并調(diào)節(jié)FL有功功率 200kW，得到結(jié)果如圖 8所示。調(diào)節(jié)FL有功功率120kW，無功功率50kvar，得到結(jié)果如圖9所示。

圖6 初始條件下負荷母線峰值電壓

圖7 電源電壓為450V時負荷母線峰值電壓

圖8 投入FL有功功率時負荷母線峰值電壓

圖9 投入FL有功和無功功率時負荷母線峰值電壓

若投入FL有功功率120kW、無功功率50kvar，不能平抑母線電壓至允許范圍，則在0.06s調(diào)節(jié)DG電壓為110V，降低輸出功率，使母線電壓至允許范圍，如圖10所示。

圖10 調(diào)節(jié)FL和DG功率時負荷母線峰值電壓

由圖 6至圖 10可知，當(dāng)電源電壓正向波動和FL功率充足時，通過調(diào)節(jié)FL功率，能夠?qū)崿F(xiàn)平抑負荷母線電壓波動的目標(biāo)；當(dāng)FL功率不足而DG功率充足時，通過調(diào)節(jié)DG功率，可進一步平抑負荷母線電壓波動。

5.2 基于可變功率和阻抗平抑負荷母線電壓負向偏差策略仿真

ADN運行時，若電源電壓為 350V，母線峰值電壓則為272V，低于允許范圍，如圖11所示。在0.03s提高DG的電壓至660V，增大輸出功率，仿真結(jié)果如圖12所示。若增大DG輸出功率不能平抑母線電壓至允許的范圍，則在 0.06s投入柔性線路通過調(diào)節(jié)其阻抗為0.0213 + j 0.03238(Ω)，使負荷母線電壓至允許的范圍，如圖13所示。

圖11 電源電壓為350V時負荷母線峰值電壓

由圖11至圖13可知，在母線電壓負向偏差和負荷總功率恒定的情況下，通過調(diào)節(jié) DG的電壓進而改變其接入配電網(wǎng)的功率，可實現(xiàn)平抑負荷母線電壓波動的目標(biāo)。若DG輸出功率不能平抑母線電壓至允許的范圍，則通過改變輸電線路總阻抗的方式以減少電壓損失，也可實現(xiàn)平抑負荷母線電壓波動。

圖12 增大DG輸出功率時負荷母線峰值電壓

圖13 投入線路Y2時負荷母線峰值電壓

6 結(jié)論

本文利用Matlab/Simulink仿真軟件，針對主動配電網(wǎng)負荷母線端電壓的波動，通過分析平抑電壓偏差流程，研究了基于可變功率和阻抗平抑電壓偏差策略，所得結(jié)論如下：

1）在主動配電網(wǎng)中，將柔性負荷靈活可調(diào)的特性與對分布式電源主動控制及管理的特點相結(jié)合，能夠在最大化利用分布式電源的同時，平抑負荷母線電壓偏差。

2）通過調(diào)節(jié)負荷母線端接入DG的功率，改變負荷等值總功率，進而改變負荷饋線傳輸功率，可實現(xiàn)平抑負荷母線電壓偏差。

3）將分布式電源和阻抗可變的柔性線路相結(jié)合，可更靈活地改變配電網(wǎng)饋線電壓損失，使饋線端母線電壓滿足負荷需求。

受FL或DG接入配電網(wǎng)的功率所限，可能存在極端情況下通過調(diào)節(jié)兩者功率均不能實現(xiàn)母線電壓恢復(fù)至正常范圍的目標(biāo)，此時仍需要通過其他方法調(diào)節(jié)母線電壓。此外，采用本文所提出的電壓偏差調(diào)整策略中，涉及裝置的投切和功率的調(diào)節(jié)，在此過程中，負荷能否承受短時間內(nèi)母線電壓波動或引起電能質(zhì)量惡化是未來需要進一步研究的工作。

參考文獻

[1] 嚴藝芬, 吳文宣, 張逸. 主動配電網(wǎng)規(guī)劃關(guān)鍵問題研究[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(11): 1-5, 20.

[2] 康魯豫, 朱順, 劉剛. 考慮電壓穩(wěn)定和網(wǎng)損的分布式電源最優(yōu)選址和定容[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(2):1-5, 22.

[3] 蒲天驕, 劉克文, 李燁, 等. 基于多代理系統(tǒng)的主動配電網(wǎng)自治協(xié)同控制及其仿真[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2015, 35(8): 1864-1874.

[4] 張建華, 曾博, 張玉瑩, 等. 主動配電網(wǎng)規(guī)劃關(guān)鍵問題與研究展望[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(2): 13-23.

[5] 劉海濤. 不同滲透率條件下的光伏電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓偏差的影響[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(9): 47-50,58.

[6] 李瑞生, 翟登輝. 光伏DG接入配電網(wǎng)及微電網(wǎng)的過電壓自動調(diào)節(jié)方法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2015, 43(22): 62-68.

[7] Wang Yu, Wang Benfei, So PL. A voltage regulation method using distributed energy storage systems in LV distribution networks[C]//2016 IEEE International Energy Conference (Energycon), 2016: 1-6.

[8] Worthmann K, Kellett C M, Braun P A, et al.Distributed and decentralized control of residential energy systems incorporating battery storage[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, 6(4): 1914-1923.

[9] 蔡宇, 林今, 宋永華, 等. 基于模型預(yù)測控制的主動配電網(wǎng)電壓控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(23):42-49.

[10] 徐弢, 李天楚, 郭凌旭, 等. 主動負荷參與配電網(wǎng)分布式智能電壓控制[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2016, 28(1): 17-23.

[11] Wang Pengfei, Liang D H, Yi Jialiang, et al.Integrating electrical energy storage into coordinated voltage control schemes for distribution networks[J].IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(2): 1018-1032.

[12] 張曦, 張寧, 龍飛, 等. 分布式電源接入配網(wǎng)對其靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響多角度研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45(6): 120-125.

[13] Bokhari A, Raza A, Diaz-Aguilo M, et al. Combined effect of CVR and DG penetration in the voltage profile of Low-Voltage secondary distribution networks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2016, 31(1): 286-293.

[14] 付英杰, 汪沨, 陳春, 等. 考慮分布式電源的配電網(wǎng)電壓控制新方法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2015, 27(6): 26-31.

[15] Sheng Hao, Chiang H D. CDFLOW: A practical Tool for tracing stationary behaviors of general distribution networks[J]. IEEE Transactions on Power Systems,2014, 29(3): 1365-1371.

[16] 楊勝春, 劉建濤, 姚建國, 等. 多時間尺度協(xié)調(diào)的柔性負荷互動響應(yīng)調(diào)度模型與策略[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2014, 34(22): 3664-3673.

[17] 王璟, 蔣小亮, 楊卓, 等. 光伏集中并網(wǎng)電壓約束下的準(zhǔn)入容量與電壓波動的評估方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2015, 39(9): 2450-2457.

[18] 肖浩, 裴瑋, 鄧衛(wèi), 等. 分布式電源對配電網(wǎng)電壓的影響分析及其優(yōu)化控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,2016, 31(S1): 203-213.

[19] 湯雍, 張啟蒙, 王剛, 等. 低壓線路終端模塊化智能型無功補償裝置的設(shè)計[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(7):34-39.