含分布式光伏的有源配電網(wǎng)無功電壓控制研究

石博隆，丁磊明，楊曉雷，黃金波，劉海瓊，鮑 威

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；3.浙江大學(xué)，杭州 310027）

0 引言

近年來我國分布式光伏發(fā)電規(guī)模不斷擴(kuò)大，并網(wǎng)容量不斷提高，呈現(xiàn)出“點多面廣、局部區(qū)域高密度并網(wǎng)”的格局[1]。大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)，可以提高清潔能源的比重，緩解能源壓力和環(huán)境問題[2]，但分布式光伏接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)從嚴(yán)格垂直的輻射式網(wǎng)絡(luò)變成一個遍布電源的主動配電網(wǎng)，增加了配電網(wǎng)電壓控制的難度[1-6]。當(dāng)光伏發(fā)電功率過大且無法全部就地消納時，其中部分功率將通過線路向系統(tǒng)電網(wǎng)倒送，造成用戶側(cè)節(jié)點電壓越限。用戶側(cè)節(jié)點電壓越限問題已成為限制光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)滲透率提高的重要因素之一[4]。為適應(yīng)高滲透率、大規(guī)模分布式光伏的接入，國內(nèi)外學(xué)者正積極研究主動配電網(wǎng)電壓控制方法和策略。

文獻(xiàn)[6]分析了單個光伏發(fā)電和多個光伏發(fā)電接入對輻射式饋線的影響，并仿真驗證了光伏發(fā)電出力、光伏接入位置、線路參數(shù)等因素對饋線電壓的影響。文獻(xiàn)[7]提出一種改進(jìn)的模塊度函數(shù)分區(qū)算法，結(jié)合無功、有功平衡度指標(biāo)與區(qū)內(nèi)節(jié)點耦合度指標(biāo)，自動形成最佳分區(qū)，對含高比例分布式光伏的配電網(wǎng)進(jìn)行無功與有功兩個層面的光伏集群控制。文獻(xiàn)[8]提出配電網(wǎng)分布式電壓控制策略，通過光伏系統(tǒng)的無功協(xié)調(diào)補(bǔ)償和有功優(yōu)化縮減實現(xiàn)電壓的低成本快速控制。文獻(xiàn)[9]提出一種充分挖掘分布式光伏無功能力的多電壓層級配電網(wǎng)雙層無功電壓協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，在多電壓層級配電網(wǎng)無功電壓協(xié)調(diào)控制模型中，建立電壓分區(qū)和主導(dǎo)節(jié)點選擇模型，采用上層全局優(yōu)化和下層分區(qū)優(yōu)化的雙層協(xié)調(diào)控制策略。

目前，高滲透率光伏配電網(wǎng)的電壓控制策略可分為分散式控制、集中式控制、分布式控制三大類[8-9]。分散式電壓控制方式控制響應(yīng)速度快，投資成本低，但調(diào)壓能力有限，可調(diào)節(jié)資源利用不充分；集中式電壓控制的目標(biāo)是實現(xiàn)系統(tǒng)全局優(yōu)化，可統(tǒng)一調(diào)配可控資源，但量測數(shù)據(jù)量大、通信負(fù)擔(dān)重且投資成本較高；分布式電壓控制具有良好的自治性和適應(yīng)性，相對于集中控制，系統(tǒng)投資少，通信數(shù)據(jù)量降低，能夠充分發(fā)掘分布式光伏系統(tǒng)的調(diào)壓能力。綜上所述，分布式電壓控制方法投資少，效率高，具有更好的優(yōu)越性。

本文分析了分布式光伏電源接入配電網(wǎng)引起電壓越限的基本原理，并針對分布式光伏并網(wǎng)電壓越限問題，對目前常用的電壓控制方法和控制策略進(jìn)行對比，提出分布式電抗器控制電壓方式，并通過電力系統(tǒng)分析程序BPA 仿真對比了電抗器的接入位置、接入容量對調(diào)壓效果的影響。

1 電壓越限基本原理

圖1 無源配電網(wǎng)等值電路

則線路的電壓關(guān)系為：

電流從電網(wǎng)側(cè)流向負(fù)荷側(cè)，有功方向為正值，線路末端電壓小于線路始端電壓。光伏并網(wǎng)接入后的等值電路如圖2 所示。

圖2 光伏并網(wǎng)等值電路

圖中PV 為分布式光伏電源，P 和Q 分別為光伏電源發(fā)出的有功和無功功率，則式（2）變?yōu)椋?/p>

對于10 kV 及以下電壓等級的配電網(wǎng)線路有R?X，當(dāng)光伏發(fā)電功率P 較大且無法全部就地消納時，其發(fā)出的部分功率將通過線路向電網(wǎng)側(cè)倒送，此時有功功率方向?qū)l(fā)生改變，即（PL-P）R將變?yōu)樨?fù)值，當(dāng)（PL-P）R 的絕對值大于（QL-Q）X時，將導(dǎo)致ΔU 變?yōu)樨?fù)值，從而使得線路末端即接入光伏電源的負(fù)載端電壓高于電網(wǎng)側(cè)變電站母線電壓，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的電壓越限問題。

小規(guī)模分布式光伏接入會影響局部配電網(wǎng)的無功電壓特性，而高滲透率分布式光伏的接入會影響配電網(wǎng)全局的無功電壓特性[5]，光伏出力大小、光伏接入位置、電網(wǎng)線路參數(shù)、負(fù)荷大小等因素均會對線路電壓造成影響。

2 分布式電抗器控制方式

目前地調(diào)AVC（自動電壓控制）系統(tǒng)只對重要節(jié)點進(jìn)行監(jiān)控，優(yōu)先滿足樞紐節(jié)點的電壓要求，無法兼顧大量分布式光伏接入帶來的潮流不確定性引起的線路過電壓問題[9]。針對線路過電壓問題，最直接但也最不經(jīng)濟(jì)的解決方式是增大線路導(dǎo)線半徑、減少線路阻抗。目前國內(nèi)外常用的電壓控制方法主要分為以下3 類： 光伏逆變器調(diào)壓[9，14-15]、無功補(bǔ)償裝置調(diào)壓[6]、儲能裝置調(diào)壓[6]。其中，無功補(bǔ)償裝置主要包括： 并聯(lián)電抗器補(bǔ)償、SVC（靜止無功補(bǔ)償器）、SVG（靜止無功發(fā)生器）、STATCOM（靜止同步無功補(bǔ)償器）等。上述各類電壓控制方法的優(yōu)缺點如表1 所示。

表1 過電壓控制方式對比

各種電壓控制方法中，逆變器調(diào)節(jié)方法最經(jīng)濟(jì)，其次是安裝電抗器補(bǔ)償裝置。但逆變器調(diào)節(jié)范圍有限，而AVC 系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)變電站母線電壓，因此本文提出在中壓配電網(wǎng)線路上加裝控制器和可控串聯(lián)電抗器或并聯(lián)電抗器，以實現(xiàn)分布控制各中壓線路電壓的方法，并通過仿真分析所需電抗器的容量。

如圖3 所示，在10 kV 線路上有多處接入負(fù)荷和分布式光伏，通過在變電站出口至配變1 之間的10 kV 線路上加裝1 臺控制器和1 臺可控電抗器，可控電抗器以串聯(lián)或并聯(lián)的方式接入。

控制器包括3 個模塊，分別是采集模塊、計算模塊、控制模塊。采集模塊負(fù)責(zé)實時收集線路各節(jié)點電壓、光伏出力、負(fù)荷等數(shù)據(jù)。當(dāng)線路出現(xiàn)過電壓時，計算模塊根據(jù)采集到的實時數(shù)據(jù)，結(jié)合線路型號、線路長度等參數(shù)數(shù)據(jù)，計算當(dāng)前所需投入的電抗器容量，再通過控制模塊改變電抗器的投切位置，以調(diào)節(jié)電抗器投入容量，統(tǒng)一控制整條線路的電壓。

圖3 電抗器控制方式示意

所需電抗器的容量根據(jù)線路參數(shù)、負(fù)荷大小、光伏容量計算得出，按末端電壓可能出現(xiàn)的最大值進(jìn)行配置。當(dāng)所需容量超過單臺電抗器容量上限時，可采取在10 kV 線路上多處加裝可控電抗器的方法。本文以加裝1 臺可控電抗器為例計算所需的容量。

3 仿真結(jié)果與分析

以圖4 所示的10 kV 線路負(fù)荷分布進(jìn)行BPA模型仿真計算，節(jié)點0 為變電站出口，其母線電壓標(biāo)幺值為U*=1.05 p.u.，10 kV 線路上共有2 個負(fù)荷，每個負(fù)荷節(jié)點均安裝最大容量為3 MVA的光伏。設(shè)定三段線路長度均相同，即節(jié)點0 至節(jié)點1 的線路長度、節(jié)點1 至節(jié)點2 的線路長度、節(jié)點1 至節(jié)點3 的線路長度均相同，節(jié)點2和節(jié)點3 的負(fù)荷、光伏的有功、無功注入相同。下文中線路長度均指節(jié)點0 至節(jié)點2 的長度。

圖4 10 kV 線路負(fù)荷分布示意

3.1 線路參數(shù)影響

（1）不同線路型號

采用相同的線路長度10 km，負(fù)荷有功為1 MW，負(fù)荷吸收0.2 Mvar 容性無功，光伏有功出力為3 MW，對于不同的線路型號： LGJ-50，LGJ-70，LGJ-90，LGJ-120，LGJ-150，LGJ-185和LGJ-240，各節(jié)點電壓變化曲線如圖5（a）所示。

（2）不同線路長度

采用相同的線路型號LGJ-70，負(fù)荷有功為1 MW，負(fù)荷吸收0.2 Mvar 容性無功，光伏有功出力為3 MW，對于不同的線路長度，各節(jié)點電壓變化曲線如圖5（b）所示。

圖5 不同參數(shù)下電壓變化曲線

由圖5 可見： 線路截面越小，末端電壓升高幅度越大；線路長度越長，末端電壓升高幅度越大。

3.2 電抗器接入位置影響

在圖4 所示節(jié)點0 至節(jié)點1 之間的線路上安裝電抗器，固定電抗器容量，改變其安裝在線路上的位置，對于串聯(lián)電抗器方式而言，串聯(lián)電抗器在同一段線路上的位置變化理論上對負(fù)荷的調(diào)壓效果沒有影響，因此以下通過仿真研究并聯(lián)電抗器接入位置的變化對調(diào)壓效果的影響。

設(shè)定線路型號為LGJ-240，線路長度為20 km，負(fù)荷有功為0.5 MW，光伏有功出力為3 MW，在節(jié)點0 至節(jié)點1 之間線路上并聯(lián)接入容量為1 Mvar 的電抗器，改變電抗器的接入位置，并聯(lián)電抗器與節(jié)點0 的距離與各節(jié)點電壓曲線見圖6。

圖6 并聯(lián)電抗器接入位置與電壓變化曲線

由圖6 可見，并聯(lián)電抗器接入位置的變化會影響調(diào)壓效果，距離線路末端越近，電壓的控制效果越好。

3.3 電抗器容量大小影響

選用線路型號LGJ-70，線路長度為10 km，負(fù)荷有功為1 MW，負(fù)荷吸收0.2 Mvar 容性無功，光伏出力為3 MW，在節(jié)點1 串聯(lián)或并聯(lián)不同容量的電抗器，對應(yīng)的節(jié)點1 與節(jié)點2 的電壓變化曲線如圖7 所示。

圖7 不同電抗器容量下的節(jié)點電壓變化

可見，串聯(lián)電抗器容量大小與降電壓的幅度呈非線性關(guān)系，而并聯(lián)電抗器容量大小與降電壓的幅度大致呈線性關(guān)系。

3.4 所需電抗器容量抽樣分析

為研究不同線路型號和不同線路長度的情況下，實現(xiàn)電壓控制所需的串聯(lián)電抗器、并聯(lián)電抗器的容量大小，本文采用隨機(jī)抽樣的方法對圖4所示模型進(jìn)行電抗器容量的需求分析，電抗器串聯(lián)或并聯(lián)至節(jié)點1 處以集中控制過電壓。

設(shè)定線路型號樣本包括LGJ-50，LGJ-70，LGJ-90，LGJ-120，LGJ-150，LGJ-185 和LGJ-240，光伏功率因數(shù)范圍為[0.95，1.0]，線路長度樣本為[0.2，20.0] km。抽樣過程中，線路型號采用離散隨機(jī)抽樣方法，其概率函數(shù)為：

式中：n 取7；ai為各線路型號；p（ai）為第i 種線路型號的取值概率，各型號取值概率均為1/n≈0.143。

對線路長度與光伏功率因數(shù)采用均勻分布的連續(xù)抽樣方法，其概率密度函數(shù)為：

式中： a，b 分別為線路長度、光伏功率因數(shù)取值的上限、下限。

同時，在抽樣過程中剔除未加裝電抗器時末端電壓小于1.07UN或大于1.15UN的模型樣本，以及加裝5 Mvar 以下串聯(lián)或并聯(lián)電抗器后，電壓仍無法低于1.07UN的樣本，得到共計500 組有效模型樣本。

3.4.1 所需容量大小對比

各抽樣樣本所需的串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電抗器的容量大小如圖8 所示，電抗器容量范圍分布如表2 所示。

圖8 各樣本所需電抗器容量

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可見：

（1）88.4%的樣本所需的串聯(lián)電抗器容量均小于1.0 Mvar，36.0%的樣本需要的并聯(lián)電抗器容量大于1.0 Mvar。

表2 電抗器容量范圍分布

（2）52.80%的樣本僅需低于0.5 Mvar 的串聯(lián)電抗器，24.20%的樣本僅需低于0.5 Mvar 的并聯(lián)電抗器。

3.4.2 容量大小在末端電壓區(qū)間上的分布對比

電抗器的容量大小與節(jié)點2 所在末端電壓區(qū)間的分布情況如圖9 所示。

圖9 串并聯(lián)電抗器容量分布

從圖9 可見，隨著末端電壓的升高，所需的串聯(lián)電抗器容量或并聯(lián)電抗器容量也大致呈現(xiàn)上升趨勢。

3.4.3 容量差值分布

計算所需并聯(lián)容量與串聯(lián)容量的差值，將差值從大到小排序，如圖10 所示。

圖10 串并聯(lián)電抗器容量差值曲線

經(jīng)統(tǒng)計可知，有92.4%的樣本所需的并聯(lián)電抗器容量大于該樣本所需的串聯(lián)電抗器容量，可見對于圖4 所示線路模型，大部分情況下采用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償方式所需的電抗器容量大于采用串聯(lián)電抗器補(bǔ)償方式所需的電抗器容量。

4 結(jié)論

本文分析了分布式光伏并網(wǎng)引起配電網(wǎng)電壓越限的基本原理，對目前常用的電壓控制方法和控制策略進(jìn)行對比，提出采用分布式電抗器控制電壓方式，并針對圖4 所示線路模型通過BPA 仿真分析了串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電抗器的接入位置與所需容量對比，最后通過抽樣分析不同線路型號和線路長度下所需的串聯(lián)電抗器與并聯(lián)電抗器的容量大小分布、容量差值分布等特征，得出以下結(jié)論：

（1）并聯(lián)電抗器安裝位置越靠近線路末端，電壓控制效果越好。

（2）大多數(shù)情況下采用串聯(lián)電抗器所需的容量小于并聯(lián)電抗器所需的容量。

（3）隨著末端電壓的升高，所需的串聯(lián)電抗器容量或并聯(lián)電抗器容量也大致呈現(xiàn)上升趨勢。

（4）串聯(lián)電抗器容量大小與降電壓的幅度呈非線性關(guān)系，而并聯(lián)電抗器容量大小與降電壓的幅度大致呈線性關(guān)系。

（5）大多數(shù)情況下，串聯(lián)小于1.0 Mvar 的電抗器，即可將電壓控制在允許范圍內(nèi)。

實際應(yīng)用中，在選擇分布式光伏并網(wǎng)電壓控制方法和控制策略時，需要結(jié)合實際光伏接入情況、線路參數(shù)情況、負(fù)荷情況，兼顧控制措施的有效性和經(jīng)濟(jì)性，以達(dá)到最佳控制效果。