基于RobotStudio的機器人上下料工作站設計與仿真

趙偉博 李琳杰 齊鍇亮

摘 要：可再生能源具有隨機性和間歇性的特點，然而隨著分布式電網(wǎng)的滲透率不斷提高，其并網(wǎng)也給傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來了可靠性降低、雙向潮流、電能質量惡化等問題，傳統(tǒng)電網(wǎng)的被動調壓策略已難以為繼。主動配電網(wǎng)能支撐分布式電源的消納，通過有載分接開關（OLTC）協(xié)調可實現(xiàn)電壓控制。本文旨在闡述基于OLTC協(xié)調的主動配電網(wǎng)控制研究，先說明OLTC調壓對功率的影響，介紹各傳統(tǒng)電網(wǎng)調壓方法，并指出了各方法的弊端。再闡述基于OLTC調壓的主動配電網(wǎng)電壓控制方案，最后對該領域進行了展望和總結。

關鍵詞：有載分接開關;OLTC;主動配電網(wǎng);分布式電源（DG）;電力系統(tǒng)

中圖分類號：TP271 ? ? ?文獻標識碼：A

能源短缺和氣候變化是目前全球都需要面對的嚴峻問題，大力發(fā)展可再生能源是目前解決氣候變化和“減碳”最有前景的手段之一[1]。在第七十五屆聯(lián)合國大會上，中國指出，將提高國家自主貢獻力度 ，采取更有利的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，為應對能源結構變化，配電網(wǎng)改革也亟待進行[2]。

近年來，分布式電源（ DG）的滲透率不斷提高，傳統(tǒng)電網(wǎng)被動控制方式已難以為繼，為解決這些問題，傳統(tǒng)電網(wǎng)正在向主動配電網(wǎng)轉變。由于DG電能輸出具有隨機性和波動性，直接并入電網(wǎng)會造成配電網(wǎng)電壓波動和潮流分布不均，使用戶用電質量受影響[3]。對配電網(wǎng)電壓控制問題，通常都是通過調節(jié)有載分接開關（OLTC）或投切電容器實現(xiàn)電壓調節(jié)，而增加靜止無功發(fā)生器（SVG）等設備又將給電網(wǎng)帶來較大經濟負擔[4]。因此，主動配電網(wǎng)的電壓調節(jié)成了亟待解決的問題。目前研究策略主要有DG不參與調壓和DG主動參與調壓兩大類，無DG參與時主要通過OLTC與并聯(lián)電容器協(xié)同進行調壓，有DG參與時，則通過改變有功與無功輸出完成調壓。

1 OLTC調壓對功率的影響

OLTC因調壓范圍范圍較大、操作靈活、可隨時調節(jié)，還兼具經濟性等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)得到廣泛應用[5]。OLTC是變壓器內唯一需要機械動作的機構，其承擔著變壓器的調壓功能。含OLTC的變壓器線路等效電路圖可用圖1說明，圖1（a）是OLTC連接兩級電壓網(wǎng)絡示意圖，圖1（b）為圖1（a）的網(wǎng)絡等值回路圖。

由式（1）、（2）、（3）可知，當k>1，Y1為感性、Y2為容性;k=1， Y1=Y2=0;k<1，Y1為容性、Y2為感性。可見，OLTC調壓對功率的影響，其實相當于在空載電壓高的一次側加了并聯(lián)電容器，另一側則加了并聯(lián)電抗器，兩側分別吸收或產生無功功率。無功功率的性質由變比k決定，k若改變，變壓器兩側Y1、Y2也隨之改變，進而引起兩側網(wǎng)絡無功潮流分布，最終影響兩側電壓。由上述分析可知，OLTC調壓并不會產生無功功率，而是對變壓器兩側無功功率進行再分配。通常，變壓器一次側系統(tǒng)短路容量較大，Z1較小，二次側為負荷阻抗，Z2較大，若OLTC切換不當，在系統(tǒng)電壓因無功功率缺失而下降時，OLTC調壓錯誤不僅沒能補充缺額無功功率，反將無功缺額量轉移至高壓側，這將使得電網(wǎng)電壓嚴重下降，產生電壓崩潰。

2 傳統(tǒng)電網(wǎng)的調壓方式

2.1 發(fā)電機調壓

發(fā)電機調壓是為了滿足就近調壓的需求，通過改變勵磁電流來調節(jié)機端電壓UG，UG偏離額定值不超過±5%。一般適用供電線路短、線路電壓損耗小的電廠。但對于長線路的多級供電網(wǎng)而言，線路經過多級變換，且峰谷負荷變化較大，線路電壓損失較大，因此，僅靠發(fā)電機調壓無法滿足需求。此外，需要注意的是調節(jié)遠處負荷電壓時，機端電壓不能調的過高，需要外部調壓措施配合。

2.2 變壓器調壓

變壓器調壓是目前電力系統(tǒng)中使用最廣泛的調壓方式，可分無載調壓和有載調壓。無載調壓需要停電操作，步驟繁瑣，調壓范圍一般在10%內，周期長，經濟性較差。有載調壓是變壓器調壓的主要方法，通過OLTC切換分接頭完成調壓，其調壓速度快，操作簡單，調壓范圍較大，能帶載調壓[6]。典型含OLTC調壓方式電網(wǎng)如圖2所示，該網(wǎng)絡由配電系統(tǒng)、二次傳輸系統(tǒng)、主傳輸系統(tǒng)及發(fā)電機構成。直接向負荷中心供電的供電變壓器大多采用OLTC，OLTC所處系統(tǒng)必須是一個無功功率充足又相對比較平衡的系統(tǒng)才能起到靈活有效的調壓效果。在無功功率不足的系統(tǒng)中，僅OLTC調節(jié)無功不能滿足需求，還需要無功補償設備。

2.3 通過補償設備調壓

常見的補償設備有靜止無功補償器（SVC）、同步調相機、固定并聯(lián)電容器等[7]。SVC中晶閘管控制型應用較為廣泛，由電抗器、電容器和兩組反并聯(lián)的晶閘管構成，具有快速平滑調節(jié)的特點，但因其響應速度較快，當穩(wěn)態(tài)負荷增加或系統(tǒng)波動等因素達到輸出極限值時，不能對電壓進行動態(tài)控制。并且，SVC控制難度大，成本過高，運維繁瑣。同步調相機能夠自動根據(jù)系統(tǒng)需求來吸收或產生無功功率，通過過勵磁或欠勵磁的不同運行方式，發(fā)出容性或感性功率，但因其常處于過勵狀態(tài)，損耗和噪聲大、響應慢、發(fā)熱嚴重。隨著SVC的發(fā)展，同步調相機使用也逐漸減少。并聯(lián)電容器和電抗器的結構簡單，且具備經濟性，但無法根據(jù)負荷需求動態(tài)補償。

根據(jù)系統(tǒng)中OLTC分接頭的檔位以及電容器組無功出力變化對各節(jié)點電壓的影響程度，劃分OLTC以及電容器組的調壓區(qū)域。當系統(tǒng)中某些節(jié)點出現(xiàn)過電壓或欠電壓時，優(yōu)先調節(jié)該節(jié)點所在區(qū)域的調壓裝置。因此，對配電網(wǎng)進行分區(qū)時，應合理規(guī)劃OLTC及協(xié)調補償設備的調壓區(qū)域，再安排各調壓設備啟動次序，防止多裝置啟動產生沖突，充分利用各調節(jié)裝置的補償功能，以達到各設備的效益最大化。

3.2 基于離散變比OLTC的電壓調節(jié)

DG具有很強的間歇性和隨機性，考慮OLTC變比的離散性，或可有效解決這類問題，OLTC的變比一般檔位有1.25%、1.5%、2.5%，并非連續(xù)調節(jié)，其電壓控制算法是一研究熱點，OLTC變比是步長均勻的離散量，常見OLTC變比的控制算法有優(yōu)化算法、靈敏度算法，前者計算得到OLTC調節(jié)的最優(yōu)解，后者通過靈敏度指標來控制OLTC調壓[10]。但這兩者在時效性都有明顯缺陷，靠攏法則選不考慮離散變量取值約束，將所有變量視為連續(xù)變量求最優(yōu)解，取與最優(yōu)解最近的離散變量為最優(yōu)解，但在長補償時準確度低，甚至不收斂。近年來研究的算法有連續(xù)化算法、內嵌罰函數(shù)法、互補方法、確定性算法、現(xiàn)代智能算法[11]等，以上算法仍不夠滿足實際應用要求，尋求更加高效高精度的算法也該領域的一研究趨勢。

3.3 OLTC和DSTATCOM協(xié)調配合的有源配電網(wǎng)調壓

靜止同步補償器（STATCOM）是并聯(lián)型無功補償裝置，利用GTO構成可控電壓源或電流源，本質是自換相的電壓源型三相全橋逆變器，通過變壓器將其輸出電壓變換成系統(tǒng)電壓，圖5為主電路采用電壓源型橋式電路的STATCOM示意圖，其中直流側儲能電容對電壓起到支撐作用。直流電壓經STATCOM輸出為與電網(wǎng)電壓s幅值、頻率、相位均相等的交流電。

OLTC和無功補償裝置相配合進行調壓是含DG配電網(wǎng)較有效的調壓手段之一。配電網(wǎng)靜止同步補償器（DSTATCOM）雙向調節(jié)無功輸出的功能，無功調節(jié)能力增強，輸出的無功功率受電壓變化的影響小。對于DG接在線路末端的輻射型配電饋線，線路末端的電壓偏移最大，因此將DSTATCOM裝在饋線末端的DG并網(wǎng)點。當長饋線末端電壓嚴重越限時，僅靠OLTC調節(jié)電壓已不足以讓末端電壓回到安全范圍內，嚴重者可能導致二次側電壓越限。因此，需適當設定OLTC與DSTATCOM的電壓動作范圍，共同發(fā)揮OLTC和DSTATCOM的調壓功能，使變電站二次側維持在合理電壓范圍內。

3.4 基于模型預測的OLTC電壓控制

模型預測控制（MPC）根據(jù)當前測量信息，在線求解有閑時間開環(huán)優(yōu)化，并將解得的控制序列首個元素作用于被控對象，以此往復。模型預測控制具有建模簡單、精度要求低、魯棒性好等優(yōu)點，在許多工程中得到應用。將模型預測控制作為主動配電網(wǎng)的電壓控制策略也漸漸得到重視。文獻[12]基于MPC對含DG配電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)進行了研究。文獻[13]將MPC應用于電力系統(tǒng)，研究了輸電網(wǎng)長期電壓穩(wěn)定控制問題。文獻[14]則提出了一種主動配電網(wǎng)電壓控制策略，該策略通過建立靈敏度矩陣，構建了配電網(wǎng)電壓和儲能充放電狀態(tài)的預測模型，并針對OLTC調節(jié)進行了檢測控制策略，基于多步滾動優(yōu)化平滑地實現(xiàn)了配電網(wǎng)母線電壓調節(jié)，使得母線電網(wǎng)均控制在有效范圍內。

3.5 多時間尺度規(guī)劃

多時間尺度規(guī)劃基于“多級協(xié)調、逐級細化”的思路，利用相對細化的下一級時間尺度來修正相對粗放的上一級時間尺度調控策略的錯誤。該策略基于兩點提出：（1）不同設備動作時間尺度各有差別，如并聯(lián)電容器組、OLTC為小時級尺度，需要在日前或滾動優(yōu)化中確定其動作策略，DG、SVG則為適時調控設備，在秒級尺度;（2）可在生能源具有隨機性，因此預測時間越短則精度越高，若在小時級尺度上進行較為精準的預測，則可極大解決可再生能源隨機性和間歇性帶來的問題。當前已有不少研究基于隨機規(guī)劃或魯棒優(yōu)化的多時間尺度方法，基于確定性優(yōu)化的多時間尺度方法已取得了良好的應用效果。文獻[15]中將有功調度時間尺度分為日級、30-60分鐘級、5～15分鐘級、秒級四個類別，并構建對應的日前計劃、滾動計劃、實時調度計劃以及AGC的四個控制階段，結果顯示有效提升電力系統(tǒng)對風電的消化和吸收。

4 基于OLTC協(xié)調的主動配電網(wǎng)電壓控制

發(fā)展趨勢

計及DG入網(wǎng)的數(shù)量不斷增加，主動配電網(wǎng)是傳統(tǒng)電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，未來基于OLTC協(xié)調的主動配電網(wǎng)電壓控制研究趨勢有以下三個熱點：

（1）無功優(yōu)化技術。主動配電網(wǎng)涉及多種類無功調節(jié)設備的控制，如何協(xié)調各類無功可控資源是近年來的研究熱點，即無功優(yōu)化技術，旨在提高主動配電網(wǎng)消納可再生能源的能力，通過調控各類無功設備，達到改善電能質量的目的。

（2）OLTC調壓對電力系統(tǒng)的影響。電力系統(tǒng)中的電壓崩潰往往不止是電壓穩(wěn)定性單方面的問題，而是電壓失穩(wěn)和功角失穩(wěn)共同作用的結果。OLTC動作將改變系統(tǒng)潮流分布，OLTC變比不僅與電壓幅值有關，與電壓相角也有關。因此OLCT調壓對電力系統(tǒng)的影響還需要更進一步的分析。

（3）智能電網(wǎng)。隨著電力系統(tǒng)使用智能設備和數(shù)字通信升級，電網(wǎng)的智能化也是傳統(tǒng)電網(wǎng)必經的道路。新的電壓調節(jié)控制方案，可將含OLTC的變壓器控制為中心，旨在滿足現(xiàn)有電力系統(tǒng)的需求和未來智能電網(wǎng)的發(fā)展，以提高輸電和配電網(wǎng)的性能。

5 結 論

研究了現(xiàn)階段基于OLTC協(xié)調的主動配電網(wǎng)電壓控制策略。首先闡述了大量DG網(wǎng)并網(wǎng)造成電力系統(tǒng)可靠性降低、電能質量下降等問題。再列舉了傳統(tǒng)電網(wǎng)調壓方案，并指出各方案的局限性，已不足以應對大量DG并網(wǎng)帶來的電壓波動問題。進而，提出基于OLTC協(xié)調的主動配電網(wǎng)調壓方案，并總結了目前研究的熱點方案。最后，展望了該領域研究的發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1] 康重慶，姚良忠. 高比例可再生能源電力系統(tǒng)的關鍵科學問題與理論研究框架[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2017， 41（9）：2-11.

[2] 姚良忠，朱凌志，周明，等. 高比例可再生能源電力系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化運行技術展望[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2017， 41（9）：36-43.

[3] 錢科軍，袁越. 分布式發(fā)電技術及其對電力系統(tǒng)的影響[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2007， 35（13）：25-29.

[4] 張麗，徐玉琴，王增平，等，包含分布式電源的配電網(wǎng)無功優(yōu)化[J]. 電工技術學報， 2011， 26 （3） ：168-174.

[5] 朱閃閃. 有載調壓變壓器對電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響的研究[D]. 焦作：河南理工大學， 2010.

[6] 孟庭如. 含有分布式電源的配電網(wǎng)調壓方案研究[D]. 濟南：山東大學， 2016.

[7] 沈斐，姜齊榮，王兆平. 中國柔性交流輸電技術（FACTS）研究概況[J]. 四川電力， 2005， 1：1-7.

[8] VIAWAN F A，KARLSSON D，Coordinated voltage and reactive power control in the presence of distributed generation[C]. Power and Energy Society General MeetingConversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century， 2008， IEEE， 2008：1-6.

[9] 胡超. 主動配電網(wǎng)中無功功率全局協(xié)調控制策略[D]. 北京交通大學，2017.

[10]ESTEVAM C R N，RIDER M J，AMORIM E，et al. Reactive power dispatch and planning using a nonlinear branchandbound algorithm[J]. IET Generation Transmission & Distribution， 2010，4（8）：963-973.

[11]王艷艷. 考慮變比離散性的風電系統(tǒng)OLTC電壓控制算法研究[D]. 合肥工業(yè)大學，2016.

[12]FALAHI M，LOTFIFARD S，EHSANI M，et al. Dynamic modelpredictivebased energy management of DG integrated distribution systems[J]. IEEE Transactions on Power System， 2013， 28 （4） ： 2217-2226.

[13]王爽，謝敏，劉明波. 可行性恢復算法求解模型預測長期電壓穩(wěn)定控制問題[J]. 電工技術學報， 2012， 27 （9） ： 62-69.

[14]蔡宇，林今，宋永華，等. 基于模型預測控制的主動配電網(wǎng)電壓控制[J]. 電工技術學報， 2015， 30（23）：42-49.

[15]LI J，LIU C，SCHNEIDER K P. Controlled partitioning of a power network considering real and reactive power balance[J]. IEE transactions on smart grid， 2010，1 （3）： 261-269.