面向電壓越限問題的配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制策略研究

王 劍，付永剛

（國網(wǎng)山東省電力公司 壽光市供電公司，壽光262700）

電壓的穩(wěn)定對電力設(shè)備的使用周期和用戶用電的質(zhì)量等方面有著重大的影響[1]。目前含分布式電源配電網(wǎng)的常用電壓控制方式為無功或者有功功率的方式[2]。在配電網(wǎng)協(xié)同電壓的控制過程中，就地電壓控制器通過本地的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償設(shè)備完成電壓調(diào)整，相鄰就地電壓控制器相互間可傳輸無功功率缺額和節(jié)點(diǎn)越線電壓。同時配電網(wǎng)電壓和無功功率有著緊密的聯(lián)系，國內(nèi)外的相關(guān)研究已經(jīng)在這一方面取得巨大的成績。但現(xiàn)階段仍然還沒有合理且有效的方法解決臨近分布式電源接入點(diǎn)電壓越線的情況[3]。此次研究提出針對電壓越線問題的配電網(wǎng)協(xié)同電壓的控制方法，在節(jié)點(diǎn)電壓和有功及無功功率兩者關(guān)系上，分析分布式電源對節(jié)點(diǎn)電壓的有功和無功功率的改變。

1 含分布式電源的配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制方案

1.1 配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制策略分析

此次研究提出一種分層分布式配電網(wǎng)協(xié)同電壓的控制方法，滿足含多個分布式電源的全線電壓控制，仿止電壓出現(xiàn)越線的問題。隨著分布式電源和無功補(bǔ)償設(shè)備出力而變化，線路中節(jié)點(diǎn)電壓的水平也會有所改變[4]。研究設(shè)置線路中每個節(jié)點(diǎn)包含無功補(bǔ)償裝置和分布式電源，如果兩者均沒有，則視為功率為0，分布式電源接入配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。標(biāo)記節(jié)點(diǎn)k 處的電壓幅值為Uk，該處分布式電源傳送的有功功率是pDG，k，QRE，k是指該節(jié)點(diǎn)處無功設(shè)備傳遞出的無功功率。

圖1 分布式電源接入配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of distributed generation connected to distribution network

節(jié)點(diǎn)電壓和分布式電源的有功功率與無功功率存在一定關(guān)系，節(jié)點(diǎn)電壓的計算公式為

式中：U0指線路前端電壓幅值；Xi指電抗值。從k 節(jié)點(diǎn)電壓與j 節(jié)點(diǎn)無功設(shè)備的無功功率的靈敏度和j節(jié)點(diǎn)有功功率的靈敏度計算公式可以看出，節(jié)點(diǎn)電壓與有功和無功功率的靈敏度關(guān)系主要取決于節(jié)點(diǎn)j 的位置。如果節(jié)點(diǎn)j 在k 節(jié)點(diǎn)的下游，則靈敏度的值相對較大；如果節(jié)點(diǎn)j 所處的位置位于變電站母線出口處，則靈敏度值相對較小。因此本地節(jié)點(diǎn)和下游節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)電壓的能力最強(qiáng)。配電網(wǎng)采用相同導(dǎo)線條件下，電壓-有功功率和電壓-無功功率耦合能力比值為線路的抗阻比值。線路中任意2 個節(jié)點(diǎn)之間的耦合能力比值直接相關(guān)于阻抗值。當(dāng)線路的阻抗值相對較大時，電壓和有功功率兩者的耦合作用就越大，反之，電壓和無功功率兩者的耦合作用就越大[5]。

研究保證分布式電源接入點(diǎn)處的電壓在合理電壓限值內(nèi)，結(jié)合節(jié)點(diǎn)處的無功補(bǔ)償功率進(jìn)行考慮，確保系統(tǒng)功率供需穩(wěn)定。由公式（1）可知，分布式電源以最大功率因數(shù)點(diǎn)運(yùn)行，若節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率保持穩(wěn)定，則節(jié)點(diǎn)電壓相關(guān)于無功設(shè)備的無功功率。當(dāng)降低越限電壓為目標(biāo)限值電壓Uk，lim，則得到越限節(jié)點(diǎn)處無功設(shè)備的無功功率的公式和分布式電源的有功功率的公式。通過無功功率計算公式得知，分布式電源接入配電網(wǎng)后，配電區(qū)域中的無功補(bǔ)償設(shè)備的無功功率會直接影響所有節(jié)點(diǎn)的電壓水平，前者和后者分別是控制量和被控量[6-7]。理想狀態(tài)下，每個分布式電源接入點(diǎn)都需要裝入數(shù)量足夠的無功補(bǔ)償設(shè)備，假如數(shù)量低于分布式電源的數(shù)量，則無功補(bǔ)償?shù)娜萘靠赡軙谋M，無法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓控制[8]。配電網(wǎng)正常運(yùn)行的條件下，分布式節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在最大功率因數(shù)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)電壓越線，電壓控制方法為增加越線節(jié)點(diǎn)處的無功補(bǔ)償設(shè)備無功功率。設(shè)置節(jié)點(diǎn)j 和節(jié)點(diǎn)k 是兩個電壓越線的節(jié)點(diǎn)，則計算公式為

聯(lián)立式（2）和式（3），可以得到越線電壓降低至目標(biāo)限值時，補(bǔ)償設(shè)備提供的無功功率QRE，k和QRE，j。依據(jù)前述靈敏度分析，首先選擇下游無功設(shè)備調(diào)節(jié)電壓，k 節(jié)點(diǎn)的無功借調(diào)功率表達(dá)式為

式中：Qcap，k是指k 節(jié)點(diǎn)無功設(shè)備補(bǔ)償容量；k+是指k 節(jié)點(diǎn)下游處容量充足的節(jié)點(diǎn)。

若節(jié)點(diǎn)下游無功容量消耗完后，節(jié)點(diǎn)電壓仍然超過限值，那么需要上游節(jié)點(diǎn)的無功設(shè)備的幫助，無功借調(diào)功率的計算公式為

式中：k-是指k 節(jié)點(diǎn)下游處容量充足的節(jié)點(diǎn)。假如整條饋線中的無功設(shè)備容量均耗完且節(jié)點(diǎn)電壓仍然沒有得到控制，則減少分布式電源的有功功率的消耗控制電壓。j 節(jié)點(diǎn)和k 節(jié)點(diǎn)對應(yīng)電壓分別為

聯(lián)立式（6）和式（7），則可以得到兩個節(jié)點(diǎn)電壓降至目標(biāo)限值相應(yīng)的有功縮減功率。同時，需要對無功的輸出功率、有功功率縮減量額進(jìn)行修正避免誤差對計算結(jié)果的影響。

1.2 配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制策略流程

研究所提出的配電網(wǎng)的饋線層協(xié)同電壓控制策略以有功/無功功率借調(diào)的形式調(diào)整電壓，具體的實(shí)現(xiàn)示意圖如圖2 所示。

圖2 配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制策略示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution network cooperative voltage control strategy

第1步：依據(jù)線路中所有節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷狀態(tài)設(shè)定分布式電源的接入節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)電壓限值；

第2步：實(shí)時監(jiān)測有功輸出功率、無功輸出功率、接入節(jié)點(diǎn)電壓，從而緩慢恢復(fù)有功功率的輸出，減低無功功率輸出，此階段分為4 種情況[9-10]：其一，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓沒有超出限制，繼續(xù)進(jìn)行第2 步的操作；其二，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓超過目標(biāo)電壓上限，但無功補(bǔ)償設(shè)備的容量還沒有達(dá)到最大值，則進(jìn)行第3 步操作；其三，若節(jié)點(diǎn)電壓值已經(jīng)超出電壓限值，同時無功補(bǔ)償設(shè)備的容量達(dá)到最大值，則進(jìn)行第4 步操作；其四，若節(jié)點(diǎn)電壓值已經(jīng)超出電壓限值，同時全線路的無功補(bǔ)償設(shè)備的容量到達(dá)極限，則進(jìn)行第4和第5 步操作；

第3步：在無功功率補(bǔ)償過程中增加越限節(jié)點(diǎn)處無功功率，同時計算無功功率，并對計算結(jié)果進(jìn)行修正。完成以上操作后，進(jìn)入第5 步；

第4步：在無功功率的借調(diào)過程中，依據(jù)就近原則向上游和下游擁有充足無功功率的補(bǔ)償設(shè)備請求無功功率，同時計算無功輸送功率，并對得到的結(jié)果進(jìn)行修正。完成以上操作后，進(jìn)入第6 步；

第5步：在有功縮減階段，電壓控制的方法是就地降低所有越線節(jié)點(diǎn)的有功功率，同時計算分布式電源有功功率，并對計算結(jié)果進(jìn)行修正；

第6步：控制越線節(jié)點(diǎn)無功補(bǔ)償設(shè)備輸出，包括是否輸出和輸出量大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓控制。完成上述操作后直接跳轉(zhuǎn)到第2 步；

第7步：通過越線附近的無功補(bǔ)償設(shè)備實(shí)現(xiàn)電壓控制，主要是無功補(bǔ)償設(shè)備輸出的控制量大小。完成上述操作后同樣跳轉(zhuǎn)至第2 步；

第8步：通過越線節(jié)點(diǎn)附近的分布式電源的控制量大小實(shí)現(xiàn)電壓控制。完成上述操作后同樣跳轉(zhuǎn)至第2 步。

2 配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制效果分析

2.1 IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)仿真分析

研究采用IEEE33 節(jié)點(diǎn)饋線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)算例模型進(jìn)行配電網(wǎng)的協(xié)同控制電壓準(zhǔn)確性分析，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。仿真實(shí)驗(yàn)在算例的4，11，28 號3 個節(jié)點(diǎn)分別連接分布式電源，有功功率分別為3MW，2MW，3MW，無功設(shè)備容量設(shè)置為20%的分布式的電源有功功率。

圖3 IEEE33 節(jié)點(diǎn)饋線系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.3 Topology diagram of IEEE33 node feeder system

不同控制策略下所有節(jié)點(diǎn)電壓變化情況如圖4所示，藍(lán)色線段表示未調(diào)整之前的電壓，4 號節(jié)點(diǎn)的電壓為1.0336 p.u.，而11 號節(jié)點(diǎn)和28 號節(jié)點(diǎn)的電壓分別為1.0664 p.u.和1.0664 p.u.。同時可以看出，4 號節(jié)點(diǎn)電壓未超出限制，而其他兩個節(jié)點(diǎn)的電壓已經(jīng)出現(xiàn)越線的問題，需要進(jìn)行及時處理。從無功借調(diào)電壓、無功補(bǔ)償電壓、有功縮減電壓可以看到，此次研究的控制方法具有有效性和高效性。

圖4 不同控制策略下節(jié)點(diǎn)電壓變化情況Fig.4 Node voltage variation under different control strategies

2.2 計算結(jié)果

不同節(jié)點(diǎn)有功功率和無功功率的計算結(jié)果如表1 所示。3 個節(jié)點(diǎn)的電壓計算結(jié)果如圖5 所示。依據(jù)含分布式電源的配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制方案，首先進(jìn)入無功功率補(bǔ)償過程，經(jīng)式（2）和式（3）計算可知，11 號節(jié)點(diǎn)和28 號節(jié)點(diǎn)的無功設(shè)備分別提供0.5072 MVar 和0.6842 MVar 的無功功率才能調(diào)低電壓。但是11 號節(jié)點(diǎn)和28 號節(jié)點(diǎn)的最大容量分別是0.4 MVar 和0.6 MVar。因此當(dāng)無功補(bǔ)償設(shè)備的最大容量達(dá)到最大值時，11 號和28 號節(jié)點(diǎn)電壓分別降低至1.0544 p.u.和1.0541 p.u.。然后進(jìn)入無功功率借調(diào)過程，11 號和28 號節(jié)點(diǎn)向4 號節(jié)點(diǎn)請求無功借調(diào)。經(jīng)式（5）計算可知，11 號和28 號節(jié)點(diǎn)分別向4 號節(jié)點(diǎn)借調(diào)的無功功率為1.148 MVar 和1.0702 MVar。但4 號節(jié)點(diǎn)最大無功功率容量為0.61 MVar。因此當(dāng)4 號節(jié)點(diǎn)無功補(bǔ)償設(shè)備達(dá)到最大值時，11 號和28 號節(jié)點(diǎn)電壓分別降低至1.0527 p.u.和1.0525 p.u.。

表1 不同節(jié)點(diǎn)有功功率和無功功率的計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of active power and reactive power of different nodes

圖5 三個節(jié)點(diǎn)的電壓計算結(jié)果Fig.5 Voltage calculation results of three nodes

接下來進(jìn)入有功功率縮減過程，經(jīng)式（6）和式（7）計算可知，需分別將11 號和28 號節(jié)點(diǎn)的有功功率縮減至1.9430 MW 和2.9291 MW，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓分別為1.0498 p.u.和1.0498 p.u.。經(jīng)修正值計算最終得到11 號和28 號節(jié)點(diǎn)的有功功率分別為1.9464 MW 和2.9340 MW，最終兩個節(jié)點(diǎn)的電壓為1.0500 p.u.。

3 結(jié)語

配電網(wǎng)面臨分布式電源的大量滲透，所帶來的電壓越線問題成為電力行業(yè)極具挑戰(zhàn)性的難題。此次研究提出解決全線電壓越線的分層分布式協(xié)同電壓控制方案，本方法利用整條饋線上無功功率充足的設(shè)備控制電壓越線的問題。IEEE33 仿真系統(tǒng)計算分析表明，無功功率補(bǔ)償過程，11 號和28 號節(jié)點(diǎn)電壓分別降低至1.0544 p.u.和1.0541 p.u.。無功功率借調(diào)過程，兩個節(jié)點(diǎn)電壓分別降至1.0527 p.u.和1.0525 p.u.。有功功率縮減過程，兩個節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)到正常值，所提出的配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制策略能有效處理電壓越線的問題。本研究還存在不完善之處，未考慮分布式電源功率輸出特性，在今后的工作中需要進(jìn)一步完善。