考慮分布式光伏無功出力特性的配電網(wǎng)無功優(yōu)化配置

王 晶 ，王曦?zé)?，楊增力 ，吳 迪 ，張 振

（1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077; 2. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 閔行 200240）

0 引言

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出、新型電力系統(tǒng)建設(shè)的推進(jìn)，配電網(wǎng)將接入大量的分布式能源、微網(wǎng)、儲能設(shè)施等有源設(shè)備。將有大量分布式電源接入配電網(wǎng)，新能源滲透率將會持續(xù)提升，電網(wǎng)運(yùn)行情況更加復(fù)雜，配電網(wǎng)將會出現(xiàn)電壓越限的問題，因此須對配電網(wǎng)的分布式電源及無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行優(yōu)化，以保證配電網(wǎng)損耗與電壓偏差小的情況下提高配置的經(jīng)濟(jì)性。

分布式電源的接入一方面使得傳統(tǒng)的單端電源輻射狀配電網(wǎng)變成多端電源供電的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)的電壓情況易受分布式電源影響，因此須采取相應(yīng)的無功補(bǔ)償措施。另一方面，由于分布式電源自身的功率輸出特性，其在電網(wǎng)中可以起到一定的調(diào)節(jié)作用，甚至能作為可控單元參與配電網(wǎng)調(diào)壓。針對分布式電源接入配電網(wǎng)后配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方面的研究受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，取得了許多成果。文獻(xiàn)[1-2]介紹了分布式電源接入配電網(wǎng)后的配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行方法。文獻(xiàn)[3-4]著重分析了分布式電源接入配電網(wǎng)的容量、位置等因素對配電網(wǎng)電壓的影響，通過建立典型配電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真，得到分布式電源接入配電網(wǎng)會使配電網(wǎng)電壓抬升的結(jié)論，同時抬升的程度與接入點(diǎn)的位置以及分布式電源接入的容量相關(guān)，接入位置越靠近末端、接入的容量越大則電壓抬升效果越明顯。文獻(xiàn)[5-7]針對光伏電源和風(fēng)電場接入電網(wǎng)的不同特性，提出了基于無功補(bǔ)償裝置的電網(wǎng)電壓控制策略，充分利用了無功補(bǔ)償裝置的處理特性以及新能源的功率調(diào)節(jié)能力，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

以上研究僅考慮分布式光伏的出力特性對配電網(wǎng)電壓的影響，而未充分考慮分布式光伏的結(jié)構(gòu)特性帶來的無功補(bǔ)償能力，因此僅實(shí)現(xiàn)了利用不同位置以及容量的分布式電源來完成配電網(wǎng)規(guī)劃階段的電壓調(diào)節(jié)。本文考慮分布式光伏電源的結(jié)構(gòu)與靜止無功補(bǔ)償器的相似性，分析分布式光伏在低出力情況下進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)目尚行?；針對配電網(wǎng)中接入大量分布式電源的情況，考慮不同的分布式電源滲透率情況，提出考慮分布式光伏無功補(bǔ)償能力的配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化配置方案；通過設(shè)計(jì)大量分布式電源接入配電網(wǎng)的算例，驗(yàn)證最優(yōu)容量配比的電壓調(diào)整效果以及模型有效性。

1 分布式光伏參與調(diào)壓的原理

1.1 分布式光伏電源接入對配電網(wǎng)電壓控制的影響

由于配電網(wǎng)線路的阻抗比（R/X）較大，線路中傳輸?shù)挠泄β蕦﹄妷旱闹巫饔妹黠@，而分布式光伏直接向配電網(wǎng)輸送有功功率會在一定程度上抬高配電網(wǎng)電壓，分布式光伏電源同時也具備發(fā)出和吸收無功功率的功能，這也可以為調(diào)節(jié)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓幅值提供有效的方法。分布式光伏電源的接入對配電網(wǎng)電壓的影響情況由接入容量、接入位置以及運(yùn)行時的功率因數(shù)決定，而多個分布式光伏電源同時接入配電網(wǎng)后對電壓的影響情況將會更加復(fù)雜，因此首先考慮單個分布式光伏電源接入的情況。

分布式光伏電源接入位置對配電網(wǎng)電壓的影響：分布式光伏電源正常運(yùn)行狀態(tài)下可以將其功率因數(shù)視為1，因此在接入配電網(wǎng)后會向配電網(wǎng)輸入有功功率，從而使得接入點(diǎn)的電壓升高，而其他節(jié)點(diǎn)也會隨著分布式光伏電源的輸出變化出現(xiàn)不同程度的電壓抬升。分布式光伏電源的接入會使配電網(wǎng)該支路全部節(jié)點(diǎn)電壓升高，且接入點(diǎn)越靠近線路末端，電壓抬升越明顯。在規(guī)劃分布式光伏電源接入的位置時須考慮有功輸入的變化對節(jié)點(diǎn)電壓的影響，防止出現(xiàn)電壓越限的情況。

分布式光伏電源接入容量對配電網(wǎng)電壓的影響：基于上一小節(jié)的分析，分布式光伏電源輸出有功功率會使配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓抬升，同時認(rèn)為分布式光伏的發(fā)電量與容量變化率相同，則配電網(wǎng)電壓抬升程度與分布式光伏電源接入的容量呈正相關(guān)。

分布式光伏電源功率因數(shù)對配電網(wǎng)電壓的影響：由于分布式光伏電源在結(jié)構(gòu)上有接地電容具備無功補(bǔ)償功能，因此在輸送有功功率的同時可以發(fā)出（或吸收）無功功率進(jìn)而可以調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)電壓。

1.2 正常運(yùn)行情況下的有功無功協(xié)調(diào)調(diào)壓方法

分布式光伏電源在輸出有功功率時若還剩余部分容量，則可用于輸出無功功率進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，具體表現(xiàn)為并網(wǎng)點(diǎn)電壓高于目標(biāo)值時分布式光伏電源通過吸收無功功率來降低電壓，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓低于目標(biāo)值時分布式光伏電源則發(fā)出無功功率來抬升電壓。

當(dāng)分布式光伏電源剩余容量不足以滿足并網(wǎng)點(diǎn)電壓無功調(diào)節(jié)需求時，須考慮通過適當(dāng)減少有功輸出，從而增加無功調(diào)節(jié)范圍；在此調(diào)節(jié)方法下，須設(shè)定有功出力閾值，以確保在滿足無功調(diào)節(jié)需求的情況下仍有較高的光伏利用率。

1.3 低出力情況下的無功調(diào)壓方法

在低出力狀態(tài)或夜間運(yùn)行狀態(tài)光伏逆變器可充當(dāng)無功補(bǔ)償器為配電網(wǎng)輸送無功功率提供電壓支撐。

如圖1所示，當(dāng)分布式光伏運(yùn)行在區(qū)域Ⅰ時為正常有功出力狀態(tài)，此時分布式光伏的功率因數(shù)為0.85及以上，因此有功出力大而無功出力范圍受限；當(dāng)分布式光伏運(yùn)行在區(qū)域Ⅱ時為低出力運(yùn)行狀態(tài)，此時由于光照不足無法達(dá)到較高有功出力，因此可以通過外置控制模塊使分布式光伏的功率因數(shù)低于0.85，進(jìn)而利用剩余容量參與配電網(wǎng)無功調(diào)節(jié)；當(dāng)分布式光伏運(yùn)行在區(qū)域Ⅲ為夜間無出力狀態(tài)，此時分布式光伏需要從配電網(wǎng)系統(tǒng)吸收少量有功功率為接地電容進(jìn)行充放電，從而使用全部容量參與配電網(wǎng)無功補(bǔ)償。

2 考慮分布式光伏調(diào)壓能力的配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化配置模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本方法考慮的分布式電源主要為分布式光伏與分布式風(fēng)機(jī)，以分布式電源配置容量以及無功補(bǔ)償裝置配置容量為決策變量，考慮有功損耗成本、分布式電源配置成本、無功補(bǔ)償成本以及棄風(fēng)棄光成本建立目標(biāo)函數(shù)：

式中：Closs為配電網(wǎng)有功損耗成本；CDG為分布式電源年化配置成本；Ccom為無功補(bǔ)償配置成；CDGloss為棄光成本。

配電網(wǎng)有功損耗成本：

式中：cP為單位上網(wǎng)電價；Tmax為規(guī)劃考慮的電網(wǎng)運(yùn)行時長；Gij為線路ij的導(dǎo)納參數(shù)；Vi為節(jié)點(diǎn)i電壓； θij為電壓相角差。

分布式電源配置年化成本：

式中：r為貼現(xiàn)率；m為分布式電源最大使用年限；SiPV與SiWG分別表示節(jié)點(diǎn)i處接入的分布式光伏與分布式風(fēng)機(jī)容量；cIPV與cIWG分別表示分布式光伏與分布式風(fēng)機(jī)單位容量配置成本；cMPV與cMWG分別表示分布式光伏與分布式風(fēng)機(jī)單位容量年維護(hù)成本。

無功補(bǔ)償成本：

式中：ccom為單位容量無功補(bǔ)償配置成本；SC為系統(tǒng)配置的總無功補(bǔ)償裝置容量。

棄風(fēng)棄光成本：

式中：PaPV為分布式光伏棄光量。

2.2 約束條件

節(jié)點(diǎn)電壓約束：

式中：Vi,min與Vi,max為節(jié)點(diǎn)i處允許的電壓最小值與最大值。

潮流約束：

式中：PGi，QGi為節(jié)點(diǎn)i注入的有功及無功功率；PDGi為節(jié)點(diǎn)i處分布式電源注入的有功功率；PLi，QLi為節(jié)點(diǎn)i處的有功及無功負(fù)荷；QCi為節(jié)點(diǎn)i處配置的無功補(bǔ)償量。

支路最大功率約束：

式中：Pi,max表示i支路允許通過的最大有功功率。

分布式電源裝機(jī)容量約束：

式中：SDG,total為分布式電源接入總?cè)萘?；Pload為系統(tǒng)總負(fù)荷；RP為分布式電源最大滲透率。

分布式光伏電源無功補(bǔ)償約束：

分布式電源有功出力約束：

式中：Ra,t為不同時刻的環(huán)境因素指標(biāo)，對應(yīng)分布式光伏為當(dāng)前時刻光照強(qiáng)度，對應(yīng)分布式風(fēng)機(jī)為當(dāng)前時刻的風(fēng)力大小。

考慮分布式光伏存在通過棄光參與無功調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式，因此引入分布式光伏棄光約束：

式中：RaPV為分布式光伏允許的最大棄光率。

3 算例分析

3.1 算例設(shè)計(jì)

算例仿真與分析在IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上進(jìn)行?？紤]大量分布式電源接入配電網(wǎng)的情況，將電壓偏移量較大的節(jié)點(diǎn)設(shè)為分布式電源的安裝節(jié)點(diǎn)，設(shè)置上網(wǎng)電價為350元/(MW·h)，節(jié)點(diǎn)電壓最大偏差值為10%，分布式光伏發(fā)電成本為120元/(MW·h)，分布式風(fēng)機(jī)發(fā)電成本為150元/(MW·h)，無功補(bǔ)償單位補(bǔ)償量成本為140元/(Mvar·h)，其中運(yùn)行成本為120元/(Mvar·h)，無功補(bǔ)償激勵成本為20元/(Mvar·h），允許最大棄光率為20%，分布式電源滲透率由15%變化至45%進(jìn)行仿真，分布式電源滲透率為分布式電源接入總?cè)萘颗c配電網(wǎng)系統(tǒng)中有功負(fù)荷總?cè)萘恐?，通過利用分布式光伏電源的調(diào)壓能力替代靜止無功補(bǔ)償器，優(yōu)化得到不同滲透率下的最優(yōu)分布式風(fēng)光容量配比。負(fù)荷波動情況如圖2所示，分別使用一年四個季度的典型日負(fù)荷模擬全年系統(tǒng)運(yùn)行，而分布式光伏和分布式風(fēng)機(jī)全年出力數(shù)據(jù)按照圖3、圖4所示。

圖2 四季典型日負(fù)荷曲線

圖3 四季分布式光伏出力曲線

圖4 四季分布式風(fēng)機(jī)出力曲線

3.2 大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)最優(yōu)容量比

通過算例以及最優(yōu)模型得出接入配電網(wǎng)的分布式光伏與分布式風(fēng)機(jī)的最優(yōu)容量比以及相應(yīng)最優(yōu)無功補(bǔ)償容量配置方案，記為方案一，并將僅使用SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)呐渚W(wǎng)運(yùn)行方案記為方案二，優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 2種方案優(yōu)化結(jié)果對比表格

如表格結(jié)果所示，在分布式電源滲透率處于15%～25%期間時，隨著滲透率提高分布式光伏逐漸取代無功補(bǔ)償裝置，而當(dāng)滲透率超過30%之后，分布式光伏已完全取代無功補(bǔ)償裝置，同時隨著滲透率的增加，分布式光伏與分布式風(fēng)機(jī)裝機(jī)比例逐漸增大，這一結(jié)果表明隨著滲透率的增加，配網(wǎng)中應(yīng)該接入更多具有調(diào)壓能力的分布式光伏來滿足電網(wǎng)的無功補(bǔ)償需求。圖5中對比了不同滲透率情況下的成本組成情況，可見隨著滲透率增加，總運(yùn)行成本的增加主要是由于分布式電源的配置以及運(yùn)行維護(hù)成本增加導(dǎo)致的；在無功補(bǔ)償方面，隨著滲透率提高無功補(bǔ)償裝置需求也逐漸提高，但采取分布式光伏進(jìn)行無功調(diào)壓的方案一仍然可以不額外配置無功補(bǔ)償設(shè)備，這也證明該優(yōu)化配置模型的有效性。

圖5 2種方案系統(tǒng)運(yùn)行成本組成分析

4 結(jié)論

本文通過分析分布式電源接入配電網(wǎng)帶來的影響基礎(chǔ)上，考慮分布式光伏的調(diào)壓能力，以年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立分布式電源容量比例優(yōu)化配置模型，并在IEEE 33節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行仿真和分析，得到以下結(jié)論：

分布式電源接入配電網(wǎng)可以在一定程度上緩解電網(wǎng)有功損耗，但是在常規(guī)控制方式下須配置相應(yīng)的無功補(bǔ)償設(shè)備來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定，而分布式光伏可以通過增加控制模塊從而實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的有功無功協(xié)調(diào)控制，因此對配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)效果更為顯著；

隨著分布式電源滲透率的提高，分布式光伏與分布式風(fēng)機(jī)的接入容量比例也逐漸提高，這是由于高滲透率的分布式電源會給電網(wǎng)帶來更大的無功補(bǔ)償需求，而改進(jìn)過后的分布式光伏可以有效緩解配電網(wǎng)對無功補(bǔ)償裝置的依賴，從而降低了配置成本；

與傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償方式相比，考慮分布式光伏無功補(bǔ)償能力的配置方案可以降低無功補(bǔ)償器配置容量，且隨著滲透率的增加對無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化效果越明顯，經(jīng)濟(jì)效益越好。

目前市場上對分布式光伏控制模塊改進(jìn)技術(shù)暫不成熟，在高滲透率情況下的經(jīng)濟(jì)效益不明顯，隨著技術(shù)發(fā)展以及裝置優(yōu)化，該優(yōu)化方案對配電網(wǎng)調(diào)壓過程的優(yōu)化效益將會更加明顯。