基于光伏接入的配電網(wǎng)無功補償技術(shù)研究

摘 要：隨著新能源技術(shù)發(fā)展，以光伏為主的分布式電源應(yīng)用廣泛，光伏與配電網(wǎng)相結(jié)合具有降低能耗、提高電力系統(tǒng)的靈活性。光伏接入配電網(wǎng)后，其隨機性和間歇性會對線路損耗和電壓分布造成影響，因此需要對配電網(wǎng)進行無功控制，以保障其安全、穩(wěn)定運行。本文建立了光伏及負荷數(shù)學(xué)模型，模擬了電網(wǎng)負荷變化情況，提出了一種基于電壓無功解耦控制技術(shù)，進行配電網(wǎng)無功補償，有效降低了光伏接入的負面影響，利用無功補償和諧波治理提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。該方法的推廣應(yīng)用為用電設(shè)備的正常運行提供了重要保障，有效提升了電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：光伏；配電網(wǎng)；無功補償；分布式電源

中圖分類號：TM 714 " " " " " 文獻標志碼：A

隨著分布式電源迅速發(fā)展，以光伏為主的新能源并網(wǎng)不僅提高了電力系統(tǒng)供電的靈活性，而且增加了配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，會影響電壓分布和線路損耗。目前，分布式光伏電源接入的配電網(wǎng)普遍存在無功分布不均、補償效果不明顯等問題，為了解決光伏接入引起的配電網(wǎng)電壓質(zhì)量問題，需要對其進行無功補償和優(yōu)化，從而保證配電網(wǎng)高效、穩(wěn)定地運行。

目前，配電網(wǎng)一般采用靜止無功發(fā)生器和電容器進行無功補償。對光伏發(fā)電接入的配電網(wǎng)來說，不同線路的電壓無功分布也有所區(qū)別。傳統(tǒng)的無功補償方法無法滿足實際需求，為了研究光伏接入配電網(wǎng)系統(tǒng)無功補償效果，需要對光伏發(fā)電進行建模。另外，配電網(wǎng)無功補償效果還與系統(tǒng)負荷有一定關(guān)系，為了得到準確的分析結(jié)果，需要結(jié)合系統(tǒng)負荷進行建模。綜上所述，為了保證光伏接入配電網(wǎng)穩(wěn)定工作，需要開發(fā)一種新的控制策略進行配電網(wǎng)無功補償[1]。本文結(jié)合光伏發(fā)電的特點，根據(jù)系統(tǒng)負荷類型，采用電壓和無功解耦控制的方法對配電網(wǎng)無功進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的無功補償，并結(jié)合具體配電網(wǎng)對光伏接入后系統(tǒng)的無功補償效果進行仿真驗證。

1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電通過太陽能基板捕獲太陽能，并利用交直流變換器進行能量轉(zhuǎn)換，光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。交直流轉(zhuǎn)換包括DC/DC變換器和DC/AC變換器，其中光伏基板的直流電壓經(jīng)過DC/DC變換器進行升壓，可以進行最大功率點跟蹤，利用DC/AC變換器控制光伏發(fā)電并網(wǎng)。當(dāng)并網(wǎng)運行并且光伏有功功率和負載需求均較大時，配電網(wǎng)向并網(wǎng)節(jié)點輸送的功率較小，其電壓偏離值也較小，光伏逆變器可以根據(jù)并網(wǎng)點電壓進行功率補償，當(dāng)電壓超限時，會吸收無功功率對電壓進行調(diào)節(jié)。

光伏發(fā)電受光照強度、環(huán)境等因素影響，其功率具有間歇性和波動性特點。由于光伏發(fā)電功率具有隨機波動性，因此光伏接入配電網(wǎng)后會對電網(wǎng)電壓和潮流分布造成影響。為了保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定地運行，需要對系統(tǒng)無功進行優(yōu)化[2]。

1.2 光伏發(fā)電模型

由上文可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)利用逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為與配電網(wǎng)電壓同頻率、同幅值的三相交流電壓，從而實現(xiàn)并網(wǎng)功能，其中光伏基板將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能，其功率PDC如公式（1）所示。

（1）

式中：PSTC為標準工況光伏發(fā)電輸出的直流功率；GA、GSTC分別為實際太陽光輻射度和標準測試條件下太陽光輻射度；TC為光伏基板的溫度；TSTC為光伏基板的溫度，該溫度一般設(shè)為25℃；CT為光伏基板的溫度系數(shù)。

光伏基板的溫度TC如公式（2）所示[3]。

（2）

式中：Ta為光伏系統(tǒng)所處環(huán)境溫度；NOCT為光伏系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件下基板的溫度；20為20 ℃；800為800 W/m2。

1.3 無功補償

分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)在并網(wǎng)點會出現(xiàn)電壓超限，利用靜止無功發(fā)生器可以對節(jié)點電壓進行優(yōu)化。與并聯(lián)電容器相比，靜止無功發(fā)生器的動態(tài)補償效果更佳，可以實現(xiàn)無功功率的快速釋放和吸收。假設(shè)系統(tǒng)電壓為Us，靜止無功補償裝置的電源電壓為Vd，則無功補償功率QSVG如公式（3）所示。

QSVG=-Us2B-UsVd[Gsin（δe-δs）]-Bcos（δe-δs） （3）

式中：B、G分別為等效阻抗的電導(dǎo)和電納；δe和δs分別為靜止無功發(fā)生器和電網(wǎng)電壓的相角。

判斷并網(wǎng)點電壓是否超限，當(dāng)并網(wǎng)點因系統(tǒng)故障或者負荷突變而導(dǎo)致電壓下降時，優(yōu)先進行電壓補償；當(dāng)電壓恢復(fù)正常時，進行無功電流補償[4]。

2 負荷數(shù)學(xué)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受光照和環(huán)境等因素影響會產(chǎn)生波動，而配電系統(tǒng)用電設(shè)備多樣且具有時變性。對系統(tǒng)進行無功補償時，系統(tǒng)負荷會影響其補償效果。系統(tǒng)負荷是由時變負荷和恒定負荷構(gòu)成的，為了保證無功補償?shù)男Ч?，需要建立負荷的?shù)學(xué)模型，并與光伏發(fā)電模型相結(jié)合，進行配電網(wǎng)電壓無功分析。

2.1 恒定負荷

恒定負荷即功率恒定的負荷。在電壓給定的條件下，負荷使用時間及其供電電壓決定其消耗電能的量，因此可以構(gòu)建使用時間和供電電壓的函數(shù)，從而對其進行表達。這類負荷消耗的功率保持不變并且沒有溫度控制回路，例如電視機、風(fēng)扇和電燈等用電設(shè)備。在供電電壓小的條件下，這類負荷消耗的電能較小，利用ZIP模型模擬負荷的功率變化，從而模擬恒定負荷電壓響應(yīng)[5]，分別如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：Qi（Va）、Pi（Va）分別為第i個負荷消耗的無功功率和有功功率；Va為配電線路的電壓；Vn為額定電壓；Sn為額定視在功率；I%、Z%和p%分別為恒電流、恒阻抗和恒功率部分在系統(tǒng)負荷中所占的比例；Ipf、Zpf和Ppf分別為負荷中恒電流、恒阻抗和恒功率部分所對應(yīng)的功率因數(shù)。

由公式（4）、公式（5）可知，不同的系統(tǒng)負荷會對配電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)效果產(chǎn)生一定影響，當(dāng)采用電壓控制進行系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)時，恒阻抗負荷調(diào)節(jié)效果最佳，其次是恒電流負荷。對恒功率負荷來說，采用電壓控制進行功率損耗調(diào)節(jié)的效果最差[6]。

2.2 時變負荷

與恒定負荷相比，時變負荷通常具有溫度控制回路，例如電冰箱、熱水器等用電設(shè)備。對該類負荷來說，當(dāng)其供電電壓發(fā)生變化時，負荷所消耗的電能也會隨之變化，因此將此類用電設(shè)備稱為時變負荷。對時變負荷來說，需要采用控制策略對其消耗的電功率進行調(diào)節(jié)，從而保證消耗的電功率滿足控制需求[7]。

3 配電網(wǎng)電壓無功控制策略

分布式光伏發(fā)電電源接入后會對配電網(wǎng)的電壓和功率產(chǎn)生影響，為了保證配電網(wǎng)穩(wěn)定運行，通過電壓無功解耦控制進行無功補償和諧波治理，采用電壓控制的方法將負荷側(cè)電壓調(diào)節(jié)為ANSI電壓標準要求的較低值。該方法實現(xiàn)了配電網(wǎng)無功功率和電壓的解耦控制，同時有效降低了系統(tǒng)無功能量消耗。其控制策略包括電壓控制和無功控制2個部分。

3.1 光伏接入對配電網(wǎng)的影響

配電網(wǎng)不同電壓等級的線路參數(shù)特點具有一定差異性，其中低壓線路電阻遠大于電抗，通常表現(xiàn)為電阻特性，線路電抗帶來的影響可以忽略不計。而中、高壓線路電阻遠小于電抗，通常表現(xiàn)為電抗特性，線路電阻帶來的影響可以忽略不計。對于小容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于線路線徑較小并表現(xiàn)為電阻特性，因此配電線路電抗的影響可以忽略，線路電壓降如公式（6）所示。

（6）

式中：dU為線路電壓降；U為配電線路的末端電壓；ΔU和δU分別為電壓降的縱向分量和橫向分量；j為虛數(shù)單位；P、Q分別為配電線路終端輸出的有功功率和無功功率；R為配電線路的電阻。

由公式（6）可知，線路末端輸出的無功功率對電壓降的橫、縱2個方向的分量，均有影響，因此對于光伏接入的配電網(wǎng)，電壓降受無功功率和有功功率2個方面的影響[8-9]。

3.2 電壓控制策略

電壓控制策略由以下4個步驟構(gòu)成。1） 采集配電網(wǎng)線路末端電壓值，并提取其最小值Vend。2） 測量變電站端口電壓V0，并計算其與配電網(wǎng)線路末端電壓最小值的差值VD，所得結(jié)果為二者間的電壓降，如公式（7）所示。3） 將公式（7）的結(jié)果與給定的電壓降VD*進行比較，通過二者間的關(guān)系判定電壓帶寬Vbw，將帶寬給定值設(shè)定為Vbw1和Vbw2，如公式（8）所示。4） 將期望電壓設(shè)定為Vset，將其與配電網(wǎng)線路末端電壓最小值進行比較。當(dāng)系統(tǒng)低負荷運行時，穩(wěn)壓器分接頭tap如公式（9）所示。當(dāng)系統(tǒng)高負荷運行時，穩(wěn)壓器分接頭tap如公式（10）所示。

VD=V0-Vend " " " " " （7）

（8）

（9）

（10）

3.3 無功控制策略

為了保證系統(tǒng)運行在設(shè)定的功率因數(shù)上，需要對其無功功率進行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。采用電容器對其投切邏輯進行優(yōu)化，進行無功補償?shù)男Ч^好，具體如下所示。1） 配電網(wǎng)中電容器進行投切操作前，按照容量大小原則對電容器進行排序，優(yōu)先投入大容量的電容器，同時保證其切除時間最晚。對容量相同的電容器來說，根據(jù)其與變電站間的距離，對其投切時序進行判定，先投入距離較遠的電容器最后將其切除。2） 為了保證系統(tǒng)無功補償?shù)目煽啃?，需要對電容器的投切邏輯進行優(yōu)化，其動作判據(jù)如公式（11）所示。

（11）

式中：Qi為第i個電容器消耗的無功功率；d1和d2分別為抑制系統(tǒng)震蕩而進行補償?shù)南禂?shù)；Qci為第i個電容器的額定容量；SWi為第i個電容器的開關(guān)狀態(tài)；CLOSED為關(guān)；OPEN為開。

4 算例分析

結(jié)合某配電網(wǎng)具體運行情況，根據(jù)實際參數(shù)，采用GridLAB-D仿真軟件對本文所提的無功補償技術(shù)運用效果進行驗證，將仿真時間設(shè)定為1 d，步長為1 s。模擬負荷變化，驗證電壓無功控制策略。在配電線路增加用戶節(jié)點，并配置相關(guān)用電設(shè)備。為了準確模擬負荷變化，并分析一段時間內(nèi)電壓無功的控制效果，負荷模型采用ZIP模型根據(jù)公式（4）、公式（5）并結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)對負荷的功率變化進行模擬。為了模擬光伏電源并網(wǎng)，在每個用戶節(jié)點處加入光伏發(fā)電設(shè)備。

配電網(wǎng)加入光伏發(fā)電設(shè)備后，將其負荷側(cè)的供電電壓目標值設(shè)為117 V，并允許其在[115 V，121 V]波動。結(jié)合負荷電壓變化情況，對光伏電源接入的配電網(wǎng)采用電壓無功控制（Volt/Var control，VVC）算法。算法實施過程中的電壓控制流程按照公式（7）～公式（10）進行，無功控制過程中的電容器投切邏輯按照公式（11）進行判斷。對算法加入前、后的電壓變化曲線進行仿真，如圖2所示。

由負荷電壓變化曲線可知，配電網(wǎng)加入電壓無功控制算法后，負荷電壓在設(shè)定電壓117 V上、下波動，與未加入該算法時的電壓相比幅值降低，電壓控制效果明顯，滿足控制需求。配電網(wǎng)線路無功能耗平均值見表1。

由表1可知，配電網(wǎng)接入光伏發(fā)電設(shè)備后，采用電壓無功控制算法的配電網(wǎng)線路無功能量損耗比之前下降了1.4%。

由上述分析可知，對光伏電源接入的配電網(wǎng)采用電壓無功控制策略，可以根據(jù)系統(tǒng)負荷類型和大小控制節(jié)點處電壓，并可以有效降低配電線路無功能量損耗，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)無功補償，保障電力系統(tǒng)的安全并使其穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

分布式光伏發(fā)電電源接入配電網(wǎng)后，會對配電網(wǎng)造成較大影響，為了保證配電網(wǎng)及其用電設(shè)備的正常運行，本文采用電壓無功解耦控制進行配電網(wǎng)的無功補償，同時還可以有效治理其諧波。首先，本文對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了介紹，根據(jù)系統(tǒng)負荷是否具有溫控回路，對配電網(wǎng)負荷進行分類，并搭建其數(shù)學(xué)模型。其次，對電壓無功解耦控制策略進行研究，并對該策略的電壓控制和無功控制進行詳細介紹。最后，利用GridLAB-D仿真軟件并結(jié)合具體算例，對本文所提的配電網(wǎng)無功補償技術(shù)進行仿真驗證，在該算法下，可以利用無功調(diào)節(jié)進行功率補償，有效降低了光伏電源接入配電網(wǎng)帶來的負面影響，同時提高了配電網(wǎng)諧波水平，為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行提供了重要保證。仿真結(jié)果驗證了電壓無功解耦控制算法具有較好的控制效果和良好的適用性。

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