含高比例光伏的配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制策略研究

周金輝，盛 曄，蘇義榮，劉浩軍，陳 銘

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106；4.國網(wǎng)浙江海寧市供電有限公司，浙江 海寧 314400）

0 引言

能源短缺與環(huán)境污染已成為制約全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的兩大難題。太陽能資源以其清潔與便利的優(yōu)勢(shì)，得到了世界各國的廣泛應(yīng)用[1]。在一些示范區(qū)域，已形成高滲透率分布式光伏接入配電網(wǎng)的格局。如浙江省長興縣光伏發(fā)電示范建設(shè)村北湯村，在2017年底，總發(fā)電容量已超過6 000 kW；深圳媽灣光伏示范園區(qū)，年總發(fā)電容量已達(dá)10 MW。這代表著新能源的戰(zhàn)略地位逐步由補(bǔ)充能源上升至替代能源。光伏電站裝機(jī)容量迅速提升，預(yù)計(jì)在2040年光伏發(fā)電在所有可再生能源發(fā)電中將占最大比重[2]。

隨著PV（光伏）等DG（分布式電源）的并網(wǎng)，配電網(wǎng)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，能量流動(dòng)方向也由原來的單向變?yōu)殡p向。加上光伏本身具有的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，高比例光伏并網(wǎng)后，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)電壓越限和波動(dòng)[3]、三相不平衡[4]、諧波含量增加[5]等問題，再考慮到光伏并網(wǎng)時(shí)的分散多點(diǎn)接入問題，對(duì)某一母線的電壓管理可能導(dǎo)致其他母線電壓的惡化[6]。這就對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)電壓管理提出了更高要求，即對(duì)某一母線電壓進(jìn)行控制的同時(shí)兼顧各母線間電壓的協(xié)調(diào)控制以保證全局電壓處于正常范圍。GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》規(guī)定：20 kV及以下的三相供電電壓偏差為±7%，單相供電電壓偏差為+7%和-10%。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)光伏并網(wǎng)的電壓控制問題展開了多方面研究工作。文獻(xiàn)[7]介紹了通過調(diào)整變壓器分接頭來控制DG并網(wǎng)后引起的電壓波動(dòng)，但變壓器分接頭動(dòng)作次數(shù)有限且調(diào)壓能力有限；文獻(xiàn)[8]介紹了將調(diào)整OLTC（有載調(diào)壓分接開關(guān)）分接頭與無功補(bǔ)償裝置結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電壓的集中調(diào)節(jié)控制，將OLTC與無功補(bǔ)償進(jìn)行協(xié)調(diào)有效改善了配電網(wǎng)電壓控制效果，但無功補(bǔ)償裝置依然受到投切次數(shù)的限制，在某些高比例光伏滲透率的極端運(yùn)行場(chǎng)景下依然無法完全保障系統(tǒng)的電壓質(zhì)量；文獻(xiàn)[9]介紹了對(duì)DG與OLTC及電容器組進(jìn)行集中協(xié)調(diào)控制，但控制過程中運(yùn)算維度過大，難以滿足協(xié)調(diào)控制的實(shí)時(shí)性要求。

在此提出一種協(xié)調(diào)光伏有功、無功出力及調(diào)整OLTC分接頭的電壓協(xié)調(diào)控制策略。通過對(duì)不同配電網(wǎng)電壓等級(jí)采取不同的有功、無功控制策略，并結(jié)合OLTC的調(diào)節(jié)能力，可有效增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)電壓的管控能力，改善全網(wǎng)電壓水平。

1 分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配網(wǎng)電壓的影響

配電網(wǎng)R/X比值較大，因此有功功率的調(diào)整對(duì)改善電壓、降低網(wǎng)損有顯著作用[10]。高比例光伏并網(wǎng)后，不僅影響并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)自身的電壓，還會(huì)通過功率輸送影響其他饋線甚至其他電壓等級(jí)節(jié)點(diǎn)的電壓。

1.1 對(duì)不同電壓等級(jí)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

圖1為含有3個(gè)電壓等級(jí)的單饋線簡單系統(tǒng)。其中，T1和T2為2臺(tái)降壓變壓器，PV為光伏電站，L1—L5為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，B1—B7為電壓節(jié)點(diǎn)。

圖1 多電壓等級(jí)單饋線系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)輻射狀結(jié)構(gòu)下，功率單向流動(dòng)，電壓從母線開始沿饋線逐漸降低。當(dāng)高滲透率的PV并網(wǎng)后，其出力不能完全被本地負(fù)荷消耗，就會(huì)造成潮流反向，大幅度提高末端節(jié)點(diǎn)電壓越限的可能性[11]。當(dāng)PV分布式多點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)不同電壓等級(jí)，大容量光伏電站出力的波動(dòng)不僅會(huì)影響其所在電壓等級(jí)各節(jié)點(diǎn)電壓，還會(huì)通過功率流動(dòng)間接影響其他電壓等級(jí)的節(jié)點(diǎn)電壓，甚至造成整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)電壓隨光伏出力而波動(dòng)，給網(wǎng)絡(luò)電壓管理帶來極大挑戰(zhàn)。圖2所示為在圖1所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，在給定負(fù)荷和PV容量后仿真得到的一天內(nèi)節(jié)點(diǎn)B5—B7電壓受PV影響的波動(dòng)情況。

圖2 節(jié)點(diǎn)B5—B7電壓分布及PV出力波動(dòng)情況

1.2 同一電壓等級(jí)下不同饋線間的影響

圖3為含有1臺(tái)降壓變壓器和2條饋線的簡單系統(tǒng)。其中，T1為降壓變壓器，PV為光伏電站，L1—L5為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。在該網(wǎng)絡(luò)中，PV出力的波動(dòng)會(huì)影響所在饋線末端節(jié)點(diǎn)的電壓。如果其有功出力過剩，將功率倒送至相鄰饋線，則相鄰饋線各節(jié)點(diǎn)電壓同時(shí)會(huì)受到波及。圖4為在圖3所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，給定負(fù)荷和PV容量后仿真得到的一天內(nèi)節(jié)點(diǎn)B1—B3電壓受PV影響的波動(dòng)情況。

圖3 單電壓等級(jí)雙饋線系統(tǒng)

圖4 節(jié)點(diǎn)B1—B3電壓分布及PV出力波動(dòng)情況

還需注意的是，光伏電站出力的峰值在午間，而典型負(fù)荷曲線的峰值在傍晚到凌晨，光伏出力高峰和負(fù)荷高峰時(shí)段無法完全重疊，這就會(huì)造成光伏出力高峰時(shí)各節(jié)點(diǎn)過電壓，而負(fù)荷需求處于高峰時(shí)各節(jié)點(diǎn)欠電壓。

2 光伏并網(wǎng)模型

由于光伏電站中的各光伏系統(tǒng)是獨(dú)立的，且文中主要關(guān)注光伏系統(tǒng)出力對(duì)網(wǎng)絡(luò)電壓的影響，因此忽略溫度和角度對(duì)光照的影響。在建模過程中，通常將光伏電站模型分為兩部分[12]：

（1）基于馬爾可夫隨機(jī)過程的太陽輻照度模型[12]。

文獻(xiàn)[13]提出利用馬爾可夫隨機(jī)過程直接預(yù)測(cè)太陽輻射強(qiáng)度，在地理位置、周邊環(huán)境都確定的情況下，可省去大量氣象統(tǒng)計(jì)過程和復(fù)雜的多次建模過程，具有一定的代表性和實(shí)用性。太陽輻射值計(jì)算G公式如下：

式中：Gb為光束照射情況；SIF為云對(duì)輻照度的不穩(wěn)定行為，取值為0或1；cc為日間平均云量，取值為0或1；Gd為漫輻射照度；tau為輻射透射系數(shù)。

（2）光伏系統(tǒng)模型。

在得到太陽輻射強(qiáng)度之后，再對(duì)逆變過程進(jìn)行建模，得到光伏系統(tǒng)的輸出功率。光伏模型包括光伏覆蓋面積、光電轉(zhuǎn)化效率、變流器約束條件。理想光伏模型在正常工作狀態(tài)下輸出功率可以表示為：

式中：prated為逆變器的額定功率；η為光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率；Isolar為太陽輻射強(qiáng)度；A為光伏覆蓋面積。

3 含高比例光伏配網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制策略

3.1 光伏并網(wǎng)有功控制

在高、中壓并網(wǎng)的光伏容量通常達(dá)到兆瓦級(jí)，其出力的波動(dòng)將嚴(yán)重影響其他節(jié)點(diǎn)電壓。因此通過對(duì)大容量光伏有功出力的控制可有效改善節(jié)點(diǎn)電壓，減小波動(dòng)。

PI控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例和積分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控目標(biāo)進(jìn)行控制，具體控制方法如下。

式中：vmes為節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)電壓；vref為電壓基準(zhǔn)值；errI為誤差的時(shí)序和；Kp與Ki分別為PI控制器的比例增益和積分增益。

在光伏電站中利用PI控制器調(diào)整其有功出力的過程中，以各節(jié)點(diǎn)電壓總偏移量最小為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下：

式中：vmes為節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)電壓；vref為電壓基準(zhǔn)值；N為網(wǎng)絡(luò)光伏并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；Δpi為光伏有功出力的變化量。

3.2 光伏并網(wǎng)無功控制

隨著光伏并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用，光伏發(fā)電具備了一定的無功輸出和調(diào)控能力，其無功出力的控制模式將深刻影響含高比例光伏配電網(wǎng)的電壓特性以及傳統(tǒng)調(diào)壓設(shè)備的行為。在分布式光伏高比例并網(wǎng)的背景下，德國電氣工程師協(xié)會(huì)提出了4種逆變器無功控制策略[14-15]：恒功率因數(shù)cosФ控制（模式Ⅰ）、恒無功功率Q控制（模式Ⅱ）、隨光伏有功出力P變化控制（模式Ⅲ）以及基于光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值U的控制（模式Ⅳ）。表1列出了4種控制策略的優(yōu)勢(shì)和不足。

表1 各種無功控制策略優(yōu)勢(shì)及不足

式中：vref為電壓參考值；vmes為電壓實(shí)時(shí)測(cè)量值；smax為并網(wǎng)逆變器最大視在功率；vmax和vmin為允許電壓偏移的最大值和最小值。

光伏的無功功率輸出受逆變器最大視在功率約束，因此，無功輸出可以表示為：

在低壓配電網(wǎng)中為了更好保證電壓質(zhì)量，采用基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值U的無功控制策略對(duì)在低壓并網(wǎng)的戶用光伏進(jìn)行無功控制，確保用戶電壓處于允許偏移范圍。在這種無功控制策略中，目標(biāo)函數(shù)同式（6），無功功率參考值為：

3.3 考慮變壓器分接頭的電壓控制

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)電壓控制中，調(diào)整有載調(diào)壓變壓器分接頭的方法會(huì)造成破壞無功需求平衡、影響變壓器運(yùn)行的可靠性、增加投資及運(yùn)行費(fèi)用等問題，因此不希望將調(diào)整分接頭的方法作為主要的電壓控制手段。若在調(diào)整光伏有功、無功出力后仍不能達(dá)到電壓質(zhì)量要求，需通過協(xié)調(diào)控制變壓器分接頭進(jìn)行后備調(diào)壓。

變壓器分接頭按式（10）調(diào)整：

式中：u0為表示變壓器分接頭當(dāng)前位置；σ為動(dòng)作檔距。

由于變壓器分接頭的動(dòng)作次數(shù)有限，2次動(dòng)作之間需滿足一定時(shí)間間隔。且變換檔位時(shí)要連續(xù)調(diào)整，不能跨級(jí)動(dòng)作。約束條件如下：

式中：k為分接頭動(dòng)作次數(shù)；umin為分接頭最小允許位置；umax為分接頭最大允許位置；m為最大允許動(dòng)作次數(shù)；tmin為2次動(dòng)作的最小時(shí)間間隔。

3.4 協(xié)調(diào)控制策略流程

通過削減有功防止電壓越限的方法是以降低清潔能源的消納能力為代價(jià)的，并且在有功輸出很低時(shí)調(diào)節(jié)能力有限；基于逆變器的無功電壓控制策略在選擇上各有利弊，不能獨(dú)立完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)壓任務(wù)；OLTC的調(diào)壓范圍有限。

基于此，提出一種光伏有功、無功控制及調(diào)整OLTC分接頭的電壓協(xié)調(diào)控制方法。同時(shí)對(duì)高、中壓并網(wǎng)的大容量光伏電站有功出力及低壓戶用光伏無功出力分別采取控制策略，改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)電壓水平；若在采取上述主要控制策略后，母線電壓仍處于越限狀態(tài)，則采取后備控制策略，調(diào)整OLTC分接頭，進(jìn)一步調(diào)整電壓。具體流程如圖5所示。

4 算例

通過圖6所示的一個(gè)含高壓、中壓、低壓3個(gè)電壓等級(jí)配電網(wǎng)算例，來驗(yàn)證所提出的電壓協(xié)調(diào)控制策略的正確性和有效性。

圖5 電壓協(xié)調(diào)控制策略流程

圖6 電壓協(xié)調(diào)控制策略算例

圖6中配電網(wǎng)包含的3個(gè)電壓等級(jí)分別為60 kV，20 kV 和 0.4 kV。 在節(jié)點(diǎn) 6，10，11，14，15處分別連接了光伏發(fā)電，其中節(jié)點(diǎn)6處光伏電廠出力為兆瓦級(jí)，節(jié)點(diǎn)10，11，14，15處戶用光伏出力為千瓦級(jí)。其余各節(jié)點(diǎn)為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)3，9—15為普通居民負(fù)荷，節(jié)點(diǎn)4處為商業(yè)型負(fù)荷，節(jié)點(diǎn)7處為工業(yè)型負(fù)荷，節(jié)點(diǎn)8處為農(nóng)業(yè)型負(fù)荷。

為了驗(yàn)證此處提出的綜合有功、無功及OLTC的電壓協(xié)調(diào)控制方法的有效性，在Matlab環(huán)境下以一天為單位對(duì)各光伏出力、各節(jié)點(diǎn)電壓分布情況進(jìn)行仿真。設(shè)置場(chǎng)景如下。

（1）場(chǎng)景一。

在場(chǎng)景一中，未對(duì)各電壓等級(jí)下光伏有功、無功出力進(jìn)行控制，光伏有功出力由自然條件決定，輸出功率的功率因數(shù)為1。圖7、圖8所示為中壓節(jié)點(diǎn)6、低壓節(jié)點(diǎn)9與15處的電壓分布。

圖7 場(chǎng)景一中壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)6處電壓值

圖8 場(chǎng)景一低壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)9與15處電壓值

通過圖7、圖8觀察發(fā)現(xiàn)，在未對(duì)各節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行控制的情況下，母線電壓隨光伏出力的波動(dòng)而波動(dòng)。在午間時(shí)段，各節(jié)點(diǎn)電壓隨光伏出力的增加趨于上升，在12∶00達(dá)到最大值；在傍晚時(shí)段，隨著光伏出力的減小以及負(fù)荷的增長，各節(jié)點(diǎn)電壓值趨于降低，在17∶00達(dá)到最小值，且末端節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重長時(shí)間的低電壓情況。

（2）場(chǎng)景二。

在場(chǎng)景二中，使用此處所提出的綜合光伏有功、無功控制及調(diào)整OLTC分接頭的電壓協(xié)調(diào)控制方法。對(duì)中壓配電網(wǎng)處的大容量光伏使用PI控制器對(duì)其有功出力進(jìn)行調(diào)整；對(duì)低壓網(wǎng)絡(luò)處并網(wǎng)的各小容量戶用光伏，采用基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值U的無功控制模式保證其并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓處在允許偏移范圍。同時(shí)，OLTC作為輔助手段配合調(diào)整中樞節(jié)點(diǎn)的電壓。圖9、圖10所示為此場(chǎng)景下中壓節(jié)點(diǎn)6、低壓節(jié)點(diǎn)9與15處的電壓分布。

通過對(duì)圖10、圖11與圖7、圖8的分析比較，再結(jié)合圖13可以看出，在對(duì)中壓配電網(wǎng)處并網(wǎng)的出力較大的光伏進(jìn)行有功控制后，其并網(wǎng)處節(jié)點(diǎn)（母線6）電壓波動(dòng)減小，且在仿真過程中未出現(xiàn)電壓越限情況；對(duì)低壓配電網(wǎng)并網(wǎng)的戶用光伏進(jìn)行無功控制后，節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)的情況得到了緩解，電壓水平整體上升，末端節(jié)點(diǎn)處于低電壓狀態(tài)時(shí)間縮短；對(duì)比圖9與圖12，使用控制策略后OLTC動(dòng)作次數(shù)明顯減少。這說明所使用的電壓協(xié)調(diào)控制策略是合理有效的。

圖9 場(chǎng)景一OLTC分接頭位置變化情況

圖10 場(chǎng)景二中壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)6處電壓值

圖11 場(chǎng)景二低壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)9與15處電壓值

5 結(jié)語

針對(duì)高比例光伏接入配電網(wǎng)后引起的電壓波動(dòng)問題，提出了含高比例光伏配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制策略。對(duì)光伏出力比較大的高、中壓配電網(wǎng)，使用基于PI控制器的有功控制策略；對(duì)于光伏出力較小但對(duì)電壓質(zhì)量要求較高的低壓配電網(wǎng)，采用無功控制策略保證母線電壓處于允許偏移范圍；并將OLTC作為第二道防線，對(duì)中樞點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。算例的仿真分析驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性。當(dāng)然，對(duì)于低壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓無功控制模式選擇問題，不同的模式會(huì)產(chǎn)生不同的效果，不同位置節(jié)點(diǎn)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體分析，對(duì)此有待深入研究。

圖12 場(chǎng)景二OLTC分接頭位置變化情況

圖13 采用控制策略前后PV出力變化

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