市場環境下的主動配網無功優化研究

王愛華，劉 洋

（1.國網江西省電力有限公司南昌市青山湖區供電分公司，江西 南昌 330006；2.國網江西省電力有限公司撫州供電分公司，江西 撫州 344000）

0 引言

隨著電力改革的深入推進，市場對于電能質量的要求不斷提升。無功平衡是保證電力系統電能質量、降低電網損耗以及保證其安全運行所不可缺少的因素，更是評估電網安全性、經濟性及穩定性的一項重要因素[1-2]。大規模分布式電源接入以及負荷主動控制，使得主動配電網具有雙向潮流[3-4]，兼具用電主體和發電主體的角色，參與購電及售電[5]。市場環境下具有出力不確定性的可再生能源大量接入改變了配網結構，給配電網的安全運行、規劃與運行帶來了巨大挑戰[6-7]。因此，研究市場環境下主動配網無功優化以實現市場主體經濟效益與配網安全可靠運行雙贏具有重要意義。

針對配網無功優化問題，專家學者進行了一些研究。文獻[8]計及電容器組投資成本、系統有功損耗及電壓偏差滿意度構建含風、光分布式電源的配電網動態無功多目標優化模型。文獻[9]提出與其他無功補償方式相比，STATCOM具有響應速度快、資金投入少、技術難度小、補償精確的優勢，可較好地解決配網低電壓問題。文獻[10]提出無功調節在改善配電網電壓水平的同時，可以得到較好的降損效果。文獻[11]考慮電容器、SVC無功補償，基于支路潮流構建配電網三相無功優化模型，實現較好的網損效果。文獻[12]構建計及各種主動管理策略及其對配電網負面效應的綜合無功優化模型，實現網損和電壓質量大幅改善。文獻[13]以優化全網網損與投切費用為目標，對含有DG的配電網無功優化問題進行求解。文獻[14]提出最大限度利用并網逆變器的硬件資源、減少硬件投入，可以同時實現DG按負荷需求向微電網傳輸有功無功功率、無功功率補償、負載功率因數校正等電能質量問題。

以上文獻對配網無功優化的傳統無功補償、網損、電壓偏差，以及成本進行了研究，但未計及進行無功補償成本、電力市場主體經濟利益進行量化分析。因此，本文考慮逆變器無功調節能力，以電網與光伏電站綜合利益最優為目標，以為電壓偏差、網損、功率平衡為約束條件，利用Matlab對IEEE30節點系統進行無功優化仿真分析。

1 成本收益分析

1.1 光伏發電成本和收益

含有無功控制的光伏并網發電能有效改善電網供電質量，提高供電能力與消納水平。小規模光伏經低壓線路接入配網，光伏電量就地消納，發電結余部分上網售電；大型光伏電站通過中高壓線路接入輸電網，電能外送。

光伏發電通過并網售電來取得直接的經濟收益[15]，由光伏有功出力、上網電價、補貼、發電構成[16]。

并網功率為Psoalar的光伏單位時間收益為：

式中：Psoalar為光伏發電并網有功功率，kW；Cbg為標桿電價，0.75元/kW·h，Cbt為光伏的政府補貼電價，0.37元//kW·h[17]；C為光伏發電成本電價，包含安裝、管理、利息等，0.50-0.77元//kW·h[18-19]。取C=0.72元//kW·h，則光伏單位時間收益為：

1.2 光伏逆變器無功調節收益分析

逆變器具有較強的無功調節能力，國內主流逆變器廠家生產的組串式逆變器功率因數在-0.8~+0.8連續可調，集中式逆變器功率因數在-0.9~+0.9連續可調。當有功功率滿載（1 pu）時其無功輸出在-0.46~+0.46 pu可調。同時，逆變器具有快速的無功響應速度，動態無功響應時間不大于30 ms。逆變器通過自身無功調節功能，配合智能有功無功調節裝置，實時給逆變器下發無功給定值，完成系統動態功率因數控制。光伏逆變器無功補償實現損耗降低并帶來經濟效益，降損的經濟性主要體現在節電效益[20]。

節電效益Fy與年節電功率Psaving、年小時數H以及節電電價Price有關。

式中H為光伏發電年運行小時數，取1500h；Price為節電電價，取1.0元/kW·h；Ploss1、Ploss2分別為采用無功控制策略前、后的系統有功網損，kW。

競爭電力市場環境下，發電商、輸配電公司及大型用戶等均可以提供無功輔助服務[21]。逆變器發揮無功調節能力獲得無功輔助服務收益[22]。

式中，CQ為無功輔助服務收益，元；Q為無功電量，Mvar·h；C為補償單價，100元/Mvar·h。

1.3 電網收益分析

廠網分開后，電網主要依靠從發電企業批發電力，然后按照政府指導價格或者協議價格把電賣給用電客戶，從中獲得利潤，利潤可描述為：

式中，fe為供電公司售電利潤；q為購買到電量；Δq為有功網損電量；α為銷售電價；β為購電電價。銷售電價取值范圍0.1571~1.0380元/kW·h[23]。本文取0.655 1元/kW·h。當網損降為Δq＇時，電網利潤增量：

2 無功優化多目標規劃

2.1 目標函數

多目標優化有min[24]、max[25-26]兩種數學描述，本文采用max描述。兼顧光伏發電企業盈利及電網公司利潤建立目標函數如下：

式中，fgrid、fsolar分別為電網利潤函數、光伏發電經濟效益函數。X為可行解空間，H（X）是等式約束，G（X）是不等式約束，Gmax和Gmin分別為不等式約束的上下限值。

2.2 約束條件

1）等式約束方程

公式（8）表示系統能量守恒，發電機出力剛好等于負載與損耗之和。N表示系統的節點數；QGi、QLi分別代表發電機和負荷的無功功率；Ui表示節點i的電壓幅值；θij表示節點i與節點j的相角差，可以表示為θij＝θi-θi；Qij、Bij分別表示節點導納矩陣的實部元素及虛部元素。

2）物理約束條件

電壓、電流、有功、無功在取值范圍內滿足以下約束條件：

公式（9）表示各節點電壓、有功、無功取值不能超過該節點的上下限，而且支路電流不能超過該支路電流的上下限。

3）電壓響應特性

4）頻率響應特性

式（11）中，KG為發電機單位調節功率，W；TG為發電機時間常數，s；δf為系統頻率差標幺值。

并網點電壓響應特性滿足式（10）、電網頻率響應特性滿足式（11），分布式電源持續運行[27-29]。電力系統頻率由發電機節點有功出力決定，因此本文主要參照式（8）進行仿真，當系統功率平衡，可認為頻率響應滿足式（11）。

5）電壓偏差

式中，Ui為節點電壓，Us為系統電壓。35 kV及以上供電電壓的正負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%，20 kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱電壓的±7%，220 V單相供電電壓允許偏差為標稱電壓的+7%、-10%。

3 仿真分析

使用Matlab7.0以IEEE30節點為算例進行仿真，參數引用文獻[30]。光伏需要具備有功功率調節能力以及參與電網電壓調節能力。因此將并網點接入視為新的PV節點。

取SB=100 MV·A，UB=35 kV。光伏電站專線接入母線并網，比如接入25節點母線，形成31節點系統，如圖1所示。光伏并網容量0.3 pu，專線阻抗0.12+j0.34 pu。

圖1 31節點系統圖

3.1 無功優化前的電壓偏差節點和網損

光伏電站并網，無功補償及逆變器未進行無功補償，電壓偏差分布如圖2所示。

圖2 電壓偏差

圖2 中，節點9、10、12、14、15、16、17的電壓偏差大于等于節點規定的電壓偏差限值，需要進行無功優化，使得節點電壓偏差回歸正常范圍。

光伏并網后，相對網損初值，系統網損明顯降低，如圖3所示。

圖3 網損

3.2 無功優化后的電壓偏差和網損

依據圖2，采用逆變器分別對9、12、28節點進行無功優化。結果顯示，改善了電壓偏差，如圖4所示。

圖4 無功補償后的電壓偏差

圖4 中，逆變器無功出力增加，電壓偏差逐步改善，由無功補償前的電壓偏差越限優化為限值內。

有功網損變化不明顯，如圖5所示。

圖5 無功補償后的有功網損

無功網損變化明顯，如圖6所示。

圖6 無功補償后的無功網損

逆變器無功補償后，隨著逆變器無功補償出力增加，有功網損先減少后增加，無功網損在減少。

3.3 收益分析

分別仿真計算逆變器無功出力0 pu，0.3 pu，0.5 pu下的光伏和電網收益，如表1所示。

表1 收益數據萬元

由式（2）、（3）、（4）、（6）知，單位功率下的電網有功收益成分較大，無功收益成分相對少，而且圖5、表1顯示有功網損先減少后增加，因此，表2仿真收益數據也體現了收益先增加后減少，但相對無功補償前的最后總收益還是增加的。

4 結語

以上仿真分析，得出以下結論：

1）負荷一定，光伏并網使得供電公司售電量面臨競爭；但是仿真數據顯示兼顧光伏發電商利益，能夠實現整體效益的提升，光伏并網改善潮流分布，系統網損降低，對電網提高利潤有益。

2）逆變器無功調節改善了電壓偏差，逆變器無功出力適當，才能取得網損、收益較優效果。