計及分布式光伏接入的配電網無功補償優化研究

李玉笑

廊坊新奧光伏集成有限公司 河北廊坊 065001

近年來，隨著分布式光伏發電（Distributed photovoltaic power generation，以下簡稱PV）技術的迅猛發展以及國家新能源優先調度政策的執行，大量PV系統接入配電網，使配電系統從放射狀結構變為多電源結構，電網潮流和短路電流的大小、方向和分布特性均發生改變。光伏并網發電系統沒有旋轉慣量、調速器及勵磁調節系統，不具備調壓、調頻以及調峰能力。受其發電特性影響，光伏系統并網后不會向配電網系統注入短路電流，線路保護的靈敏度下降，導致保護裝置誤動或拒動，相鄰線路的瞬時速斷保護失去選擇性等。因此，原有保護方案不能滿足接入PV系統后配電網繼電保護要求，必須評估PV系統對配電網繼電保護的影響，研究新的保護策略。

1 電壓波動理論分析

1.1 配電網電壓波動原理分析

配電網中的電壓受到潮流分布的影響，當電網中的負荷以及電源輸送的功率發生變化時，就會導致配電網中母線上的各個節點發生電壓波動。分布式光伏PV并入配電網后，除了上述傳統的因素外，由于光照強度與溫度不斷發生變化導致光伏PV的功率發生了變化，從而引起了電壓的波動。一般情況下，光伏系統對于配電網并網點（Point of Common Coupling，PCC）沖擊最大。其中分布式 PV發電逆變器的功率因數主要區間為（-0．95，0．95），為了簡化計算并更好地分析問題，在分析過程中忽略無功功率的影響，即將接入配電網中的光伏電源等效為電流源。

1.2 環網結構中電壓波動分析

通過分析可以得出光伏電源接入配電網中的容量以及短路容量的大小是影響配電網中電壓波動的關鍵因素。由于光伏產業的不斷發展，不能通過降低發電量來抑制配電網中電壓的波動，因此，從短路容量的角度抑制電壓波動。由于環網中增大了短路容量，有助于抑制波動。為此做出以下分析。

2 計及分布式光伏接入的配電網無功補償模型

2.1 無功補償優化的數學模型

無功補償優化問題從數學的角度看可以這樣理解：在給出確定的電力系統結構和電力負荷參數的情況下，找出適合的控制變量，根據實際情況列出各種等式和不等式作為約束條件，然后求出以系統的運行成本為最佳目標函數的解。其數學模型可以由下面公式共同組成：式中，f表示目標函數，s．t．g函數表示等式約束條件，h函數表示不等式約束條件，u為選擇的控制變量（主要包括電機兩端的電壓、變壓器裝置變比、用于無功功率補償的裝置容量等），x表示狀態變量（主要包括節點電壓）。

2.2 優化的目標函數

為了優化無功補償目標函數，選擇罰函數法對狀態標量進行約束的條件。即當狀態標量處于超過界限的情況下，附加上懲罰項約束的條件，從而在原先的目標函數基礎上進行優化處理，使得變量均能符合該數學模型的約束條件，最終求得配電網系統中無功補償的最優解壓為所允許的極限值時，節點電壓超過電壓所允許的最大值，取電壓值上限；當節點電壓超過電壓所允許的最小值時，取電壓值下限；否則取的值。λ表示罰系數，N表示母線的總數，式中，表示節點電表示為最大年損耗的小時數，ΔP為有功損耗，α為無功補償系數，Qc為無功補償容量。

2.3 配電網繼電保護變化

我國放射狀配電網上的故障80%是瞬時性故障，通常采用三段式電流保護無需設置方向元件即可有效地保護線路全長。PV系統接入配電網后，網絡潮流方向變復雜，功率分點不確定性增加，致使原網絡配置的繼電保護受到影響，具體表現為保護誤動作、重合閘不成功、保護范圍縮小等。深入研究了PV系統接入配電網的路徑位置和光伏發電裝機總量對放射狀配電網三段式電流保護選擇性和靈敏性的影響[1]。

2.4 基于方向元件的配電網繼電保護的改進

受逆變裝置的影響，配電網接入PV系統后方向元件的判據與非接入PV系統方向元件的判據不同。經過仿真研究確定，PV系統采用非低電壓穿越控制時，配電網電源側和PV系統側保護方向元件的動作判據分別為-80°≤σ≤105°和-75°≤σ≤100°；PV系統采用低電壓穿越控制時，配電網電源側和PV系統側保護方向元件的動作判據分別為-10°≤σ≤105°和-75°≤σ≤170°（σ為保護安裝點電壓和正序電流之間的向量夾角）。如圖1所示，配電網保護裝置R1、R2、R4動作于配電網絡電源提供的正向短路電流，保護裝置R3、R5動作于PV系統提供的正向短路電流，二者不存在配合關系[2]。提出的電流保護整定原則，故障點出現在PV系統的上游、下游或相鄰饋電線路上時，保護裝置均能夠按照設計的選擇性進行動作，切除故障部分，不會出現誤動作情況。

圖1 PV系統接入配電網保護示意圖

3 結語

在分布式光伏接入的配電網中，光伏發電規模的不斷擴大對電力系統進行無功補償的優化方面研究具有重要意義。對比分析不同的無功補償優化技術，選擇最佳的優化方案。本文具體分析了分布式光伏接入后，對整個配電網系統產生的影響，結合其對整個配電網的影響，同時考慮無功補償避免的功率損耗費用與購置無功補償裝置所需的費用，建立起配電網的無功功率補償優化的數學模型，將粒子群算法與無功補償的數學模型相聯系[3]，并通過軟件進行優化，從而建立合適的模型。該優化方法具有易于建模、計算效率高、考慮全局得出最優解的特點。