面向電壓越限問題的配電網協同電壓控制策略研究

王 劍，付永剛

（國網山東省電力公司 壽光市供電公司，壽光262700）

電壓的穩定對電力設備的使用周期和用戶用電的質量等方面有著重大的影響[1]。目前含分布式電源配電網的常用電壓控制方式為無功或者有功功率的方式[2]。在配電網協同電壓的控制過程中，就地電壓控制器通過本地的節點補償設備完成電壓調整，相鄰就地電壓控制器相互間可傳輸無功功率缺額和節點越線電壓。同時配電網電壓和無功功率有著緊密的聯系，國內外的相關研究已經在這一方面取得巨大的成績。但現階段仍然還沒有合理且有效的方法解決臨近分布式電源接入點電壓越線的情況[3]。此次研究提出針對電壓越線問題的配電網協同電壓的控制方法，在節點電壓和有功及無功功率兩者關系上，分析分布式電源對節點電壓的有功和無功功率的改變。

1 含分布式電源的配電網協同電壓控制方案

1.1 配電網協同電壓控制策略分析

此次研究提出一種分層分布式配電網協同電壓的控制方法，滿足含多個分布式電源的全線電壓控制，仿止電壓出現越線的問題。隨著分布式電源和無功補償設備出力而變化，線路中節點電壓的水平也會有所改變[4]。研究設置線路中每個節點包含無功補償裝置和分布式電源，如果兩者均沒有，則視為功率為0，分布式電源接入配電網的結構示意圖如圖1 所示。標記節點k 處的電壓幅值為Uk，該處分布式電源傳送的有功功率是pDG，k，QRE，k是指該節點處無功設備傳遞出的無功功率。

圖1 分布式電源接入配電網的結構示意圖Fig.1 Structure diagram of distributed generation connected to distribution network

節點電壓和分布式電源的有功功率與無功功率存在一定關系，節點電壓的計算公式為

式中：U0指線路前端電壓幅值；Xi指電抗值。從k 節點電壓與j 節點無功設備的無功功率的靈敏度和j節點有功功率的靈敏度計算公式可以看出，節點電壓與有功和無功功率的靈敏度關系主要取決于節點j 的位置。如果節點j 在k 節點的下游，則靈敏度的值相對較大；如果節點j 所處的位置位于變電站母線出口處，則靈敏度值相對較小。因此本地節點和下游節點調節電壓的能力最強。配電網采用相同導線條件下，電壓-有功功率和電壓-無功功率耦合能力比值為線路的抗阻比值。線路中任意2 個節點之間的耦合能力比值直接相關于阻抗值。當線路的阻抗值相對較大時，電壓和有功功率兩者的耦合作用就越大，反之，電壓和無功功率兩者的耦合作用就越大[5]。

研究保證分布式電源接入點處的電壓在合理電壓限值內，結合節點處的無功補償功率進行考慮，確保系統功率供需穩定。由公式（1）可知，分布式電源以最大功率因數點運行，若節點負荷功率保持穩定，則節點電壓相關于無功設備的無功功率。當降低越限電壓為目標限值電壓Uk，lim，則得到越限節點處無功設備的無功功率的公式和分布式電源的有功功率的公式。通過無功功率計算公式得知，分布式電源接入配電網后，配電區域中的無功補償設備的無功功率會直接影響所有節點的電壓水平，前者和后者分別是控制量和被控量[6-7]。理想狀態下，每個分布式電源接入點都需要裝入數量足夠的無功補償設備，假如數量低于分布式電源的數量，則無功補償的容量可能會耗盡，無法實現節點電壓控制[8]。配電網正常運行的條件下，分布式節點運行在最大功率因數點。若節點電壓越線，電壓控制方法為增加越線節點處的無功補償設備無功功率。設置節點j 和節點k 是兩個電壓越線的節點，則計算公式為

聯立式（2）和式（3），可以得到越線電壓降低至目標限值時，補償設備提供的無功功率QRE，k和QRE，j。依據前述靈敏度分析，首先選擇下游無功設備調節電壓，k 節點的無功借調功率表達式為

式中：Qcap，k是指k 節點無功設備補償容量；k+是指k 節點下游處容量充足的節點。

若節點下游無功容量消耗完后，節點電壓仍然超過限值，那么需要上游節點的無功設備的幫助，無功借調功率的計算公式為

式中：k-是指k 節點下游處容量充足的節點。假如整條饋線中的無功設備容量均耗完且節點電壓仍然沒有得到控制，則減少分布式電源的有功功率的消耗控制電壓。j 節點和k 節點對應電壓分別為

聯立式（6）和式（7），則可以得到兩個節點電壓降至目標限值相應的有功縮減功率。同時，需要對無功的輸出功率、有功功率縮減量額進行修正避免誤差對計算結果的影響。

1.2 配電網協同電壓控制策略流程

研究所提出的配電網的饋線層協同電壓控制策略以有功/無功功率借調的形式調整電壓，具體的實現示意圖如圖2 所示。

圖2 配電網協同電壓控制策略示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution network cooperative voltage control strategy

第1步：依據線路中所有節點的負荷狀態設定分布式電源的接入節點的目標電壓限值；

第2步：實時監測有功輸出功率、無功輸出功率、接入節點電壓，從而緩慢恢復有功功率的輸出，減低無功功率輸出，此階段分為4 種情況[9-10]：其一，當節點電壓沒有超出限制，繼續進行第2 步的操作；其二，當節點電壓超過目標電壓上限，但無功補償設備的容量還沒有達到最大值，則進行第3 步操作；其三，若節點電壓值已經超出電壓限值，同時無功補償設備的容量達到最大值，則進行第4 步操作；其四，若節點電壓值已經超出電壓限值，同時全線路的無功補償設備的容量到達極限，則進行第4和第5 步操作；

第3步：在無功功率補償過程中增加越限節點處無功功率，同時計算無功功率，并對計算結果進行修正。完成以上操作后，進入第5 步；

第4步：在無功功率的借調過程中，依據就近原則向上游和下游擁有充足無功功率的補償設備請求無功功率，同時計算無功輸送功率，并對得到的結果進行修正。完成以上操作后，進入第6 步；

第5步：在有功縮減階段，電壓控制的方法是就地降低所有越線節點的有功功率，同時計算分布式電源有功功率，并對計算結果進行修正；

第6步：控制越線節點無功補償設備輸出，包括是否輸出和輸出量大小，進而實現電壓控制。完成上述操作后直接跳轉到第2 步；

第7步：通過越線附近的無功補償設備實現電壓控制，主要是無功補償設備輸出的控制量大小。完成上述操作后同樣跳轉至第2 步；

第8步：通過越線節點附近的分布式電源的控制量大小實現電壓控制。完成上述操作后同樣跳轉至第2 步。

2 配電網協同電壓控制效果分析

2.1 IEEE33 節點配電系統仿真分析

研究采用IEEE33 節點饋線系統標準算例模型進行配電網的協同控制電壓準確性分析，拓撲結構如圖3 所示。仿真實驗在算例的4，11，28 號3 個節點分別連接分布式電源，有功功率分別為3MW，2MW，3MW，無功設備容量設置為20%的分布式的電源有功功率。

圖3 IEEE33 節點饋線系統拓撲圖Fig.3 Topology diagram of IEEE33 node feeder system

不同控制策略下所有節點電壓變化情況如圖4所示，藍色線段表示未調整之前的電壓，4 號節點的電壓為1.0336 p.u.，而11 號節點和28 號節點的電壓分別為1.0664 p.u.和1.0664 p.u.。同時可以看出，4 號節點電壓未超出限制，而其他兩個節點的電壓已經出現越線的問題，需要進行及時處理。從無功借調電壓、無功補償電壓、有功縮減電壓可以看到，此次研究的控制方法具有有效性和高效性。

圖4 不同控制策略下節點電壓變化情況Fig.4 Node voltage variation under different control strategies

2.2 計算結果

不同節點有功功率和無功功率的計算結果如表1 所示。3 個節點的電壓計算結果如圖5 所示。依據含分布式電源的配電網協同電壓控制方案，首先進入無功功率補償過程，經式（2）和式（3）計算可知，11 號節點和28 號節點的無功設備分別提供0.5072 MVar 和0.6842 MVar 的無功功率才能調低電壓。但是11 號節點和28 號節點的最大容量分別是0.4 MVar 和0.6 MVar。因此當無功補償設備的最大容量達到最大值時，11 號和28 號節點電壓分別降低至1.0544 p.u.和1.0541 p.u.。然后進入無功功率借調過程，11 號和28 號節點向4 號節點請求無功借調。經式（5）計算可知，11 號和28 號節點分別向4 號節點借調的無功功率為1.148 MVar 和1.0702 MVar。但4 號節點最大無功功率容量為0.61 MVar。因此當4 號節點無功補償設備達到最大值時，11 號和28 號節點電壓分別降低至1.0527 p.u.和1.0525 p.u.。

表1 不同節點有功功率和無功功率的計算結果Tab.1 Calculation results of active power and reactive power of different nodes

圖5 三個節點的電壓計算結果Fig.5 Voltage calculation results of three nodes

接下來進入有功功率縮減過程，經式（6）和式（7）計算可知，需分別將11 號和28 號節點的有功功率縮減至1.9430 MW 和2.9291 MW，相應的節點電壓分別為1.0498 p.u.和1.0498 p.u.。經修正值計算最終得到11 號和28 號節點的有功功率分別為1.9464 MW 和2.9340 MW，最終兩個節點的電壓為1.0500 p.u.。

3 結語

配電網面臨分布式電源的大量滲透，所帶來的電壓越線問題成為電力行業極具挑戰性的難題。此次研究提出解決全線電壓越線的分層分布式協同電壓控制方案，本方法利用整條饋線上無功功率充足的設備控制電壓越線的問題。IEEE33 仿真系統計算分析表明，無功功率補償過程，11 號和28 號節點電壓分別降低至1.0544 p.u.和1.0541 p.u.。無功功率借調過程，兩個節點電壓分別降至1.0527 p.u.和1.0525 p.u.。有功功率縮減過程，兩個節點電壓恢復到正常值，所提出的配電網協同電壓控制策略能有效處理電壓越線的問題。本研究還存在不完善之處，未考慮分布式電源功率輸出特性，在今后的工作中需要進一步完善。