基于分布式光伏的低壓配網(wǎng)“低電壓”治理

劉旭鵬，邱 爽，李海波，王甲龍，秦 榛，馬 楠，王 俊

（1.內(nèi)蒙古龍?jiān)疵蓶|新能源有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110000；3.赤峰市供電公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

鑒于農(nóng)村用電戶(hù)數(shù)多而分散，負(fù)荷密度小，因地理約束，農(nóng)網(wǎng)輸配電線(xiàn)路十分長(zhǎng)[1]。受輸電線(xiàn)路和變壓器容量的限制，負(fù)荷高峰時(shí)，線(xiàn)路末端有可能因?yàn)楣β什蛔愣闺妷航档停绊懠译姷恼＿\(yùn)行。隨著農(nóng)村居住點(diǎn)的不斷延伸，負(fù)荷中心的不斷偏移，農(nóng)村電網(wǎng)“低電壓”的現(xiàn)象將進(jìn)一步加重，使農(nóng)村電網(wǎng)日顯薄弱。此外，農(nóng)村生產(chǎn)的季節(jié)性導(dǎo)致了農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷季節(jié)性很強(qiáng)。夏季是干旱季，須要大量使用水泵。冬季尤其在春節(jié)期間，民工返鄉(xiāng)會(huì)出現(xiàn)用電高峰。隨著農(nóng)村居民生活水平的提高，諸如空調(diào)之類(lèi)強(qiáng)季節(jié)性的負(fù)荷占農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷比例逐年增加，加劇了農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷季節(jié)性變動(dòng)程度，嚴(yán)重降低了線(xiàn)路、配電設(shè)備的有效利用率，并影響用戶(hù)端的電能質(zhì)量，因此解決農(nóng)村配電網(wǎng)“低電壓”問(wèn)題非常迫切。文獻(xiàn)[2-3]提出了改造電網(wǎng)的治理方法及改造或新增變壓器和輸電線(xiàn)路的方法，但考慮到農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布的特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)效益的角度來(lái)看，農(nóng)村電網(wǎng)的改造不僅周期長(zhǎng)，工程量浩大，而且資金需求大，尤其是對(duì)一些山區(qū)的電網(wǎng)改造，在實(shí)際操作上有較大的難度。文獻(xiàn)[4]提出了針對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用，主要是對(duì)無(wú)功控制策略的研究，但這種控制方法會(huì)頻繁地進(jìn)行設(shè)備調(diào)節(jié)，且產(chǎn)生的控制決策存在不確定性和盲目性。隨著分布式能源技術(shù)的不斷發(fā)展，利用接入分布式能源以解決配電網(wǎng)的有功及無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題越來(lái)越廣泛，分布式能源的接入使配電網(wǎng)更加復(fù)雜，對(duì)配電網(wǎng)中的潮流分布、電壓分布和網(wǎng)損等產(chǎn)生重要影響[5-6]，分布式能源的合理配置能夠提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及提高配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[7]。本文提出了基于光伏低壓配網(wǎng)的優(yōu)化配置方法，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法可以有效治理用戶(hù)端“低電壓”問(wèn)題。

1 農(nóng)村電網(wǎng)“低電壓”成因分析

一般情況下造成“低電壓”的原因主要分為電源、電網(wǎng)和負(fù)荷3個(gè)方面。電源方面：無(wú)功功率不足、配電設(shè)備重載甚至過(guò)載、配變的分接頭位置不當(dāng)。電網(wǎng)方面：臺(tái)區(qū)布點(diǎn)不合理，供電半徑過(guò)長(zhǎng)、輸電線(xiàn)路截面積太小、有功功率損耗過(guò)大，另外，接戶(hù)線(xiàn)及進(jìn)戶(hù)線(xiàn)等低壓線(xiàn)路普遍存在配置不合理的現(xiàn)象，導(dǎo)致用戶(hù)末端“低電壓”。負(fù)荷方面：三相負(fù)荷不平衡、用戶(hù)超容用電。“低電壓”現(xiàn)象主要包括長(zhǎng)期和季節(jié)性“低電壓”。長(zhǎng)期“低電壓”指用戶(hù)全天候“低電壓”持續(xù)三個(gè)月或日負(fù)荷高峰“低電壓”持續(xù)六個(gè)月以上的“低電壓”現(xiàn)象；季節(jié)性“低電壓”是指度夏度冬、春灌秋收、逢年過(guò)節(jié)、烤茶制煙等時(shí)段出現(xiàn)具有周期規(guī)律的“低電壓”現(xiàn)象[8]。對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)而言，更容易發(fā)生季節(jié)性“低電壓”問(wèn)題，由于農(nóng)村地域廣闊，居民居住分散，農(nóng)村電網(wǎng)供電線(xiàn)路長(zhǎng)、負(fù)荷分散等特點(diǎn)，導(dǎo)致輸電線(xiàn)路損耗大，更容易引起末端“低電壓”。在分析農(nóng)村電網(wǎng)電壓降落時(shí)，不能像主網(wǎng)一樣僅僅從負(fù)荷或線(xiàn)路單方面考慮，必須結(jié)合農(nóng)村電網(wǎng)自身特點(diǎn)，將農(nóng)村電網(wǎng)的負(fù)荷和線(xiàn)路結(jié)合起來(lái)考慮。農(nóng)村配電網(wǎng)線(xiàn)路損耗中的有功損耗引起的電壓降落縱分量較大，而線(xiàn)路無(wú)功損耗較小，其引發(fā)的電壓降落橫分量也較小。

2 “低電壓”治理方案

本文針對(duì)開(kāi)環(huán)運(yùn)行的輻射式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建立以總電壓偏差最小為目標(biāo)（總電壓偏差即每個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓與理想電壓之差的絕對(duì)值的總和），采用粒子群優(yōu)化算法，調(diào)用潮流計(jì)算程序，逐次迭代，進(jìn)行單點(diǎn)和多點(diǎn)配置光伏系統(tǒng)以提高配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓。

2.1 配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法

目前在配電網(wǎng)各種潮流計(jì)算方法中，前推回代法對(duì)初值要求不高，迭代過(guò)程中不須計(jì)算雅可比矩陣，基本能夠保證線(xiàn)性收斂，計(jì)算速度較快，效率最高。所以本文根據(jù)采集到的線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（包括各線(xiàn)路長(zhǎng)度、導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)、電阻）、負(fù)荷數(shù)據(jù)（包括各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷類(lèi)型和負(fù)荷功率）采用前推回代法進(jìn)行潮流計(jì)算，光伏發(fā)電系統(tǒng)按節(jié)點(diǎn)處理，作為負(fù)的負(fù)荷接入。

2.2 粒子群優(yōu)化算法

粒子群（PSO）優(yōu)化算法，是一種操作簡(jiǎn)便、易于理解、應(yīng)用廣泛的優(yōu)化算法。首先根據(jù)需求在人為限定的范圍內(nèi)或者不限范圍隨機(jī)給出一組解，然后計(jì)算每組解的適應(yīng)度，在不斷的迭代計(jì)算過(guò)程中，選擇具有更優(yōu)適應(yīng)度的解，直到得到最優(yōu)結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè)須進(jìn)行優(yōu)化的問(wèn)題，它每一個(gè)可能的解都可以稱(chēng)為搜索區(qū)域內(nèi)的一個(gè)粒子，每個(gè)粒子有它的位置變量不同位置對(duì)應(yīng)不同的適應(yīng)值，可以是目標(biāo)函數(shù)的函數(shù)值，然后粒子按照一定的搜索方式在搜索區(qū)域內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)解的搜索，正如小鳥(niǎo)飛行一樣，每一個(gè)粒子都具有自己的一個(gè)速度，然后在自身的最優(yōu)解和整個(gè)粒子群的最優(yōu)解的影響下不斷更新自己的速度和位置。

應(yīng)用粒子群算法進(jìn)行風(fēng)機(jī)或光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置的求解步驟如下：

第一步，讀入數(shù)據(jù)并初始化算法參數(shù)。讀入待優(yōu)化配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)。給定初始化條件，確定粒子總數(shù)、粒子維度和最大迭代次數(shù)及參數(shù)的大小等。

第二步，初始化粒子。在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)約束范圍內(nèi)隨機(jī)生成粒子位置和速度，粒子位置對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)或光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的位置變量和出力變量。為系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)或光伏接入點(diǎn)個(gè)數(shù)，為粒子位置中對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)或光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的位置變量，為粒子位置中對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)或光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的出力變量。

第三步，調(diào)用潮流計(jì)算程序，計(jì)算每個(gè)粒子初始適應(yīng)度，即目標(biāo)函數(shù)值，該值即為該粒子當(dāng)前最優(yōu)值，將每個(gè)粒子當(dāng)前最優(yōu)值進(jìn)行排序比較，得到當(dāng)前全局最優(yōu)值，使目標(biāo)函數(shù)等于全局最優(yōu)值的粒子即為全局最優(yōu)粒子；置迭代次數(shù)。

第四步，進(jìn)入主循環(huán)。計(jì)算每次迭代的粒子位置和速度變量，調(diào)用潮流計(jì)算程序，計(jì)算和比較，更新每個(gè)粒子最優(yōu)適應(yīng)值和全局最優(yōu)適應(yīng)值，并記錄粒子對(duì)應(yīng)的位置。

第五步，判斷是否收斂。若迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)定的最大迭代次數(shù)，則迭代結(jié)束，輸出最優(yōu)解，否則，并轉(zhuǎn)到第四步繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)命令。

3 光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置分析

以赤峰市翁牛特旗低壓配電網(wǎng)中某一低壓臺(tái)區(qū)為例，尋找光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的最優(yōu)接入位置和最優(yōu)出力，以達(dá)到提升各節(jié)點(diǎn)電壓的目的。由于此臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡，須按每相單獨(dú)進(jìn)行潮流計(jì)算和光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置。本文以A相為例，以總電壓偏差最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)臺(tái)區(qū)A相進(jìn)行單點(diǎn)和多點(diǎn)光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置。此臺(tái)區(qū)A相共34個(gè)節(jié)點(diǎn)，33條支路，估計(jì)總有功負(fù)荷28.5 kW，節(jié)點(diǎn)1電壓設(shè)為0.22 kV。未配置光伏系統(tǒng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)總電壓偏差為1.306 kV，總有功損耗為5.9 kW。

單點(diǎn)光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置，以總電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群優(yōu)化算法，得到光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的最優(yōu)位置為節(jié)點(diǎn)22，最優(yōu)出力為20.462 kW，總電壓偏差為0.088 kV，總有功損耗為0.661 kW。粒子群優(yōu)化算法收斂曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 單點(diǎn)光伏并網(wǎng)粒子群優(yōu)化算法收斂曲線(xiàn)

采用不同目標(biāo)函數(shù)的各節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)比如圖2所示。

圖2 不同目標(biāo)函數(shù)的各節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)比

多點(diǎn)光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置，以總電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群優(yōu)化算法，得到光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的最優(yōu)位置為節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)23，最優(yōu)出力分別為10.481 kW和16.988 kW，總電壓偏差為0.035 kV，總有功損耗為0.418 kW。粒子群優(yōu)化算法收斂曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 多點(diǎn)光伏并網(wǎng)粒子群優(yōu)化算法收斂曲線(xiàn)

采用不同目標(biāo)函數(shù)的各節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)比如圖4所示。

圖4 不同目標(biāo)函數(shù)的各節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)比

由此可見(jiàn)，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)能夠提高各節(jié)點(diǎn)電壓使其基本達(dá)到額定電壓，降低網(wǎng)損，可以較好地起到“低電壓”治理效果，如表1所示。

表1 此臺(tái)區(qū)A相光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)農(nóng)村低壓配電網(wǎng)的“低電壓”治理，本文提出了一種基于光伏并網(wǎng)低壓配網(wǎng)的優(yōu)化配置的“低電壓”治理措施。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)能夠提高各節(jié)點(diǎn)電壓使其基本達(dá)到額定電壓，降低網(wǎng)損，對(duì)治理配電網(wǎng)“低電壓”現(xiàn)象能起到較好的效果。光伏作為有功補(bǔ)償設(shè)備是目前使用最多的清潔能源之一，對(duì)農(nóng)村配網(wǎng)而言，分布式光伏的接入可以解決用戶(hù)端“低電壓”問(wèn)題。