基于分布式電源接入的配電網無功控制策略研究

王朝龍，阿爾優鬼

（1．國網青海省電力公司，青海 西寧 810000；2．國網青海省電力公司黃化供電公司，青海 黃南藏族自治州 811200）

隨著經濟的不斷發展，能源危機日益嚴重，因此可再生能源如光伏、風電得到了廣泛的應用。由光伏、風電構成的分布式電源接入配電網會提升線路不同負荷節點的電壓值，甚至會超過電壓最大值，給用戶帶來嚴重影響。如果棄用分布式電源，會引起連接線纜線電壓降低，進而會影響供電電能質量。因此需要對接入配電網的分布式電源電壓進行調控。通常分布式電源接入電網后可以有效改善電網的無功特性，但一些分布式電源會消耗無功功率，無法實現無功調節，因此需要對此類接入配電網的分布式電源進行無功補償[1]。

為了研究光伏、風電等分布式電源接入配電網后的電壓無功控制效果，需要對分布式電源進行建模，而系統負荷對分布式電源接入配電網后的電壓無功控制效果具有重要影響。配電網中負荷主要包括恒功率負荷、恒阻抗負荷和恒電流負荷三種類型，每種負荷在系統中以固定比例的形式存在，因此需要將分布式電源與其負荷相結合進行建模，從而獲得準確的分析效果。

本文根據分布式電源的特點，提出一種基于規則的電壓無功控制策略，實現配電網的無功調節。首先對光伏、風電兩種常見分布式電源及其負荷進行建模，然后對無功控制算法進行介紹，最后通過仿真驗證了無功控制策略在分布式電源接入配電網中的控制效果。

1 分布式電源數學模型

1．1 光伏發電模型

光伏發電系統與配電網之間通過單相逆變器接入。光伏發電系統輸出的是直流功率，其表達式如下所示：

式（1）、（2）中，PDC為光伏發電系統輸出的直流功率，PSTC、GSTC分別為標準測試條件下光伏發電系統輸出的直流功率和太陽光輻射度，GA為實際太陽光輻射度，TC為光伏電池板溫度，TSTC為標準測試條件下光伏電池板溫度，通常取25℃，CT為功率溫度系數，Ta為環境溫度，NOCT為光伏系統正常運行時電池板溫度[2-3]。

1．2 風力發電模型

風力發電系統通過三相變流器接入配電網，風機捕獲風能進行發電，風機在不同風速下輸出的機械功率如下所示：

式（3）中，Pm為風機輸出的機械功率，ρ為空氣密度，S為槳葉掃過面積，Cp為功率因數，V為風速，其中功率因數與槳距角和葉尖速比有關。

2 負荷數學模型

分布式電源的輸出功率具有波動性，其負荷具有時變性，負荷類型會影響電壓無功控制效果。負荷類型分為恒定負荷和時變負荷，為了能夠獲得準確的分析效果，分別對上述兩種負荷進行建模。

2．1 恒定負荷

對于電視機、電腦和風扇等常見的不帶溫控回路的負荷，通常在電壓給定條件下，其消耗的電功率是不變的，稱為恒定負荷。此類負荷消耗的能量可以通過電壓和所用時間構成的函數來表達，因此供電電壓越大，負荷消耗的能量就越大[4-6]。本文通過ZIP模型模擬負荷的功率變化，進而可以實現負荷電壓響應模擬，ZIP模型的表達式如下所示：

式（4）、（5）中，Pi（Va）、Qi（Va）分別為第i個負荷消耗的無功功率和有功功率，Vn為線路額定電壓，Va為線路實際電壓，Sn為額定視在功率，Z%、I%、P%分別為恒阻抗、恒電流、恒功率在負荷中所占的百分比，Zpf、Ipf、Ppf分別為恒阻抗、恒電流、恒功率部分的功率因數。

由式（4）、（5）可以發現，在不同負荷情況下，通過降低電壓的方式來實現降低功率的效果不同，其中恒阻抗負荷可以得到較好的效果，恒電流負荷效果次之，恒功率負荷基本沒有效果[7]。

2．2 時變負荷

對于電冰箱、熱水器等帶溫控回路的負荷，在給定電壓變化條件下，其消耗的電功率也可能變化，稱為時變負荷，此類負荷的控制環節通過一定的調節策略可以實現消耗的電功率滿足控制需求。

時變負荷通常采用等效熱參數（ETP）模型來實現數學建模和模擬[8]。

3 配電網電壓無功控制策略

基于電壓無功協調控制算法實現分布式電源接入配電網的無功控制，該方法通過調節配電網負荷側的工作電壓，使其在ANSI電壓標準的較低部分運行，以降低系統耗能。該算法中電壓控制和無功控制耦合很小，可以分解成兩部分。

3．1 電壓控制

電壓控制主要包括以下四個步驟：

首先，對配電網中線路末端電壓進行監測，并從監測的數據中提取線路端電壓的最小值Vend；

然后，計算系統中變電所電壓V0與線路末端電壓最小值之間的電壓降VD，如下所示：

其次，將計算得到的電壓降與設定的電壓降VD＊進行比較，從而可以得到控制電壓帶寬Vbw，控制電壓帶寬設定為，具體表達式如下所示：

最后，將線路末端電壓最小值與設定電壓Vset進行比較，當系統負荷較小時，分接頭tap變化如下：

當系統負荷較大時，分接頭tap變化如下：

穩壓器分接頭通常會對其動作是否會導致線路電壓超限進行判斷，如果電壓超過允許的最大值，穩壓器的分接頭將會停止動作。對于存在多個穩壓器的電網，穩壓器的分接頭將根據各自所處電壓和線路的末端電壓動作。

3．2 無功控制

通過電容器的投切實現無功控制，可以保證系統中穩壓器所在的功率因數在設定值以上。

首先需要對系統中的電容器按一定的規則進行排序，通常優先投入的是容量大的電容器，最后切除。對于容量相同的電容器，按距離變電所的遠近進行動作判斷，遠離變電所的電容器先投入后切除。

電容器的投切動作按以下判據進行操作：

式（10）中，Qbri為無功損失容量，Qci為第 i個電容器的額定容量，d1和d2機械震蕩補償系數，SWi為第i個電容器的開關狀態。

4 算例分析

為了驗證本文所提的配電網電壓無功控制策略的效果，采用GridLAB-D仿真軟件進行分析驗證，該軟件支持連續時間序列的仿真，并包含豐富的負荷模型，可以對負荷的變化情況進行模擬，有利于連續時間序列電壓無功控制效果的分析。為了模擬分布式電源和負荷變化，在配電線上添加用戶及相應的用電裝置，并在每個用戶處加入光伏發電和風電裝置。

加入光伏發電裝置后，負荷側的期望電壓設定為117V，允許的電壓變化范圍是[114V，120V]，為了驗證電壓無功控制（VVC）效果，分別對采用該算法前后的負荷電壓變化曲線進行仿真，其仿真結果如圖1所示。

圖1 負荷電壓變化曲線

由圖1可知，采用電壓無功控制算法后，負荷電壓明顯降低，基本控制在117V左右，滿足設計要求。當光照輻射率增大時，光伏發電裝置的輸出功率也隨之增加，負荷節點電壓明顯提升。

饋線系統能量消耗平均值如表1所示。

表1 能量消耗平均值

由表1可以發現，接入光伏發電裝置后，為了驗證電壓無功控制算法，對饋線系統能量消耗平均值進行對比，能量消耗平均值在加入VVC控制算法后比之前下降1．6%。

加入風力發電裝置后，負荷側的期望電壓設定為117V，允許的電壓變化范圍是[114V，120V]，仿真結果如圖2所示。

圖2 負荷電壓變化曲線

由圖2可知，采用電壓無功控制算法后，負荷電壓可以得到有效控制，當風速較大時風機輸出功率也隨之增大，導致電壓控制存在波動，該算法的控制效果受到影響，但是電壓波動仍在允許范圍內。

饋線系統能量消耗平均值如表2所示。

表2 能量消耗平均值

由表2可以發現，接入風力發電裝置后，為了驗證電壓無功控制算法，對饋線系統能量消耗平均值進行對比，能量消耗平均值在加入VVC控制算法后比之前下降1．33%。

5 結論

以光伏、風電為主的分布式電源接入配電網后，對配電網進行電壓無功控制可以更好地服務系統的無功補償，保證電網安全穩定工作。本文基于電壓無功協調控制算法實現分布式電源接入配電網的無功控制方法進行了研究，建立了光伏發電、風力發電和系統負荷的數學模型，對該算法的電壓控制和無功控制進行了詳細的介紹，采用GridLAB-D仿真軟件對本文所提的配電網電壓無功控制策略進行仿真驗證。該方法降低了分布式電源接入配電網帶來的負面影響，實現了電網電壓無功控制和補償，為配電網的穩定運行提供了重要保證，通過仿真數據對比分析，驗證了基于電壓無功協調控制算法具有較好的控制效果和良好的適用性。