王 劍，付永剛

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 壽光市供電公司，壽光262700）

電壓的穩(wěn)定對(duì)電力設(shè)備的使用周期和用戶用電的質(zhì)量等方面有著重大的影響[1]。目前含分布式電源配電網(wǎng)的常用電壓控制方式為無(wú)功或者有功功率的方式[2]。在配電網(wǎng)協(xié)同電壓的控制過(guò)程中，就地電壓控制器通過(guò)本地的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償設(shè)備完成電壓調(diào)整，相鄰就地電壓控制器相互間可傳輸無(wú)功功率缺額和節(jié)點(diǎn)越線電壓。同時(shí)配電網(wǎng)電壓和無(wú)功功率有著緊密的聯(lián)系，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究已經(jīng)在這一方面取得巨大的成績(jī)。但現(xiàn)階段仍然還沒(méi)有合理且有效的方法解決臨近分布式電源接入點(diǎn)電壓越線的情況[3]。此次研究提出針對(duì)電壓越線問(wèn)題的配電網(wǎng)協(xié)同電壓的控制方法，在節(jié)點(diǎn)電壓和有功及無(wú)功功率兩者關(guān)系上，分析分布式電源對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的有功和無(wú)功功率的改變。

1 含分布式電源的配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制方案

1.1 配電網(wǎng)協(xié)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(wǎng)協(xié)同電壓的控制方法，滿足含多個(gè)分布式電源的全線電壓控制，仿止電壓出現(xiàn)越線的問(wèn)題。隨著分布式電源和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備出力而變化，線路中節(jié)點(diǎn)電壓的水平也會(huì)有所改變[4]。研究設(shè)置線路中每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含無(wú)功補(bǔ)償裝置和分布式電源，如果兩者均沒(méi)有，則視為功率為0，分布式電源接入配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。標(biāo)記節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)處無(wú)功設(shè)備傳遞出的無(wú)功功率。

圖1 分布式電源接入配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of distributed generation connected to distribution network

節(jié)點(diǎn)電壓和分布式電源的有功功率與無(wú)功功率存在一定關(guān)系，節(jié)點(diǎn)電壓的計(jì)算公式為

式中：U0指線路前端電壓幅值；Xi指電抗值。從k 節(jié)點(diǎn)電壓與j 節(jié)點(diǎn)無(wú)功設(shè)備的無(wú)功功率的靈敏度和j節(jié)點(diǎn)有功功率的靈敏度計(jì)算公式可以看出，節(jié)點(diǎn)電壓與有功和無(wú)功功率的靈敏度關(guān)系主要取決于節(jié)點(diǎn)j 的位置。如果節(jié)點(diǎn)j 在k 節(jié)點(diǎn)的下游，則靈敏度的值相對(duì)較大；如果節(jié)點(diǎn)j 所處的位置位于變電站母線出口處，則靈敏度值相對(duì)較小。因此本地節(jié)點(diǎn)和下游節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)電壓的能力最強(qiáng)。配電網(wǎng)采用相同導(dǎo)線條件下，電壓-有功功率和電壓-無(wú)功功率耦合能力比值為線路的抗阻比值。線路中任意2 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的耦合能力比值直接相關(guān)于阻抗值。當(dāng)線路的阻抗值相對(duì)較大時(shí)，電壓和有功功率兩者的耦合作用就越大，反之，電壓和無(wú)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(diǎn)處的電壓在合理電壓限值內(nèi)，結(jié)合節(jié)點(diǎn)處的無(wú)功補(bǔ)償功率進(jìn)行考慮，確保系統(tǒng)功率供需穩(wěn)定。由公式（1）可知，分布式電源以最大功率因數(shù)點(diǎn)運(yùn)行，若節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率保持穩(wěn)定，則節(jié)點(diǎn)電壓相關(guān)于無(wú)功設(shè)備的無(wú)功功率。當(dāng)降低越限電壓為目標(biāo)限值電壓Uk，lim，則得到越限節(jié)點(diǎn)處無(wú)功設(shè)備的無(wú)功功率的公式和分布式電源的有功功率的公式。通過(guò)無(wú)功功率計(jì)算公式得知，分布式電源接入配電網(wǎng)后，配電區(qū)域中的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的無(wú)功功率會(huì)直接影響所有節(jié)點(diǎn)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(tài)下，每個(gè)分布式電源接入點(diǎn)都需要裝入數(shù)量足夠的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，假如數(shù)量低于分布式電源的數(shù)量，則無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘靠赡軙?huì)耗盡，無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓控制[8]。配電網(wǎng)正常運(yùn)行的條件下，分布式節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在最大功率因數(shù)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)電壓越線，電壓控制方法為增加越線節(jié)點(diǎn)處的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備無(wú)功功率。設(shè)置節(jié)點(diǎn)j 和節(jié)點(diǎn)k 是兩個(gè)電壓越線的節(jié)點(diǎn)，則計(jì)算公式為

聯(lián)立式（2）和式（3），可以得到越線電壓降低至目標(biāo)限值時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備提供的無(wú)功功率QRE，k和QRE，j。依據(jù)前述靈敏度分析，首先選擇下游無(wú)功設(shè)備調(diào)節(jié)電壓，k 節(jié)點(diǎn)的無(wú)功借調(diào)功率表達(dá)式為

式中：Qcap，k是指k 節(jié)點(diǎn)無(wú)功設(shè)備補(bǔ)償容量；k+是指k 節(jié)點(diǎn)下游處容量充足的節(jié)點(diǎn)。

若節(jié)點(diǎn)下游無(wú)功容量消耗完后，節(jié)點(diǎn)電壓仍然超過(guò)限值，那么需要上游節(jié)點(diǎn)的無(wú)功設(shè)備的幫助，無(wú)功借調(diào)功率的計(jì)算公式為

式中：k-是指k 節(jié)點(diǎn)下游處容量充足的節(jié)點(diǎn)。假如整條饋線中的無(wú)功設(shè)備容量均耗完且節(jié)點(diǎn)電壓仍然沒(méi)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(jié)點(diǎn)和k 節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓分別為

聯(lián)立式（6）和式（7），則可以得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓降至目標(biāo)限值相應(yīng)的有功縮減功率。同時(shí)，需要對(duì)無(wú)功的輸出功率、有功功率縮減量額進(jìn)行修正避免誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

1.2 配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制策略流程

研究所提出的配電網(wǎng)的饋線層協(xié)同電壓控制策略以有功/無(wú)功功率借調(diào)的形式調(diào)整電壓，具體的實(shí)現(xiàn)示意圖如圖2 所示。

圖2 配電網(wǎng)協(xié)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(jù)線路中所有節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷狀態(tài)設(shè)定分布式電源的接入節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)電壓限值；

第2步：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有功輸出功率、無(wú)功輸出功率、接入節(jié)點(diǎn)電壓，從而緩慢恢復(fù)有功功率的輸出，減低無(wú)功功率輸出，此階段分為4 種情況[9-10]：其一，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓沒(méi)有超出限制，繼續(xù)進(jìn)行第2 步的操作；其二，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓超過(guò)目標(biāo)電壓上限，但無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量還沒(méi)有達(dá)到最大值，則進(jìn)行第3 步操作；其三，若節(jié)點(diǎn)電壓值已經(jīng)超出電壓限值，同時(shí)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量達(dá)到最大值，則進(jìn)行第4 步操作；其四，若節(jié)點(diǎn)電壓值已經(jīng)超出電壓限值，同時(shí)全線路的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量到達(dá)極限，則進(jìn)行第4和第5 步操作；

第3步：在無(wú)功功率補(bǔ)償過(guò)程中增加越限節(jié)點(diǎn)處無(wú)功功率，同時(shí)計(jì)算無(wú)功功率，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。完成以上操作后，進(jìn)入第5 步；

第4步：在無(wú)功功率的借調(diào)過(guò)程中，依據(jù)就近原則向上游和下游擁有充足無(wú)功功率的補(bǔ)償設(shè)備請(qǐng)求無(wú)功功率，同時(shí)計(jì)算無(wú)功輸送功率，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行修正。完成以上操作后，進(jìn)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(jié)點(diǎn)的有功功率，同時(shí)計(jì)算分布式電源有功功率，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正；

第6步：控制越線節(jié)點(diǎn)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備輸出，包括是否輸出和輸出量大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓控制。完成上述操作后直接跳轉(zhuǎn)到第2 步；

第7步：通過(guò)越線附近的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備實(shí)現(xiàn)電壓控制，主要是無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備輸出的控制量大小。完成上述操作后同樣跳轉(zhuǎn)至第2 步；

第8步：通過(guò)越線節(jié)點(diǎn)附近的分布式電源的控制量大小實(shí)現(xiàn)電壓控制。完成上述操作后同樣跳轉(zhuǎn)至第2 步。

2 配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制效果分析

2.1 IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)仿真分析

研究采用IEEE33 節(jié)點(diǎn)饋線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)算例模型進(jìn)行配電網(wǎng)的協(xié)同控制電壓準(zhǔn)確性分析，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。仿真實(shí)驗(yàn)在算例的4，11，28 號(hào)3 個(gè)節(jié)點(diǎn)分別連接分布式電源，有功功率分別為3MW，2MW，3MW，無(wú)功設(shè)備容量設(shè)置為20%的分布式的電源有功功率。

圖3 IEEE33 節(jié)點(diǎn)饋線系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.3 Topology diagram of IEEE33 node feeder system

不同控制策略下所有節(jié)點(diǎn)電壓變化情況如圖4所示，藍(lán)色線段表示未調(diào)整之前的電壓，4 號(hào)節(jié)點(diǎn)的電壓為1.0336 p.u.，而11 號(hào)節(jié)點(diǎn)和28 號(hào)節(jié)點(diǎn)的電壓分別為1.0664 p.u.和1.0664 p.u.。同時(shí)可以看出，4 號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓未超出限制，而其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓已經(jīng)出現(xiàn)越線的問(wèn)題，需要進(jìn)行及時(shí)處理。從無(wú)功借調(diào)電壓、無(wú)功補(bǔ)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(jié)點(diǎn)電壓變化情況Fig.4 Node voltage variation under different control strategies

2.2 計(jì)算結(jié)果

不同節(jié)點(diǎn)有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算結(jié)果如表1 所示。3 個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。依據(jù)含分布式電源的配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制方案，首先進(jìn)入無(wú)功功率補(bǔ)償過(guò)程，經(jīng)式（2）和式（3）計(jì)算可知，11 號(hào)節(jié)點(diǎn)和28 號(hào)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功設(shè)備分別提供0.5072 MVar 和0.6842 MVar 的無(wú)功功率才能調(diào)低電壓。但是11 號(hào)節(jié)點(diǎn)和28 號(hào)節(jié)點(diǎn)的最大容量分別是0.4 MVar 和0.6 MVar。因此當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的最大容量達(dá)到最大值時(shí)，11 號(hào)和28 號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓分別降低至1.0544 p.u.和1.0541 p.u.。然后進(jìn)入無(wú)功功率借調(diào)過(guò)程，11 號(hào)和28 號(hào)節(jié)點(diǎn)向4 號(hào)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求無(wú)功借調(diào)。經(jīng)式（5）計(jì)算可知，11 號(hào)和28 號(hào)節(jié)點(diǎn)分別向4 號(hào)節(jié)點(diǎn)借調(diào)的無(wú)功功率為1.148 MVar 和1.0702 MVar。但4 號(hào)節(jié)點(diǎn)最大無(wú)功功率容量為0.61 MVar。因此當(dāng)4 號(hào)節(jié)點(diǎn)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備達(dá)到最大值時(shí)，11 號(hào)和28 號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓分別降低至1.0527 p.u.和1.0525 p.u.。

表1 不同節(jié)點(diǎn)有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of active power and reactive power of different nodes

圖5 三個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓計(jì)算結(jié)果Fig.5 Voltage calculation results of three nodes

接下來(lái)進(jìn)入有功功率縮減過(guò)程，經(jīng)式（6）和式（7）計(jì)算可知，需分別將11 號(hào)和28 號(hào)節(jié)點(diǎn)的有功功率縮減至1.9430 MW 和2.9291 MW，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓分別為1.0498 p.u.和1.0498 p.u.。經(jīng)修正值計(jì)算最終得到11 號(hào)和28 號(hào)節(jié)點(diǎn)的有功功率分別為1.9464 MW 和2.9340 MW，最終兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓為1.0500 p.u.。

3 結(jié)語(yǔ)

配電網(wǎng)面臨分布式電源的大量滲透，所帶來(lái)的電壓越線問(wèn)題成為電力行業(yè)極具挑戰(zhàn)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(xié)同電壓控制方案，本方法利用整條饋線上無(wú)功功率充足的設(shè)備控制電壓越線的問(wèn)題。IEEE33 仿真系統(tǒng)計(jì)算分析表明，無(wú)功功率補(bǔ)償過(guò)程，11 號(hào)和28 號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓分別降低至1.0544 p.u.和1.0541 p.u.。無(wú)功功率借調(diào)過(guò)程，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓分別降至1.0527 p.u.和1.0525 p.u.。有功功率縮減過(guò)程，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)到正常值，所提出的配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制策略能有效處理電壓越線的問(wèn)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(jìn)一步完善。