陳思漢　岳文超　蔣一銘　蔡德勝　朱雷

摘要：分布式光伏海量接入配電網(wǎng)，使得有源化配電線路電能問題日益突出。鑒于此，利用分布式逆變器及無功補償設(shè)備等配電網(wǎng)元素，挖掘逆變器無功資源，改進無功補償設(shè)備的信息化交互方式，補充和豐富配電網(wǎng)管理平臺的資源接入種類和策略功能，實現(xiàn)了有源配電網(wǎng)多源互濟的系統(tǒng)調(diào)配功能，為解決配電網(wǎng)有源化帶來的電壓波動、功率因數(shù)低引起的線損高等問題提供了技術(shù)借鑒。研究結(jié)果表明，基于多源調(diào)相運行的綜合協(xié)調(diào)管理技術(shù)具有很好的推廣和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：逆變器;無功補充設(shè)備;協(xié)調(diào)控制;電能治理

中圖分類號：TM761+.1? 文獻標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）05-0009-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.002

引言

電壓是電能質(zhì)量的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，反映了電力系統(tǒng)在保護、運行、設(shè)計以及規(guī)劃等綜合方面的管理水平。隨著負(fù)荷和供電需求的規(guī)模越來越大，配電網(wǎng)線路特別是配電末端的電壓波動問題日趨嚴(yán)重[1-2]，主要呈現(xiàn)出電壓波動大、電壓低、功率因數(shù)低、網(wǎng)損高等負(fù)面影響。文獻[3-4]利用串聯(lián)補償裝置配合電容器技術(shù)，解決10 kV及以下電壓等級配電線路低電壓、低功率因數(shù)、高線損、抑制電壓閃變等問題;文獻[5]提出了基于PSSSINAL軟件構(gòu)建配電網(wǎng)仿真模型，還原配電網(wǎng)多運行方式的電壓質(zhì)量，通過調(diào)整變電站母線電壓提高變電站出線電壓，解決負(fù)荷大幅升高時的電壓質(zhì)量問題;文獻[6]采用10 kV線路電氣參數(shù)監(jiān)測和電壓質(zhì)量優(yōu)化治理相結(jié)合的方式，使用三級協(xié)調(diào)控制挖掘變電站、中壓線路和臺區(qū)三個層面的調(diào)壓潛力，進而調(diào)整電壓質(zhì)量;文獻[7]針對電解鋁負(fù)荷的低電壓問題，提出無功電源優(yōu)化配置方案;文獻[8]利用智能無功補償裝置、35 kV配電化、增加配電臺區(qū)、限制負(fù)荷率、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等綜合手段治理低電壓問題;文獻[9]提出利用儲能系統(tǒng)“低儲高發(fā)”的特點提高配電網(wǎng)供電能力，改善電壓治理水平;文獻[10]就分布式光伏接入配電網(wǎng)后的電壓分布特性進行了研究，并提出基于改進Q（U）的PV無功電壓區(qū)域自治控制方法、觸發(fā)式就地控制策略實現(xiàn)就地分散自治控制，解決電壓波動問題;文獻[11]考慮到區(qū)域負(fù)荷增長，采用在中壓10 kV線路增設(shè)串/并聯(lián)無功補償裝置并更換10 kV線路的方案，動態(tài)評價治理饋線低電壓問題;文獻[12]提出利用包括蓄電池和超級電容器在內(nèi)的復(fù)合儲能裝置，治理高功率密度分布式光伏接入配電網(wǎng)引起的多樣化電能質(zhì)量問題;文獻[13]針對小水電出口附近電壓在豐水期和枯水期的波動特性，提出了饋線自動調(diào)壓設(shè)備反向調(diào)壓的方法。

現(xiàn)階段基于無功補償設(shè)備的電能治理技術(shù)研究較多，但主要以單點或單線路為研究對象，調(diào)節(jié)手段較單一;基于儲能技術(shù)的電壓治理技術(shù)現(xiàn)階段投資成本較高，不適合大面積推廣;而分布式光伏就地自治控制的實現(xiàn)可以借鑒電壓波動治理技術(shù)。綜上所述，本文主要從配電網(wǎng)目前存在的問題出發(fā)，以配電網(wǎng)固有無功補償設(shè)備及分布式光伏為基礎(chǔ)，通過挖掘逆變器無功調(diào)節(jié)能力及無功補償設(shè)備的交互式特點，提出多源調(diào)相運行的有源配電網(wǎng)綜合電能治理優(yōu)化架構(gòu)，并進行了試點運行。

1? ? 多源接入

1.1? ? 交互式無功補償設(shè)備

無功補償設(shè)備一般采用直掛母線側(cè)進行動態(tài)補償，主要結(jié)構(gòu)包括PT/CT采集模塊、處理器模塊、電容模塊、升壓器及供電模塊等，主要作用是根據(jù)采集線路近區(qū)的電壓進行感性和容性無功的補償，存在兩方面問題：一方面，采集的電壓、功率因數(shù)等為近區(qū)參數(shù)，制訂的策略是局部的，整條線路上存在過補償或欠補償，同時動作頻次較高，自身損耗也高，特別是在長線路上，負(fù)荷存在感性無功需求，線路上仍然存在無功傳輸，導(dǎo)致線損居高不下;另一方面，線路上部署的無功補償設(shè)備群為自主工作，缺乏管理，設(shè)備故障后只有在線路電壓存在較大問題時才能發(fā)現(xiàn)，且無功補償設(shè)備故障或離線并非是該線路電壓出現(xiàn)問題的充要條件，即其他原因引起線路電壓問題也是可能的，總體上無功補償設(shè)備故障或離線問題定位難。本方案在無功補償設(shè)備層面進行改進，將無功補償設(shè)備內(nèi)采集模塊用具備實時通信功能的通信模塊替換，并與智能終端組網(wǎng)，獲取線路全局電氣參數(shù)，如圖1中間所示，實現(xiàn)直采到數(shù)采電氣量的轉(zhuǎn)換，同時使其具備與管理平臺交互的能力。一方面，在具備相同感知能力的基礎(chǔ)上，減少了無功補償設(shè)備硬件配件，相對降低了無功補償設(shè)備成本;另一方面，無功補償設(shè)備獲取的是線路全局參數(shù)，補償?shù)恼w效果更好，且可以服從管理平臺遠(yuǎn)程遙調(diào)和統(tǒng)籌管理，具備全局感知和協(xié)調(diào)的能力，同時故障或離線狀態(tài)可得到準(zhǔn)確的監(jiān)控，故障定位能力得到提升。

1.2? ? 分布式光伏逆變器

分布式光伏正廣泛接入配電網(wǎng)，且呈現(xiàn)上升趨勢，原有配電網(wǎng)變成了有源配電網(wǎng)，從配電網(wǎng)線路電能治理來看，當(dāng)分布式光伏發(fā)電時，線路末端電壓存在越上限風(fēng)險，且分布式光伏多在低壓側(cè)并網(wǎng)，臺區(qū)內(nèi)電網(wǎng)管理手段較少，低壓側(cè)負(fù)荷存在高電壓運行風(fēng)險。在采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)方式的分布式光伏發(fā)電中，分布式光伏發(fā)電電量全部就地消納，但負(fù)荷側(cè)感性無功需求并未遞減，反而呈少量增加趨勢，即分布式光伏發(fā)電階段吸收電網(wǎng)容性無功容量并未減少，進而導(dǎo)致分布式光伏并網(wǎng)點關(guān)口功率因數(shù)低，且隨著分布式光伏裝機容量的持續(xù)攀升，該問題將日益突出。

逆變器自身具備無功吸收和補償能力，分布式光伏裝機容量的攀升使得配電網(wǎng)線路上存在大量無功閑置資源，本文主要是挖掘了光伏逆變器的無功補償能力，并通過數(shù)據(jù)集中器與智能終端組網(wǎng)，實現(xiàn)海量逆變器參與線路無功電壓優(yōu)化。其中逆變器部署較分散，可在分布式光伏低壓側(cè)并網(wǎng)柜內(nèi)增加數(shù)據(jù)集中器，一方面收集逆變器群無功可控裕度及運行狀態(tài)，另一方面接收智能終端下發(fā)的遙調(diào)控制信息，按照等比例裕度實現(xiàn)光伏逆變器群控群調(diào)，進而使逆變器群參與線路無功電壓優(yōu)化，如圖1右側(cè)所示。

2? ? 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1? ? 硬件架構(gòu)

如圖1所示，將線路上無功補償裝置群通過交互模塊完成與智能終端的信息（包括線路電壓、無功、電流、頻率、功率因數(shù)等）交互，將在低壓側(cè)并網(wǎng)的分布式光伏通過數(shù)據(jù)集中器完成與智能終端的交互，同時繼承智能終端與電網(wǎng)管理平臺的拓?fù)浜屯ㄐ沛溌?，在管理平臺上新增交互式無功補償設(shè)備和分布式光伏的建模模型，從而實現(xiàn)了多源參與配電網(wǎng)運行和管理的新型交互式配電管理平臺。

2.2? ? 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)按照分層分級控制思路，主要分為設(shè)備感知層、邊緣計算層和系統(tǒng)管理層，如圖2所示，其中設(shè)備感知層包括線路開關(guān)的感知、交互式無功補償設(shè)備群的感知及分布式光伏逆變器的感知，具備接收邊緣計算層的電氣量數(shù)據(jù)并進行處理、接收調(diào)度遙調(diào)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制響應(yīng)及就地策略響應(yīng)等功能;邊緣計算層除具備對現(xiàn)階段線路的采集和控制功能外，還具備線路電氣量采集傳輸功能以及調(diào)度對感知層的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)功能;系統(tǒng)管理層主要完成全局監(jiān)控管理、區(qū)域策略制訂及最優(yōu)化配置、潮流計算，同時實現(xiàn)遠(yuǎn)程運維，對系統(tǒng)的建模具備擴展和變更能力，以適應(yīng)分布式光伏海量接入的需求。

3? ? 控制策略

3.1? ? 可分配無功容量

光伏逆變器及交互式無功補償設(shè)備群實現(xiàn)遠(yuǎn)程無功控制后，線路及線路間控制對象呈現(xiàn)多源性，其中交互式無功補償設(shè)備群為集中式補償，光伏逆變器為分散式補償。這里假設(shè)某分支線路上分布式光伏裝機容量為SDC，SVG無功容量為SSVG，按照《光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50865—2013），光伏逆變器功率因數(shù)在cos φ=0.95范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)，則逆變器可調(diào)無功容量為QDC=±k1×SDC，該線路無功可控容量為：

式中：k1=;k2為無功補償設(shè)備安全控制系數(shù)，一般取0.9;正號表示容性無功，負(fù)號表示感性無功。

3.2? ? 控制流程

系統(tǒng)控制包括感知層就地控制、邊緣計算層控制和系統(tǒng)管理層控制。

（1）感知層就地控制流程如圖3（a）所示，初始化接收調(diào)度控制模式及設(shè)定門限參數(shù)，支持默認(rèn)模式選擇，在給定控制模式下實時計算相關(guān)輸入量（包括電壓、無功功率或功率因數(shù)），根據(jù)設(shè)定門限參數(shù)及裕度計算目標(biāo)值，并按照等比例裕度原則分配目標(biāo)值，下發(fā)至無功源側(cè)響應(yīng)，完成一次就地控制，采用多次PID控制保證穩(wěn)態(tài)精度。（2）邊緣計算層控制流程如圖3（b）所示，初始化獲取調(diào)度參數(shù)，實時采集本地線路電氣量，轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)和電氣量，同時監(jiān)視調(diào)度遠(yuǎn)程控制指令。當(dāng)無調(diào)度指令時，只負(fù)責(zé)將就地電氣量數(shù)據(jù)返回調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng);當(dāng)接收到調(diào)度指令時，完成就地指令和透傳指令識別，就地指令就地響應(yīng)，透傳指令下發(fā)至歸屬邊緣層設(shè)備或集中器，并監(jiān)視邊緣層返回指令及功率返回采集值，實時更新本地數(shù)據(jù)并實現(xiàn)與調(diào)度交互。（3）系統(tǒng)管理層控制流程如圖3（c）所示，系統(tǒng)管理層負(fù)責(zé)全管理范圍內(nèi)線路參數(shù)初始化，采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)并進行潮流分析，制訂系統(tǒng)無功電壓優(yōu)化策略，在無局部參數(shù)調(diào)整時進行策略迭代和分配，在需要局部參數(shù)調(diào)整時，根據(jù)迭代參數(shù)及局部數(shù)據(jù)分析進行策略調(diào)整并完成重新分配。

4? ? 試驗驗證

本文基于上述方案對線路上495 kW分布式光伏及500 kvar無功補償設(shè)備進行了試點驗證，其中分布式光伏采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式，分布式光伏所在廠區(qū)常用負(fù)荷200 kW，在分布式光伏發(fā)電期間有少量電量上網(wǎng)，方案試點前運行電壓偏高，功率因數(shù)中位數(shù)在0.8左右，方案采用以下策略：分布式光伏側(cè)恒功率因數(shù)運行，10 kV無功補償設(shè)備由主站下發(fā)恒電壓模式，電壓定值10.2 kV，死區(qū)0.05 kV。

圖4（a）中，P-PCC、Q-PCC、P-DC、Q-DC分別為并網(wǎng)點有功功率和無功功率、分布式光伏有功出力和無功出力曲線;圖4（b）中Cos-PCC為并網(wǎng)點24 h功率因數(shù)曲線，Cos-Average為中位數(shù)0.926 5;圖4（c）中，U-PCC為10 kV無功補償設(shè)備未投運電壓曲線，分布式發(fā)電階段電壓越上限，U-svg為無功補償設(shè)備參與協(xié)調(diào)運行電壓曲線，主站采用無功補償設(shè)備恒電壓模式與分布式光伏配合運行。試驗結(jié)果顯示，多源協(xié)調(diào)運行可以很好地解決配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題。

5? ? 結(jié)語

本文分析了配電網(wǎng)分布式光伏接入及無功補償設(shè)備等現(xiàn)階段運行水平，挖掘逆變器無功潛在資源，結(jié)合無功補償交互式能力提升，采用逆變器和無功補償設(shè)備協(xié)調(diào)參與配電網(wǎng)電壓控制的方案，實現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化。研究結(jié)果表明，方案為有源配電網(wǎng)提供了更多的可調(diào)度無功資源，提升了分布式光伏消納能力，實現(xiàn)了分布式光伏和無功補償設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和維護，提高了配電網(wǎng)運行管理水平，采用全局協(xié)調(diào)方式優(yōu)化了線路無功分配合理性，降低了線損。

[參考文獻]

[1] GOQO Z，SEWCHURRAN S，DAVIDSON I E，et al.An assessment of voltage rise phenomenon on existing eThekwini Electricity low-voltage distribution network[C]//2017 IEEE PES PowerAfrica，2017：231-235.

[2] SIKORSKI T.Power quality in low-voltage distri-

bution network with distributed generation[J].Przeglad Elektrotechniczny，2015，1（6）：34-41.

[3] 楊俊英，王鳳林，高秀青.10 kV串聯(lián)補償裝置在低電壓治理中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（31）：57-58.

[4] 黃春艷，張俊瀟，李桂昌，等.串聯(lián)無功補償在農(nóng)網(wǎng)中的應(yīng)用效果探討[J].電力電容器與無功補償，2017，38（3）：84-88.

[5] 李豐君，牛榮澤，董軒，等.變電站出線電壓對配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響研究[J].河南科技，2020，39（29）：143-145.

[6] 李睿.低壓配電網(wǎng)電壓質(zhì)量問題分析與治理[J].電工技術(shù)，2020（1）：110-112.

[7] 孟曉芳，王英男，張艷，等.電解鋁廠施工現(xiàn)場低電壓治理方法[J].輕金屬，2017（11）：57-62.

[8] 陳建勝，黃天猛，高兵.防治結(jié)合、多措并舉治理“低電壓”[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2016，28（S1）：68-72.

[9] 劉麗娜.分布式儲能系統(tǒng)改善配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的經(jīng)濟優(yōu)化配置研究[D].吉林：東北電力大學(xué)，2018.

[10] 張異殊.分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓影響研究[D].沈陽：沈陽工程學(xué)院，2019.

[11] 赫鑫，韓震燾，張楠，等.負(fù)荷增長條件下配電網(wǎng)電壓治理方案的動態(tài)評價[J].電工技術(shù)，2020（9）：57-59.

[12] 趙晨睿，葛磊蛟，陳超，等.高功率密度分布式光伏接入配電網(wǎng)多目標(biāo)電能質(zhì)量治理方法[J].電力電容器與無功補償，2019，40（2）：166-171.

[13] 胡玉濤，趙鐳，張方，等.含有小水電的配電網(wǎng)局部電壓偏高分析和治理方法[J].電力電容器與無功補償，2019，40（6）：99-103.

收稿日期：2021-12-20

作者簡介：陳思漢（1992—），男，江蘇連云港人，工程師，研究方向：配電自動化。