基于小水電及儲能的主動配電網電壓控制

黃偉，崔屹平，華亮亮，李志鵬(．華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市006;．中國南方電網廣州供電局，廣州市50000; ．國網蒙東電力通遼供電公司，內蒙古自治區通遼市08000)

基于小水電及儲能的主動配電網電壓控制

黃偉1，崔屹平2，華亮亮3，李志鵬1
(1．華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市102206;2．中國南方電網廣州供電局，廣州市510000; 3．國網蒙東電力通遼供電公司，內蒙古自治區通遼市028000)

隨著小水電集中地區分布式清潔能源開發力度越來越大，電壓質量降低成為輻射型配電網所面臨的主要問題。針對小水電集中地方的配電網電壓質量降低問題，從主動配電網的角度出發，針對輻射型配電網電壓對無功功率和有功功率的靈敏度進行了分析，并在此基礎上確定儲能元件最佳的設置位置，研究了基于分布式電源(distributed generation，DG)自身和有載調壓變壓器相結合的新型調壓策略，最后利用算例驗證其調壓效果。結果證明，主動配電網綜合調壓手段可以在不采用專門的無功補償裝置的前提下大幅度提高DG的滲透水平。

主動配電網;電壓調節;靈敏度分析;小水電;滲透水平

0 引言

我國水電和風電資源蘊藏豐富，在中國經濟高速發展的大背景下，小水電與風電的開發將呈現規模化的趨勢。大規模分布式清潔能源接入后，配電網需要同時平衡隨機波動的負荷需求和以風電為代表的不可控分布式電源(distributed generation，DG)出力［1］。同時，小水電的季節特性導致小水電在不同時期發電特性呈現很大的差異。其容量、位置和功率因數對配電網電壓有著不同的影響［2］。這些使得電壓質量降低成為輻射型配電網所面臨的主要問題，很大程度上制約了清潔能源的發展。

主動配電網的建立可以在一定程度上克服小水電的季節性所帶來的電壓問題。主動配電網是對微電網和虛擬發電廠2個概念的進一步深化，其主要目的在于實現大規模分布式清潔能源的利用，提高配電網對新能源的利用水平［3］。主動配電網可以通過其DG自身主動改善電壓質量，具有效率高、投資少的特點。

目前，主動配電網在國外尚處于研究階段，歐美多國已經開始主動配電網示范工程的建設，其中最有影響的是歐盟FP6的ADINE工程［4］，工程重點之一就是大規模DG接入后的電壓控制問題。而國內對主動配電網的研究主要是圍繞2012年國家高技術研究發展計劃(863計劃課題)“主動配電網的間歇式能源消納及優化技術研究與應用”開展的，相關文獻較少。文獻［5］在配電層功率平衡的基礎上實現了配電層與上層電網之間的功率平衡，但文獻只是在信息通信層面上的宏觀研究，并沒有具體研究針對電壓的實際控制策略;文獻［6］從負荷出發，通過儲能元件和柔性負荷的控制來平衡主動配電網中不可控DG的波動，其研究對象主要針對短時間內電壓和頻率的波動;文獻［7］通過建模對主動配電網的諧波特性進行了研究;文獻［8］提出追蹤目標控制和定交換功率控制2種控制策略，在配電網優化過程中兼顧全局與局部。

本文將針對輻射型配電網電壓對無功功率和有功功率的靈敏度進行分析，并在此基礎上研究基于DG自身和有載調壓變壓器相結合的新型調壓策略，最后用算例驗證其調壓效果。

1 主動配電網電壓調節

1.1 高級調壓系統

有載調壓變壓器、儲能技術以及DG輸出控制再綜合以電壓調節為目標的最優潮流算法聯合對電壓進行調節稱之為高級電壓調節，如圖1所示。

圖1 高級電壓調節示意圖Fig.1 Diagram of AVR

1.2 電壓靈敏度矩陣分析

由于不便直接分析電壓對功率的靈敏度，本文通過分析電壓對電流的靈敏度來分析DG接入后對配電網電壓的影響。分別分析節點注入的有功電流和無功電流變化時對電壓的影響程度，因此靈敏度系數矩陣中應包括電壓對于電流的有功分量和無功分量2個部分。對于n節點輻射型配電網，靈敏度矩陣如式(1)所示:

對于n節點的輻射型配電網，其每一個節點的電壓偏移如式(2)所示:

式中:U0表示連接高中壓配電網的變壓器低壓側所在節點的電壓;Ui表示輻射型配電網第i個節點的電壓;Ipj、Iqj分別表示節點注入電流的有功分量和無功分量;Rij、Xij分別表示0節點到節點i、j的公共電阻和公共電抗。

分別對有功電流和無功電流進行求導，可以得到電壓關于電流的有功分量和無功分量的靈敏度矩陣元素(SIp)ij、(SIq)ij:

式中R、X表示對應支路的電阻、電抗矩陣。

由公式(5)可知，靈敏度矩陣中元素恒為負，并且電流變化時影響電壓的因素只和線路參數有關。而且，注入電流變化時對電壓的影響大小取決于輻射型配電網中的阻抗參數。對于節點自身的電流變化，其電壓變化程度取決于0節點到這一節點的阻抗值;而其他節點電流變化時，其電壓變化程度取決于自0節點到這2個節點之間公共阻抗的大小，阻抗值越大，電壓偏移也會越大。

為驗證電壓對于電流靈敏度分析的準確性，進一步分析電壓對于功率的靈敏度。

根據式(2)，電壓偏移公式可以表示為

對電壓偏移分別求關于有功功率和無功功率的偏導數，得到電壓關于功率的靈敏度矩陣元素(SP)ij與(SQ)ij:

比較公式(7)、(8)與(3)、(4)，可以看出電壓對于功率的靈敏度與對于電流的靈敏度之間成比例。對于電流的靈敏度分析從趨勢上來說是完全適用于對于功率的靈敏度分析的，除此之外，注入功率變化對于電壓的影響程度除了線路參數之外還和節點電壓大小相關，電壓等級越低，影響越大。

1.3 基于小水電及儲能的電壓控制原理

在通常情況下，通過調節變壓器分接頭和無功功率來實現電壓的控制［9-14］。然而在配電網中，需要充分考慮到配電網的線路電阻R的值接近甚至大于電抗X的值，因此對于配電網電壓造成影響的不僅僅有無功功率，還有有功功率。所以在利用DG(小水電、風電)調壓時，有必要分別從無功功率和有功功率2個方面進行考慮。

1.3.1 無功功率調壓

在本文中，設定水輪發電機采用凸極式同步發電機，可以在不改變有功功率的情況下通過調節勵磁電流達到調節同步發電機無功功率的目的。增加勵磁電流，發電機處于“過勵”狀態，輸出感性無功功率，功率因數cosθ為正;減小勵磁電流，發電機處于“欠勵”狀態，輸出容性無功功率，功率因數cosθ為負。同步發電機V形曲線示意圖如圖2所示。

圖2同步發電機的V形曲線Fig.2 The V-shaped curve of synchronous generator

圖2 中Ia表示發電機的定子電樞電流，If表示其勵磁電流;P表示發電機的輸出功率;PN表示發電機的額定輸出功率。從圖2中可以看出，由于“欠勵”運行會增大電力系統的無功功率壓力，同時也會影響到同步發電機的穩定性，發電機一般不允許“欠勵”運行。而在“過勵”運行時，過分降低功率因數將會導致定子電樞電流過大而使線圈過熱。因此，小水電發電機功率因數的調節范圍可以設定為0．85～1。對于風力發電，不調節其無功功率。

1.3.2 有功功率調壓

DG具有節能、環保、投資少、占地小等特點，尤其是對高峰期電力負荷的供電比集中式供電更加經濟、有效。因此，在主動配電網中應該盡可能地利用DG發電，值得注意的是所謂的有功功率調壓不應該是限制DG無功功率的輸出。在小水電集中的地區，考慮以不可調節小水電承擔主要的地區負荷，可調節小水電發揮日調節作用。鑒于負荷和風電功率的波動性，可以考慮在配電網中加入儲能裝置，利用儲能裝置有功功率在充放電過程中對有功功率在時間上加以控制，實現有功功率的調節，進而實現電壓的調節，同時保證分布式電源的發電效率。

2 主動配電網綜合調壓仿真分析

2.1 算例模型

對13節點的輻射型配電網進行仿真，13節點算例參數見附錄表A1。其中加入5個小水力發電廠、1個風電場和1套儲能裝置。加入DG的配電網如圖3所示。

圖3 接入分布式電源配電網結構圖Fig.3 The distribution network diagram with distributed power

其中，假設各DG出力相同，其總的輸出功率開始與負荷相同，之后逐漸增大。儲能元件的最大充、放電功率為1 MW。儲能裝置初始剩余電量為2 MW·h，總容量為7 MW·h。

有載調壓變壓器選擇S(F)S11系列110 kV級三相三繞組無勵磁調壓電力變壓器，共分為5檔，其分接頭調壓范圍為(110±2×2．5%)kV。

2.2 仿真分析

2.2.1 算例模型電壓靈敏度分析

根據第1．2節求解13節點算例模型對于電流的電壓靈敏度，即公式(6)中的R矩陣和X矩陣。R矩陣和X矩陣具體數值見附錄表A2、3。

通過分析得到，對于任意一個節點來說，對角線上元素都大于非對角線元素，這說明本節點電流變化時對電壓的影響要大于其他節點電流變化時對這一節點電壓的影響。同時可以看出，8、10、13這3個末端節點的數值都是本條支路最大的，這說明在配電網潮流發生變化時，影響最大的是支路末節點的電壓。這也是在接入DG的電網中線路末端電壓越限最為嚴重的原因。

2.2.2 主動配電網綜合調壓控制模塊

根據上一節所述的主動配電網有功功率、無功功率的調壓原理，分別建立無功功率調壓控制模塊和有功功率調壓控制模塊，并利用Matlab編程實現。

(1)無功功率調壓控制模塊。無功調壓控制模塊的流程如圖4所示。其中，U表示線路末節點電壓，Δ cosθ表示每次循環功率因數的調節量。當出現線路末節點電壓標幺值超過1．07 pu的情況時，可啟動無功功率調壓，對小水電功率因數進行調節。小水電編號決定了其調節無功功率的先后順序，按其X矩陣中影響度從大到小排序(在13節點配電網中，按8、11、10、2、9的順序)。調節過程中功率因數，最大要求為0．98，Δcosθ的選取不宜過大，仿真中取0．05。

(2)有功功率調壓控制模塊。有功調壓控制模塊的流程如圖5所示。其中，Pc表示儲能裝置有功功率輸出，ΔP表示每次循環有功功率的調節量，Pmax、 Pmin分別表示儲能裝置允許的最大、最小有功功率輸出，Cmax表示儲能裝置允許的最大電量，C表示儲能裝置的剩余電量，Umax表示末節點中電壓最高的節點，也就是全網電壓最高的節點。

圖4 無功調壓控制模塊流程圖Fig.4 Reactive voltage control module flowchart

圖5 有功調壓控制模塊流程圖Fig.5 Active voltage control module flowchart

儲能裝置的運行狀態受制于其本身的出力范圍限制和儲能裝置的能量狀態。在電壓偏高的時候，儲能裝置以一定的功率充電，相當于有功負荷，而在電壓較低時，儲能裝置則進行放電，相當于有功電源。這樣儲能裝置不僅可以在電壓過高時抑制電壓，同時也可以在電壓偏低時支撐電壓。比傳統的電容、電抗補償更為靈活。

2.3 仿真結果分析

2.3.1 高滲透DG電壓調節能力仿真

對第2．2．2節中控制模塊進行仿真，設定小水電功率因數初始值為0．85，風電只發有功功率。DG出力與負荷之間的比值S/L是顯示配電網運行狀態和分布式電源滲透情況的有效參考［15］。在仿真過程中，逐漸增加DG的注入功率。分別仿真在無調壓措施、無功功率調壓(Q控制)、有功功率調壓(P控制)、有載調壓變壓器分接頭調壓(OLTC)、無功功率有功功率聯合調壓(P-Q)以及無功功率有功功率有載調壓變壓器分接頭聯合調壓(P-Q-O)這5種情況下配電網電壓偏移最大的節點(13節點)的電壓變化，對比調壓效果，結果如圖6所示。

圖6中P-Q控制和P-Q-O控制的順序為:當電壓偏高時，先有載調壓變壓器調節，而后無功控制，最后有功控制。有P控制參與時，在電壓較低時進行放電釋放容量，導致電壓抬高。而之后電壓曲線快速上升是由于儲能裝置剩余電量減少。

圖6 調壓策略比較Fig.6 The comparison of the voltage regulation strategy

從圖6中可以看到，在恒定負荷的前提下，DG的不斷接入將明顯抬高配電網中線路末節點的電壓水平。相對于不采用調壓措施，3種調壓方法都可以起到改善電壓的作用。相比于無功功率調節，有功功率調節方式對于改善電壓的效果更加明顯。在無控制措施時，S/L為2．1時就已經越限，結合2種調壓方式使得這一比值提高到3．7，而加入有載調壓變壓器調壓后S/L值為4．5時才越限。值得注意的是，以上調節方式并沒有借助電容、電抗等專門的無功補償裝置，也沒有限制DG的出力。

通常情況下，電壓質量是限制DG滲透水平的主要因素，而通過仿真可以看到，結合小水電等DG、儲能元件以及有載調壓變壓器進行綜合調壓可以在不借助無功功率補償裝置的前提下大大提高DG的滲透能力。

2.3.2 有功功率調節靈敏度仿真

儲能元件在電壓的有功功率調節過程中起決定性作用，根據靈敏度分析結果可知，儲能元件的位置對于其調壓效果有很大的影響。針對13節點算例，單獨考慮P控制并將S/L值恒定設置為3，分別將儲能裝置在13個節點處進行調壓，得出8、10、13節點3個末端節點電壓，其結果如圖7所示。其中0點表示不進行調壓時3個節點的電壓值。

圖7 儲能元件在不同位置的調壓效果Fig.7 The regulating effect with energy storage element in different positions

從圖7中可以看出，不管儲能元件位于哪個節點都能起到調壓作用。但是儲能裝置的位置不同對調壓效果的影響是很大的。從調壓效果來看，靈敏度矩陣(R矩陣和X矩陣)中對角線元素越大，其調壓效果越明顯。考慮到要節省成本以及儲能元件的容量有限，應將儲能裝置設置在其調壓效果最為明顯的位置。

調壓效果最好的節點一般都是配電網支路的末節點(8、13節點)。這表明，可以利用靈敏度矩陣來確定儲能元件的位置，并且靈敏度矩陣中對角線元素值最大的節點就是儲能元件的設置位置。

3 結語

本文分析并評估主動配電網基于電壓質量的DG接納能力。通過電壓靈敏度分析，提出利用DG自身進行有功功率和無功功率調壓的策略，并結合靈敏度矩陣確定儲能元件的設置位置，再結合有載調壓變壓器調壓。結果表明，主動配電網綜合調壓手段，可以在不采用專門的無功補償裝置的前提下，大幅度提高DG的滲透水平。

［1］劉吉臻．大規模新能源電力安全高效利用基礎問題［J］．中國電機工程學報，2013，33(16):1-8，25．Liu Jizhen．Basic issues of the utilization of large-scale renewable power with high security and efficiency［J］．Proceedings of the CSEE，33(16):1-8．

［2］趙巖，胡學浩．分布式發電對配電網電壓暫降的影響［J］．電網技術．2008，14(32):5-9．Zhao Yan，HuXuhao．Impacts of distributed generation on distribution system voltage sags［J］．Power System Technology，2008，32(14):5-9．

［3］尤毅，劉東，于文鵬，等．主動配電網技術及其進展［J］．電力系統自動化，2012，36(18):10-16．You Yi，Liu Dong，YU Wenpeng，et al．Technology and its trends of active distribution network［J］．Automation of Electric Pow er Systems，2012，36(18):10-16．

［4］Samuelsson O，Pepo S，Jessler R，et al．Active distribution networks enabling technologies［C］//Proceedings of the 2010 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe．Gothenburg Sweden:IEEE，2010:11-13．

［5］范明天，張祖平，蘇傲雪，等．主動配電系統可行技術的研究［J］．中國電機工程學報，2013，33(22):12-18．FanMingtian，ZhangZuping，SuAoxue，et al．Enabling technologies for active distribution systems［J］．Proceedings of the CSEE，2013 (22):12-18．

［6］曾祥君，羅莎，胡曉曦，等．主動配電網系統負荷控制與電能質量監測［J］．電力科學與技術學報，2013，28(1):41-47．ZengXiangjun，LuoSha，HuXiaoxi，et al．Load control and pow er quality monitoring in active distribution systems［J］．Journal of Electric Pow er Science And Technology，2013，28(1):41-47．

［7］周文珊．主動配電網建模及諧波特性研究［D］．北京:北京交通大學，2012．Zhou Wenshan．Modeling and harmonic characteristics research of active distribution network［D］．Beijing:Beijing Jiaotong University，2012．

［8］史訓濤．富含小水電配電網的電壓優化控制研究［D］．廣州:華南理工大學，2012．Shi Xuntao．Voltage optimalcontrolresearch on distribution network with abundant small-hydropow er stations［D］．South China University of Technology，2012．

［9］Zhu Y，Tomsovic K．Adaptive power flow method for distribution systems w ith dispersed generation［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2002，17(3):822-827．

［10］Bignucolo F，Caldon R，Prandoni V．Radial MV netw orks voltage regulation w ith distribution management system coordinated controller［J］．Electric Pow er Systems Research，2008，78(4): 634-645．

［11］Brahma S M，Girgis A A．Development of adaptive protection scheme for distribution systems with high penetration of distributed generation［J］．IEEE Transactions on Pow er Delivery，2004，19 (1):56-63．

［12］González C，Juan J，Mira J，et al．Reliability analysis for systems w ith large hydro resources in a deregulated electric pow er market［J］．IEEE Transactions onPower Systems，2005，20(1):90-95．

［13］Kojovic．Coordination of distributed generation and step voltage regulator operation for improved distribution system voltage regulation［C］//IEEE Power Engineering Society General Meeting，Montreal，Qque:IEEE，2006:1423-1426．

［14］劉連光，姚海燕，倫濤．晶閘管分級電壓調節器和配電網調壓技術［J］．電工技術，2004，3(9):5-6．Liu Lianguang，Yao Haiyan，Lun Tao．Research on graded thyristor voltage regulator and voltage regulation technology in distribution system［J］．Electric Engineering，2004，3(9):5-6．

［15］于文鵬，劉東，余南化．饋線控制誤差及其在主動配電網協調控制中的應用［J］．電機工程學報，2013，33(13):108-115．Yu Wenpeng，Liu Dong，Yu Nanhua．Feeder control error and its application in coordinate control of active distribution netw ork［J］．Proceedings of the CSEE，2013，33(13):108-115．

(編輯:張小飛)

附錄A

Active Distribution Network Voltage Control Based on the Small Hydropower and Energy Storage Device

HUANG Wei1，CUI Yiping2，HUA Liangliang3，LI Zhipeng1
(1．School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China; 2．China Southern Power Grid Guangzhou Power Supply Bureau，Guangzhou 510000，China; 3．State Grid Tongliao Power Supply Company，Tongliao 028000，Inner Mongolia Autonomous Region，China)

With the developing of distributed clean energy in small hydropower concentrated areas，the lower voltage quality has become a major problem of the distribution network right now．With regard with the lower voltage problem of small hydropower concentrated areas，this paper from the perspective of the active distribution network，conducts sensitivity analysis for reactive power and active power of the radiation distribution network．On the basis of the sensitivity analysis，the best position to set storage elements is determined and the novel voltage regulation strategy based on the combination of distributed power and on-load tap changer(OLTC)regulator is proposed．Finally，this paper uses numerical examples to verify its effectiveness．The result proves that the integrated regulation means of active distribution network can greatly improve penetration levels of distributed generation without the use of specialized reactive power compensation device．

active distribution network;voltage regulation;sensitivity analysis;small hydropower;penetration levels

表A1 13節點算例參數Table A1 Data of 33 nodes distribution network

表A2 13節點配電網R矩陣對應數值Table A2 R matrix values of the distribution network nodeΩ

表A3 節點配電網X矩陣對應數值Table A3 X matrix values of the distribution network nodeΩ

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0103-07

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.016

2014-11-25

2014-12-10

黃偉(1962)，男，博士，教授，主要研究方向為智能電網和新能源利用技術，微電網技術，電力系統分析、運行與控制等;

崔屹平(1986)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統規劃及其可靠性，電力系統分析、運行與控制等;

華亮亮(1980)，女，碩士研究生，研究方向為智能電網和新能源利用技術，微電網技術，電力系統分析、運行與控制等;

李志鵬(1990)，男，碩士研究生，研究方向為微電網技術，電力系統分析、運行與控制等。

國家電網公司科技項目(通遼分布式電源接入對配電網雙向潮流及可靠性的影響研究)。