有源配電網電壓控制技術研究綜述*

葉保璇，吳育武，陳志威，王祿慶，黃向敏，張詩建

0 引言

隨著環境污染和能源短缺問題的惡化，各國的環保意識和能源戰略意識逐漸增強，基于可再生能源的分布式電源技術（Distributed Generator，DG）得以重視和發展，規模化的分布式電源接入已成為配電網重要的發展方向[1-3]。

DG接入改變了傳統配電網的電源結構，使配電網從單電源輻射狀結構變為遍布電源的復雜結構，對配電網無功電壓控制產生了重大影響。此外，DG固有的隨機性、間歇性和波動性也給配電網電壓控制帶來了新的挑戰[4-6]。

有源配電網電壓控制旨為在滿足配電網正常運行的電壓要求下，提升配電網分布式電源的消納能力，降低配電網運行網損[7]。國內外許多專家和學者在有源配電網電壓控制理論方面做了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果[8-46]。但是，由于有源配電網電壓控制受多種因素影響，目前較多控制方法的使用范圍受到限制，難以推廣應用。因此，回顧當前有源配電網電壓控制技術的發展現狀，分析與總結當前電壓控制技術的特點，對于實現有源配電網實用化控制技術，提高配電網電壓控制水平和DG消納能力具有重大現實意義。

本文立足于有源配電網電壓特性分析，綜述了國內外有源配電網電壓控制技術研究的成果，歸納分析了各控制模式的特性，為我國有源配電網電壓控制實用化技術的發展提供借鑒與參考。

1 DG接入對配電網電壓特性的影響

傳統的配電網多為輻射型電網結構，潮流單向流動，造成電壓從配變母線開始沿饋線逐漸降低[11-12]，而在有源配電網中，DG接入改變了潮流分布，顯著地影響配電網電壓特性。

目前廣泛分布和大力發展的一般是基于可再生能源的分布式電源，主要類型為小水電、風電、光伏發電、生物發電等，其共同特點為出力穩定性和可控性較差（特別是風電和光伏）[13-15]。區別于輸電網，在配電網中，線路的阻抗比較大[20-21]，有功-相角和無功-電壓的耦合性較強，即有功功率和無功功率均能顯著地影響線路電壓分布。因此，在分布式電源接入后，配電網電壓波動顯著。一方面，基于可在生能源的分布式電源出力受限于一次能源特性，特別是光伏、風電，其出力跟隨太陽輻照強度、風力頻繁變動，導致有源配電網電壓發生明顯的波動[22-23]；另一方面，多數分布式電源為分散接入，且為用戶所有，加上國家政策對于用戶分布式電源的鼓勵及對電網公司棄光、棄水、棄風等控制手段的限制，配電網內分布式電源滲透率升高和控制手段匱乏的矛盾逐漸突出，進一步加劇了有源配電網電壓的波動性和不確定性。

除了DG自身出力特性給配電網電壓特性帶來了影響之外，DG接入配電網的規模、接入方式、運行模式[16-19]均對配電網定壓特性產生不同的影響。

在接入規模方面，當DG并網容量較小時，其出力影響范圍有限，對配電網電壓特性只有局部影響；而在DG滲透率較高時，其輸出功率沿并網饋線大量倒送，甚至倒送至變電站端，影響配電網全局的無功電壓特性。

在接入方式方面，DG并網點位置、并網模式等接入因素均對配電網電壓分布特性產生影響。一般而言，DG并網點位置越靠近線路末端，對配電網電壓的支撐能力越強；在相同滲透率下，分散接入相對于集中接入，配電網電壓的整體支撐作用越明顯。

在運行模式方面，DG出力、運行功率因數也顯著地影響著配電網的電壓。DG出力越大，配電網電壓的抬升效果越明顯。而對于運行功率因數，盡管配電網線路的R/X較大，但其數值仍然小于1，因此滯后功率因數越小，DG對配電網電壓的影響越大。

總體而言，目前有較多的文獻研究分析分布式電源接入對配電網電壓特性的影響，但大多都是基于恒功率模型的穩態仿真，且專注于無功功率影響分析，實際上，對于DG并網運行的暫態過程，以及不同DG有功-無功控制特性對配電網電壓影響尚缺少透徹的研究[24-25]。

2 有源配電網電壓控制

有源配電網中，合理的DG配置可以一定程度上改善配電網潮流分布，提升配電網電壓質量。而在DG配置容量過大、布點過多時，則有可能在DG集中出力期，因線路倒送功率過大而出現過電壓問題，在DG出力間歇期，有可能因部分DG無法提供無功功率甚至消耗部分無功，進一步擴大配電網無功缺額，降低電壓水平。因此，僅依靠DG的調節遠遠不能滿足配電網合理運行電壓水平的需求，為取得合理的電壓水平，仍需要依賴多種電壓調控設備，結合負荷水平和配電網網架結構進行配電網電壓的協調控制。

目前的研究中，對于有源配電網電壓的控制方法可以分為兩大類：（1）被動電壓控制；（2）主動電壓控制。

2.1 被動電壓控制

有源配電網被動電壓控制對于硬件設施和通信條件要求不高，適應性較強。所謂被動控制，是指只有當電網運行發生問題或故障，或實際運行中測量某個參數達到預設的告警值的時候，才會觸發動作來消除問題或告警的一種控制模式，如目前最常見的電容器按功率因數區間、電壓區間控制[26]，變電站內按照九區圖進行VQC控制[27]，都屬于廣義概念上的被動控制。

被動控制的架構較為簡單，主要由被動控制對象、被動觸發條件和被動操作動作三個因素組成，其控制模式可以概括為，在電網的實際運行中，一旦被動觸發條件得到滿足，則由被動控制對象自動執行被動操作動作，來達到消除被動觸發條件的目的。被動控制對象的類型包括電容器、電抗器、有載調壓變壓器（On-Load Tap Changer，OLTC）、配電網靜止同步補償器（Distribution STATic syn?chronous COMpensator，D-STATCOM）等設備手段，被動觸發條件包括電壓越限、功率因數越限、無功越限、諧波越限等預設條件，而被動操作動作則按對象的不同分為電容器、電抗器的分組投切，OLTC的檔位調節或DSTAT?COM的出力調節等。

針對DG接入引起的電壓問題，文獻[28]首先證明了配電網中DG接入點最容易出現電壓越限，然后提出一種基于無功調節和有功調節的本地電壓控制策略，以接入點電壓為判據，當接入點電壓越上限時進行DG無功功率調節并在有必要時配合以有功功率調節以維持電壓合格，當接入點不出現電壓越上限時，計算該點實時可繼續接納的DG有功功率，并釋放相應的受限上網出力以實現最大化的DG消納。文獻[29]則提出了一種分布式光伏的就地自適應電壓控制策略，針對不同的運行工況，制定不同的自適應電壓期望值設定方法以及自適應電壓控制策略，提高分布式光伏并網電壓控制能力以及提升電網接納光伏的能力。

而在電容器被動控制方面，目前較多的是按照相關導則對電容器進行自動投切控制[26]，也有相關研究對這種投切方式進行改善。文獻[31]考慮了不同負荷狀態下對無功補償需求的差異性，提出一種負荷相關的電容器自動控制方法，針對負荷輕載、常載和重載分別設定了3組功率因數區間進行電容器的自動投切。為避免投切無序混亂，提升區域電容器投切的協同性，文獻[32]提出了基于修正功率因數評估的配電網低壓電容器協同控制，以饋線首端的修正功率因數到平衡區間距離數值最小化為控制目標，以配電負載率確定電容器投切的優先級，協同饋線全線的電容器進行投切。

綜合而言，被動式的電壓控制可以在滿足基本電壓約束的前提下對各種無功設備進行控制，不依賴于通信且減少了控制變量的維度，但其并不能夠根據電網以及負荷的實時變化自動地調整運行方式與策略，無法對異常運行狀態與故障進行有效地控制。被動控制模式存在以下幾方面的限制。

（1）反應滯后。在異常運行狀態出現到控制設備動作響應有時間差，控制反應遲緩，無法根據配電網運行狀態的變化而及時進行相應有效的控制。

（2）頻繁動作。在電網局部負荷頻繁波動且幅度較大時，在較短的周期內，傳統的被動的控制模式可能會使得無功補償設備過度響應，從而出現設備頻繁反復動作的情況。

（3）利用率低。被動控制一般是簡單運用現有的調壓和補償手段，將功率因數或電壓控制在某個合格的范圍內，以滿足基本的運行要求。這種控制方式沒有考慮重載期線路和配變的降損補償需求，往往會造成部分時期內無功補償設備的閑置浪費，而這部分閑置資源可以從節能降損角度出發，進一步地分析利用，挖掘配電網的節能空間，優化配電網經濟運行。

（4）可靠性低。由于被動控制一般是觸發式操作，因此在各控制設備被觸發動作時，往往是運行問題已經發生演變至電壓或功率因數越限的時候，此時配電網已經偏離了良好運行狀態，也對電能質量等相關指標的考核造成了影響。實際上被動控制是一種后發式動作，并不能較好地抑制相關運行問題的惡化，可靠性較低。

隨著越來越多的DG接入配電網，其由于時間和空間分布不均帶來出力的間歇性和波動性使上述問題暴露得更加嚴重，傳統的被動控制儼然已經不能滿足當前配電網運行的電壓質量和可靠性要求，因此需要另一種更靈活、更有效的控制模式來適應有源配電網的發展。

2.2 主動電壓控制

區別于被動電壓控制，有源配電網的主動電壓控制以運行數據為基礎，依托先進的測控技術、通信技術和電力電子智能控制技術，在運行發生問題和故障之前，感知和判斷配電網及負荷的實時狀況，并主動地進行電壓調控來滿足運行安全性和穩定性的要求。按主動優化控制所立足的時間層面不同，可以把主動電壓控制分為準實時主動控制和預前態主動控制。

2.2.1 準實時主動控制

現階段多數研究的主動電壓控制一般為準實時態的電壓優化控制，而數學優化求解控制是目前電壓優化控制研究的主流。

數學優化求解控制即對配電網無功優化問題進行數學建模并運用高效的算法求解控制，其控制精度取決于模型的準確度和算法的尋優能力。文獻[33]分析了基于無功補償設備、分布式電源、網絡重構等方面的配電網無功優化策略，計及各策略應用的優先次序，以配電網綜合損耗最小為目標，建立了主動配電網綜合無功優化模型，綜合考慮了各種電壓調控手段的應用效益。文獻[34]引入了自適應多算法求解策略，基于現有算法求解能力及特性分析，建立算法備選池，通過求解過程中某一算法產生的子代群體質量，自適應選擇下一代使用的算法及比例，綜合了多種算法的優勢，提高了整體的尋優效率；文獻[35-38]則對配電網的進行分區研究并提出相應的優化模型、算法及改進方案。

準實時主動控制是一種基于當前潮流斷面進行的優化控制，從配電網動態發展的角度而言，準實時主動控制忽略了配電網及負荷的動態變化，當前取得的優化控制結果并不完全適應實際配電網的運行情況，實際上是一種趨優控制。

2.2.2 預前態主動控制

預前態電壓控制則更能符合未來有源配電網主動電壓控制的發展需求，可以實現長時間尺度下的各離散調控手段平滑控制，靈活地調節電壓。文獻[39]提出了一種基于兩階段規劃法的有源配電網綜合電壓優化控制，首先，通過第2階段確定分接頭位置和電容器投入組數的狀態，并由差分進化算法確定第1階段各個時段內各DG的最佳有功和無功輸出。然后，將第1階段的DG最佳輸出反饋給第2階段，再根據動態規劃算法確定次日最優的電壓控制預案。針對DG與無功補償設備日前協調優化控制問題，文獻[40]提出一種計及DG和電容器協調的配電網日前計劃方法，將電容器作為基礎調節設備，而DG作為補充調節設備，采用改進模糊聚類方法對電容器投切容量進行時序分段，在滿足投切組數約束的條件下盡可能提高其最優補償效果。

模型預測控制理論具備滾動優化的特性，近年來，許多專家學者積極開展了基于模型預測控制理論的有源配電網電壓控制研究[41-46]。為解決有源配電網中分布式可再生能源和儲能系統造成的電壓波動影響，文獻[41]基于模型預測控制理論，以控制成本最小為目標，考慮儲能使用壽命，保證母線電壓運行在正常運行范圍內，將電壓的運行狀態分為正常運行、不理想運行和緊急運行3個狀態，根據配電網中電壓所處的不同狀態，采取成本不同的控制措施，充分利用主動配電網中分布式電源、有載調壓變壓器和儲能系統，以實現靈活有效的電壓控制。而文獻[42]針對風電場電壓受風力影響容易快速波動，傳統基于當前時間斷面進行決策的方法易出現無功控制滯后、多種設備不協調等問題，基于模型預測控制理論，提出了一種旨在協調風力機和靜止無功發生器的風電場電壓控制方法，實現未來時間窗內電壓控制曲線和無功調節動態過程的優化。

然而，隨著有源配電網的發展，在進行有源配電網主動電壓控制時，所考慮的將不僅僅是配電網、傳統負荷、DG、無功補償設備等要素，還包括各類新型的電力要素，如電動汽車、儲能、可控負荷等，其多因素的不確定性給預前態的主動電壓控制帶來巨大的挑戰，目前尚在探索更為行之有效的控制方法。

綜合而言，主動電壓控制極大依賴于配電網通信與自動化控制，其特點可以概括為以下幾個方面：

（1）前瞻性。主動電壓控制利用配電網通信及高級在線監控技術，可以感知并判斷配電網及負荷的異常運行狀態，并在運行問題或故障發生之前，主動地進行電壓調控來滿足運行需求。

（2）經濟性。主動電壓控制除了考慮基本的電壓調控要求之外，往往還綜合考慮配電網的網損率、調控設備的動作次數等經濟要求，在滿足配電網安全運行的前提下，尋求最大化的電壓控制效益。因此，主動電壓控制技術不僅可以滿足配電網基本的電壓調節要求，還可以實現設備的經濟動作，最大限度地降低配網運行損耗，具有良好的節能效果。

（3）協調性。主動電壓控制通過先進的通信技術，使得控制區域內各節點可以進行充分的信息交互，從而可以對不同特性的調控設備與手段進行協調控制，達到理想的控制效果。

而當前配電網分布廣泛，由于地理位置和地區政策的不同，不同區域配電網的發展程度不一，主動電壓控制技術的應用環境相對惡劣，目前較多的優秀控制理論仍無法全面推廣應用。

3 有待深入研究的問題

隨著DG的接入及發展，傳統電源集中的配電網必然向遍布電源的有源配電網轉變。而有源配電網中，分布式電源數量多、位置散，使得配電網的潮流更加復雜，給配電網安全穩定運行帶來重大影響。

傳統的電壓被動電壓控制技術無法及時解決因DG出力波動、不確定性引起的電壓快速波動問題，也無法適應儲能、電動汽車等多元化負荷，一定程度上制約了配電網電壓控制水平和分布式電源滲透率的提升。而主動地進行分布式電源及各種電壓控制手段協調的電壓控制，可以有效地解決被動電壓控制存在的問題。但主動電壓控制對于網架、通信、設備的極高要求，給配電網電壓控制的實際應用帶來了巨大的難題。

因此，如何智能化地結合被動與主動電壓控制技術，適應有源配電網不同的發展條件、負荷特性以及配電網特殊運行方式，研究實用化、工程化的主動電壓控制方案，對于提高配電網電壓控制能力與效益，以及提高DG的消納能力具有重要意義。

具體的可以著重研究以下幾個方面：

（1）在控制手段方面，進行分布式電源、可控負荷、電動汽車、無功調節設備及儲能等多元素融合的配電網電壓控制研究。綜合考慮有功-無功對配電網電壓的影響，結合需求側管理，研究多種控制元素的控制邊界、收益及協調。

（2）在控制方法層面，進行多時間尺度控制設備的協調配合研究。現有的研究大多是基于各設備同步動作調節的仿真，實際上各電壓控制設備動作響應特性具有差異，因此，研究DG、電容器、D-STATCOM等不同控制時間尺度的電壓控制方案，是實現主動電壓控制工程效益的重點及難點。

（3）在控制應用層面，基于我國配電網不平衡發展現狀，分析各種主動控制方法的應用條件，包括網架、通信、設備等方面的應用要求，總結主動電壓控制方法的工程應用經驗，研究適應各種配電網環境的自適應電壓控制。

4 結語

有源配電網受DG出力的影響，表現出與傳統配電網不同的運行特性與電壓特性。本文總結了分布式電源接入對配電網電壓特性的影響，從被動和主動兩個層面分析總結了有源配電網的電壓控制方法，指出了現有電壓控制的特點與不足。并在此基礎上，從有源配電網的控制手段、方法、應用等方面指出有源配電網電壓控制進一步的研究方向，對適應未來大規模DG接入及配電網主動電壓控制實用化技術研究具有重要的參考價值。