基于可變功率和阻抗平抑主動配電網母線電壓偏差方法研究

黃利軍 王雷濤 李獻偉 盛京格 白貫雨

（許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

隨著分布式電源（distributed generation, DG）、儲能裝置、電動汽車等新元素接入配電網滲透率的不斷提高，給傳統配電網帶來的諸如電壓波動、損耗增加、潮流反送等影響日益擴大[1]。DG接入位置和容量不合適，可能導致系統某些薄弱母線失穩，引起系統電壓崩潰[2]。此外，清潔能源發電的大規模開發利用和用戶更苛刻的電能質量需求，對傳統配電網的運行方式提出了新的挑戰。為此，國際大電網會議（CIGRE）于2008年提出了主動配電網的理念。

主動配電網（active distribution network, ADN）是在主網配網協同控制的基礎上，具有分布式發電、儲能和需求側響應等電源、負荷調控手段，能夠針對電力系統的實際運行狀態，自適應調節其電源、網絡及負荷的配電網[3]。與傳統配電網相比，ADN有機整合先進信息通信、電力電子及智能控制等技術，為實現分布式可再生能源大規模并網與高效利用提供了一種有效解決方案[4]。盡管 ADN具備了DG、儲能裝置等優化調控的物理條件，但由于上述條件具有隨機性、不確定性等特點，通常造成ADN電壓波動，因此如何通過有效手段保障ADN電壓在允許的范圍內已成為研究的熱點之一。

針對新能源不斷接入下的配電網，如何控制其電壓穩定，國內外學者展開了多方面的研究。文獻[5]分析了接入不同電壓等級母線、不同滲透率條件下的光伏電源對配電網電壓偏差的影響規律，對不同滲透率光伏電源的并網位置提出了合理建議。文獻[6]指出光伏接入配電網節點電壓的大小與光伏出力、接入位置及線路阻抗和初始端電壓有關，并針對光伏總接入容量過大時所造成的接入點電壓越上限，提出了采用P-U下垂調節方法抑制過電壓；在弱通信能力的低壓配電網中，文獻[7-8]提出了“分布式+就地”和“集中式+就地”改進的儲能控制策略，最終通過分布式（集中）階段和就地階段之間的不斷迭代和調整實現對電壓的控制。文獻[9]為解決 ADN中分布式能源和儲能系統對電壓波動造成的影響，提出了通過 DG、儲能系統和有載調壓變壓器，采用最小控制成本的方案對電壓進行控制。文獻[10]應用分布式電壓主動控制策略，采取主動負荷、變壓器分接頭、DG有功功率和功率因數相結合的方式進行電壓控制，實現穩定配電網電壓的目的。文獻[11]使用儲能裝置實現配電網電壓調節，提出一種基于多種低碳技術的電壓控制策略。文獻[12]指出DG接入配電網饋線中后段、分散接入比集中接入更有利于提高靜態電壓的穩定性，且隨著DG接入配電網一定容量的增加，節點電壓呈正相關的增長。文獻[13]指出光伏發電滲透率越高，則逆向的功率越顯著，導致饋線電壓上升甚至出現越上限的情況；同時分析了DG滲透率對配網電壓的影響，指出DG滲透率越大對電壓的支撐作用越大。針對傳統電容器組不能頻繁投切調壓的情況，文獻[14]提出基于靈敏度分析法綜合調節DG出力和投切電容器組來調節電壓，通過仿真證明調節DG出力能有效改善調壓。文獻[15]提出了基于牛頓－拉夫遜的三相連續潮流算法，并以此為工具，將DG接入母線視為PQ和PV節點，對含DG的配電網靜態電壓穩定性進行了分析。上述研究從不同角度分析了DG接入配電網對電壓造成的影響，并提出了一些治理措施，但在如何最大化利用新能源、通過改變負荷總功率和輸電線路的電壓損失，平抑負荷端電壓波動，相關的研究還比較匱乏。

近年來，由于柔性負荷（flexible load, FL）[16]日益增多，負荷類型和特性更加豐富，為配電網電壓調節提供了新的手段和方案，因此，本文根據DG、FL、輸電線路阻抗對電壓損失的影響，提出一種基于可變功率和阻抗平抑ADN電壓偏差的方法。該方法首次提出根據電壓偏差方向，對DG輸出功率、饋線阻抗和負荷總功率進行協調控制，以改變饋線電壓損失，平抑負荷母線電壓偏差。

1 平抑負荷母線電壓偏差分析

1.1 電壓偏差因素分析

電壓偏差是指供電網絡中某點的實際電壓同該處的額定電壓之差。ADN在運行過程中，由于負荷和DG功率變化、運行方式變化導致系統阻抗變化等因素，使得各部分的電壓實時處于動態變化中，從而出現電壓可能越上限或下限的現象，因此通過分析各因素對電壓偏差的影響，能夠為制定平抑電壓偏差的合理策略奠定基礎。

在配電網系統額定電壓恒定的情況下，電壓偏差涉及系統傳輸的有功功率與綜合電阻的乘積、系統傳輸的無功功率與綜合電抗的乘積兩方面的因素，如式（1）所示。

式中，UΔ為負荷母線處的電壓損失，UN為系統額定電壓，PL和 QL分別為負荷的總有功功率和總無功功率，R和X分別為輸電線路等效電阻和電抗。

由式（1）得到此時負荷母線處的實際電壓U可表示為

由式（2）可知，若出現負荷母線處的實際電壓超出允許的范圍，則通過調節負荷功率和輸電線路的綜合阻抗，可改變線路電壓損耗，實現平抑電壓偏差的目標。

1.2 可變負荷功率平抑負荷母線電壓偏差可行性分析

配電網在一定的運行方式下，負荷功率的變化將引起主要供電元件（如線路、變壓器等）電壓損失的變化，使受端電壓出現偏差。

隨著儲能裝置、電動汽車等 FL的出現和滲透率的不斷提高，與配電網中近乎剛性用電需求的重要負荷相比，FL可在一定范圍內靈活調節其用電行為的優點提高了負荷總功率調控的便利性，為通過改變負荷功率平抑負荷母線電壓偏差提供了新方法。

1.3 DG平抑負荷母線電壓偏差可行性分析

傳統配電網一般呈輻射狀結構，穩態運行狀況下，沿饋線潮流方向，電壓逐漸降低。在ADN中，由于 DG的接入，整個系統由一個放射狀的網絡變為一個電源和用戶互聯的有源網絡，從而在負荷功率一定的情況下，必然會引起輸電線路中傳輸功率的變化，導致線路上電壓損失的改變，進而引起受端電壓出現偏差。

在圖1所示含DG的ADN中，輸電線路的電壓損失可表示為[17]

圖1 ADN架構示意圖

式中，PDG和 QDG分別為 DG接入配電網的有功功率和無功功率。

此時負荷母線的實際電壓U表示為[17]

由式（3）、式（4）可知，當負荷母線接入DG時，隨著DG接入功率的變化，輸電線路電壓損失可能為正值或負值，從而使母線實際電壓可能大于所允許的最大值或小于所允許的最小值，因此通過調節DG的輸出功率可實現平抑負荷母線電壓偏差。

1.4 可變阻抗平抑負荷母線電壓偏差可行性分析

電力系統電壓偏差的原因是由于變化的負荷電流通過阻抗元件引起電壓損失造成的。由式（3）、式（4）可知，在負荷總功率和DG接入功率不變的情況下，若改變通過電流元件的阻抗，則電壓損失也將發生變化，從而實現平抑負荷母線電壓偏差的目標。

2 基于可變功率和阻抗平抑負荷母線電壓偏差流程分析

在ADN中，DG的合理分布可對配電網電壓起支撐作用，增強系統的電壓強度，平抑電壓波動，起到調節電壓偏差的作用[18]。由于輸電線路阻抗能夠影響負荷端電壓偏差，對于對供電可靠性有特殊要求的負荷，在負荷和電源功率調節困難的情況下，可通過增加柔性線路改變線路綜合阻抗調節電壓偏差，其中柔性線路是指可在任意時間段進行投切、電阻和電抗能夠靈活改變的線路。

綜上所述，本節根據圖1的配電網系統架構，通過改變DG功率、柔性線路阻抗和FL功率3種因素，對ADN負荷母線電壓正負偏差進行調節，整體調節流程如圖2所示。

圖2 負荷母線電壓偏差整體調節流程

圖2中，ADN主站系統對柔性線路和FL進行投切，未對ADN母線電壓偏差進行調節前，兩者均處于冷備用狀態。

3 基于可變功率平抑負荷母線電壓正向偏差策略研究

傳統配電網運行時，負荷變化可能造成不同節點電壓抬升，使電壓正向偏差超出允許范圍，而ADN中的DG，又會造成不同節點出現電壓正偏差。鑒于 FL具有靈活可變的特性和重要負荷對供電可靠性的苛刻需求，為了盡可能最大化的利用 DG，本文根據圖1配電網典型架構，研究將FL與DG相結合，平抑負荷母線電壓正向偏差的策略。

ADN運行時，若負荷母線電壓U滿足 UN≤U≤Umax（Umax為重要負荷正常運行時的最大電壓），則配電網正常運行；若Umax＜U，則在重要負荷（important load, IL）和DG功率、輸電線路Y1阻抗不變的情況下，投入FL，并調節其功率，使之滿足式（5）的關系，以減小輸電線路的電壓損失，實現 UN≤U ≤ Umax；若投入FL不能實現平抑負荷母線電壓偏差的目標，則保持此時已經投入的 FL功率不變，進一步通過降低DG的輸出功率使之滿足式（6）的關系，實現平抑負荷母線電壓偏差。上述調節流程如圖3所示。

圖3 基于可變功率平抑母線電壓正向偏差流程

式中，PL=PIL+PFL，QL=QIL+QFL。

上述策略中，為實現平抑負荷母線電壓偏差的目標，可以投入單個或多個FL，以及調節單個或多個 DG的接入功率。若電壓正向偏差過高，即使投入全部FL或切除全部DG仍不能使電壓恢復至正常范圍內，則可通過有足夠容量的能進行雙向調節的無功補償裝置如調相機、裝有并聯電抗器的電容器組、靜止無功補償器等，使母線電壓恢復至允許的范圍。

4 基于可變功率和阻抗平抑負荷母線電壓負向偏差策略研究

在負荷所需功率不變的 ADN中，由于負荷端DG接入功率的變化能夠引起輸電線路所傳輸功率的變化，從而改變輸電線路電壓損失，因此基于輸電線路可變傳輸功率，能夠對負荷母線電壓偏差進行平抑。

對供電電壓有特殊需求的重要負荷，當電壓出現負偏差超出所允許的范圍時，亦可考慮通過調節輸電線路的阻抗平抑受電端電壓偏差。為此，本文根據圖1配電網系統架構，將DG與阻抗可變的柔性線路相結合，研究平抑負荷母線電壓負向偏差的策略。

ADN運行時，若負荷母線電壓U滿足 Umin≤U≤UN（Umin為重要負荷正常運行時所允許的最小電壓），則系統正常運行，僅通過輸電線路 Y1向重要負荷進行供電；若 U ＜Umin，則保持IL功率和輸電線路Y1阻抗不變，增大DG的輸出功率，使其滿足式（7）的關系，以減小輸電線路電壓損失，平抑負荷母線電壓至允許的范圍內；若通過調節 DG不能實現 Umin≤ U ≤ UN，則保持IL和此時DG接入功率不變，投入柔性線路Y2，通過調節其阻抗，使之滿足式（8）的關系，實現 Umin≤ U ≤ UN，上述調節流程如圖4所示。

圖4 負荷母線電壓負向偏差調節流程

式中，

若電壓負向偏差過大，即使切除全部 FL或投入全部DG仍不能使電壓恢復至正常范圍，則可通過直接在低壓電網終端上加裝適量的無功補償裝置，改善電壓質量，使母線電壓恢復至允許的范圍，保障配電網的可靠經濟運行[19]。

5 算例仿真

為驗證本文所提方法的可行性，以圖1配電網系統架構為例，搭建如圖5所示的Matlab/Simulink仿真模型，DG、FL、IL分別為等效的分布式電源、柔性負荷、重要負荷，通過調節 DG直流電壓改變其輸出功率，負荷額定線電壓為380V。根據相關標準可知，低壓 380V配電網系統單相電壓偏差峰值范圍為[280, 333]。線路 Y1采用電纜輸電，忽略其電容影響，單位電阻和電感分別為 R =0.271Ω/km、L= 0 .2771mH/km，相關的初始參數見表1。

圖5 電壓偏差調節策略仿真模型

表1 配電網系統初始參數

5.1 基于可變功率平抑負荷母線電壓正向偏差策略仿真

根據初始條件，仿真得到母線電壓峰值為300V，如圖6所示，滿足允許的范圍。

若電源電壓為450V，母線峰值電壓則為354V，超出允許范圍，如圖 7所示。在 0.03s投入并調節FL有功功率 200kW，得到結果如圖 8所示。調節FL有功功率120kW，無功功率50kvar，得到結果如圖9所示。

圖6 初始條件下負荷母線峰值電壓

圖7 電源電壓為450V時負荷母線峰值電壓

圖8 投入FL有功功率時負荷母線峰值電壓

圖9 投入FL有功和無功功率時負荷母線峰值電壓

若投入FL有功功率120kW、無功功率50kvar，不能平抑母線電壓至允許范圍，則在0.06s調節DG電壓為110V，降低輸出功率，使母線電壓至允許范圍，如圖10所示。

圖10 調節FL和DG功率時負荷母線峰值電壓

由圖 6至圖 10可知，當電源電壓正向波動和FL功率充足時，通過調節FL功率，能夠實現平抑負荷母線電壓波動的目標；當FL功率不足而DG功率充足時，通過調節DG功率，可進一步平抑負荷母線電壓波動。

5.2 基于可變功率和阻抗平抑負荷母線電壓負向偏差策略仿真

ADN運行時，若電源電壓為 350V，母線峰值電壓則為272V，低于允許范圍，如圖11所示。在0.03s提高DG的電壓至660V，增大輸出功率，仿真結果如圖12所示。若增大DG輸出功率不能平抑母線電壓至允許的范圍，則在 0.06s投入柔性線路通過調節其阻抗為0.0213 + j 0.03238(Ω)，使負荷母線電壓至允許的范圍，如圖13所示。

圖11 電源電壓為350V時負荷母線峰值電壓

由圖11至圖13可知，在母線電壓負向偏差和負荷總功率恒定的情況下，通過調節 DG的電壓進而改變其接入配電網的功率，可實現平抑負荷母線電壓波動的目標。若DG輸出功率不能平抑母線電壓至允許的范圍，則通過改變輸電線路總阻抗的方式以減少電壓損失，也可實現平抑負荷母線電壓波動。

圖12 增大DG輸出功率時負荷母線峰值電壓

圖13 投入線路Y2時負荷母線峰值電壓

6 結論

本文利用Matlab/Simulink仿真軟件，針對主動配電網負荷母線端電壓的波動，通過分析平抑電壓偏差流程，研究了基于可變功率和阻抗平抑電壓偏差策略，所得結論如下：

1）在主動配電網中，將柔性負荷靈活可調的特性與對分布式電源主動控制及管理的特點相結合，能夠在最大化利用分布式電源的同時，平抑負荷母線電壓偏差。

2）通過調節負荷母線端接入DG的功率，改變負荷等值總功率，進而改變負荷饋線傳輸功率，可實現平抑負荷母線電壓偏差。

3）將分布式電源和阻抗可變的柔性線路相結合，可更靈活地改變配電網饋線電壓損失，使饋線端母線電壓滿足負荷需求。

受FL或DG接入配電網的功率所限，可能存在極端情況下通過調節兩者功率均不能實現母線電壓恢復至正常范圍的目標，此時仍需要通過其他方法調節母線電壓。此外，采用本文所提出的電壓偏差調整策略中，涉及裝置的投切和功率的調節，在此過程中，負荷能否承受短時間內母線電壓波動或引起電能質量惡化是未來需要進一步研究的工作。

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