含分布式電源的配電網動態無功優化調度方法探究

姚 鵬

（國網四平供電公司，吉林 四平 136000）

0 引 言

分布式電源的接入會對電力系統的運行產生多方面影響，需要電力工作人員做好電網的無功優化調度工作，優化無功潮流分布，避免電壓偏移的同時降低有功損耗，從而保證用電設備的運行安全。但是，在當前配電網使用的動態無功優化方法中存在不少問題，如理論支持欠缺、穩定性不足等。本文就相應的預動作表制訂進行了改進和優化，對電網在介入分布式電源的情況下如何進行動態無功優化調度進行討論，希望能夠為電網的穩定運行提供可靠支撐。

1 分布式電源概述

分布式電源指功率相對較小（1 000 kW～50 MW）的模塊式獨立電源。它的擁有方不一定是電力部門，也可以是電力用戶或者第三方，能夠與環境友好兼容，滿足電力系統和電力用戶的特殊用電需求，如調峰、商業區域供電等。相較于常規電力系統，分布式電源可以在一定程度上節約輸電和變電成本，提高供電的可靠性[1]。

分布式電源的優勢體現在4個方面。第一，靈活性。分布式電源系統采用性能比較優越的中小型模塊化設備，開機和停機速度快，維護管理方便，而且能夠根據實際需求進行靈活調整。電源相互獨立，能夠很好地滿足不同用戶對電能的不同需求。第二，經濟性。從減少電能傳輸損耗的角度看，分布式電源一般設置在用戶側負荷中心，能夠減少輸配電網絡建設的成本，且分布式發電規劃建設周期較短，投資見效快，風險相對較小。第三，環保性。分布式電源以風電和水電等為主。這些能源清潔可再生，在發電過程中不會產生有害氣體，具備良好的環保性。第四，安全性。分布式電源的形式眾多，使得電力系統可以擺脫對單一能源的依賴，緩解能源危機。此外，分布式電源的位置相對分散，受突發狀況和自然災害的影響小，能夠減少大規模停電問題[2]。

2 含分布式電源的配電網動態無功優化調度方法

配電網無功優化可以分為靜態無功優化和動態無功優化兩種形式。靜態無功優化是在不考慮負荷變化的情況下對配網無功進行相應的優化調度。動態無功優化則需要考慮負荷在不同時間段的差異性，因此更加符合實際情況，得到的優化成果也更好。研究表明，在接入分布式電源的情況下，配網無功優化會受到比較顯著的影響。但是，很多研究人員沒有考慮分布式電源所具備的隨機性，導致配網動態無功優化問題的解決效果并不理想。

2.1 求解過程

現階段，在進行電網調度的過程中，動態無功優化時空解耦是需要關注的一個核心問題。實踐中，一般會對照電容器投切容量編制和完善預動作時刻表，并且向需要進行相應動作的設備提供動作權限，以有效規避所有電容器在同一時刻投切的現象。考慮分布式電源本身處理的連續性和可調性，系統無功調節中，電容器承擔粗調任務，分布式電源承擔細調任務。

2.1.1 制定動作時刻表

以小時為單位，將電網中所有母線在未來24 h內的有功負荷、無功負荷以及分布式電源預測數據進行相應的時段劃分。每一個時段內的負荷數據應該依照積分中值定理轉化為常量，由此可以得到靜態負荷數據，可被應用于靜態潮流計算。借助靜態潮流計算，能夠得到靜態優化時各個電容器的投切容量矩陣[3]。

每一個電容器組都需要依照上述操作獲取相應的預動作時刻表，確保在電容器最需要動作時能夠迅速投切，使得每一組電容器都可從自身的實際情況出發確定動作的最佳時刻，解決了所有電容器同時投切帶來的問題。這樣的方式能夠很好地滿足離散控制設備動作次數約束，提高經濟效益，同時解決配電網動態無功優化中存在的時間解耦問題，實現電網的安全穩定運行。

2.1.2 配網分區和負荷處理

從電容器投切對電網狀態的影響出發，結合電容器組彼此之間存在的空間耦合性，提出了一種以配網分區為基礎的負荷數據處理方法[4]。首先，針對相關文獻中提出的基于電壓和無功滿維靈敏度矩陣的分區算法進行優化，在每一個分區內設置一個電容器組或者相應的平衡節點，以電網模型為對象開展分區計算。其次，依照相應的電容器預動作時刻表做好靜態負荷數據的處理工作，為動態優化計算提供支撐。這里以有功負荷的處理為例，已知電容器i的預動作時刻表為Ti=[0,ti,1,ti,2,…,ti,nc_max]，0表示電容器初始檔狀態。于是，存在分區i內任意一條母線h在時刻t內的有功負荷數據為：

其中，ti和e與ti和e+1指電容器i預動作時刻表中兩個相鄰的動作時刻，經過處理后可以得到動態有功負荷數據[5]。無功負荷數據的處理同樣可采用上述方法。優化計算后，所有電容器都可以在預定動作時間內達到最佳的優化結果，同時可以降低運行能耗。最后，利用配電網分區的方式進行控制，能夠保證更快的計算速度。

2.1.3 動態無功優化

結合得到的動態有功負荷數據，將每一個時間段內的能耗最低作為目標，就電容器投切容量進行優化計算，以獲取最佳調度方案[6]。依照預動作時刻表的相關要求動作，做好電網中分布式電源的優化，并且依照分布式電源的控制特點，將其分為電壓控制型、無功補償型和無功負荷型3種不同的類型。另外，分布式電源的處理分析可以排除動作次數限制，能夠將之當成一種連續變量進行相應的優化計算。

2.2 算例仿真

基于IEEE33節點系統，增加相應的電容器組和分布式電源，并且參照相關文獻中的數據，設置電容器組和分布式電源的位置和容量。具體的，在根節點位置加入相應的有載調壓變壓器，節點8和節點31之間加入無功補償電容器，節點2和節點13之間加入分布式電源。經過改造后的IEEE33節點系統如圖1所示。

圖1 IEEE-33節點系統圖

系統中，確定平衡節點（節點0），將各個節點的初始電壓設置為1.00（標幺值）。有載調壓變壓器中，變比范圍確定為0.9～1.1，步進量為1.25%，上下檔之間可以調節的檔位數均為8個，并聯電容器可以自由投切，補充容量為150 kvar×4和150 kvar×7，分布式電源最大有功處理設置為1 MW，無功處理調節范圍在0～500 kvar。

結合某區域的典型日負荷曲線，假定在所有時段內負荷都能夠保持不變，就典型日負荷曲線下的光照強度和相應的風速大小進行蒙特卡洛模擬，結合光照強度、風速以及分布式電源有功處理的相互關系，經過計算可以獲得分布式光伏和風力電源有功功率的日變化曲線。

在實施優化計算的過程中，為了保證收斂速度，提升計算結果的準確性[7]，采用了MATLAB優化工具箱中的fmincon求解器來求解非線性約束和不等式約束問題，相應的優化結果如表1所示。

表1 實驗結果對比

由表1可知，實驗5表明本文提出的優化調度方案能夠顯著降低系統能耗，實現對電容器和分布式電源的協調控制，保證調度方案的合理性和有效性。

經過優化后，電容器動作次數控制在10次，設備的使用壽命和系統運行的穩定性得到了顯著提升。對算例中所有電容器的預動作時刻表進行分析，電容器組預動作時刻表如表2所示。所有電容器的動作時刻都依照動作權限的高低進行排位，最需要動作的時刻排在最高位，最不需要動作的時刻排在最低位，可以保證同一時間段內同時投切的電容器組數量較少，從而可以在電容器最需要動作的時刻進行投切。對照相應的靜態優化計算結果，本文方法計算得到的結果與現有的方法相比較，能夠更好地契合靜態計算結果。在不考慮電容器組動作次數的情況下，每一個時刻都可以達到最優值[8]。

表2 電容器組預動作時刻表

3 結 論

將分布式電源引入配網無功調度能夠降低系統能耗，借助分布式電源所具備的良好電壓無功調節能力，提高配電系運行的安全性和經濟性。本文提出的電容器預動作表制訂方法得到了實踐證明，可以嚴格控制電容器動作次數，通過分散投切的方式，使得電容器控制策略在各個動作時段內達到最優。算例結果表明，這種方法可以非常有效地降低系統損耗，提高系統運行的穩定性和經濟性。依照分布式電源和電容器的處理特點，本文提出的協調調度控制方法能夠最大限度地發揮出各自的無功調節能力和優勢，從而保證含分布式電源配電網動態無功優化調度方法的合理性和有效性。