基于RobotStudio的機器人上下料工作站設計與仿真

趙偉博 李琳杰 齊鍇亮

摘 要：可再生能源具有隨機性和間歇性的特點，然而隨著分布式電網的滲透率不斷提高，其并網也給傳統電網帶來了可靠性降低、雙向潮流、電能質量惡化等問題，傳統電網的被動調壓策略已難以為繼。主動配電網能支撐分布式電源的消納，通過有載分接開關（OLTC）協調可實現電壓控制。本文旨在闡述基于OLTC協調的主動配電網控制研究，先說明OLTC調壓對功率的影響，介紹各傳統電網調壓方法，并指出了各方法的弊端。再闡述基于OLTC調壓的主動配電網電壓控制方案，最后對該領域進行了展望和總結。

關鍵詞：有載分接開關;OLTC;主動配電網;分布式電源（DG）;電力系統

中圖分類號：TP271 ? ? ?文獻標識碼：A

能源短缺和氣候變化是目前全球都需要面對的嚴峻問題，大力發展可再生能源是目前解決氣候變化和“減碳”最有前景的手段之一[1]。在第七十五屆聯合國大會上，中國指出，將提高國家自主貢獻力度 ，采取更有利的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，為應對能源結構變化，配電網改革也亟待進行[2]。

近年來，分布式電源（ DG）的滲透率不斷提高，傳統電網被動控制方式已難以為繼，為解決這些問題，傳統電網正在向主動配電網轉變。由于DG電能輸出具有隨機性和波動性，直接并入電網會造成配電網電壓波動和潮流分布不均，使用戶用電質量受影響[3]。對配電網電壓控制問題，通常都是通過調節有載分接開關（OLTC）或投切電容器實現電壓調節，而增加靜止無功發生器（SVG）等設備又將給電網帶來較大經濟負擔[4]。因此，主動配電網的電壓調節成了亟待解決的問題。目前研究策略主要有DG不參與調壓和DG主動參與調壓兩大類，無DG參與時主要通過OLTC與并聯電容器協同進行調壓，有DG參與時，則通過改變有功與無功輸出完成調壓。

1 OLTC調壓對功率的影響

OLTC因調壓范圍范圍較大、操作靈活、可隨時調節，還兼具經濟性等優點，在電力系統得到廣泛應用[5]。OLTC是變壓器內唯一需要機械動作的機構，其承擔著變壓器的調壓功能。含OLTC的變壓器線路等效電路圖可用圖1說明，圖1（a）是OLTC連接兩級電壓網絡示意圖，圖1（b）為圖1（a）的網絡等值回路圖。

由式（1）、（2）、（3）可知，當k>1，Y1為感性、Y2為容性;k=1， Y1=Y2=0;k<1，Y1為容性、Y2為感性。可見，OLTC調壓對功率的影響，其實相當于在空載電壓高的一次側加了并聯電容器，另一側則加了并聯電抗器，兩側分別吸收或產生無功功率。無功功率的性質由變比k決定，k若改變，變壓器兩側Y1、Y2也隨之改變，進而引起兩側網絡無功潮流分布，最終影響兩側電壓。由上述分析可知，OLTC調壓并不會產生無功功率，而是對變壓器兩側無功功率進行再分配。通常，變壓器一次側系統短路容量較大，Z1較小，二次側為負荷阻抗，Z2較大，若OLTC切換不當，在系統電壓因無功功率缺失而下降時，OLTC調壓錯誤不僅沒能補充缺額無功功率，反將無功缺額量轉移至高壓側，這將使得電網電壓嚴重下降，產生電壓崩潰。

2 傳統電網的調壓方式

2.1 發電機調壓

發電機調壓是為了滿足就近調壓的需求，通過改變勵磁電流來調節機端電壓UG，UG偏離額定值不超過±5%。一般適用供電線路短、線路電壓損耗小的電廠。但對于長線路的多級供電網而言，線路經過多級變換，且峰谷負荷變化較大，線路電壓損失較大，因此，僅靠發電機調壓無法滿足需求。此外，需要注意的是調節遠處負荷電壓時，機端電壓不能調的過高，需要外部調壓措施配合。

2.2 變壓器調壓

變壓器調壓是目前電力系統中使用最廣泛的調壓方式，可分無載調壓和有載調壓。無載調壓需要停電操作，步驟繁瑣，調壓范圍一般在10%內，周期長，經濟性較差。有載調壓是變壓器調壓的主要方法，通過OLTC切換分接頭完成調壓，其調壓速度快，操作簡單，調壓范圍較大，能帶載調壓[6]。典型含OLTC調壓方式電網如圖2所示，該網絡由配電系統、二次傳輸系統、主傳輸系統及發電機構成。直接向負荷中心供電的供電變壓器大多采用OLTC，OLTC所處系統必須是一個無功功率充足又相對比較平衡的系統才能起到靈活有效的調壓效果。在無功功率不足的系統中，僅OLTC調節無功不能滿足需求，還需要無功補償設備。

2.3 通過補償設備調壓

常見的補償設備有靜止無功補償器（SVC）、同步調相機、固定并聯電容器等[7]。SVC中晶閘管控制型應用較為廣泛，由電抗器、電容器和兩組反并聯的晶閘管構成，具有快速平滑調節的特點，但因其響應速度較快，當穩態負荷增加或系統波動等因素達到輸出極限值時，不能對電壓進行動態控制。并且，SVC控制難度大，成本過高，運維繁瑣。同步調相機能夠自動根據系統需求來吸收或產生無功功率，通過過勵磁或欠勵磁的不同運行方式，發出容性或感性功率，但因其常處于過勵狀態，損耗和噪聲大、響應慢、發熱嚴重。隨著SVC的發展，同步調相機使用也逐漸減少。并聯電容器和電抗器的結構簡單，且具備經濟性，但無法根據負荷需求動態補償。

根據系統中OLTC分接頭的檔位以及電容器組無功出力變化對各節點電壓的影響程度，劃分OLTC以及電容器組的調壓區域。當系統中某些節點出現過電壓或欠電壓時，優先調節該節點所在區域的調壓裝置。因此，對配電網進行分區時，應合理規劃OLTC及協調補償設備的調壓區域，再安排各調壓設備啟動次序，防止多裝置啟動產生沖突，充分利用各調節裝置的補償功能，以達到各設備的效益最大化。

3.2 基于離散變比OLTC的電壓調節

DG具有很強的間歇性和隨機性，考慮OLTC變比的離散性，或可有效解決這類問題，OLTC的變比一般檔位有1.25%、1.5%、2.5%，并非連續調節，其電壓控制算法是一研究熱點，OLTC變比是步長均勻的離散量，常見OLTC變比的控制算法有優化算法、靈敏度算法，前者計算得到OLTC調節的最優解，后者通過靈敏度指標來控制OLTC調壓[10]。但這兩者在時效性都有明顯缺陷，靠攏法則選不考慮離散變量取值約束，將所有變量視為連續變量求最優解，取與最優解最近的離散變量為最優解，但在長補償時準確度低，甚至不收斂。近年來研究的算法有連續化算法、內嵌罰函數法、互補方法、確定性算法、現代智能算法[11]等，以上算法仍不夠滿足實際應用要求，尋求更加高效高精度的算法也該領域的一研究趨勢。

3.3 OLTC和DSTATCOM協調配合的有源配電網調壓

靜止同步補償器（STATCOM）是并聯型無功補償裝置，利用GTO構成可控電壓源或電流源，本質是自換相的電壓源型三相全橋逆變器，通過變壓器將其輸出電壓變換成系統電壓，圖5為主電路采用電壓源型橋式電路的STATCOM示意圖，其中直流側儲能電容對電壓起到支撐作用。直流電壓經STATCOM輸出為與電網電壓s幅值、頻率、相位均相等的交流電。

OLTC和無功補償裝置相配合進行調壓是含DG配電網較有效的調壓手段之一。配電網靜止同步補償器（DSTATCOM）雙向調節無功輸出的功能，無功調節能力增強，輸出的無功功率受電壓變化的影響小。對于DG接在線路末端的輻射型配電饋線，線路末端的電壓偏移最大，因此將DSTATCOM裝在饋線末端的DG并網點。當長饋線末端電壓嚴重越限時，僅靠OLTC調節電壓已不足以讓末端電壓回到安全范圍內，嚴重者可能導致二次側電壓越限。因此，需適當設定OLTC與DSTATCOM的電壓動作范圍，共同發揮OLTC和DSTATCOM的調壓功能，使變電站二次側維持在合理電壓范圍內。

3.4 基于模型預測的OLTC電壓控制

模型預測控制（MPC）根據當前測量信息，在線求解有閑時間開環優化，并將解得的控制序列首個元素作用于被控對象，以此往復。模型預測控制具有建模簡單、精度要求低、魯棒性好等優點，在許多工程中得到應用。將模型預測控制作為主動配電網的電壓控制策略也漸漸得到重視。文獻[12]基于MPC對含DG配電網的能量管理系統進行了研究。文獻[13]將MPC應用于電力系統，研究了輸電網長期電壓穩定控制問題。文獻[14]則提出了一種主動配電網電壓控制策略，該策略通過建立靈敏度矩陣，構建了配電網電壓和儲能充放電狀態的預測模型，并針對OLTC調節進行了檢測控制策略，基于多步滾動優化平滑地實現了配電網母線電壓調節，使得母線電網均控制在有效范圍內。

3.5 多時間尺度規劃

多時間尺度規劃基于“多級協調、逐級細化”的思路，利用相對細化的下一級時間尺度來修正相對粗放的上一級時間尺度調控策略的錯誤。該策略基于兩點提出：（1）不同設備動作時間尺度各有差別，如并聯電容器組、OLTC為小時級尺度，需要在日前或滾動優化中確定其動作策略，DG、SVG則為適時調控設備，在秒級尺度;（2）可在生能源具有隨機性，因此預測時間越短則精度越高，若在小時級尺度上進行較為精準的預測，則可極大解決可再生能源隨機性和間歇性帶來的問題。當前已有不少研究基于隨機規劃或魯棒優化的多時間尺度方法，基于確定性優化的多時間尺度方法已取得了良好的應用效果。文獻[15]中將有功調度時間尺度分為日級、30-60分鐘級、5～15分鐘級、秒級四個類別，并構建對應的日前計劃、滾動計劃、實時調度計劃以及AGC的四個控制階段，結果顯示有效提升電力系統對風電的消化和吸收。

4 基于OLTC協調的主動配電網電壓控制

發展趨勢

計及DG入網的數量不斷增加，主動配電網是傳統電網的發展趨勢，未來基于OLTC協調的主動配電網電壓控制研究趨勢有以下三個熱點：

（1）無功優化技術。主動配電網涉及多種類無功調節設備的控制，如何協調各類無功可控資源是近年來的研究熱點，即無功優化技術，旨在提高主動配電網消納可再生能源的能力，通過調控各類無功設備，達到改善電能質量的目的。

（2）OLTC調壓對電力系統的影響。電力系統中的電壓崩潰往往不止是電壓穩定性單方面的問題，而是電壓失穩和功角失穩共同作用的結果。OLTC動作將改變系統潮流分布，OLTC變比不僅與電壓幅值有關，與電壓相角也有關。因此OLCT調壓對電力系統的影響還需要更進一步的分析。

（3）智能電網。隨著電力系統使用智能設備和數字通信升級，電網的智能化也是傳統電網必經的道路。新的電壓調節控制方案，可將含OLTC的變壓器控制為中心，旨在滿足現有電力系統的需求和未來智能電網的發展，以提高輸電和配電網的性能。

5 結 論

研究了現階段基于OLTC協調的主動配電網電壓控制策略。首先闡述了大量DG網并網造成電力系統可靠性降低、電能質量下降等問題。再列舉了傳統電網調壓方案，并指出各方案的局限性，已不足以應對大量DG并網帶來的電壓波動問題。進而，提出基于OLTC協調的主動配電網調壓方案，并總結了目前研究的熱點方案。最后，展望了該領域研究的發展趨勢。

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