分布式光伏接入的配電網(wǎng)無功優(yōu)化研究

福建永福電力設(shè)計股份有限公司 王智聰

引言

全球氣候變暖，資源和環(huán)境面臨重大威脅，提高能源利用率、改善能源結(jié)構(gòu)、尋求可再生資源是世界各國面臨的首要問題。現(xiàn)階段，分布式電源（Distributed Generation，DG）技術(shù)是我國清潔能源利用的主要形式，其PV是DG 的重要代表，PV 應(yīng)用以接入配電網(wǎng)為主，一旦PV 接入配電網(wǎng)方式不當(dāng)將會引起諸多問題，例如電壓越限、電壓波動和諧波污染等，對配電網(wǎng)的規(guī)劃預(yù)測以及優(yōu)化控制帶來了極大的挑戰(zhàn)，十分不利于配電網(wǎng)的高效、安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此要對PV接入配電網(wǎng)進(jìn)行合理研究規(guī)劃，提出適用于PV 接入的配電網(wǎng)無功優(yōu)化原理和方法，來更高的引導(dǎo)對PV 的合理規(guī)劃和應(yīng)用，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

分布式光伏電源（Distributed Photovoltaic Power,PV）接入電網(wǎng)后配電網(wǎng)的潮流分布發(fā)生了改變，影響了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，因此開展對含PV 的配電網(wǎng)無功優(yōu)化研究十分關(guān)鍵，對提升電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性與高效性具有重要意義。文章介紹配網(wǎng)中并入分布式光伏后無功優(yōu)化的研究現(xiàn)狀，闡述分布式光伏接入配電網(wǎng)的模型和控制策略，介紹優(yōu)化算法在含分布式光伏接入的配電網(wǎng)無功優(yōu)化中的應(yīng)用，旨在為相關(guān)研究提供理論借鑒。

1 配網(wǎng)中并入分布式光伏后無功優(yōu)化意義及現(xiàn)狀分析

1.1 配網(wǎng)中并入分布式光伏后無功優(yōu)化的意義

PV 并網(wǎng)后對配網(wǎng)的潮流分布所產(chǎn)生的不確定性的改變是一個重要的技術(shù)問題，在線路傳輸過程中，有功功率保證了用戶的實際用電，無功功率用于維持電壓的穩(wěn)定。但是如果無功功率過高，在遠(yuǎn)距離傳輸上會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)損耗加大，加大功率損耗，甚至還會造成末端電壓越限，容易引發(fā)電網(wǎng)安全事故。因此，對PV 并網(wǎng)后配電網(wǎng)的無功優(yōu)化研究具有重要的現(xiàn)實意義，一方面提升電壓穩(wěn)定性、降低網(wǎng)絡(luò)損耗；另一方面可增大網(wǎng)絡(luò)傳輸容量，保證了電網(wǎng)的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，實現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1.2 配網(wǎng)中并入分布式光伏后無功優(yōu)化的研究現(xiàn)狀

分布式光伏具有較大的隨機(jī)波動性，會致接入容量不穩(wěn)定，發(fā)生系統(tǒng)有功和無功大小不定甚至改變潮流走向，造成配電網(wǎng)的無功優(yōu)化更加困難。PV接入配電網(wǎng)的無功優(yōu)化可通過多種方式進(jìn)行補(bǔ)償，傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式如改變變壓器分接頭、安裝調(diào)相機(jī)、電容器等補(bǔ)償裝置等，實現(xiàn)對無功補(bǔ)償容量的調(diào)控，達(dá)到降低網(wǎng)網(wǎng)損、減小系統(tǒng)電壓偏差的目的，但通常變壓器分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)難以任意調(diào)節(jié)，局限性較大；電容器補(bǔ)償設(shè)備只適用于負(fù)荷穩(wěn)定的低壓力系統(tǒng)中；調(diào)相機(jī)存在投資大、維護(hù)費用高的問題。

為了解決這一系列問題，引入了現(xiàn)代無功補(bǔ)償裝置，其中代表性的有靜止無功補(bǔ)償器（簡稱“SVC”）和靜止無功發(fā)生器（簡稱“SVG”），通過利用半控型晶閘管控制補(bǔ)償設(shè)備的投退，來實現(xiàn)對系統(tǒng)無功補(bǔ)償大小的改變。大量研究證實，通過加入SVC 和SVG 補(bǔ)償后，有效提升了新能源并網(wǎng)變換器的極限輸出功率。

無功功率優(yōu)化過程是動態(tài)變化的，并且還有一部分是離散過程，約束條件多、影響因素復(fù)雜，尋優(yōu)計算難度大。目前配電網(wǎng)無功優(yōu)化算法種類繁多，傳統(tǒng)應(yīng)用的算法主要有線性規(guī)劃法、牛頓法等，但通常建模較難，而粒子群算法（簡稱“PSO”）[1]具有自適應(yīng)性強(qiáng)、靈活方便等特性，可更好的優(yōu)化配電網(wǎng)無功優(yōu)化。

通過在對分布式光伏接入配電網(wǎng)的運(yùn)營模型優(yōu)化過程中，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法完成，有效克服算法易陷入局部最優(yōu)等缺點，利用小生境技術(shù)對算法加以改進(jìn)[2]，為保證PV 接入配網(wǎng)后系統(tǒng)能更加穩(wěn)定的運(yùn)行，在PV 接入配網(wǎng)后，需要對電壓偏差最小、網(wǎng)絡(luò)損耗最小等多個目標(biāo)函數(shù)同時進(jìn)行優(yōu)化，保證優(yōu)化過程解的多樣性，防止算法早熟收斂。擁擠距離排序法形成每個粒子的小生境，采用小生境共享機(jī)制更新粒子位置提高粒子適應(yīng)度，同時在全局最好位置的選擇時與外部檔案維護(hù)結(jié)合，實現(xiàn)對配電網(wǎng)電壓、網(wǎng)損的有效控制和管理。

2 分布式光伏接入配電網(wǎng)的模型

光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換是通過光伏電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，再通過控制器轉(zhuǎn)換為交流電并入電網(wǎng)供用戶使用。可見光的輻射量和環(huán)境溫度是影響能量轉(zhuǎn)換的重要因素，但通常這兩個因素的隨機(jī)性較強(qiáng)，導(dǎo)致光伏電源發(fā)電的有功和無功出力不確定性較高，光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的建立有直接模型和間接模型，直接建模需要大量數(shù)據(jù)來支撐，但對于分布式電源數(shù)據(jù)的統(tǒng)計是難點，因此現(xiàn)階段主要采用間接模型實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)建模。

一般而言，光照強(qiáng)度、溫度、電池板面積是影響光伏系統(tǒng)出力的重要因素，光伏的出力情況符合負(fù)荷“晝高夜低”的特性。光伏電源模型可視為Beta 分布，概率密度函數(shù)為[3,4]：f(P)=τ(α+β)/(τ(a)τ(β))×(L/Lmax)α-1×(1-L/Lmax)β-1，此式中：τ 為Gamma 的函數(shù)；α、β 為形狀參數(shù)；L 為這一時間內(nèi)實際光照強(qiáng)度；Lmax為這一時間段內(nèi)的最大光照強(qiáng)度）。其中，β=(1-μ)×[(μ(1+μ))/σ2-1]，α=(μ×β)/(1-μ)，式中：μ 為平均光照強(qiáng)度，σ2為方差。

建立分布式光伏有功出力概率模型為：fb(P)=τ(α+β)/(τ(α)τ(β))×(P/Pmax)α-1×(1-P/Pmax)β-1，式中：P 為系統(tǒng)的有功功率，Pmax為最大有功功率。無功功率為：Q=Ptanφ，式中：Q 為系統(tǒng)的有功功率，φ 為功率因數(shù)角。

3 分布式光伏接入配電網(wǎng)的控制策略

在實際情況下，為了降低運(yùn)營成本，在光伏并網(wǎng)時要利用逆變器的無功容量及調(diào)節(jié)能力。在白天時，允許PV 適當(dāng)發(fā)出一部分無功功率來平衡從電網(wǎng)吸收的無功功率，可有效降低光伏并網(wǎng)成本，還可以實現(xiàn)在接入點電壓較低時來達(dá)到維持電壓穩(wěn)定的目的。可見要對其逆變器的無功輸出進(jìn)行合理控制，主要控制策略如下。

有功調(diào)整功率因數(shù)控制。該控制方式是基于不同時刻有功功率大小來對cosφ 進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中cosφ（P）控制策略示意圖如圖1所示。可看出，當(dāng)PV 有功出力小于Pmin，功率因數(shù)以最大值運(yùn)行；當(dāng)PV 有功出力大于Pmax，功率因數(shù)以最小值運(yùn)行；介于二者之間時，cosφ 隨著有功功率出力的增大而減小。

圖1 cosφ（P）控制策略示意圖

并網(wǎng)點電壓調(diào)整無功功率控制。在基于該控制方式下，可通過不同時刻網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點電壓值偏離情況來確定無功出力大小，其Q(U)控制策略示意圖如圖2所示。可看出，當(dāng)電壓超出上下限則為不合格區(qū)域，以防電壓越限，保持最大的無功注入；當(dāng)接入點電壓位于1.05和0.95區(qū)間內(nèi)，該區(qū)間為合格電壓區(qū)域，該區(qū)域需要由接入點的電壓要求來定量調(diào)控?zé)o功輸出；可見在該控制方式下，逆變器的無功輸出只與接入點的電壓值相關(guān)。

圖2 Q(U)控制策略示意圖

并網(wǎng)點電壓-功率協(xié)同控制。采用電壓功率協(xié)同控制cos(U,P)，要確定并網(wǎng)點的電壓水平，在確定功率因數(shù)，最后確定cosφmin的值。由圖3（圖中cosφmin為U 曲線，cosφ 為P 曲線）可見，在電壓大于1.02p.u.時，功率因數(shù)位于坐標(biāo)軸以下區(qū)域，PV 進(jìn)相運(yùn)行吸收無功功率，隨著有功功率的加大cosφ 隨之降低，吸收的無功功率增大，導(dǎo)致電壓有效的降低；當(dāng)電壓小于0.98p.u.時，功率因數(shù)位于坐標(biāo)軸以上區(qū)域，功率因素滯后，電壓能升高，并且隨著有功功率增大，cosφ 隨之增大、無功功率隨之減小，避免了電壓越限的情況。

圖3 cos(U,P) 控制曲線

4 粒子群優(yōu)化算法在含分布式光伏接入的配電網(wǎng)無功優(yōu)化中的應(yīng)用

4.1 粒子群優(yōu)化算法發(fā)展概況

粒子群優(yōu)化算法是智能優(yōu)化算法的重要代表，其原理是通過模擬鳥群覓食行為來尋求最優(yōu)路徑的方式，該方法無需交叉、變異等繁瑣的操作流程，邏輯運(yùn)算過程簡單明了，算法尋優(yōu)過程目標(biāo)易于實現(xiàn)，更重要的是可以進(jìn)行全局隨機(jī)尋優(yōu)，尋優(yōu)過程中粒子位置代表了待尋優(yōu)結(jié)果的數(shù)值，通過設(shè)定粒子位置的規(guī)則更新粒子的最優(yōu)位置，并以此來獲得更優(yōu)的解。

近年越來越多的研究人員通過對粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)來滿足實際應(yīng)用中需求，多目標(biāo)粒子群算法的收斂精度低、易早熟等問題是解決的重點，通過對多目標(biāo)粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)，采用小生境技術(shù)對求解過程加以優(yōu)化，根據(jù)粒子間距來劃分小生境，采用共享機(jī)制提升粒子的適應(yīng)度，保證了小生境間的相互獨立性，保證算法在搜索中向著最優(yōu)方向搜索，解決了算法在尋優(yōu)過程中易陷入局部最優(yōu)的弊端[5]。

4.2 粒子群優(yōu)化算法在配電網(wǎng)無功優(yōu)化應(yīng)用實例分析

建立模型。為了驗證粒子群優(yōu)化算法在含分布式光伏的配電網(wǎng)無功優(yōu)化中的有效性，以IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)進(jìn)行計算分析，分布式光伏并網(wǎng)容量為1MW，功率因數(shù)值區(qū)間[-0.95，0.95]，在10、15、20、31節(jié)點增加4個PV，假設(shè)線路參數(shù)不變，IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)示意圖

仿真計算。采用粒子群算法對以上闡述的四種不同光伏逆變器出力控制策略與無控制策略下的出力情況進(jìn)行計算仿真分析，得出不同控制策略下的網(wǎng)絡(luò)損耗（MW ?h）大小如下：cosφ（U、P）2.82、Q（U）3.00、cosφ（P）3.20、cosφ3.25、無控制4.62。由此可以看出，在保持其他參數(shù)不變下，當(dāng)光伏逆變器不采用任何控制測試下網(wǎng)絡(luò)損耗值最大，而采用基于cosφ（U、P）的控制策略進(jìn)行無功補(bǔ)償時，其優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)損耗值最小，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

大量分布式光伏接入電網(wǎng)使得電力系統(tǒng)無功優(yōu)化變得更加復(fù)雜，因此采取合理的方法處理PV 出力的不確定性問題尤為重要，求解多目標(biāo)函數(shù)以及運(yùn)用合適的優(yōu)化算法是進(jìn)行含有PV 的配電網(wǎng)無功優(yōu)化的關(guān)鍵所在。今后在基于現(xiàn)代智能技術(shù)的發(fā)展下，研究人員應(yīng)繼續(xù)對優(yōu)化算法展開深入研究，不斷將新算法引入到配電網(wǎng)無功優(yōu)化應(yīng)用當(dāng)中來尋找一種最佳的優(yōu)化算法，實現(xiàn)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性能的同步提升。