計及新能源消納的地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化控制策略

張智光，倪秋龍，廖 培，石博隆，吳振杰，李城達，許大衛(wèi)

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310007；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司），南京 211106；4.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

0 引言

近年來，我國的新能源并網(wǎng)裝機容量增速逐年提高，進入規(guī)模化發(fā)展階段。2020 年，受國家財政補貼退坡政策的影響，新能源全年新增并網(wǎng)裝機超過1.1 億kW，創(chuàng)下歷史新高［1］。新能源發(fā)電的間歇性、波動性引發(fā)了源荷的不匹配問題［2］，導(dǎo)致了“棄光棄風”等問題的出現(xiàn)，新能源的消納能力成為制約新能源發(fā)展的重要問題［3］。新能源一般運行在最大功率點跟蹤方式，當系統(tǒng)消納水平低導(dǎo)致“棄光棄風”時，新能源的裝機容量并沒有得到完全利用［4］。

新能源大量并網(wǎng)后，其出力的不確定性及安裝位置的隨機性改變了電網(wǎng)的潮流特征，影響了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，同時為了降低損耗一般采用以線性規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃等求解算法建立的無功電壓優(yōu)化模型，模型以網(wǎng)損最優(yōu)為目標，以電網(wǎng)中各節(jié)點的電壓限值、無功限值、有載調(diào)壓分接頭動作次數(shù)、容抗器投切次數(shù)為約束［5］。當?shù)貐^(qū)電網(wǎng)中新能源滲透率較高時，新能源消納能力受時間、環(huán)境等影響較大，對系統(tǒng)有功、無功潮流特性均造成明顯影響［6］，從而導(dǎo)致常規(guī)的無功優(yōu)化模型收斂性下降，計算結(jié)果的精度不足。因此，需考慮支撐新能源最大消納能力的無功電壓優(yōu)化方法，通過量化評估新能源的消納能力，修正優(yōu)化模型。

對于新能源站并網(wǎng)后電壓和無功的優(yōu)化問題，目前已開展了較多研究［7-11］。文獻［7］提出基于并網(wǎng)風電、光伏站的無功可調(diào)容量，采用平衡優(yōu)化器進行無功優(yōu)化求解，從而獲得離散設(shè)備及連續(xù)無功源的控制措施。文獻［8］考慮新能源發(fā)電的波動和不確定性，提出一種基于區(qū)間建模的無功優(yōu)化策略，使用基于優(yōu)化場景的區(qū)間潮流算法和改進的粒子群優(yōu)化算法求解，并通過算例仿真驗證策略的有效性。文獻［9］考慮高比例新能源參與電網(wǎng)調(diào)控的應(yīng)用場景，采用多目標樽海鞘群算法，快速獲得控制措施的帕累托最優(yōu)解集，并引用多目標智能算法對策略進行比較驗證。文獻［10］設(shè)計了基于熵權(quán)與多層次模糊綜合評價理論的綜合賦權(quán)方法，通過確定電網(wǎng)多目標無功優(yōu)化模型中各子目標的權(quán)重，給出優(yōu)化結(jié)果并指導(dǎo)區(qū)域內(nèi)自律控制，同時基于凝聚型層次聚類和動態(tài)無功儲備指標，實現(xiàn)分區(qū)調(diào)控和全局協(xié)同優(yōu)化，從而實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)快速且平滑的自動電壓控制。文獻［11］為解決高比例新能源并網(wǎng)后的源荷不匹配問題，提出基于電壓偏差和波動量的電壓趨危系數(shù)，應(yīng)用多時間尺度自適應(yīng)無功電壓控制方法構(gòu)建以經(jīng)濟性和安全性滿意度最優(yōu)為目標的日前優(yōu)化調(diào)度策略，通過動態(tài)修正傳統(tǒng)下垂控制的固定斜率來釋放光伏逆變器無功裕度，從而提高配電網(wǎng)電壓控制的經(jīng)濟性和安全性。總體來說，上述研究均未從評估新能源的最大消納能力出發(fā)，部分算法的尋優(yōu)效率偏低，在實際場景應(yīng)用方面存在局限性。

為此，本文提出一種基于新能源最大消納能力評估的無功電壓優(yōu)化控制策略。首先分析新能源的最大發(fā)電能力，然后利用母線電壓控制約束及有功對電壓的靈敏度，進行新能源消納評估，確定最大消納目標。建立基于最大消納目標的無功優(yōu)化控制模型，求解各節(jié)點的電壓控制目標，進行超前決策控制。本文方法可在保證系統(tǒng)電壓合格的前提下，最大化提升地區(qū)電網(wǎng)的新能源消納能力。

1 地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化策略現(xiàn)狀

根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)特點以及電壓無功的運行特性，在無功優(yōu)化控制策略方面，主要采用三級控制策略形式［12］：全局無功電壓優(yōu)化策略、供區(qū)協(xié)調(diào)控制策略、站內(nèi)單點控制策略。

1.1 全局無功電壓優(yōu)化策略

全局優(yōu)化控制策略以網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標，電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)下，在中樞點電壓不良時，通過減少電壓的約束條件進行控制，以提升系統(tǒng)的合格概率［13］。當出現(xiàn)電壓劇烈波動時，適當調(diào)節(jié)電壓的標準值區(qū)間，保證受端電壓穩(wěn)定以減少電量的損耗量。在具體實施中，全局優(yōu)化策略依賴于狀態(tài)估計及OPF（最優(yōu)潮流）算法的相關(guān)軟件，通過求解優(yōu)化解集，指導(dǎo)電網(wǎng)調(diào)控人員進行相關(guān)決策。

1.2 供區(qū)協(xié)調(diào)控制策略

地區(qū)電網(wǎng)一般以330 kV/220 kV電壓等級作為根節(jié)點，下級一般為開環(huán)運行方式，可形成若干供區(qū)，供區(qū)內(nèi)不存在電磁環(huán)網(wǎng)。由于各供區(qū)的拓撲組織類似，協(xié)調(diào)控制策略可形成模板，復(fù)用至其他供區(qū)。供區(qū)協(xié)調(diào)控制策略一般采用零功率補償方式，即從拓撲基層開始電壓調(diào)整，最終匯總至中央控制單元，實現(xiàn)整體意義的穩(wěn)定。

1.3 站內(nèi)單點控制策略

單個廠站一般采用專家規(guī)則進行就地控制，規(guī)則一般有“九區(qū)圖”或類似算法［14-16］。

在工程實施中，為保證無功電壓優(yōu)化的安全和平穩(wěn)性，還設(shè)置了一系列控制規(guī)則，如單個變電站一次性只能調(diào)節(jié)一個并聯(lián)電路，有載調(diào)壓分接頭一次性只能調(diào)節(jié)一個檔位，主線路不可與補償設(shè)備同時變動等。此外，通過對電網(wǎng)的實時量測值進行有效性判定和壞數(shù)據(jù)的清洗、無功調(diào)節(jié)設(shè)備需滿足每日調(diào)節(jié)次數(shù)的限制、根據(jù)線路負荷能力實現(xiàn)“逆調(diào)壓”控制等措施的應(yīng)用，保證電網(wǎng)電壓按照統(tǒng)一標準，穩(wěn)定地向目標值靠近。

2 考慮新能源最大消納能力的控制策略

2.1 策略設(shè)計

在新能源高比例滲透電網(wǎng)的背景下，現(xiàn)有的無功電壓優(yōu)化控制策略主要還是基于電壓、網(wǎng)損或功率因數(shù)的變化，缺少基于新能源消納能力的綜合統(tǒng)籌考慮［17-20］。本文基于電力系統(tǒng)的運行和管理特征，提出一種支撐新能源最大消納能力的地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化方法。在建立無功優(yōu)化模型時，考慮地區(qū)電網(wǎng)新能源的消納能力，通過定量評估的方式得出新能源的最大安全發(fā)電能力，并以新能源的最大發(fā)電能力為約束，修正模型中各節(jié)點的電壓控制目標值，從而給出考慮新能源最大消納能力后的無功電壓優(yōu)化解集。

建立以全網(wǎng)損耗最小為目標的優(yōu)化函數(shù)：

式中：f(U，θ，I，T，QG，QN)為全網(wǎng)的網(wǎng)損；U為節(jié)點的電壓數(shù)據(jù)；θ為電壓控制區(qū)間；I為系統(tǒng)中并聯(lián)補償器的電流；T為有載調(diào)壓分接頭的數(shù)據(jù)變化情況；QG為電源的無功輸出功率；QN為新能源的無功輸出功率。

各分量的約束函數(shù)為：

式中：PGi、PLi、QLi分別為節(jié)點i的有功功率輸出、有效承載負荷、無效承載負荷；Pij和Qij分別為節(jié)點i至節(jié)點j的有功損耗和無功損耗；QGi為常規(guī)電源無功功率輸出，QGimax和QGimin分別為其上限和下限；QNi為新能源無功功率輸出，QNimax和QNimin分別為其上限和下限；Ui為節(jié)點i電壓，Uimax和Uimin分別為其上限和下限；Ii為并聯(lián)補償器i的電流，Iimax和Iimin分別為其上限和下限；Ti為有載調(diào)壓分接頭檔位，Timax和Timin分別為其上限和下限；S為所有節(jié)點集合；G為電源集合；N為新能源集合；C為并聯(lián)補償器集合；T為變壓器有載分接頭集合。

傳統(tǒng)的無功電壓優(yōu)化策略中，節(jié)點電壓的約束上下限Uimax和Uimin一般由當?shù)乜己藰藴驶蛳嚓P(guān)規(guī)范確定。本文方法在確定節(jié)點電壓的約束限值時，考慮了新能源的最大消納能力。消納能力以新能源的最大安全發(fā)電能力Pimax和電壓越限超發(fā)功率Pidiff進行評估，流程如下：

1）根據(jù)短期有功預(yù)測數(shù)據(jù)求取有功預(yù)測整定值Pifutr。Pifutr的整定值可取節(jié)點當前時刻往后3 個時間斷面的新能源有功預(yù)測數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值（每斷面間隔15 min），即：

式中：Pifutr1、Pifutr2、Pifutr3分別為3個時間斷面的新能源有功預(yù)測值；γ1、γ2、γ3分別為3個預(yù)測點的權(quán)重系數(shù)。新能源有功預(yù)測值主要基于氣象特征和有功歷史數(shù)據(jù)，通過樣本訓練建立預(yù)測模型，并輸出有功預(yù)測數(shù)據(jù)［21］。

2）計算新能源的最大安全發(fā)電能力Pimax和電壓越限超發(fā)功率Pidiff。基于有功預(yù)測整定值Pifutr計算Pimax和Pidiff，即：

式中：Pi為節(jié)點的當前有功出力；Sipvsens為節(jié)點有功對電壓的靈敏度。

3）求得節(jié)點i的電壓越限超發(fā)功率Pidiff后，即可計算節(jié)點電壓控制目標修正量ΔVidiff：

式中：Siqvsens為節(jié)點無功對電壓的靈敏度；?為裕度保留系數(shù)，一般由新能源站內(nèi)根據(jù)需保留的動態(tài)無功裕度確定；Qd為新能源站當前可提供的無功下調(diào)裕度，該值由新能源站統(tǒng)計并上送，包括站內(nèi)無功補償設(shè)備的可調(diào)能力。

4）根據(jù)電壓越限超發(fā)功率Pidiff、有功對電壓的靈敏度Sipvsens及電壓控制目標修正值ΔUidiff，可計算修正后的電壓優(yōu)化限值Uisetmax及Uisetmin，即：

5）最終，根據(jù)修正后的限值Uisetmax和Uisetmin，替換式（2）中節(jié)點電壓的約束限值Uimax和Uimin，進行優(yōu)化求解后，即可得出考慮新能源消納能力后的無功補償裝置、有載調(diào)壓分接頭、電源及新能源無功出力的目標值。

整體策略的流程如圖1所示。

圖1 優(yōu)化策略流程Fig.1 The optimization strategy flow

2.2 總體控制方案

地區(qū)電網(wǎng)的無功存在區(qū)域性和分散性特征，決定了優(yōu)化控制方法必須實現(xiàn)空間和時間的解耦控制［22-24］。在空間上主要是控制分層分區(qū)，在時間上主要采用多周期序列控制，避免電壓或無功的波動和震蕩。總體的控制方案為：

1）根據(jù)無功就地平衡的原則，對電網(wǎng)進行動態(tài)分區(qū)，分區(qū)基于電網(wǎng)的靜態(tài)拓撲模型和實時的遙測、遙信狀態(tài)，并支持數(shù)據(jù)質(zhì)量識別和預(yù)處理。拓撲分區(qū)應(yīng)周期性檢測并更新，并支持電網(wǎng)中各類運行方式。

2）新能源功率預(yù)測信息由外部接口導(dǎo)入，當接口異常或數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯不良時，應(yīng)具備自動切換至傳統(tǒng)無功電壓優(yōu)化算法的功能。

3）將預(yù)測信息與新能源安全發(fā)電能力進行比較，確定是否啟動支撐新能源消納的無功優(yōu)化分析。為提高策略精度，應(yīng)對結(jié)果進行合理性校驗，預(yù)防設(shè)備投切振蕩。應(yīng)預(yù)判設(shè)備動作后對電網(wǎng)的影響，防止投入后出現(xiàn)電壓越限等事故或調(diào)節(jié)震蕩現(xiàn)象。

4）優(yōu)化結(jié)果通過校驗后，應(yīng)減少命令的傳輸環(huán)節(jié)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的不安全因素，以保證遙控出口的可靠和流暢。

總體控制方案和數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 總體控制方案及流程Fig.2 General control plan and flow

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

在優(yōu)化方法中，除控制策略外，對整體功能影響較為重要的關(guān)鍵技術(shù)主要有動態(tài)分區(qū)、策略預(yù)判、告警閉鎖等。關(guān)鍵技術(shù)對方法的實用性有至關(guān)重要的影響。

2.3.1 動態(tài)分區(qū)

根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和方式特點，在動態(tài)分區(qū)時應(yīng)考慮以下要素：

1）對變壓器并列運行方式的識別，如兩臺三卷變壓器有任意兩側(cè)處于環(huán)接時應(yīng)判定為并列運行。并列運行的變壓器在有載調(diào)壓設(shè)備動作時，應(yīng)保持調(diào)節(jié)方向和調(diào)節(jié)量的一致性，以防止形成環(huán)流，損壞設(shè)備。

2）分區(qū)時應(yīng)支持區(qū)域的嵌套劃分，即識別任意廠站的連接關(guān)系。例如，分布式新電源一般并網(wǎng)于10 kV 以下電壓等級，分區(qū)時應(yīng)可識別它與220 kV樞紐變電站的從屬關(guān)系。

3）分區(qū)應(yīng)具備容錯功能，考慮遙信自校驗，以免分區(qū)結(jié)果錯誤。

4）分區(qū)的計算時長應(yīng)對電網(wǎng)規(guī)模不敏感，并具備多分區(qū)并行處理功能，以保證大規(guī)模電網(wǎng)分析的實時性。

2.3.2 策略預(yù)判

在策略執(zhí)行前，應(yīng)對策略執(zhí)行后的電網(wǎng)狀態(tài)進行初步預(yù)判，防止電網(wǎng)事故或設(shè)備動作震蕩等不良后果。預(yù)判措施主要有：

1）在并聯(lián)容抗器投切前，預(yù)判動作后母線電壓，防止電壓越限或投切震蕩。

2）考慮有載調(diào)壓步長，防止變壓器有載調(diào)壓開關(guān)動作震蕩。

3）實現(xiàn)設(shè)備日動作次數(shù)的有效分配，在負荷上坡、下坡階段預(yù)留次數(shù)，減少離散設(shè)備無效動作。

4）考慮分區(qū)關(guān)口和站內(nèi)的無功優(yōu)化方向一致性，避免上下級無功調(diào)節(jié)震蕩。

2.3.3 告警閉鎖

在控制的輸入、輸出階段，面臨電網(wǎng)中各種“噪聲”的干擾，需考慮各種閉鎖狀況，以保證控制的安全性并減輕監(jiān)控人員處理異常事件的工作量，包括但不限于：

1）當主網(wǎng)電壓過高時，應(yīng)閉鎖各級主變壓器（以下簡稱“主變”）的有載分接頭上調(diào)，且對于下屬的變電站應(yīng)閉鎖電容器投入或電抗器切除。

2）當被控設(shè)備處于檢修、備用、不在控制周期或動作達到次數(shù)限值時，應(yīng)閉鎖動作。

3）當有載調(diào)壓分接頭達到極限檔位，或出現(xiàn)內(nèi)部故障、過負荷、重瓦斯、差動、壓力釋放、油溫過高等保護信號時，應(yīng)閉鎖動作。

4）當并聯(lián)電容器未裝設(shè)限流電抗器，或出現(xiàn)過流、不平衡等保護信號時，應(yīng)閉鎖動作。

5）新能源站出現(xiàn)無功可增/可減裕度不足時，閉鎖同方向動作。

3 應(yīng)用實例

浙江某地供電區(qū)域為28節(jié)點系統(tǒng)，包括19組并聯(lián)電容/電抗器、12臺有載調(diào)壓分接頭、22座新能源站。選取春節(jié)期間某日負荷較輕、新能源大發(fā)時段進行仿真分析。以15 min 為1 個斷面，2 h為1個周期。首先分析新能源出力上升時電網(wǎng)電壓的變化情況，以10：00 為初始值，至12：00 共8 個斷面。圖3為離散設(shè)備的動作策略，圖4為新能源出力（上坡階段）及主導(dǎo)節(jié)點18 的電壓優(yōu)化前后曲線。由圖3可知，2號、6號主變有載分接頭以及4號、7 號電容器在10：00 動作一次，此后未動作，滿足離散設(shè)備動作次數(shù)約束。由圖4可知，在新能源出力處于高峰并持續(xù)上升時，在優(yōu)化前電壓持續(xù)上升并接近限值，優(yōu)化后電壓保持在正常范圍并維持穩(wěn)定。

圖3 新能源出力上坡階段離散設(shè)備動作策略Fig.3 The action strategy for discrete devices in the uphill phase of new energy output

圖4 新能源出力（上坡階段）及主導(dǎo)節(jié)點18的電壓曲線Fig.4 Voltage curves of new energy output（uphill phase）and pilot node 18

然后分析新能源出力下坡階段的電壓變化情況，選取15：00 作為初始值，對15：00 至16：45 的連續(xù)8個斷面進行優(yōu)化計算。圖5為離散設(shè)備的動作策略，圖6為新能源出力（下坡階段）及主導(dǎo)節(jié)點18 的電壓優(yōu)化前后曲線。由圖5 可知，18 號、19號電容器在15：00動作一次，6號主變有載調(diào)壓在15：00 動作一次，7 號主變有載調(diào)壓在15：45 動作一次，其余設(shè)備未動作，滿足動作次數(shù)限值約束。由圖6可知，在新能源出力高峰下坡階段，電壓峰值相對優(yōu)化前有明顯下降，同時電壓保持了較為平穩(wěn)的水平。

圖5 新能源出力下坡階段離散設(shè)備動作策略Fig.5 The action strategy for discrete devices in the downhill phase of new energy output

圖6 新能源出力（下坡階段）及主導(dǎo)節(jié)點18的電壓曲線Fig.6 Voltage curves of new energy output（downhill phase）and pilot node 18

分析優(yōu)化前后主導(dǎo)節(jié)點的電壓質(zhì)量，圖7和圖8 分別為主導(dǎo)節(jié)點18 和主導(dǎo)節(jié)點27 的電壓變化情況。可以看出：優(yōu)化前，隨著新能源出力進入高峰上坡或下坡階段，主導(dǎo)節(jié)點18和27的電壓波動較為劇烈，甚至出現(xiàn)越限情況，越限率分別為3%和2.2%；優(yōu)化后，電壓曲線較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)越限情況，波動率分別降至1.06%和0.73%。

圖7 主導(dǎo)節(jié)點18的電壓變化情況Fig.7 Voltage variation of pilot node 18

圖8 主導(dǎo)節(jié)點27的電壓變化情況Fig.8 Voltage variation of pilot node 27

最后分析新能源的無功裕度變化情況。圖9為9 號和10 號新能源的無功出力變化情況。可以看出，在離散設(shè)備動作的同時，新能源的無功出力大幅降低，趨近于0。

圖9 新能源無功出力變化情況Fig.9 Variation of the reactive power output of new energy

綜上所述，采用優(yōu)化控制策略降低了新能源出力大發(fā)時電壓的波動率，改善了電壓質(zhì)量，同時離散設(shè)備通過無功置換提高了新能源的無功裕度，從而較好地支撐了新能源的消納。

4 結(jié)語

地區(qū)電網(wǎng)的無功電壓優(yōu)化控制能力，一定程度上決定了新能源的消納水平［25］。本文提出一種基于新能源最大消納能力的無功電壓優(yōu)化控制策略，引入新能源有功預(yù)測信息對新能源最大發(fā)電能力進行評估，之后利用有功對電壓的靈敏度和母線電壓的控制約束，以最大消納能力為目標修正節(jié)點電壓的優(yōu)化限值，給出離散量和連續(xù)量的調(diào)節(jié)策略，進行超前決策控制。通過現(xiàn)場實例應(yīng)用，證明了該方法的正確性和有效性。本文的研究成果，可為地區(qū)電網(wǎng)新能源消納潛力的挖掘提升及電網(wǎng)的規(guī)劃改造提供理論和實踐支撐。