基于分布式電源接入的配電網(wǎng)無功控制策略研究

王朝龍，阿爾優(yōu)鬼

（1．國網(wǎng)青海省電力公司，青海 西寧 810000；2．國網(wǎng)青海省電力公司黃化供電公司，青海 黃南藏族自治州 811200）

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源危機日益嚴重，因此可再生能源如光伏、風(fēng)電得到了廣泛的應(yīng)用。由光伏、風(fēng)電構(gòu)成的分布式電源接入配電網(wǎng)會提升線路不同負荷節(jié)點的電壓值，甚至?xí)^電壓最大值，給用戶帶來嚴重影響。如果棄用分布式電源，會引起連接線纜線電壓降低，進而會影響供電電能質(zhì)量。因此需要對接入配電網(wǎng)的分布式電源電壓進行調(diào)控。通常分布式電源接入電網(wǎng)后可以有效改善電網(wǎng)的無功特性，但一些分布式電源會消耗無功功率，無法實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)，因此需要對此類接入配電網(wǎng)的分布式電源進行無功補償[1]。

為了研究光伏、風(fēng)電等分布式電源接入配電網(wǎng)后的電壓無功控制效果，需要對分布式電源進行建模，而系統(tǒng)負荷對分布式電源接入配電網(wǎng)后的電壓無功控制效果具有重要影響。配電網(wǎng)中負荷主要包括恒功率負荷、恒阻抗負荷和恒電流負荷三種類型，每種負荷在系統(tǒng)中以固定比例的形式存在，因此需要將分布式電源與其負荷相結(jié)合進行建模，從而獲得準確的分析效果。

本文根據(jù)分布式電源的特點，提出一種基于規(guī)則的電壓無功控制策略，實現(xiàn)配電網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)。首先對光伏、風(fēng)電兩種常見分布式電源及其負荷進行建模，然后對無功控制算法進行介紹，最后通過仿真驗證了無功控制策略在分布式電源接入配電網(wǎng)中的控制效果。

1 分布式電源數(shù)學(xué)模型

1．1 光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間通過單相逆變器接入。光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的是直流功率，其表達式如下所示：

式（1）、（2）中，PDC為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流功率，PSTC、GSTC分別為標準測試條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流功率和太陽光輻射度，GA為實際太陽光輻射度，TC為光伏電池板溫度，TSTC為標準測試條件下光伏電池板溫度，通常取25℃，CT為功率溫度系數(shù)，Ta為環(huán)境溫度，NOCT為光伏系統(tǒng)正常運行時電池板溫度[2-3]。

1．2 風(fēng)力發(fā)電模型

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過三相變流器接入配電網(wǎng)，風(fēng)機捕獲風(fēng)能進行發(fā)電，風(fēng)機在不同風(fēng)速下輸出的機械功率如下所示：

式（3）中，Pm為風(fēng)機輸出的機械功率，ρ為空氣密度，S為槳葉掃過面積，Cp為功率因數(shù)，V為風(fēng)速，其中功率因數(shù)與槳距角和葉尖速比有關(guān)。

2 負荷數(shù)學(xué)模型

分布式電源的輸出功率具有波動性，其負荷具有時變性，負荷類型會影響電壓無功控制效果。負荷類型分為恒定負荷和時變負荷，為了能夠獲得準確的分析效果，分別對上述兩種負荷進行建模。

2．1 恒定負荷

對于電視機、電腦和風(fēng)扇等常見的不帶溫控回路的負荷，通常在電壓給定條件下，其消耗的電功率是不變的，稱為恒定負荷。此類負荷消耗的能量可以通過電壓和所用時間構(gòu)成的函數(shù)來表達，因此供電電壓越大，負荷消耗的能量就越大[4-6]。本文通過ZIP模型模擬負荷的功率變化，進而可以實現(xiàn)負荷電壓響應(yīng)模擬，ZIP模型的表達式如下所示：

式（4）、（5）中，Pi（Va）、Qi（Va）分別為第i個負荷消耗的無功功率和有功功率，Vn為線路額定電壓，Va為線路實際電壓，Sn為額定視在功率，Z%、I%、P%分別為恒阻抗、恒電流、恒功率在負荷中所占的百分比，Zpf、Ipf、Ppf分別為恒阻抗、恒電流、恒功率部分的功率因數(shù)。

由式（4）、（5）可以發(fā)現(xiàn)，在不同負荷情況下，通過降低電壓的方式來實現(xiàn)降低功率的效果不同，其中恒阻抗負荷可以得到較好的效果，恒電流負荷效果次之，恒功率負荷基本沒有效果[7]。

2．2 時變負荷

對于電冰箱、熱水器等帶溫控回路的負荷，在給定電壓變化條件下，其消耗的電功率也可能變化，稱為時變負荷，此類負荷的控制環(huán)節(jié)通過一定的調(diào)節(jié)策略可以實現(xiàn)消耗的電功率滿足控制需求。

時變負荷通常采用等效熱參數(shù)（ETP）模型來實現(xiàn)數(shù)學(xué)建模和模擬[8]。

3 配電網(wǎng)電壓無功控制策略

基于電壓無功協(xié)調(diào)控制算法實現(xiàn)分布式電源接入配電網(wǎng)的無功控制，該方法通過調(diào)節(jié)配電網(wǎng)負荷側(cè)的工作電壓，使其在ANSI電壓標準的較低部分運行，以降低系統(tǒng)耗能。該算法中電壓控制和無功控制耦合很小，可以分解成兩部分。

3．1 電壓控制

電壓控制主要包括以下四個步驟：

首先，對配電網(wǎng)中線路末端電壓進行監(jiān)測，并從監(jiān)測的數(shù)據(jù)中提取線路端電壓的最小值Vend；

然后，計算系統(tǒng)中變電所電壓V0與線路末端電壓最小值之間的電壓降VD，如下所示：

其次，將計算得到的電壓降與設(shè)定的電壓降VD＊進行比較，從而可以得到控制電壓帶寬Vbw，控制電壓帶寬設(shè)定為，具體表達式如下所示：

最后，將線路末端電壓最小值與設(shè)定電壓Vset進行比較，當系統(tǒng)負荷較小時，分接頭tap變化如下：

當系統(tǒng)負荷較大時，分接頭tap變化如下：

穩(wěn)壓器分接頭通常會對其動作是否會導(dǎo)致線路電壓超限進行判斷，如果電壓超過允許的最大值，穩(wěn)壓器的分接頭將會停止動作。對于存在多個穩(wěn)壓器的電網(wǎng)，穩(wěn)壓器的分接頭將根據(jù)各自所處電壓和線路的末端電壓動作。

3．2 無功控制

通過電容器的投切實現(xiàn)無功控制，可以保證系統(tǒng)中穩(wěn)壓器所在的功率因數(shù)在設(shè)定值以上。

首先需要對系統(tǒng)中的電容器按一定的規(guī)則進行排序，通常優(yōu)先投入的是容量大的電容器，最后切除。對于容量相同的電容器，按距離變電所的遠近進行動作判斷，遠離變電所的電容器先投入后切除。

電容器的投切動作按以下判據(jù)進行操作：

式（10）中，Qbri為無功損失容量，Qci為第 i個電容器的額定容量，d1和d2機械震蕩補償系數(shù)，SWi為第i個電容器的開關(guān)狀態(tài)。

4 算例分析

為了驗證本文所提的配電網(wǎng)電壓無功控制策略的效果，采用GridLAB-D仿真軟件進行分析驗證，該軟件支持連續(xù)時間序列的仿真，并包含豐富的負荷模型，可以對負荷的變化情況進行模擬，有利于連續(xù)時間序列電壓無功控制效果的分析。為了模擬分布式電源和負荷變化，在配電線上添加用戶及相應(yīng)的用電裝置，并在每個用戶處加入光伏發(fā)電和風(fēng)電裝置。

加入光伏發(fā)電裝置后，負荷側(cè)的期望電壓設(shè)定為117V，允許的電壓變化范圍是[114V，120V]，為了驗證電壓無功控制（VVC）效果，分別對采用該算法前后的負荷電壓變化曲線進行仿真，其仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 負荷電壓變化曲線

由圖1可知，采用電壓無功控制算法后，負荷電壓明顯降低，基本控制在117V左右，滿足設(shè)計要求。當光照輻射率增大時，光伏發(fā)電裝置的輸出功率也隨之增加，負荷節(jié)點電壓明顯提升。

饋線系統(tǒng)能量消耗平均值如表1所示。

表1 能量消耗平均值

由表1可以發(fā)現(xiàn)，接入光伏發(fā)電裝置后，為了驗證電壓無功控制算法，對饋線系統(tǒng)能量消耗平均值進行對比，能量消耗平均值在加入VVC控制算法后比之前下降1．6%。

加入風(fēng)力發(fā)電裝置后，負荷側(cè)的期望電壓設(shè)定為117V，允許的電壓變化范圍是[114V，120V]，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 負荷電壓變化曲線

由圖2可知，采用電壓無功控制算法后，負荷電壓可以得到有效控制，當風(fēng)速較大時風(fēng)機輸出功率也隨之增大，導(dǎo)致電壓控制存在波動，該算法的控制效果受到影響，但是電壓波動仍在允許范圍內(nèi)。

饋線系統(tǒng)能量消耗平均值如表2所示。

表2 能量消耗平均值

由表2可以發(fā)現(xiàn)，接入風(fēng)力發(fā)電裝置后，為了驗證電壓無功控制算法，對饋線系統(tǒng)能量消耗平均值進行對比，能量消耗平均值在加入VVC控制算法后比之前下降1．33%。

5 結(jié)論

以光伏、風(fēng)電為主的分布式電源接入配電網(wǎng)后，對配電網(wǎng)進行電壓無功控制可以更好地服務(wù)系統(tǒng)的無功補償，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定工作。本文基于電壓無功協(xié)調(diào)控制算法實現(xiàn)分布式電源接入配電網(wǎng)的無功控制方法進行了研究，建立了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和系統(tǒng)負荷的數(shù)學(xué)模型，對該算法的電壓控制和無功控制進行了詳細的介紹，采用GridLAB-D仿真軟件對本文所提的配電網(wǎng)電壓無功控制策略進行仿真驗證。該方法降低了分布式電源接入配電網(wǎng)帶來的負面影響，實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓無功控制和補償，為配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供了重要保證，通過仿真數(shù)據(jù)對比分析，驗證了基于電壓無功協(xié)調(diào)控制算法具有較好的控制效果和良好的適用性。