基于“云邊端”協(xié)同的分布式光伏柔性調(diào)節(jié)體系架構(gòu)

劉 洋，于海東，劉文彬，黃 敏

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

隨著世界各國對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源短缺的日益關(guān)切，光伏發(fā)電已成為解決能源與環(huán)境問題的重要舉措，其中，分布式光伏發(fā)電成為智能配電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。伴隨國家碳達(dá)峰碳中和重大戰(zhàn)略和光伏補(bǔ)貼政策，僅2021 年，山東省低壓分布式光伏就增長了近30 萬戶。低壓光伏主要分布在農(nóng)村等經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，這些地區(qū)普遍存在“源”“荷”不匹配［1］，反向重過載、電壓越限等問題突出［2］。

為解決分布式光伏引起的電壓越限、反向重過載問題，學(xué)者們提出多種控制方法。傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)方式主要包括無功補(bǔ)償裝置投切［3］、變壓器有載調(diào)壓［4］等；隨著技術(shù)的發(fā)展，低壓柔性互聯(lián)［5］、電力彈簧［6］、儲(chǔ)能［7］等技術(shù)手段也得到一定的研究及應(yīng)用。考慮光伏逆變器自身調(diào)節(jié)能力，文獻(xiàn)［8］建立計(jì)及光伏的配電網(wǎng)無功調(diào)節(jié)策略，文獻(xiàn)［9］提出一種基于九區(qū)圖的中壓配電網(wǎng)電壓控制策略，但上述研究仍以電容器投切、有載調(diào)壓變壓器為主要調(diào)節(jié)手段，難以發(fā)揮光伏逆變器自身的靈活調(diào)節(jié)能力。分布式光伏逆變器充分利用自身容量吸收無功，通過改變線路潮流，可有效改善節(jié)點(diǎn)電壓［10］。文獻(xiàn)［11-15］提出一系列逆變器就地化電壓治理策略，所提策略均不依賴臺(tái)區(qū)整體監(jiān)視與控制，因此，無法實(shí)現(xiàn)多逆變器的協(xié)同配合，容易造成調(diào)節(jié)過量。

針對(duì)臺(tái)區(qū)內(nèi)多臺(tái)光伏逆變器協(xié)同電壓調(diào)節(jié)，現(xiàn)有研究可分為集中式控制和分布式控制兩類控制策略。針對(duì)集中式控制策略，文獻(xiàn)［16］基于電壓靈敏度將臺(tái)區(qū)光伏電源進(jìn)行分組，根據(jù)電壓越限發(fā)生位置協(xié)調(diào)各群組無功調(diào)節(jié)資源；文獻(xiàn)［17］采用集中控制思想，通過復(fù)合形算法優(yōu)化求解臺(tái)區(qū)內(nèi)各個(gè)逆變器有功、無功出力；文獻(xiàn)［18］提出一種時(shí)變、線性化的配電網(wǎng)分布式光伏最優(yōu)潮流追蹤模型；文獻(xiàn)［19］建立配電網(wǎng)光伏調(diào)壓二階錐優(yōu)化模型，通過分區(qū)并行計(jì)算加快求解速度。上述集中式控制算法對(duì)計(jì)算資源要求較高，難以依托臺(tái)區(qū)邊緣計(jì)算設(shè)備進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。針對(duì)分布式控制策略，文獻(xiàn)［20］采用一致性算法對(duì)臺(tái)區(qū)可調(diào)節(jié)光伏資源進(jìn)行分布式控制，文獻(xiàn)［21］提出以分布式光伏為重要管控環(huán)節(jié)的主動(dòng)配電網(wǎng)分布式控制架構(gòu)，上述分布式控制策略、架構(gòu)主要停留在理論研究層面，缺乏實(shí)際設(shè)備支持其功能實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)上述問題，對(duì)低壓光伏接入引起的潮流特性變化進(jìn)行分析，并闡述臺(tái)區(qū)電壓越限機(jī)理及影響因素。基于配電臺(tái)區(qū)采集、計(jì)算設(shè)備，提出一種“云邊端”協(xié)同的低壓分布式光伏柔性調(diào)節(jié)體系架構(gòu)。依托該體系架構(gòu)，在某配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證“云邊端”協(xié)同架構(gòu)的有效性，并綜合分析光伏有功、無功調(diào)壓效果。

1 光伏并網(wǎng)潮流特性

1.1 電壓特性

大量分布式光伏接入低壓配電網(wǎng)，顯著改變了潮流的大小和方向，使得配電線路上各節(jié)點(diǎn)的電壓分布明顯變化，典型光伏并網(wǎng)配電臺(tái)區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 中，為配電變壓器低壓母線電壓，基本保持不變；為節(jié)點(diǎn)k電壓；Pk、Qk（k=1，2，…，n）分別為節(jié)點(diǎn)k用戶有功、無功負(fù)荷；PPVk、QPVk（k=1，2，…，n）分別為節(jié)點(diǎn)k所接光伏電源有功、無功出力，如果節(jié)點(diǎn)k無光伏電源，則PPVk=QPVk=0；Rk、Xk分別表示線路k的電阻與電抗值。

圖1 光伏潮流反送特性Fig.1 Diagram of PV reverse power flow

對(duì)任一節(jié)點(diǎn)k（k=1，2，…，n），當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)光伏電源、負(fù)荷的有功、無功出力均為0，僅考慮節(jié)點(diǎn)k注入功率對(duì)電壓分布的影響時(shí)，節(jié)點(diǎn)l（l=1，2，…，n）電壓為

通常，電壓相量橫分量引起的絕對(duì)值變化遠(yuǎn)小于縱分量，因此式（1）中等式右側(cè)第二部分（虛部）可以忽略不計(jì)，簡(jiǎn)化后節(jié)點(diǎn)l電壓為

由式（2）可知，簡(jiǎn)化后節(jié)電l的電壓與節(jié)點(diǎn)k注入有功功率、無功功率呈線性關(guān)系，可通過疊加各節(jié)點(diǎn)注入功率對(duì)電壓的影響計(jì)算線路功率分布。節(jié)點(diǎn)k光伏輸出有功功率、無功功率對(duì)節(jié)點(diǎn)l電壓的調(diào)節(jié)作用強(qiáng)度可以用靈敏度μP,k,l和μQ,k,l表示：

1.2 線損特性

將線路全程電壓近似為配電變壓器低壓母線電壓，定義功率自負(fù)荷流向線路為正方向，則節(jié)點(diǎn)k到節(jié)點(diǎn)k-1 之間線路的有功、無功損耗為

式中：ΔPk,k-1、ΔQk,k-1分別為節(jié)點(diǎn)k到節(jié)點(diǎn)k-1 之間線路的有功損耗、無功損耗；Pk,k-1、Qk,k-1分別為節(jié)點(diǎn)k流向節(jié)點(diǎn)k-1 的有功、無功功率，其定義如式（6）、式（7）所示。

式（1）—式（7）針對(duì)單線路鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)給出的電壓及線損特性模型，也可推廣到輻射狀低壓配電網(wǎng)，逐一分析各支線，并將支線視為干線負(fù)荷即可。

2 “云邊端”協(xié)同的光伏管控體系架構(gòu)

基于“云邊端”協(xié)同的光伏臺(tái)區(qū)運(yùn)行控制體系通過標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)光伏逆變器群調(diào)群控，主要由配電云主站、臺(tái)區(qū)智能融合終端、光伏逆變器規(guī)約轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵設(shè)備組成。基于“云邊端”協(xié)同的光伏臺(tái)區(qū)運(yùn)行控制體系架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于“云邊端”協(xié)同的光伏臺(tái)區(qū)運(yùn)行控制體系架構(gòu)Fig.2 Architecture of distributed PV operation control based on Cloud-Edge-End collaboration

云側(cè)（配電云主站）根據(jù)調(diào)度下發(fā)的控制指令、策略或整體調(diào)度計(jì)劃曲線，利用云主站的“云邊協(xié)同”管控策略，生成每個(gè)臺(tái)區(qū)相應(yīng)的控制指令、策略或調(diào)度計(jì)劃曲線，通過消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議并下發(fā)至臺(tái)區(qū)智能融合終端群。

邊側(cè)（臺(tái)區(qū)智能融合終端）通過執(zhí)行云主站下發(fā)的整體控制策略，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)的“邊端協(xié)同”自治運(yùn)行。臺(tái)區(qū)智能融合終端作為配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)臺(tái)區(qū)內(nèi)光伏逆變器數(shù)據(jù)采集、云主站需求數(shù)據(jù)上報(bào)。對(duì)上通過4G/5G 與云主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)上傳至云主站，同時(shí)接收云主站的調(diào)控指令、策略或調(diào)度計(jì)劃曲線。臺(tái)區(qū)智能融合終端通過標(biāo)準(zhǔn)化的低壓分布式光伏管控微應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)控制指令或策略的分解與下發(fā)光伏逆變器群執(zhí)行，對(duì)下采用高速電力線載波（High-speed Power Line Communication，HPLC）單模通信或“高速電力線載波+微功率無線”（High-speed Power Line Communication and Radio Frequency，HPLC&RF）雙模通信與光伏逆變器進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互。

端側(cè)（光伏逆變器規(guī)約轉(zhuǎn)換器與通信轉(zhuǎn)接頭）負(fù)責(zé)與光伏逆變器通信，傳遞控制指令或策略。為應(yīng)對(duì)光伏逆變器通信接口的多樣性，開發(fā)可靈活適配各種通信接口的轉(zhuǎn)接頭，既保證規(guī)約轉(zhuǎn)換器本身接口的規(guī)范性、普適性，又滿足電網(wǎng)公司和光伏廠家4G 采集控制雙通道的需求。通過規(guī)約轉(zhuǎn)換器將不同光伏逆變器的本地通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為DL/T 645—2007《多功能電能表通信協(xié)議》、DL/T 698.45—2017《電能信息采集與管理系統(tǒng)第4-5 部分：通信協(xié)議—面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)交換協(xié)議》等標(biāo)準(zhǔn)化臺(tái)區(qū)通信協(xié)議，并通過自身配置的HPLC或HPLC&RF 完成數(shù)據(jù)采集上報(bào)或下發(fā)控制指令、策略的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)低壓分布式光伏的群控群調(diào)。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

3.1 測(cè)試臺(tái)區(qū)概況

某臺(tái)區(qū)2018 年進(jìn)行配套電網(wǎng)改造，改造后整村戶均容量提高至3.13 kVA，線路絕緣化率提高至100%，供電可靠率及電壓合格率均達(dá)99.98%以上，居生生活及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電均正常。但自2020 年11月開始，臺(tái)區(qū)分布式光伏負(fù)荷迎來爆發(fā)性增長，于2021 年8 月達(dá)到變壓器容量上限后繼續(xù)增長，目前該臺(tái)區(qū)共接入光伏用戶13 戶，裝機(jī)容量為338.425 kW，變壓器負(fù)載率達(dá)169.2%，造成該臺(tái)區(qū)嚴(yán)重過載，臺(tái)區(qū)最大反送負(fù)載率達(dá)111%，嚴(yán)重影響電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。臺(tái)區(qū)低壓分布式光伏接入分布如圖3 所示。

圖3 臺(tái)區(qū)低壓分布式光伏接入分布Fig.3 Layout of low voltage distributed PV access in station area

對(duì)該臺(tái)區(qū)10 臺(tái)光伏逆變器（13 臺(tái)逆變器中，光伏節(jié)點(diǎn)8 用戶拒絕安裝終端設(shè)備；光伏節(jié)點(diǎn)12、光伏節(jié)點(diǎn)13 因型號(hào)過于老舊，控制點(diǎn)表已不可查詢）部署規(guī)約轉(zhuǎn)換器與通信轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行測(cè)試，通過融合終端標(biāo)準(zhǔn)化光伏管控微應(yīng)用實(shí)現(xiàn)10 臺(tái)光伏逆變器運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)召測(cè)與有功、無功出力實(shí)時(shí)控制。

3.2 有功功率控制效果

測(cè)試當(dāng)日正午時(shí)段變壓器反向有功功率為204.86 kW，反向負(fù)載率為102.43%，光伏自然發(fā)電狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)電壓如表1 所示。對(duì)光伏逆變器集群有功出力進(jìn)行批量壓降，以電壓越限問題最嚴(yán)重的B 相為例，不同指令下節(jié)點(diǎn)電壓分布如圖4 所示。

表1 光伏自然發(fā)電狀態(tài)功率及電壓分布Table 1 Power and voltage distribution under PV natural generation state

圖4 有功調(diào)節(jié)指令下主要節(jié)點(diǎn)B相電壓分布Fig.4 Phase B voltage of major nodes under different active power regulation commands

當(dāng)有功出力限值設(shè)置為額定值的80%時(shí)，由于此時(shí)光伏逆變器集群的實(shí)際出力在額定值的80%左右，實(shí)際削減光伏逆變器有功出力及節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)效果不明顯；當(dāng)有功出力限值分別設(shè)置為額定值的60%、40%、20%、1%時(shí)，光伏逆變器集群有功出力、各節(jié)點(diǎn)電壓均呈現(xiàn)階梯式下降趨勢(shì)。僅光伏出力限額1% 情形下，所有節(jié)點(diǎn)電壓滿足GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》要求，因此僅依靠有功壓減不足以解決該臺(tái)區(qū)的電壓越限問題。

不同有功調(diào)節(jié)指令下配電變壓器反向負(fù)載率如表2 所示。由于光伏逆變器的實(shí)際有功出力約為額定值的80%，對(duì)降低配電變壓器反向負(fù)載率的效果不明顯；當(dāng)有功出力限值設(shè)置為60%額定值、40%額定值、20%額定值、1%額定值時(shí)，配電變壓器反向負(fù)載率近似線性下降，反向重過載問題治理效果顯著，確保了配電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 不同有功調(diào)節(jié)指令下配電變壓器反向負(fù)載率Table 2 Reverse load rates of distribution transformers under different active power regulation commands

3.3 通信響應(yīng)時(shí)延

指令下發(fā)時(shí)延指云主站從發(fā)出群控群調(diào)指令到收到所有光伏逆變器應(yīng)答信號(hào)的通信時(shí)延，數(shù)據(jù)召測(cè)時(shí)延指云主站從下發(fā)召測(cè)指令到收到所有光伏逆變器召測(cè)數(shù)據(jù)的通信時(shí)延。不同調(diào)控指令下發(fā)及數(shù)據(jù)召測(cè)時(shí)延如表3 所示，通信時(shí)延與調(diào)控指令內(nèi)容無關(guān)，調(diào)控指令下發(fā)時(shí)延約為12 s，數(shù)據(jù)召測(cè)時(shí)延約為48 s。

表3 不同有功調(diào)節(jié)指令下通信響應(yīng)時(shí)延Table 3 Communication response delay under different active power regulation commands

本次測(cè)試中，邊端通信采用DL/T 645—2007《多功能電能表通信協(xié)議》，為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單數(shù)據(jù)項(xiàng)通信，調(diào)控指令下發(fā)與數(shù)據(jù)召測(cè)均須融合終端與所有光伏逆變器逐一建立通信鏈路并完成數(shù)據(jù)傳輸，通信時(shí)延與光伏逆變器數(shù)量、所讀取或下發(fā)的數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)量有關(guān)。控制指令下發(fā)涉及1 個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，10 個(gè)光伏逆變器逐一傳輸，平均時(shí)間約為12 s，每次點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單通信時(shí)間約為1 s；數(shù)據(jù)召測(cè)時(shí)涉及有功數(shù)值、無功數(shù)值、有功占比、無功占比、功率因數(shù)5 個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，響應(yīng)時(shí)間約為48 s，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸5 個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的通信時(shí)延約為4 s 左右。若統(tǒng)一采用DL/T 698.45—2017《電能信息采集與管理系統(tǒng)第4-5 部分：通信協(xié)議—面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)》協(xié)議，可一幀傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，顯著提升數(shù)據(jù)召測(cè)速度。

3.4 無功功率控制效果

融合終端對(duì)逆變器下達(dá)功率因數(shù)定值控制指令，在不影響有功的前提下調(diào)節(jié)無功出力。不同功率因數(shù)調(diào)控指令下節(jié)點(diǎn)電壓分布如圖5 所示。純有功發(fā)電狀態(tài)下，除線路首端用戶外，其他所有逆變器并網(wǎng)點(diǎn)電壓均超過235.4 V，臺(tái)區(qū)電壓越限問題嚴(yán)重；當(dāng)功率因數(shù)定值設(shè)置為0.97 時(shí)，融合終端數(shù)據(jù)顯示臺(tái)區(qū)共吸收無功26.088 kvar，光伏用戶節(jié)點(diǎn)平均電壓較純有功發(fā)電狀態(tài)下降5.7 V；當(dāng)功率因數(shù)定值設(shè)置為0.94 時(shí)，所有量測(cè)節(jié)點(diǎn)電壓均下降至240 V 以下；當(dāng)功率因數(shù)定值設(shè)置為0.88 時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)電壓均滿足GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》要求。

圖5 無功調(diào)節(jié)指令下主要節(jié)點(diǎn)B相電壓分布Fig.5 Phase B voltage of major nodes under different reactive power regulation commands

3.5 有功、無功調(diào)壓效果比較

綜合分析有功、無功調(diào)壓數(shù)據(jù)，對(duì)比臺(tái)區(qū)各節(jié)點(diǎn)電壓平均值對(duì)逆變器有功、無功出力的靈敏度，結(jié)果如表4、表5 所示。逆變器有功出力削減總額、吸收無功總額均與臺(tái)區(qū)總體電壓水平呈近似線性關(guān)系。有功總額每削減10 kW，節(jié)點(diǎn)平均電壓下降約0.875 V；吸收無功總額每提升10 kvar，節(jié)點(diǎn)平均電壓下降約1.272 V。

表4 節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)逆變器有功出力的靈敏度Table 4 Sensitivity of node voltage to active power output of inverters

表5 節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)逆變器無功出力的靈敏度Table 5 Sensitivity of node voltage to reactive power output of inverters

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，該配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)逆變器無功出力的靈敏度更高。通過充分利用光伏逆變器無功容量，可顯著改善臺(tái)區(qū)電壓質(zhì)量，無須通過有功調(diào)節(jié)控制電壓質(zhì)量，避免光伏發(fā)電資源浪費(fèi)。

4 結(jié)論

低壓配電網(wǎng)高比例分布式光伏接入引起電壓越限及反向重過載問題，可通過光伏逆變器自身調(diào)節(jié)能力進(jìn)行治理。針對(duì)目前光伏逆變器功率調(diào)節(jié)與管控缺乏實(shí)用化解決方案的現(xiàn)狀，提出基于“云邊端”協(xié)同的光伏管控體系架構(gòu)，并開展實(shí)地測(cè)試，驗(yàn)證所提方案的可行性。

1）光伏逆變器可準(zhǔn)確相應(yīng)配電云主站下發(fā)的有功、無功調(diào)控指令，電壓越限、反向重過載問題可以得到有效解決。

2）該管控體系架構(gòu)下，調(diào)控指令下發(fā)時(shí)延約為12 s，數(shù)據(jù)召測(cè)時(shí)延約為48 s，滿足電網(wǎng)對(duì)低壓分布式光伏的運(yùn)行管控需求。

3）僅就本文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而言，節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)逆變器無功出力的靈敏度更高，充分利用光伏逆變器無功容量即可顯著改善臺(tái)區(qū)電壓質(zhì)量，避免光伏發(fā)電資源的浪費(fèi)。

根據(jù)線損特性分析，無功調(diào)壓造成大量無功功率在線路上的流動(dòng)，會(huì)顯著提升線路損耗，如何調(diào)整無功出力在不同光伏逆變器間的分配（必要時(shí)引入有功調(diào)節(jié)），在考慮線損特性的前提下實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)經(jīng)濟(jì)性最大化，將是下一步主要研究方向。