摘要：文章综述了主动配电网背景下分布式电源接入、需求侧管理和拓扑结构等因素对配电网电压分布和电压稳定性的影响；从集中控制和分散控制两个方面总结了主动配电网的无功电压控制方法。结合当前研究现状的分析，总结了各种因素影响下主动配电网的无功电压控制研究中存在的一些问题和不足，指出了主动配电网无功电压控制研究中亟待解决的几个问题。
关键词：分布式电源；主动配电网；无功功率
1 ADN的无功电压特性研究
1.1 DG对ADN的无功电压特性的影响
尽可能地消纳DG、并对其进行主动控制是ADN的最显著特征，由于大量DG接入，因此DG将显著地影响配电网的特性。按照一次能源的来源可以把DG分为两类：一类是基于可再生能源的DG(主要包括小水电、风电、光伏发电、生物发电等)，另一类是基于化石燃料的DG。其中后者的稳定性和可控性比较好，而前者(特别是风电和光伏)输出稳定性和可控性比较差。DG接入不仅改变了传统配电网能量单向流通的特性，更因采用电力电子变换器的连接使得配电网的无功电压特性无论是稳态还是暂态都发生了显著变化，对配电网无功电压控制带来了很大的挑战。
从稳态层面来说，小规模DG的接入会局部影响配电网的无功电压特性，而ADN的高渗透率DG接入却会影响配电网全局的无功电压特性。DG对配电网电压分布的影响程度与其出力、接入位置、接入模式、功率因数相关联。在稳态运行中，DG出力越大对配电网电压的支撑越明显，接入点越接近末端节点对线路电压分布的影响越大，滞后功率因数对电压的提升更明显。在相同渗透率下，DG分散接入比集中接入对电压的支撑作用更强。配电系统电压的稳定性不仅取决于系统本身的构架，DG的接入位置、出力，甚至是风电机组的电气参数和机械构造都会对配电网静态电压稳定性产生影响。
从暂态的层面而言，当DG启停或者出力变化时，常常会造成系统电压波动。配电网中由于电阻、电抗大小相接近，传输的有功功率和无功功率变化都会对电压损耗产生很大的影响，而DG接入后潮流快速波动，引起线路上的无功损耗和电压损耗出现相应变化；而且，不同类型DG的无功特性各有差别，有些是发出有功功率的同时消耗无功功率，有的则是产生无功功率，有的无功功率在一定范围中可控，有的按恒功率因数变化，等等。不同DG在实际运行中对配电网的无功电压特性影响也相应不同。
1.2可变拓扑对ADN的无功电压特性影响
区别于传统配电网的固定接线模式，ADN的网络拓扑结构可以根据实际运行需要进行灵活调整。可变拓扑的实质是，在运行中通过网架结构的调整来改变网络中的潮流流向，以满足实际运行的需要。目前该技术多应用于带有储能系统的孤岛运行或带有DG的微网运行，涉及的研究主要是“并网—孤岛”模式切换的检测和控制。
ADN中的可变拓扑属于增强配电网自愈功能的一种有效手段，其合理应用能减少停电损失和提高供电质量。可变拓扑可以通过配电网的静态优化重构和故障恢复重构两种方式实现，通过操动联络开关和分段开关来优化网络结构，以负荷转移的方式改变潮流分布，实现优化配电运行方式和恢复非故障失电区域供电。
在传统配电网中，功率传输单向流动，且网架结构基本维持不变，因此电压降落及无功功率流动的方向变化较为有限，能够比较有针对性地采取相应的稳压和无功平衡措施。而在ADN中，由于网架拓扑更加复杂，联络开关和接线开关也随运行的需要而作调整，再综合DG出力的间歇性和波动性因素，配电网的无功电压特性往往会产生跳变，故很难优化确定与之对应的补偿和控制措施。一旦选用的调节控制方法不当，不仅不能缓解电网运行的波动性，反而可能加剧电压越限和无功功率的不平衡性。
富含DG的ADN的这种运行特性对其网架结构规划和调整提出了更高的要求，目前的研究往往忽略了DG本身的特性而将其当作一般电源进行规划和控制，部分文献考虑了DG出力的随机特性，但对于如何在运行中兼顾无功电压控制需求来合理调整网架拓扑仍有待进一步研究。
1.3需求侧响应对ADN的无功电压特性影响
随着阶梯电价的逐步实施以及电动汽车之类的新型负荷的逐步推广，配电网的需求侧管理越来越多地走入人们的视线，对负荷进行主动管理是ADN核心理念的又一重要组成部分。
与传统按供电可靠性把负荷分为一级负荷、二级负荷和三级负荷的简单分类不同，ADN中还对负荷按调节能力进行区分，如表1所示。
表1ADN的负荷分类
从原理上来说，加强需求侧管理更有利于实现源荷平衡，减小配电网中的无功损耗和电压损耗。而从对配电网运行的影响角度，负荷调整又与DG接入有所不同，DG的出力随气候和时空分布因素变化的波动性更剧烈，突变性更强，相对而言可调负荷的变化幅度和速率较为缓和，可控性更好。
通过负荷调整可以进一步减小电网负荷的峰谷差，减少重载时在线路和变压器上的无功损耗，从而改善沿线的电压状况；此外，合理的负荷调整还可以减少电网的备用容量建设。但是，从系统运行人员的角度，由于已经习惯了从发电侧对运行进行管理，而负荷调整会增加调度控制的维度，使得“供电—用电”两侧更难协调；从用电客户的角度，他们习惯了传统的电价结算方式，对于实时电价或阶梯电价是否更有效节能尚持怀疑态度，因此在ADN中加强需求侧的主动管理还需要解决控制操作上的协调问题以及促进人们对这一领域的观念认知的转变。
综合以上因素，ADN的无功电压特性变得更为复杂，具有范围广、变量多、维度高和变化频繁的特点，想要更好地消纳DG并对配电网进行有效的主动控制，必须要对多因素作用下的ADN无功电压特性作进一步的研究。
2 ADN无功电压控制
目前的研究中，对ADN的无功电压控制方法主要可以分为两大类：①集中式的协同控制；②分散式的自治控制。
2.1 ADN的无功电压集中控制
ADN要实现主动调控的基础是实现全面量测，因此要求有与之配套的配电网自动化、通信和能量管理系统建设。传统配电网由于网架结构相对固定、调控设备较为单一，且受通信系统的限制，多数采用“站内自动控制、站外就地控制”的措施，而ADN则具备了全局协同控制、精准控制的环境和条件。ADN的无功集中控制对象可以分为3类：①传统的无功电压控制设备，如电容器、OLTC等；②增强型设备，如分布式储能装置、配网静止同步补偿器(DSTATCOM)等；③具有无功调节能力的DG等。
2.1.1对传统设备的协调控制
在含DG接入的馈线上采用OLTC配电变压器和电容器控制是应对DG电压扰动的一个有效措施。但由于历史条件和发展程度的不同，OLTC在国内配电变压器中几乎没有被采用，而更多是采用低压侧的电容器补偿。当前由于配电网通信系统建设滞后的限制，低压电容器尚难以实现集中控制。
当DG参与配电网的自动调压时，有可能会造成部分配电变压器上的OLTC不稳定，因此需要对DG和OLTC变压器进行协调控制。针对中压的ADN提出一种非线性约束的最优化电压控制模型，考虑了有功网损和各种无功源的无功出力成本，以最小的调压成本为目标函数，协同OLTC、电容器、DG出力和上层电网的无功输入进行协调控制。中压配电网主动电压控制的改进算法，协同DG机组的有功、无功出力和OLTC进行控制，通过线路节点电压与上下限的差值来设定自动电压控制(AVC)的参考电压，从而对OLTC进行自动控制。此外，在DG接入的配电变压器上装设适量动态无功补偿设备，减少电压频繁波动，是避免OLTC不稳定的一个有效措施，通过OLTC与静止无功补偿器(SVC)复合式调节，使电压偏差控制在允许的范围之内。
2.1.2对增强型设备的协调控制
储能装置已被视为电网运行过程中“采—发—输—配—用—储”六大环节中的重要组成部分。储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题，能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，缓解电网调峰压力。
从功率主动调节能力入手，从集中调控的角度建立了ADN的储能系统多目标优化配置模型。建立了用于独立光伏发电的超级电容器储能系统模型，指出在光伏发电系统受到光照
变化及负载扰动的情况下，通过与超级电容器储能系统的协调配合，可以有效地稳定光伏系统的输出电压。考虑利用飞轮储能装置充当孤岛型风力发电系统中的电能调节器和储存器，运用系统的电流前馈控制方法，从时域的角度对风电和储能进行集中调控，有效地改善了电能质量。为了充分发挥各种储能技术的优点，使其优势互补，相关学者对复合储能系统进行了研究，能改善系统的电能质量，提高并网稳定性。
目前，国内外基于储能技术的研究大多在电力系统稳定控制、电能质量等方面，对储能在ADN中应用的边界条件、投资效益评估以及如何避免电压越限来进行储能的控制研究较少。
DSTATCOM是近些年逐渐兴起的一种动态无功补偿设备，其作用是快速响应电网运行需要，能够平滑连续地补偿平衡无功负荷，其工作时能有稳定的输出，不受电网干扰和节点电压的影响，因此在倡导主动管理的ADN中能起到积极的推进作用。协同DG，DSTATCOM，OLTC和电容器进行的集中无功控制，利用电容器来满足基本无功需，DSTATCOM来保证关键负荷的电压在合格范围内，OLTC协同其他手段来维持整条馈线的总体电压水平。消纳更多DG的角度出发，提出了一种由DSTATCOM和微网组成的无功电压协同控制系统，前者作为快速连续的无功电源进行小容量的无功调节，而DG作为离散的控制手段进行大容量的分级无功调节，两者配合完成配电网中的无功协同控制。某种关于DSTATCOM和DG同时接入配电网的非线性控制器，采用局部反馈把非线性控制转换为线性控制，从而为DG接入的配电网提供响应迅速的无功补偿。
当前，如何利用DSTATCOM来抑制DG出力波动的影响，以及两者之间在配电网中的综合协调控制成了ADN控制领域的一个热点问题。
2.1.3对DG的协调控制
由于有大量DG接入，调动其中具有调节能力的DG参与集中控制也将是ADN调压的核心手段。
对光伏电源接入配电网的情况提出了一种优化控制策略来管理光伏的无功功率，利用线路的节点电压水平通过矩阵计算和最优潮流得到各光伏电站的无功出力最优定值，以改善中低压配电网电压质量。考虑各DG之间无功功率的公平分配问题，定义了DG无功出力与有功出力的比值tanφ作为衡量无功出力的指标，在满足电压约束的条件下以网损和调节代价的综合最小值为目标函数，对DG的无功出力和OLTC进行协同控制。建立了一种ADN的集中无功优化模型，考虑了ADN中各种主动管理措施，包括DG的无功调节、配电网络重构等，并在模型中加入了变压器损耗，考虑了不同措施之间的优先次序，使得其模型更具实际意义。然而，由于DG的随机性、不确定性会造成无功补偿装置的频繁投切，设备运行成本也会相应增加，为此，把变压器分接头操作次数、电容器投切次数归入到目标函数中进行统筹控制。结合ADN复杂多样的可控元素，提出了一种适用于ADN的电压分层协调控制策略，采用自上而下的方式来管理DG的调节和OLTC和无功补偿设备，通过等效节点电压上下限指标可以规避常规电压控制中的调节震荡问题。根据牛顿—拉夫逊方程推导了DG出力对节点电压影响的灵敏度，考虑了DG调节能力和需求侧管理对ADN进行集中控制，其控制流程如图1所示，可以提高网络消纳DG的容量，并减少配电网对输电网无功功率的依赖性。
图1无功电压集中控制流程
2.2 ADN的无功电压分散控制
在传统的集中式控制方案中电压控制主要是在变电站中进行，无法避免DG接入引起的电压抬升问题，并提出了一种针对DG的分布式控制策略，在并网点电压合格时DG采用定功率因数控制模式，在电压越限时采用电压控制模式，调节DG无功出力使得节点电压合格，最大限度减少DG对节点电压的影响。一种分布式的DG优化控制方法，以电压为判据对无功出力进行控制，把DG并网点的电压范围分为允许区间、控制区间和操作区间，基于电压灵敏度分析实现分散式的无功/有功控制，维持电压合格的同时力求减少配电网有功损耗和配电网与DG之间的无功交换量，其区间划分如图2所示。图中Vmax和Vmin分别为DG并网点的电压上下限，Vm为额定电压，eu和ed为设定的边界阈值。
图2电压区间示意图
考虑到DG接入后对配电网的主要影响是电压抬升问题，针对光伏系统接入提出了一种分散式就地控制，从无功功率和电压幅值的关联角度，通过简单检测并网点电压来确定DG的无功出力，但这种近似线性相关的就地控制没有考虑无功出力后的电压变化，两者并非一一相关，因此可能会引起无功出力的振荡。而针对含有双馈感应风电机组的微网无功电压控制问题，可以通过直接控制风电机组系统的转矩和无功功率，实现就地控制调节无功出力来维持微网中重要节点的电压质量，不需要依赖于广泛的通信和遥测。
而在电容器补偿的分散控制方面，目前一般都按照相关的技术导则对电容器实现自动投切控制，也有文献对这种基本的自动控制进行改进。考虑到电容器容量投入不能连续调节，提出了一种协调主站和子站的无功电压分散控制策略，先对各子站进行独立优化控制，并反馈到上级调度，由调度部门对这些反馈量进行协调之后，再把修正后的协调量下达到子站执行，由此克服了就地控制的局限性使得电容器投入后的无功偏差量最小。
一种电容器组实时投切的模糊控制器，只需输入电容器组所在的节点电压和功率因数角的正弦值，通过模糊规则库和模糊推理就可以实现电容器的就地自动控制。考虑了不同负荷状态下对无功补偿需求的差异性，提出一种负荷相关的电容器自动控制方法，针对负荷轻载、常载和重载分别设定了3组功率因数区间进行电容器的自动投切。为了避免各个电容器节点各自为政，以馈线首端的功率因数为评价指标，指导全线的电容器组轮流投切以维持首端的功率因数在合理范围内，可以有效提高电压合格率和降低网损。
3结语
ADN中由于DG出力的间歇性、网架的灵活调整以及需求侧的主动管理，其运行特性和无功电压特性与传统配电网有着显著的差别。结合ADN无功电压特性，加强ADN无功电压控制的理论研究和工程实践，对适应未来DG大规模接入以及增强配电网的主动管控技术研究具有重要的参考价值和理论支撑作用。
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论文作者:龚平1,邓磊2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/27
标签：电压论文; 配电网论文; 电容器论文; 负荷论文; 特性论文; 功率论文; 主动论文; 《电力设备》2018年第23期论文;