張佳琦，王林川

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

主動(dòng)配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制策略

張佳琦，王林川

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

主動(dòng)配電網(wǎng)中由于分布式電源的接入干擾了傳統(tǒng)電壓控制設(shè)備的動(dòng)作，使得配電網(wǎng)電壓控制面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，針對(duì)有載調(diào)壓變壓器傳統(tǒng)控制方法無法有效解決主動(dòng)配電網(wǎng)電壓越限問題，提出了有載調(diào)壓變壓器集中控制方法，該方法在有載調(diào)壓變壓器控制多條饋線時(shí)，利用系統(tǒng)的最大電壓和最小電壓調(diào)節(jié)變壓器分接頭位置。同時(shí)為了減少有載調(diào)壓變壓器的動(dòng)作次數(shù)，提出主動(dòng)配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制策略，該策略充分利用分布式電源的無功功率與有載調(diào)壓變壓器協(xié)調(diào)配合，確保配電網(wǎng)電壓質(zhì)量。最后，針對(duì)一個(gè)雙饋線配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明該方法可以保證電壓不越限且使有載調(diào)壓變壓器的動(dòng)作次數(shù)更少。

主動(dòng)配電網(wǎng)；分布式電源；有載調(diào)壓變壓器；電壓協(xié)調(diào)控制

分布式發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，使得配電網(wǎng)中分布式電源(DG)的滲透率逐漸提高，這將對(duì)配電系統(tǒng)潮流分布、電壓水平、短路容量等電氣特征造成顯著影響，傳統(tǒng)配電網(wǎng)在設(shè)計(jì)階段并未考慮上述因素，無法滿足當(dāng)前高滲透率可再生能源接入與高效利用的要求[1-3]。因此，傳統(tǒng)配電網(wǎng)向主動(dòng)配電網(wǎng)(ADN)的過渡和發(fā)展已勢(shì)在必行，而電壓控制是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)可靠供電的重要基礎(chǔ)[4]。

由于分布式光伏、風(fēng)電等能源具有間歇特性，這會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)電壓波形，干擾傳統(tǒng)電壓控制設(shè)備的動(dòng)作，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓、欠電壓，增加系統(tǒng)網(wǎng)損以及有載調(diào)壓變壓器(OLTC)的動(dòng)作次數(shù)[5]。近幾年來，為了克服DG接入的影響，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多電壓控制方案。文獻(xiàn)[6]采用遺傳算法，以電壓偏移和系統(tǒng)網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)。文獻(xiàn)[7]提出以系統(tǒng)網(wǎng)損和OLTC的動(dòng)作次數(shù)最小為目標(biāo)函數(shù)，協(xié)調(diào)OLTC和靜止無功補(bǔ)償器的兩階優(yōu)化算法。以上方法DG的功率因數(shù)均是恒定的，因此DG并未參與調(diào)壓。文獻(xiàn)[8-9]提出利用DG的有功功率和無功功率來緩解系統(tǒng)電壓越限問題，但是該方法沒有考慮DG與其他電壓控制設(shè)備的協(xié)調(diào)作用。

基于以上分析，本文將控制DG無功功率與OLTC動(dòng)作相結(jié)合，提出一種主動(dòng)配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制方法。該方法首先利用遺傳優(yōu)化算法，以電壓偏差和DG從系統(tǒng)吸收的無功功率最小為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化DG無功功率。然后，設(shè)計(jì)OLTC集中控制方案，即根據(jù)系統(tǒng)的最大電壓和最小電壓調(diào)節(jié)變壓器分接頭位置。從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)快速電壓調(diào)節(jié)，使電壓時(shí)刻處于合理的安全區(qū)間，OLTC動(dòng)作次數(shù)更少。

1 分布式電源對(duì)于主動(dòng)配電網(wǎng)電壓及其控制的影響

分布式發(fā)電目前還無法大規(guī)模接入配電網(wǎng)的一個(gè)很重要的因素就在于其對(duì)配電網(wǎng)電壓方面產(chǎn)生的重大影響，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的潮流是從變電站流向用戶，饋線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓值逐次降低，而對(duì)于有大量DG接入的主動(dòng)配電網(wǎng)，潮流流動(dòng)方向?qū)⒆兊貌淮_定，網(wǎng)絡(luò)的電壓水平也不再具有單調(diào)性[10-11]。圖1是含DG的簡(jiǎn)化配電網(wǎng)模型，則DG母線與OLTC二次側(cè)電壓差為

(1)

式中：PG，QG分別為DG發(fā)出的有功功率和無功功率；PL，QL分別為負(fù)荷消耗的有功功率和無功功率；R，X分別為線路的電阻和電抗；VG為DG母線電壓。

圖1 含DG的簡(jiǎn)化配電網(wǎng)模型

從公式(1)可以看出，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)兩種最糟糕的情況：1)當(dāng)DG發(fā)出的功率最大而網(wǎng)絡(luò)輕載時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)過電壓；2)當(dāng)DG發(fā)出的功率最小而網(wǎng)絡(luò)重載時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)欠電壓。

針對(duì)上述兩種情況，提出兩種解決方案：1)控制DG的無功功率；2)減少DG發(fā)出的有功功率。但是減少有功功率會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，而且DG的無功功率又受到其自身的額定功率限制，所以以上兩種方法均不能完全解決DG接入對(duì)系統(tǒng)造成的影響。此外，由于光伏、風(fēng)電等分布式電源的間歇特性，會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)壓設(shè)備誤動(dòng)作等情況。因此，為了滿足DG大規(guī)模接入配電網(wǎng)，同時(shí)使DG吸收的無功功率更少，發(fā)出的有功功率不縮減，本文將提出OLTC集中控制方法。

2 OLTC集中控制模型

傳統(tǒng)的OLTC的控制方法認(rèn)為從變電站到線路末端電壓是逐次降低的。當(dāng)OLTC控制多條饋線時(shí)，一些饋線由于大量DG的接入可能出現(xiàn)過電壓，而另一些饋線由于負(fù)荷很大可能出現(xiàn)欠電壓，這時(shí)傳統(tǒng)的OLTC的控制方法不再起作用，需要提出一種OLTC集中控制方法。傳統(tǒng)OLTC和改進(jìn)OLTC的控制模型，如圖2所示。OLTC集中模型通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最大電壓和最小電壓而動(dòng)作，代替了傳統(tǒng)控制模型中只根據(jù)一個(gè)固定參考值Vref而工作[12]。

圖2 OLTC控制模型

OLTC集中控制方法通過改變變壓器觸頭位置，將系統(tǒng)的最大電壓和最小電壓控制在電壓允許偏差范圍內(nèi)。變壓器分接頭動(dòng)作公式如下：

(2)

3 主動(dòng)配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制策略

3.1 基于遺傳算法的無功優(yōu)化模型

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

雖然光伏等逆變型 DG 的有功波動(dòng)會(huì)影響到配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，但是由于光伏電源有功輸出常常并未達(dá)到額定容量，具有一定的無功備用，因此合理利用光伏電源的無功備用容量，使光伏參與配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)，可以在一定程度上改善配電網(wǎng)電壓質(zhì)量。為了減少OLTC的動(dòng)作次數(shù)，同時(shí)使DG吸收的無功功率更少，本文將提出基于遺傳算法的無功優(yōu)化模型，該模型的目標(biāo)函數(shù)為

(3)

本文提出的目標(biāo)函數(shù)為電壓偏差和DG吸收的無功功率最小，是一個(gè)多目標(biāo)非線性的目標(biāo)函數(shù)。從系統(tǒng)安全性角度出發(fā)，電壓偏差是我們首要考慮的問題，減少電壓偏差可以使OLTC的動(dòng)作次數(shù)更少，所以取ω1是ω2的5倍。

3.1.2 約束條件

考慮到電網(wǎng)運(yùn)行要求和自然條件限制，含 DG的配電網(wǎng)無功優(yōu)化的等式約束條件為DG接入后的有功和無功功率潮流平衡方程，不等式約束條件是一系列安全性約束方程，包括 DG 無功容量約束、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓的約束等，依次如公式(4)-公式(7)所示。

(4)

圖3 OLTC和DG協(xié)調(diào)控制方案

(5)

(6)

Vmin≤Vi≤Vmax，

(7)

式中：PGi，QGi分別為發(fā)電機(jī)注入的有功功率和無功功率；PDGk，QDGk分別為DG的有功功率和無功功率；SDGk為DG的額定功率；pfDGk為DG的功率因數(shù)；PLi，QLi分別為負(fù)荷消耗的有功功率和無功功率；Gij，Bij，δij分別為節(jié)點(diǎn)i，j之間的電導(dǎo)，電納和相角差；Vmin，Vmax為電壓下限和電壓上限，分別取值為0.9 p.u.和1.1 p.u.。

3.2 主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓協(xié)調(diào)控制策略

為了減少OLTC的動(dòng)作次數(shù)，同時(shí)使系統(tǒng)電壓時(shí)刻處于合理安全區(qū)間，DG需要與OLTC協(xié)調(diào)配合動(dòng)作。主動(dòng)配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制策略流程圖，如圖3所示。首先需要遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，一旦系統(tǒng)電壓越限，基于遺傳算法的無功優(yōu)化控制器開始動(dòng)作，計(jì)算延時(shí)時(shí)間，以確保得到DG最優(yōu)無功配置。當(dāng)延時(shí)時(shí)間超過OLTC的動(dòng)作時(shí)間，而電壓仍存在越限問題，這時(shí)OLTC根據(jù)公式(2)開始動(dòng)作。

4 算例分析

本文將通過圖4所示的主動(dòng)配電網(wǎng)算例，來驗(yàn)證所提出主動(dòng)配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制方法的正確性和有效性。

圖4 主動(dòng)配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制算例

圖5 光伏發(fā)電和居民用電功率曲線

圖4中配電網(wǎng)有兩條饋線組成，饋線1和饋線2，這兩條饋線由OLTC控制。饋線1中接入大量DG，這條饋線由于潮流反向可能出現(xiàn)過電壓；而饋線2中含有大量負(fù)荷沒有任何DG，這條饋線有可能出現(xiàn)欠電壓。本文選定DG為光伏發(fā)電，額定功率為5 MVA，圖5為光伏發(fā)電和居民用電6 h-18 h功率曲線。

圖6為在傳統(tǒng)OLTC控制下，系統(tǒng)最大電壓和最小電壓波動(dòng)情況以及OLTC動(dòng)作情況。從圖6可以看出，系統(tǒng)的最大電壓和最小電壓都超出了電壓允許偏差范圍，當(dāng)分布式光伏電源發(fā)出的有功功率最大時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)了過電壓，而當(dāng)居民負(fù)荷最大時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)了欠電壓，在12 h左右，光伏發(fā)電和居民負(fù)荷都很大，配電網(wǎng)同時(shí)出現(xiàn)了過電壓和欠電壓。

圖6 傳統(tǒng)OLTC控制方案

針對(duì)上述問題，提出了OLTC集中控制方法，圖7為在OLTC集中控制下，系統(tǒng)的最大電壓和最小電壓的波動(dòng)情況以及OLTC的動(dòng)作情況。從圖7可以看出，系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)過電壓和欠電壓時(shí)，OTLC不能動(dòng)作，所以無法解決電壓越限問題，但是其他時(shí)刻配電網(wǎng)的最大電壓和最小電壓均被控制在電壓允許偏差范圍內(nèi)。此時(shí)，OLTC的動(dòng)作次數(shù)為8次。

圖7 OLTC集中控制方案

最后驗(yàn)證DG無功控制和OLTC集中控制協(xié)調(diào)動(dòng)作對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響，本文中DG功率因數(shù)被限制在0.95左右，圖8顯示了在協(xié)調(diào)控制下，配電網(wǎng)最大電壓和最小電壓的波動(dòng)情況，以及OLTC的動(dòng)作情況。圖中系統(tǒng)最大電壓和最小電壓均滿足電壓允許偏差，而且OLTC的動(dòng)作次數(shù)從8次降到了4次。該結(jié)果表明本文提出的電壓協(xié)調(diào)控制策略可以很好的解決電壓越限問題，而且還可以減少OLTC的動(dòng)作次數(shù)，延長(zhǎng)OLTC的使用壽命。

圖8 協(xié)調(diào)控制方案

圖9 遺傳算法迭代過程

本文采用基于遺傳算法的無功優(yōu)化方法，通過仿真統(tǒng)計(jì)平均每次遺傳算法的收斂時(shí)間在3.2 s左右，而OLTC的動(dòng)作時(shí)間在30 s-60 s左右，所以當(dāng)系統(tǒng)電壓越限時(shí)，可以保證每次在OLTC動(dòng)作之前，基于遺傳算法無功控制器能夠完成收斂迭代，確保得到DG的最優(yōu)無功功率配置。圖9為當(dāng)DG發(fā)出的有功功率為3.75 MW時(shí)，基于遺傳算法的無功優(yōu)化迭代過程曲線。迭代過程所需要的時(shí)間為3.21 s遠(yuǎn)小于OLTC的動(dòng)作時(shí)間，在進(jìn)入OLTC集中控制之前，遺傳算法已完成了收斂迭代，得到了DG的最優(yōu)無功功率配置。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)DG接入主動(dòng)配電網(wǎng)后電壓分布特點(diǎn)及其控制特性，提出了一種主動(dòng)配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制方法，該方法由兩部分組成，即OLTC集中控制方法和基于遺傳算法的DG無功優(yōu)化控制方法。當(dāng)OLTC控制多條饋線時(shí)，OLTC集中控制方法可以有效解決系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓和欠電壓的問題?；谶z傳算法的DG無功優(yōu)化控制方法可以使電壓偏差更小，OLTC動(dòng)作次數(shù)更少，從而延長(zhǎng)OLTC的使用壽命；并且，算例仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性。當(dāng)然，在自治控制中，對(duì)于配電網(wǎng)饋線電壓控制還可以協(xié)調(diào)其他無功控制設(shè)備達(dá)到更經(jīng)濟(jì)的控制效果，對(duì)此有待進(jìn)一步研究。

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Coordinated Voltage Control Strategy for Active Distribution Networks

Zhang Jiaqi，Wang Linchuan

(Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

Voltage control in active distribution networks (ADN) becomes more challenging due to distributed generation (DG) interference with the conventional voltage control devices.It is difficult to effectively solve such problems as the voltage off-limit for the traditional on-load tap changer (OLTC).In this paper，a centralized on-load tap changer (OLTC) control scheme is proposed，which utilizes the system’s maximum and minimum voltages，to provide a proper voltage regulation when the OLTC feeds multiple feeders.At the same time，to reduce action times of on-load tap changer，a coordinated strategy is proposed，which the distributed generation reactive power is combined with on-load tap changer to ensure the voltage level and quality.Finally，this paper carries on the simulation using a two-feeder active distribution network，whose results shows the proposed control algorithms can achieve an effective voltage regulation with less tap operation.

Active distribution network (ADN)；Distributed generation (DG)；On-load tap changer (OLTC)；Coordinated voltage control

2016-09-12

張佳琦(1992-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：主動(dòng)配電網(wǎng).

1005-2992(2017)04-0014-06

TM732

A

電子郵箱： 735969179@qq.com(張佳琦)；934285339@qq.com(王林川)