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(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065；3.國(guó)網(wǎng)四川節(jié)能服務(wù)有限公司，四川 成都 610021)

降壓節(jié)能技術(shù)研究綜述

戴詩(shī)朦1，孫鳴1，劉俊勇2，羊靜3

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065；3.國(guó)網(wǎng)四川節(jié)能服務(wù)有限公司，四川 成都 610021)

降壓節(jié)能(conservation voltage reduction, CVR)是一種歐美電力機(jī)構(gòu)普遍使用的通過降低配電系統(tǒng)電壓水平來降低峰荷時(shí)期負(fù)荷需求并實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約的技術(shù)。近年來，國(guó)內(nèi)許多地區(qū)的電網(wǎng)都存在峰荷時(shí)期供電容量不足的問題，導(dǎo)致部分用戶斷電，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。如果單純的通過擴(kuò)大發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量來解決問題，投入較高，并且在用電低谷時(shí)會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)效率低下的問題，而降壓節(jié)能技術(shù)能夠經(jīng)濟(jì)有效地解決該問題。首先對(duì)CVR技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行簡(jiǎn)單回顧；隨后介紹CVR技術(shù)相關(guān)的定義及其主要實(shí)現(xiàn)方法；然后對(duì)該技術(shù)的效益量化評(píng)估方式進(jìn)行總結(jié)與對(duì)比，并對(duì)分布式電源與CVR技術(shù)的相互關(guān)系進(jìn)行分析與討論；最后結(jié)合國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)實(shí)際情況對(duì)CVR技術(shù)在中國(guó)的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行探討。

降壓節(jié)能；配電網(wǎng)；峰荷需求；能源節(jié)約；分布式電源

0 引 言

隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、人口的迅速增長(zhǎng)，主要的兩種燃料資源——石油和天然氣正快速被消耗，能源節(jié)約這一主題逐漸受到世界范圍的重視。降壓節(jié)能(conservation voltage reduction, CVR)技術(shù)的提出不僅是可以用來解決短期供電不足問題的臨時(shí)性措施，也可是用來節(jié)約能源的長(zhǎng)期性措施。

降壓節(jié)能技術(shù)是一種通過將用電電壓降低到標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍下半?yún)^(qū)從而實(shí)現(xiàn)降低峰荷與能源節(jié)約的技術(shù)。1973年美國(guó)電力公司選擇不同負(fù)荷組成的配電饋線對(duì)CVR技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與分析。試驗(yàn)為期1年，每隔15 min采集一次數(shù)據(jù)，采用CVR裝置運(yùn)行1天、停止1天的操作模式(因?yàn)檫B續(xù)兩天的天氣情況與環(huán)境因素變化較小，能夠盡量減小這些因素對(duì)于CVR效果的影響)，每天的降壓時(shí)間控制在4 h。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)CVR在降低峰荷方面具有明顯作用，持續(xù)4 h電壓降低5%可以降低4%的供電需求，而降低能量損耗方面的效果則相對(duì)不那么明顯。由于當(dāng)時(shí)能源充足，節(jié)能意識(shí)弱，考慮投入成本與效益比，人們對(duì)于通過更長(zhǎng)時(shí)間降壓來獲取更明顯的節(jié)能效果頗有爭(zhēng)議，因此CVR技術(shù)并沒有被充分地接受與使用[1]。

面對(duì)大多數(shù)人心中依舊存在的對(duì)CVR作用的懷疑，南加州愛迪生電力公司[2]、美國(guó)東北電力公司[3]、邦納維爾電力局[4]以及卑詩(shī)水電公司[5]等電力機(jī)構(gòu)先后進(jìn)行了相應(yīng)的CVR測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)多將CVR的控制時(shí)間在之前的基礎(chǔ)上進(jìn)行延長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)每降低1%的電壓能夠降低0.3%～1%的負(fù)荷需求。KP Schneider等學(xué)者2010年通過GridLAB-D仿真系統(tǒng)對(duì)24種饋線進(jìn)行CVR裝置接入前后的負(fù)荷需求以及能源消耗數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：如果美國(guó)所有的饋線都接入CVR裝置，則年能源消耗量可以減少3.04%[6]。此外愛爾蘭[7]以及澳大利亞[8]等國(guó)家也分別對(duì)CVR接入本國(guó)電力系統(tǒng)的效益進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)估，試驗(yàn)結(jié)果均對(duì)CVR的相應(yīng)效果予以了肯定。

下面首先對(duì)CVR技術(shù)的相關(guān)基本概念進(jìn)行簡(jiǎn)短的描述，隨后總結(jié)CVR技術(shù)的效益評(píng)估方法，然后對(duì)CVR技術(shù)與分布式電源之間的關(guān)系進(jìn)行討論，最后結(jié)合國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)的實(shí)際情況對(duì)CVR技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 CVR技術(shù)相關(guān)概念

1.1 CVR技術(shù)的相關(guān)定義

降壓節(jié)能技術(shù)通過調(diào)壓措施將用戶用電電壓降到標(biāo)準(zhǔn)電壓的下半?yún)^(qū)(即0.95 p.u.～1.0 p.u.)，從而在保證不對(duì)用電設(shè)備造成傷害的同時(shí)，降低系統(tǒng)總功率需求實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約，充分地提高了用戶供電的可靠性并且也促進(jìn)了電網(wǎng)整體的能源節(jié)約。CVR技術(shù)的效益通常通過CVR因子(conservation voltage reduction factor,fCVR)來表示，是減少的功率需求(能量損耗)百分比ΔP%與降低的電壓百分比ΔU%的比值，具體的算式如式(1)所示：

(1)

CVR的效益主要由負(fù)荷的組成決定，系統(tǒng)的總功率需求主要由負(fù)荷需求和線路損耗兩部分組成，Pload=UI，Plines=I2Rlines。當(dāng)負(fù)荷為恒阻抗負(fù)荷(白熾燈)時(shí)，電壓降低，電流也降低，負(fù)荷損耗和線路損耗均降低，最終使總功率需求降低。但當(dāng)負(fù)荷為諸如電腦、電視機(jī)等恒功率負(fù)荷時(shí)，電壓下降意味著電流上升，負(fù)荷損耗不變而線損增加，這樣系統(tǒng)總功率需求增加。而對(duì)于電熱水器和電冰箱這一類帶有溫控回路的負(fù)荷，其損耗保持恒定。此外還有節(jié)能燈一類的恒電流負(fù)荷，電壓下降使負(fù)荷損耗減少，而線損保持不變，故總體功率需求下降。Ellens.W等學(xué)者在經(jīng)過詳細(xì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，恒功率負(fù)荷增加的損耗相對(duì)恒阻抗負(fù)荷減少的只是很小的一部分，只要恒功率負(fù)荷消耗的能量不大于恒阻抗負(fù)荷的50倍，那么系統(tǒng)在降低電壓之后總體上的功率需求是減少的[8]。

1.2 CVR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

CVR的實(shí)現(xiàn)可以通過多種渠道，傳統(tǒng)且使用最普遍的方式是通過變電站調(diào)壓變壓器(on-load tap-changers，OLTC)或者饋線調(diào)壓器進(jìn)行直接降壓處理，操作簡(jiǎn)單、成本低廉。但這種調(diào)節(jié)方式存在一定的缺陷，如果饋線較長(zhǎng)，線路上的電壓損耗較大，則會(huì)導(dǎo)致線路末端的電壓水平較低，使得電壓可以下調(diào)的范圍十分受限。對(duì)于電壓降較大的線路，為了保證饋線末端能夠擁有足夠的降壓裕度，可以在配電饋線的適當(dāng)位置安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，對(duì)線路的電壓無(wú)功條件進(jìn)行改善。文獻(xiàn)[10-12]均在饋線沿線壓降較大的節(jié)點(diǎn)安裝并聯(lián)電容器組或者可投切電容器組，以支撐該類節(jié)點(diǎn)的電壓并進(jìn)行功率因數(shù)的矯正，縮小饋線沿線電壓最大與最小值差，保證扁平的饋線電壓以及功率因數(shù)分布特性，為CVR的實(shí)現(xiàn)提供良好的電壓無(wú)功條件。圖1所示為接入并聯(lián)電容器組前后的線路電壓分布情況。

圖1 線路電壓分布對(duì)比圖

上述方法均建立在變電站帶有OLTC或者線路裝有饋線調(diào)壓器的情況之下。當(dāng)系統(tǒng)沒有該類裝置時(shí)，單使用電容器組亦可以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的，只是電壓調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較小[13]。除了在變電站或者饋線沿線調(diào)壓之外，也可以在用戶側(cè)安裝調(diào)壓裝置直接進(jìn)行調(diào)壓；但由于需由用戶自行安裝設(shè)備，且并不會(huì)減少線路損耗，所以這種方法并不常使用。

隨著配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，其數(shù)據(jù)信息動(dòng)態(tài)多變，以上提到的傳統(tǒng)控制方法難以隨信息變化而保持動(dòng)態(tài)控制，因此提出了更加先進(jìn)的閉環(huán)控制方法，其主要是通過能夠?qū)崿F(xiàn)CVR的集中式VVC來實(shí)現(xiàn)[14]。集中式的VVC是指地調(diào)中心通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition, SCADA)獲得各地不同設(shè)備測(cè)量得到的關(guān)鍵位置電力數(shù)據(jù)，通過分析與計(jì)算直接對(duì)變電站的OLTC、線路的饋線調(diào)節(jié)器、電容器組等發(fā)出控制指令以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)最優(yōu)化的控制方式。文獻(xiàn)[15-16]提到的AdaptiVolTM系統(tǒng)(電壓自適應(yīng)系統(tǒng))則是較早提出的能夠充分實(shí)現(xiàn)CVR的VVC閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式雖然能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制方式存在的諸多缺點(diǎn)，但其控制方式較為復(fù)雜，投資成本也相對(duì)較高。

2 CVR的效益評(píng)估

通常來說CVR的效益評(píng)估方法總體上分為三大類：回歸法、合成法以及對(duì)比法。

2.1回歸法

回歸法通常是通過建立負(fù)荷與其諸多影響因子的線性模型，如定義負(fù)荷模型：

L=α0+α1T+α2ΔV+ε

(2)

式中：α0表示基本負(fù)荷分量，為恒定值；α1為負(fù)荷對(duì)溫度的敏感系數(shù)；α2為負(fù)荷對(duì)電壓的敏感系數(shù)(load-to-voltage dependence, LTV)；ε為誤差；T為溫度；ΔV為變電站電壓的變化值。從該模型的各項(xiàng)系數(shù)可以看出負(fù)荷對(duì)于對(duì)應(yīng)影響因子的靈敏度，其中LTV反映負(fù)荷對(duì)于電壓變化的靈敏程度。在電壓降低值固定的情況下，負(fù)荷下降越多則能量損耗減少越多，因此，多元線性回歸法的本質(zhì)就是通過確定LTV來得到fCVR。前面提到的美國(guó)電力公司[1]以及卑詩(shī)水電公司[5]進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)均通過這種方法來進(jìn)行CVR技術(shù)的效益評(píng)估。除了溫度、電壓之外，測(cè)量時(shí)間等也可被納入影響因子中，當(dāng)然最終只有電壓變化的敏感系數(shù)用于fCVR的計(jì)算[17]。這里所提到的回歸法均建立的是線性回歸模型，其精確度決定于負(fù)荷模型建立的準(zhǔn)確度，而實(shí)際上負(fù)荷與許多影響因子的關(guān)系是非線性的。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量回歸法等非線性回歸方法的提出，使得模擬負(fù)荷與影響因子的非線性關(guān)系成為可能。Zhaoyu Wang等學(xué)者提出通過一種多階段支持向量回歸法來建立負(fù)荷模型，計(jì)算出CVR試驗(yàn)周期中未進(jìn)行降壓處理的對(duì)照組的負(fù)荷水平，該方法不依賴于假設(shè)負(fù)荷與影響因子的任何線性關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法有效且結(jié)果精確度高[18]。目前將非線性回歸方法用于CVR效益評(píng)估的研究還較少，有待更深入更全面的探尋。

2.2合成法

合成法通過將各類負(fù)荷與電壓的關(guān)系進(jìn)行合成來計(jì)算CVR的效益。通常有兩種實(shí)現(xiàn)合成的方法：按負(fù)荷組成合成和按用戶類別合成[19]。在按負(fù)荷組成合成時(shí)，主要電氣負(fù)荷的能量損耗模型通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試定義為一個(gè)電壓的函數(shù)，而每一種電氣負(fù)荷所占總負(fù)荷的百分比則通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)獲得。整個(gè)電路的總能量損耗可以通過式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Ei(V)為第i種電氣負(fù)荷在電壓V時(shí)的能量損耗；Si為第i種電氣負(fù)荷所占總負(fù)荷的比例。對(duì)電壓進(jìn)行降壓處理，通過處理前后的能量損耗計(jì)算出fCVR。按照用戶類別合成法中，用戶可以分為住宅用戶、商業(yè)用戶以及工業(yè)用戶3類，不同的用戶類別其電氣負(fù)荷組成百分比各有不同。通過美國(guó)各電力公司對(duì)不同用戶類別的的測(cè)量統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)降壓后，住宅用戶和商業(yè)用戶可以減少更多的能量損耗，因?yàn)檫@兩類用戶對(duì)于電壓變化具有更高的靈敏度。由此，線路的fCVR可以通過3種用戶類別的fCVR進(jìn)行線性合成：

fCVR=R%fCVR-R+C%fCVR-C+L%fCVR-L

(4)

式中：R%、C%、L%分別為負(fù)荷中住宅用戶、商業(yè)用戶以及工業(yè)用戶的百分比；fCVR-R、fCVR-C、fCVR-L分別為住宅用戶、商業(yè)用戶以及工業(yè)用戶的CVR因子。合成法的基礎(chǔ)假設(shè)是所有的電氣負(fù)荷均按照其出廠前的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)工作，而現(xiàn)實(shí)中其實(shí)很難采集到具體每一種電氣負(fù)荷的LTV以及電力系統(tǒng)中各類負(fù)荷所占比例的準(zhǔn)確信息。

2.3對(duì)比法

對(duì)比法主要是通過實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的對(duì)比，獲得CVR操作前后的負(fù)荷需求以及功率損耗，而后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出fCVR。早期的多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均采用這種方法，這種方法最大的問題是變量控制精確度有限，難以避免負(fù)荷波動(dòng)、環(huán)境變化等其他因素對(duì)fCVR計(jì)算準(zhǔn)確度的影響。有許多研究采用多次測(cè)量取平均數(shù)據(jù)的方法雖能在一定程度上減少誤差，但是卻無(wú)法獲取特定時(shí)間的fCVR，使得fCVR不具有時(shí)效性。

隨著科技的發(fā)展，仿真軟件功能的日益強(qiáng)大為對(duì)比法提供了進(jìn)步的空間。通過仿真軟件可以得到測(cè)試周期內(nèi)未進(jìn)行CVR技術(shù)處理之前的能量損耗，而通過測(cè)量裝置可以得到進(jìn)行降壓處理后的能量損耗，通過兩種方法得到的能量損耗差值則可計(jì)算得到fCVR。該方法所得結(jié)果的精確度決定于仿真模型中負(fù)荷模型的精確度。Zhaoyu Wang等對(duì)計(jì)算fCVR所需的時(shí)變負(fù)荷模型建立方法進(jìn)行了深入的研究，首先提出了一種基于最小二乘法的指數(shù)負(fù)荷模型，該方法不需要建立對(duì)比試驗(yàn)組或者假設(shè)負(fù)荷與影響因子的線性關(guān)系，充分反應(yīng)了fCVR的不確定性[20]，不過該方法使用的最小二乘法在應(yīng)對(duì)參數(shù)突變、觀測(cè)噪音等常見實(shí)際測(cè)量問題時(shí)魯棒性較差。隨后又提出一種基于無(wú)損卡爾曼濾波法的負(fù)荷模型方法。該方法通過無(wú)損卡爾曼濾波法對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的概率密度函數(shù)進(jìn)行逼近以確定指數(shù)時(shí)變負(fù)荷模型的負(fù)荷參數(shù)，計(jì)算精度高，且能夠充分應(yīng)對(duì)測(cè)量過程中的觀測(cè)噪聲等[21]。前面提到的兩種方法均采用指數(shù)型負(fù)荷模型，該模型不能反應(yīng)負(fù)荷組成結(jié)構(gòu)的變化，于是在前面所述方法的基礎(chǔ)上又提出一種魯棒時(shí)變負(fù)荷建模方法。該方法用ZIP靜態(tài)模型取代指數(shù)靜態(tài)模型，通過負(fù)荷種類比例的變化來反映負(fù)荷組成的變化；通過可變遺忘因子來改善遞歸最小二乘法的魯棒性，準(zhǔn)確地建立了時(shí)變負(fù)荷模型，且該模型能夠充分應(yīng)對(duì)測(cè)量過程中的突然波動(dòng)干擾[22]。

3 分布式電源與CVR

光伏、風(fēng)能這一類分布式電源(distributed generator, DG)的接入能夠大幅提升電網(wǎng)的清潔度，并從一定程度上減少配電網(wǎng)的容量需求負(fù)擔(dān)，但由于它們的輸出功率與天氣情況有關(guān)，具有隨機(jī)性與不穩(wěn)定性[23]。因此，DG的接入不僅會(huì)造成電壓的陡升使饋線沿線的電壓分布變化得更頻繁，同時(shí)產(chǎn)生大量的逆潮流，導(dǎo)致系統(tǒng)中的電容器組動(dòng)作次數(shù)增加，對(duì)該類設(shè)備的可靠運(yùn)行造成了不利影響。此外，DG出力的不確定性使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化更加頻繁，加大了CVR效益評(píng)估的難度[24]。

另一方面，大量研究發(fā)現(xiàn)： DG與CVR技術(shù)的良好配合能夠進(jìn)一步促進(jìn)能源的節(jié)約。Singh等學(xué)者通過IEEE 13節(jié)點(diǎn)測(cè)試饋線針對(duì)分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后對(duì)CVR的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在安裝CVR裝置的情況下，DG接入滲透率較低時(shí)對(duì)電壓的提升作用并不明顯，并且在一定范圍內(nèi)，隨著DG滲透率的增加，系統(tǒng)的能量損耗呈下降趨勢(shì)[25]。Rahimi等以ZIP負(fù)荷模型為基礎(chǔ)，將光伏出力看作光輻射度的線性函數(shù)，發(fā)現(xiàn)分布式光伏電源的接入等效降低了恒功率負(fù)荷在總負(fù)荷中所占的比重，從而促進(jìn)了能量損耗的減少，提高了系統(tǒng)的效益[26]。D. A. Quijano等考慮DG在輸出有功功率的同時(shí)也產(chǎn)生無(wú)功輸出，通過多層次的仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)DG的無(wú)功注入能夠有效地改善系統(tǒng)的電壓分布情況。此外，在DG滲透率低于 80%時(shí)對(duì)于系統(tǒng)的總有功需求沒有明顯影響，而當(dāng)滲透率高于80%時(shí)則會(huì)明顯導(dǎo)致有功需求的增加。因此當(dāng)DG滲透率不超過80%時(shí)，可以通過DG的無(wú)功注入在不增加系統(tǒng)有功需求的同時(shí)對(duì)電壓質(zhì)量進(jìn)行改善，為CVR的實(shí)現(xiàn)提供良好的電壓分布條件[27]。Bokhari等提出根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同負(fù)荷需求接入不同類型的DG：負(fù)荷需求較大節(jié)點(diǎn)接入同步電機(jī)類DG，負(fù)荷需求較小的節(jié)點(diǎn)接入逆變器類DG來實(shí)現(xiàn)降壓節(jié)能所需的饋線沿線扁平電壓分布[28]。Zhaoyu Wang等考慮DG出力的不確定性將DG最優(yōu)位置的確定看作一個(gè)隨機(jī)最優(yōu)化問題，提出一種樣本均值近似算法，通過多次遞歸計(jì)算候選方案和最優(yōu)方案差距的置信區(qū)間，多情景仿真證明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)DG的優(yōu)化配置，促進(jìn)CVR的節(jié)能降損效益[29]。

此外，為適應(yīng)DG接入后系統(tǒng)表現(xiàn)出的諸多變化，CVR的實(shí)現(xiàn)方法需要進(jìn)行一定的調(diào)整。上面提到的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法通常使用OLTC、饋線調(diào)壓器以及電容器組等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，而這些設(shè)備均有一定的反應(yīng)延遲時(shí)間，在包含DG的配電系統(tǒng)中，電路結(jié)構(gòu)的變化更加頻繁與迅速，這就意味著需要投入更加快速的控制設(shè)備。高級(jí)量測(cè)體系(advanced metering infrastructure, AMI)由每個(gè)節(jié)點(diǎn)或設(shè)備上的新型傳感器與具有獨(dú)立操作系統(tǒng)的處理器相聯(lián)結(jié)，通過高速寬帶光纖通信將測(cè)得的信息進(jìn)行雙向傳輸，形成分布式的統(tǒng)計(jì)平臺(tái)，能夠快速完成分析判斷和協(xié)調(diào)控制等工作[30]。Chunxue Zhang等提出基于AMI數(shù)據(jù)的原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)建模法，該方法比起遺傳算法等常用算法在優(yōu)化電容器組運(yùn)行規(guī)律以及節(jié)能等方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)[31]。北卡羅納州電力公司、卑詩(shī)水電公司等電力機(jī)構(gòu)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AMI能夠促進(jìn)配電系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)更為精確的電壓優(yōu)化，使CVR的能源節(jié)約率較之前提高近40%[32-33]。此外，逆變器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功供給且運(yùn)行成本低廉，目前已經(jīng)有學(xué)者通過控制逆變器的無(wú)功輸出來實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)[34-36]。南加州愛迪生電力公司在最新的試驗(yàn)中還提出一種基于AMI和光伏逆變器的雙閉環(huán)電壓控制方法，該方法能夠快速精確地實(shí)現(xiàn)CVR[37]。未來，如何結(jié)合新興的電力電子設(shè)備，在DG與CVR的良好配合下，實(shí)現(xiàn)快速、動(dòng)態(tài)的CVR操作，進(jìn)一步促進(jìn)能源節(jié)約是值得深入研究的問題。

4 關(guān)于CVR技術(shù)在國(guó)內(nèi)運(yùn)用的探討

國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓無(wú)功控制的主要目標(biāo)大多依舊停留在保持電壓等級(jí)以及功率因數(shù)這一層面，因而相對(duì)于國(guó)內(nèi)CVR技術(shù)應(yīng)用的空白，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(dynamic voltage restorer, DVR)等解決電壓突變問題的設(shè)備已充分投入到配電網(wǎng)使用。

DVR是一種串聯(lián)型電能質(zhì)量控制裝置，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓暫降時(shí)，DVR向電路注入一個(gè)幅值、相角可控的串聯(lián)補(bǔ)償電壓，以保證負(fù)荷電壓恒定。常見的DVR結(jié)構(gòu)如圖2，控制單元控制電壓型逆變器產(chǎn)生串聯(lián)補(bǔ)償電壓，經(jīng)串聯(lián)變壓器注入線路中[39]。DVR能夠解決由于電壓質(zhì)量不合格所引發(fā)的諸多問題，有效地保證了電能質(zhì)量，不過由于需要儲(chǔ)能裝置以及串聯(lián)變壓器等設(shè)備，使其投入成本較高。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，清潔節(jié)能的電力系統(tǒng)是必然的發(fā)展方向，而CVR技術(shù)與DVR技術(shù)相比能夠在保證電壓水平的基礎(chǔ)上降低峰荷與能量損耗，且設(shè)備組成簡(jiǎn)單，性價(jià)比較高。

圖2 DVR的基本結(jié)構(gòu)

此外，近年來，夏季的高溫峰荷時(shí)期，國(guó)內(nèi)許多地區(qū)的電網(wǎng)都存在供電容量不足的問題，造成部分用戶斷電。如果單純地通過擴(kuò)大發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量來解決問題，投入較高，并且在用電低谷時(shí)會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)效率低下的問題。在此背景下，降壓節(jié)能技術(shù)操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)，能夠經(jīng)濟(jì)有效地解決峰荷時(shí)期供電容量不足問題。

目前國(guó)內(nèi)多數(shù)地區(qū)依舊以水電以及火電為主要供電來源，分布式新能源滲透率低，這使得CVR的實(shí)現(xiàn)較為容易?？紤]到所提到的CVR效益主要與負(fù)荷組成有關(guān)，可以將CVR技術(shù)在恒阻抗負(fù)荷以及恒電流阻抗使用比例較大的用戶住宅區(qū)以及商業(yè)區(qū)投入使用，在解決短期供電容量不足問題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的能源節(jié)約。

CVR技術(shù)最早是在歐美國(guó)家提出并使用的，而歐美國(guó)家的電力系統(tǒng)特性與中國(guó)有一定的差異，因此CVR技術(shù)在國(guó)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)用時(shí)需考慮到這些差異。歐美國(guó)家的CVR裝置通常安裝在用戶用電側(cè)(120 V側(cè)，即對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)的220 V用電電壓)。而CVR裝置應(yīng)包括兩部分：一部分是調(diào)壓裝置，主要通過調(diào)節(jié)分接頭來實(shí)現(xiàn)電壓的降低；另一部分則是無(wú)功調(diào)控設(shè)備，如并聯(lián)電容器組、可投切電容器組等。其主要目的是為系統(tǒng)提供足夠的無(wú)功功率，有效提高電能質(zhì)量并且降低系統(tǒng)損耗，為降壓節(jié)能的有效實(shí)現(xiàn)提供良好的電壓無(wú)功條件。

以用戶住宅為例，國(guó)外多為單獨(dú)成棟的別墅，大多別墅擁有單獨(dú)的配電箱，可以直接在配電箱中安裝CVR裝置的無(wú)功調(diào)控設(shè)備，并在120 V配電饋線上直接安裝單相步進(jìn)調(diào)壓器作為調(diào)壓設(shè)備，成本低廉，操作簡(jiǎn)單。而中國(guó)多為群居的民宅，國(guó)外直接在用戶住宅單戶接入無(wú)功調(diào)控設(shè)備的方法在中國(guó)并不適用，因此考慮在10 kV配電側(cè)安裝CVR裝置的無(wú)功調(diào)控部分。但中國(guó)10 kV線路多為不接地結(jié)構(gòu)，因此無(wú)法直接接入單相步進(jìn)調(diào)壓器，而三相饋線調(diào)壓器成本較高，大量投入并不現(xiàn)實(shí)，因此考慮通過變電站自帶的有載調(diào)壓變壓器來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。

圖3 帶CVR裝置的輻射型配電系統(tǒng)

結(jié)合以上考慮，在國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)安裝CVR裝置應(yīng)在10 kV配電側(cè)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際無(wú)功電壓分布情況來選擇合適位置接入無(wú)功調(diào)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無(wú)功電壓的優(yōu)化，再通過變電站有載調(diào)壓變壓器分抽頭降低配電電壓，從而實(shí)現(xiàn)用戶用電電壓的降低，以達(dá)到降壓節(jié)能的目的。帶CVR裝置的輻射型配電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，該系統(tǒng)選擇并聯(lián)電容器組作為無(wú)功調(diào)控設(shè)備，共有n處并聯(lián)電容器接入點(diǎn)(m∈[1,n])，變電站有載調(diào)壓變壓器作為調(diào)壓裝置。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，降壓節(jié)能技術(shù)主要有以下3個(gè)研究重點(diǎn)：1)多個(gè)電壓無(wú)功控制裝置之間的協(xié)調(diào)與配合。不同的控制設(shè)備之間互相影響，實(shí)現(xiàn)彼此的良好配合是保證系統(tǒng)電壓無(wú)功的必然前提。2)CVR的有效實(shí)現(xiàn)方法與經(jīng)濟(jì)評(píng)估方法。隨著新能源以及動(dòng)態(tài)負(fù)荷等的出現(xiàn)，CVR的實(shí)現(xiàn)方法以及效益評(píng)估方法需要隨之改進(jìn)，以保證其有效性以及準(zhǔn)確性。3)CVR與DG之間的協(xié)調(diào)與配合。充分考慮DG接入系統(tǒng)對(duì)CVR的影響：一方面考慮DG接入對(duì)于CVR實(shí)現(xiàn)與評(píng)估方法帶來的挑戰(zhàn)；另一方面考慮通過二者的良好配合實(shí)現(xiàn)DG對(duì)于CVR的促進(jìn)作用，提高CVR的效益。

降壓節(jié)能技術(shù)在解決供電容量不足以及能源短缺問題上擁有充分的潛力，盡管該技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)還未充分投入使用，但是相信隨著該技術(shù)相關(guān)研究的逐步成熟，其優(yōu)勢(shì)會(huì)被充分挖掘，未來配電網(wǎng)的運(yùn)行與控制將會(huì)因此受益。

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Conservation voltage reduction (CVR) technique can reduce the peak demand and achieve energy saving via voltage level reduction of distribution system, which is widely used by the power utilities of the US and Europe. In recent years, the supply capacity of domestic distribution network fails to meet the peak demand, and CVR is an economical and effective way to solve this problem. Firstly, the development of CVR is reviewed and the related concepts are introduced. Then, a summary and the comparison of the assessment methods of CVR are provided. Besides, the relationships and impacts between CVR and distributed generators are analyzed. Discussion about the application of CVR in China is included in the end.

conservation voltage reduction (CVR); distribution network; peak demand; energy saving; distributed generators

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2014AA051901)

TM72

：A

：1003-6954(2017)04-0001-07

2017-05-18)

戴詩(shī)朦(1992)，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)電壓無(wú)功；孫 鳴 (1957)，教授、博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及調(diào)度自動(dòng)化；劉俊勇(1963)，教授、博士，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行及電力市場(chǎng)研究。