肖傳亮, 趙 波, 周金輝, 李 鵬, 丁 明

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院, 安徽省合肥市 230009;2. 國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院, 浙江省杭州市 310014)

配電網(wǎng)中基于網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的高比例分布式光伏集群電壓控制

肖傳亮1, 趙 波2, 周金輝2, 李 鵬2, 丁 明1

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院, 安徽省合肥市 230009;2. 國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院, 浙江省杭州市 310014)

隨著高比例分布式光伏的接入,配電網(wǎng)的過電壓問題愈發(fā)嚴(yán)重,傳統(tǒng)對所有光伏進(jìn)行集中式電壓控制的方法變得過于復(fù)雜,難以滿足控制時間尺度的要求。文中提出了一種改進(jìn)的模塊度函數(shù)分區(qū)算法,結(jié)合無功/有功平衡度指標(biāo)與區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)耦合度指標(biāo),自動形成最佳分區(qū),對含高比例分布式光伏的配電網(wǎng)進(jìn)行無功與有功兩個層面的光伏集群控制。在分區(qū)基礎(chǔ)上,針對光伏逆變器有功與無功的控制能力,采用先無功后有功的電壓控制策略,在子分區(qū)內(nèi)部通過對關(guān)鍵光伏節(jié)點(diǎn)的控制來調(diào)節(jié)關(guān)鍵負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓,有效地縮小對可控光伏的搜索范圍,減少控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目,加快控制響應(yīng)時間,適合未來高比例分布式光伏接入配電網(wǎng)的電壓控制。最后,以某一10 kV實(shí)際饋線系統(tǒng)為例,驗(yàn)證所提方法的有效性。

高比例分布式光伏; 配電網(wǎng)分區(qū); 無功電壓控制; 有功電壓控制

0 引言

新能源的需求增長與公眾對環(huán)境問題的關(guān)注促進(jìn)了光伏發(fā)電的快速發(fā)展,隨著國家新能源政策的進(jìn)一步強(qiáng)化、光伏發(fā)電補(bǔ)貼及建設(shè)成本進(jìn)一步下降,配電網(wǎng)將面對大量井噴式、小容量、分散化的分布式光伏電源接入,局部地區(qū)已出現(xiàn)分布式光伏接入比例較高的情況,這將對局域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生重大影響,主要體現(xiàn)在電網(wǎng)電壓越限、功率倒送以及線路過載等[1]幾個方面。其中,過電壓現(xiàn)象[2-3]是最常見也是最受關(guān)注的問題,過電壓不僅能影響線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行,而且直接影響配電網(wǎng)對光伏的消納能力和光伏自身的運(yùn)行效率。

現(xiàn)有的研究中,為了解決光伏接入配電網(wǎng)的過電壓問題,在不改變現(xiàn)有電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的前提下,解決的措施主要有調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器(OLTC)分接頭[4]、限制有功功率[5]、安裝無功調(diào)節(jié)裝置如電容器組及電抗器[6]。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展與光伏安裝比例的提升,光伏系統(tǒng)本身參與電壓調(diào)節(jié)的能力不斷被挖掘。在光伏發(fā)電系統(tǒng)可控性方面,傳統(tǒng)的含分布式光伏的配電網(wǎng)分析中,光伏發(fā)電單元通常運(yùn)行于單位功率因數(shù)[7],大多數(shù)分布式光伏處于弱可控狀態(tài),未能充分發(fā)揮光伏電源應(yīng)有的主動調(diào)控能力。隨著智能逆變器功能的完善[8],極大地豐富了光伏逆變器各項(xiàng)控制功能,特別是在有功、無功功率控制方面,有功剪切策略[9-10]、無功補(bǔ)償策略[11-12]、有功無功最優(yōu)配置策略[13]已成為光伏逆變器參與電壓調(diào)節(jié)的主要手段。上述對光伏逆變器控制的方法,基本都采用電網(wǎng)調(diào)度對區(qū)域內(nèi)所有分布式光伏進(jìn)行集中式、單獨(dú)直接控制的模式。這種運(yùn)行模式在分布式光伏安裝比例較低、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)較小時較為適用。但隨著未來高比例、分散化光伏接入配電網(wǎng)后,光伏安裝數(shù)量海量增加,位置相對分散,使得未來配電網(wǎng)控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目加大,控制變量增多,如果繼續(xù)采用集中式方法對每個光伏逆變器進(jìn)行控制,會因控制過程復(fù)雜而不能滿足控制時間尺度的要求。對于集中式控制方法所存在的不足,電壓分區(qū)控制的方法為問題的解決提供了參考。

分區(qū)是將電網(wǎng)分成若干個子區(qū)域,所分區(qū)域具有內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間強(qiáng)耦合、不同區(qū)域之間的節(jié)點(diǎn)弱耦合的特性,因而在子分區(qū)內(nèi)可以獨(dú)立地對電壓進(jìn)行控制而不對其他子分區(qū)產(chǎn)生影響。對電網(wǎng)進(jìn)行電壓分區(qū)控制的方法,國內(nèi)外許多文獻(xiàn)已見報道?，F(xiàn)有的分區(qū)方法主要有:K均值法[14]、譜聚類法[15]、免疫算法[16]、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論[17]等方法。電壓分區(qū)控制通過選取分區(qū)指標(biāo),結(jié)合對應(yīng)的分區(qū)方法對電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū),在所得子分區(qū)內(nèi)部,尋找子分區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),通過對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓的控制,達(dá)到全網(wǎng)電壓穩(wěn)定的目的,從而實(shí)現(xiàn)控制的簡單化、分散化和快速化。

電壓分區(qū)控制一般應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè),而對于含高比例分布式光伏的配電網(wǎng),現(xiàn)有的研究并沒有采用分區(qū)控制的方式。隨著未來高比例分布式光伏的不斷接入,配電網(wǎng)內(nèi)部光伏節(jié)點(diǎn)數(shù)目大幅增長,控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目急劇增多,且伴隨著光伏接入比例的不斷增大,其過電壓問題愈加嚴(yán)峻,控制更加復(fù)雜。針對未來高比例分布式光伏接入配電網(wǎng)的過電壓與控制復(fù)雜性問題,以及采用集中控制方式存在的不足,結(jié)合分區(qū)控制的優(yōu)點(diǎn),本文提出了一種基于有功/無功電壓靈敏度矩陣,利用改進(jìn)的模塊度函數(shù),對含高比例分布式光伏的配電網(wǎng)進(jìn)行有功、無功解耦分區(qū),并在已有分區(qū)的基礎(chǔ)上,按照“先最大程度地利用逆變器無功調(diào)節(jié)能力,后最小化地進(jìn)行光伏有功剪切”的原則,在有功、無功分區(qū)內(nèi)部制定電壓控制策略,實(shí)現(xiàn)對高比例分布式光伏的集群控制,解決未來高比例分布式光伏接入引起的過電壓及控制復(fù)雜性問題。最后,以某一實(shí)際饋線為研究對象,驗(yàn)證了所提方法能夠有效、快速地解決高比例分布式光伏接入配電網(wǎng)所引起的過電壓問題。

1 基于無功/有功電壓靈敏度解耦分區(qū)方法

在大電網(wǎng)側(cè),根據(jù)電壓靈敏度矩陣對大電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)時,考慮大電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗特性(電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電抗),往往忽略有功變化對電網(wǎng)電壓的影響,只對大電網(wǎng)進(jìn)行無功分區(qū)與無功電壓控制。但在配電網(wǎng)側(cè),由于配電網(wǎng)的阻抗比較大,且電壓控制策略涉及光伏逆變器有功功率控制,所以有功功率變化對電網(wǎng)分區(qū)的影響不可忽略。本文從配電網(wǎng)的電壓靈敏度角度出發(fā),對有功、無功分區(qū)進(jìn)行解耦,實(shí)現(xiàn)有功、無功兩層分區(qū)。

1.1 無功、有功電壓分區(qū)解耦

由電力系統(tǒng)負(fù)載潮流雅可比矩陣[18]可知,配電網(wǎng)中的潮流計算滿足如下方程:

(1)

式中:ΔP和ΔQ分別為節(jié)點(diǎn)注入有功功率和無功功率變化量;Δδ和ΔU分別為節(jié)點(diǎn)電壓相角及幅值的變化量;由APδ,BPU,CQδ,DQU組成的雅可比矩陣表示節(jié)點(diǎn)注入的功率波動(ΔP,ΔQ)與節(jié)點(diǎn)電壓變化之間的關(guān)系。

對式(1)進(jìn)行矩陣變換，有

(2)

式中:靈敏度因子SPU和SQU分別表示節(jié)點(diǎn)注入單位數(shù)量的有功功率和無功功率時節(jié)點(diǎn)電壓幅值的變化;SPδ和SQδ分別表示節(jié)點(diǎn)注入單位數(shù)量的有功功率和無功功率時節(jié)點(diǎn)電壓相角的變化。

由式(2)可得,在含N個節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)中,各節(jié)點(diǎn)電壓幅值變化量ΔU與有功和無功變化量序列ΔP和ΔQ滿足下式:

ΔU=SPUΔP+SQUΔQ

(3)

式中:ΔP=[ΔP1,ΔP2,…,ΔPN]T;ΔQ=[ΔQ1,ΔQ2,…,ΔQN]T;在實(shí)際中,ΔP和ΔQ的調(diào)節(jié)還要受到光伏逆變器功率因數(shù)的限制,滿足式(4)。

ΔQ=f(Smax,ΔP,cosφmax)

(4)

式中:Smax為光伏逆變器的最大容量;φmax為光伏逆變器最大功率因數(shù)角。

當(dāng)在NPV個光伏可安裝節(jié)點(diǎn)接入不同容量光伏構(gòu)成光伏容量序列[ΔP,ΔQ]時,第i個節(jié)點(diǎn)電壓除了受自身電壓影響還受其他節(jié)點(diǎn)ΔPj和ΔQj注入的影響。因此,第i個節(jié)點(diǎn)電壓可表示為:

(5)

由式(3)和式(5)可知,電壓靈敏度SPU和SQU分別代表有功功率、無功功率對節(jié)點(diǎn)電壓的影響能力,且當(dāng)有功功率不變時,注入單位數(shù)量的無功功率,電壓幅值變化僅與無功靈敏度矩陣有關(guān);當(dāng)無功功率不變時,注入單位數(shù)量的有功功率,電壓幅值變化僅與有功靈敏度矩陣有關(guān)。因此,以無功電壓靈敏度矩陣進(jìn)行無功分區(qū),以有功電壓靈敏度進(jìn)行有功分區(qū),可以使有功、無功分區(qū)互不影響,實(shí)現(xiàn)解耦。

1.2 改進(jìn)的模塊度函數(shù)ρim

Girvan和Newman為解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)問題,引入了模塊度函數(shù)的方法。不同于其他的分區(qū)方法,利用模塊度函數(shù)進(jìn)行分區(qū)[19],能自動生成最佳分區(qū)數(shù)目而不需要提前設(shè)定。模塊度函數(shù)定義如下[20]:

(6)

在本文中,配電網(wǎng)的權(quán)重主要由無功電壓靈敏度矩陣SQU和有功電壓靈敏度矩陣SPU決定。為了描述兩個節(jié)點(diǎn)之間的耦合度,本文用邊權(quán)重的均值來表示有功/無功分區(qū)權(quán)重Aij。

進(jìn)行無功層面分區(qū)時,V-Q權(quán)重可表示為:

(7)

可以得到無功分區(qū)模塊度函數(shù)為:

(8)

式中:kQ,i和kQ,j分別為所有與節(jié)點(diǎn)i和j相連邊的無功權(quán)重之和;mQ為網(wǎng)絡(luò)中所有邊的無功權(quán)重之和。

進(jìn)行有功層面分區(qū)時,V-P權(quán)重可表示為:

(9)

可以得到有功分區(qū)模塊度函數(shù)為:

(10)

式中:kP,i和kP,j分別為所有與節(jié)點(diǎn)i和j相連邊的有功權(quán)重之和;mP為網(wǎng)絡(luò)中所有邊的有功權(quán)重之和。

由式(7)與式(9)處理后,權(quán)重矩陣AVQ和AVP變?yōu)閷ΨQ矩陣。

利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算出模塊度函數(shù)ρ,只能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔碚鞑煌?jié)點(diǎn)之間耦合程度,將耦合程度不同的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)分區(qū),但配電網(wǎng)中若有高比例分布式光伏接入時,僅僅依據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)不合理?？紤]到高比例分布式光伏的無功、有功功率參與電壓調(diào)節(jié)以及光伏安裝位置的分散性,本文在原有模塊度函數(shù)的基礎(chǔ)上,增加有功/無功平衡度指標(biāo)γ與區(qū)內(nèi)耦合度指標(biāo)β。有功/無功平衡度指標(biāo)表征分區(qū)內(nèi)光伏無功或有功平衡能力,防止分區(qū)內(nèi)部含光伏單元數(shù)量不均衡,出現(xiàn)可調(diào)功率不足或者可調(diào)功率過剩的情況發(fā)生。區(qū)內(nèi)耦合度指標(biāo)β表征區(qū)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的耦合程度,能在模塊度函數(shù)ρ的基礎(chǔ)上增強(qiáng)分區(qū)精度,β值越大,區(qū)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的耦合程度越高,反之則越低。

對于無功分區(qū),無功平衡度指標(biāo)表示如下:

(11)

式中:Qsupplied為子分區(qū)Ck內(nèi)所有光伏可提供的無功功率。

而在子分區(qū)Ck內(nèi),最小無功需求量可表示為:

(12)

式中:ΔVi為節(jié)點(diǎn)i的電壓增量;SVQ,ii為在子分區(qū)Ck內(nèi),第i個光伏單元對第i個節(jié)點(diǎn)的無功電壓靈敏度。

無功分區(qū)區(qū)內(nèi)耦合度指標(biāo)β表示如下:

(13)

式中:avg(·)表示求均值函數(shù)。

綜合以上各類指標(biāo),本文提出改進(jìn)的無功分區(qū)模塊度函數(shù),其表達(dá)式如下:

(14)

上式中,將各分區(qū)無功平衡度指標(biāo)γVQ,Ck與區(qū)內(nèi)耦合度指標(biāo)βVQ,Ck取平均值,分別表征當(dāng)前分區(qū)狀態(tài)所對應(yīng)的各分區(qū)無功平衡與區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)耦合程度的好壞,將二者與表征當(dāng)前分區(qū)狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)之間耦合程度好壞的模塊度函數(shù)相加,作為改進(jìn)的模塊度函數(shù),不僅考慮了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而且還能反映光伏加入后分區(qū)內(nèi)部的無功平衡能力以及區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的耦合程度。

同理,改進(jìn)的有功分區(qū)模塊度函數(shù)表達(dá)式如式(15)所示。

(15)

(16)

(17)

(18)

式中:γVP,Ck為有功平衡度指標(biāo);Pcurtailed為子分區(qū)Ck內(nèi)所有光伏可剪切的有功功率;SVP,ii為在子分區(qū)Ck內(nèi)第i個光伏單元對第i個節(jié)點(diǎn)的有功電壓靈敏度;βVP,Ck為有功分區(qū)區(qū)內(nèi)耦合度指標(biāo)。

1.3 分區(qū)方法實(shí)現(xiàn)

本節(jié)以無功分區(qū)為例,闡述如何利用改進(jìn)的模塊度函數(shù)進(jìn)行無功分區(qū),有功分區(qū)方法的實(shí)現(xiàn)與無功分區(qū)相同,不再重復(fù)。

對于一個含n個節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng),最佳無功分區(qū)策略如下。

步驟3:將新形成的子分區(qū)看作一個獨(dú)立的節(jié)點(diǎn),重復(fù)步驟2實(shí)現(xiàn)分區(qū)過程,形成新的分區(qū)結(jié)果。

步驟4:當(dāng)沒有任何節(jié)點(diǎn)能進(jìn)行合并且無功分區(qū)模塊度函數(shù)ρim′達(dá)到最大值時,分區(qū)過程停止,此時的分區(qū)為最優(yōu)分區(qū)結(jié)果。

在已有的電網(wǎng)側(cè)的研究中,分區(qū)結(jié)果主要與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān),但在配電網(wǎng)側(cè),配電網(wǎng)的運(yùn)行方式(如網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等)常常會在較短的時間尺度內(nèi)(小時級或天)產(chǎn)生較大的變化,改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),且隨時間變化的負(fù)荷需求與光伏出力等因素都會影響最終的分區(qū)結(jié)果。本文提出的分區(qū)方法能夠跟隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化,且能適應(yīng)任何光伏節(jié)點(diǎn)的接入或切除,反映負(fù)荷需求與光伏出力隨時間變化對分區(qū)結(jié)果的影響,是一個動態(tài)分區(qū)的過程。但考慮到控制的平穩(wěn)性,只在如下情況發(fā)生時才會對網(wǎng)絡(luò)分區(qū)進(jìn)行更新。

情況1:配電網(wǎng)運(yùn)行方式改變引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。

情況2:光伏隨季度變化時出力發(fā)生改變。

對于情況2,本文考慮了云層遮擋等因素引起光伏短時波動對分區(qū)的影響,由于這種短時波動會快速消失,因此忽略類似的短時波動影響,但考慮到光伏不同季度出力會存在較大差異,應(yīng)針對每個季度光伏出力變化進(jìn)行一次分區(qū)更新。

2 無功/有功電壓分區(qū)內(nèi)控制策略

在本文的電壓控制策略中,為了最大化地進(jìn)行光伏消納,按照“先最大程度地利用逆變器無功調(diào)節(jié)能力,后最小化地進(jìn)行光伏有功剪切”的原則,先在無功子分區(qū)內(nèi),利用光伏的無功調(diào)節(jié)能力進(jìn)行電壓調(diào)節(jié),當(dāng)無功調(diào)節(jié)能力不足時,再轉(zhuǎn)到有功分區(qū)層面,進(jìn)行光伏有功剪切。在子分區(qū)內(nèi)進(jìn)行電壓控制時,利用靈敏度矩陣,通過控制關(guān)鍵光伏節(jié)點(diǎn)出力來控制子分區(qū)內(nèi)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓,可以利用最少量的光伏無功或者有功容量將過電壓節(jié)點(diǎn)快速地調(diào)節(jié)到合理范圍之內(nèi),比傳統(tǒng)對所有光伏節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中式控制的方式更高效。

2.1 區(qū)內(nèi)電壓控制策略

假設(shè)某一含高比例分布式光伏的配電網(wǎng),按照上述無功分區(qū)原則已被分成N個子分區(qū),記為{CQ1,CQ2,…,CQk,…,CQN},由于子分區(qū)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的強(qiáng)耦合、不同分區(qū)節(jié)點(diǎn)之間的弱耦合特性,所以每個子分區(qū)內(nèi)部的電壓控制是獨(dú)立的。無功子分區(qū)CQk內(nèi)的電壓控制如圖1所示。

圖1 無功子分區(qū)CQk內(nèi)電壓控制圖Fig.1 Voltage control diagram of reactive power zone CQk

首先,在分區(qū)內(nèi)部,將所有的光伏節(jié)點(diǎn)集合記為光伏集群H,在光伏集群內(nèi)部,將可調(diào)無功容量有剩余的光伏記為可調(diào)光伏節(jié)點(diǎn)集群,將可調(diào)無功容量為0的光伏記為不可調(diào)光伏節(jié)點(diǎn)集群,同時將各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類,分為過電壓節(jié)點(diǎn)集合和正常節(jié)點(diǎn)集合。在過電壓節(jié)點(diǎn)集合中,取電壓幅值最大的節(jié)點(diǎn)作為關(guān)鍵負(fù)荷節(jié)點(diǎn),電壓幅值記為Vmax,其超過節(jié)點(diǎn)電壓上限值為ΔVmax,根據(jù)無功電壓靈敏度矩陣,在可調(diào)光伏集群中,找出與關(guān)鍵負(fù)荷節(jié)點(diǎn)無功電壓靈敏度值最大的光伏PVi作為關(guān)鍵光伏節(jié)點(diǎn),其靈敏度值為Smax。根據(jù)無功電壓靈敏度,計算將Vmax調(diào)回正常范圍內(nèi)所需要的PVi無功輸出量Qneed:

(19)

當(dāng)PVi可調(diào)節(jié)無功容量Qsupplied(滿足式(4)功率因數(shù)要求)大于Qneed,則根據(jù)Qneed對Vmax進(jìn)行無功補(bǔ)償,然后進(jìn)行一次分區(qū)內(nèi)的潮流計算,若潮流計算后仍存在過電壓節(jié)點(diǎn),則重復(fù)上述過程。當(dāng)PVi可調(diào)節(jié)無功容量Qsupplied小于Qneed,則用Qsupplied對Vmax進(jìn)行補(bǔ)償,然后將該光伏節(jié)點(diǎn)劃分到不可調(diào)光伏節(jié)點(diǎn)集群中,在更新過的可調(diào)光伏節(jié)點(diǎn)集群中,尋找最大無功靈敏度對應(yīng)的光伏繼續(xù)進(jìn)行上述過程的無功補(bǔ)償。當(dāng)子分區(qū)CQk內(nèi)所有電壓節(jié)點(diǎn)電壓都在可調(diào)范圍之內(nèi)或者子分區(qū)內(nèi)無可調(diào)光伏時,則區(qū)內(nèi)電壓控制過程結(jié)束。

對于區(qū)內(nèi)有功控制,由于區(qū)內(nèi)控制規(guī)則與無功控制相同,因此不再重述。

2.2 先無功后有功電壓控制策略

按照“最大化地利用光伏無功調(diào)節(jié)能力、最小化地進(jìn)行有功剪切”的原則,本文提出先進(jìn)行光伏無功調(diào)節(jié),當(dāng)光伏無功可調(diào)能力不足時,再進(jìn)行有功剪切的策略。由于實(shí)現(xiàn)分區(qū)后,各子分區(qū)之間存在弱耦合,調(diào)節(jié)某一分區(qū)電壓會對相鄰子分區(qū)電壓產(chǎn)生微弱影響,為了消除由分區(qū)間弱耦合性產(chǎn)生的影響,避免光伏過多地進(jìn)行無功吸收或者有功剪切,在無功和有功層面進(jìn)行電壓控制時,將每個子分區(qū)中的最大電壓幅值進(jìn)行排序,按幅值從大到小的順序,依次調(diào)節(jié)各子分區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓,消除各子分區(qū)之間弱耦合特性對子分區(qū)之間電壓的影響,實(shí)現(xiàn)子分區(qū)之間的協(xié)調(diào)控制。具體實(shí)現(xiàn)流程圖可見附錄A圖A1,實(shí)現(xiàn)過程如下。

步驟1:根據(jù)無功分區(qū)電壓原則進(jìn)行無功電壓分區(qū),記為{CQ1,CQ2,…,CQk,…,CQN}。

步驟2:檢測所有子分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)是否過電壓,若所有電壓節(jié)點(diǎn)都合格,則結(jié)束。如果有過電壓節(jié)點(diǎn),將所有過電壓節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的子分區(qū)記為可調(diào)節(jié)分區(qū)集合M,其他的子分區(qū)記為不可調(diào)節(jié)分區(qū)集合T,轉(zhuǎn)到步驟3。

步驟3:在可調(diào)節(jié)分區(qū)集合M中選取電壓幅值最大的節(jié)點(diǎn)i,設(shè)其所對應(yīng)的子分區(qū)為CQj。

步驟4:在子分區(qū)CQj內(nèi)進(jìn)行區(qū)內(nèi)無功電壓控制,對CQj內(nèi)光伏進(jìn)行無功補(bǔ)償后的整個配電網(wǎng)進(jìn)行一次潮流計算,當(dāng)全網(wǎng)電壓均合格,則結(jié)束,否則,轉(zhuǎn)到下一步。

步驟5:將子分區(qū)CQj劃分到不可調(diào)節(jié)分區(qū)集合T內(nèi)。判斷可調(diào)節(jié)分區(qū)集合M中是否存在過電壓節(jié)點(diǎn),如果存在,對可調(diào)節(jié)分區(qū)集合M內(nèi)的無功分區(qū)重復(fù)步驟3至4。當(dāng)可調(diào)節(jié)分區(qū)集合M中不存在過電壓節(jié)點(diǎn)而可調(diào)節(jié)分區(qū)集合T內(nèi)存在過電壓節(jié)點(diǎn)時,則進(jìn)行下一步。

步驟6:根據(jù)有功分區(qū)電壓原則進(jìn)行有功電壓分區(qū),記為{CP1,CP2,…,CPk,…,CPN}。

步驟7:在所有過電壓節(jié)點(diǎn)中選取電壓幅值最大的節(jié)點(diǎn)g,設(shè)其所對應(yīng)的子分區(qū)為CPh。

步驟8:在子分區(qū)CQj內(nèi)進(jìn)行區(qū)內(nèi)有功電壓剪切控制,使CPh內(nèi)所有電壓均合格,對CPh內(nèi)光伏進(jìn)行有功剪切后的整個配電網(wǎng)進(jìn)行一次潮流計算。

步驟9:當(dāng)全網(wǎng)電壓均滿足要求,結(jié)束控制。當(dāng)全網(wǎng)電壓仍存在過電壓節(jié)點(diǎn)時,對未進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的子分區(qū)重復(fù)步驟7和8,直至所有節(jié)點(diǎn)電壓均在合理范圍之內(nèi)。

3 案例仿真

3.1 案例參數(shù)說明

本文采用某一實(shí)際饋線作為分析對象,驗(yàn)證所提方法的有效性。該饋線是10 kV輻射型的三相平衡系統(tǒng),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可見附錄B圖B1,一共有30個節(jié)點(diǎn),線路接入總負(fù)荷為14.53 MVA,線路中的光伏系統(tǒng)通過升壓變壓器接入饋線中。

在實(shí)際中光伏安裝容量及位置可見附錄B表B1。在現(xiàn)有的光伏安裝容量中,線路中并沒有出現(xiàn)過電壓的情況,但根據(jù)報裝光伏安裝計劃,在已有的光伏安裝基礎(chǔ)上,還會有6.3 MW光伏會被陸續(xù)接入本條饋線中,未來線路中光伏的接入容量以及位置可見附錄B圖B2。

本文利用OpenDSS軟件平臺對本條饋線進(jìn)行建模,基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)功率分別設(shè)為10 kV和100 MVA,母線0作為參考節(jié)點(diǎn),其電壓值設(shè)置為1.04(標(biāo)幺值)。為體現(xiàn)本文所提策略的可行性,選取七月光照強(qiáng)度最強(qiáng)的一天(以2014年7月16日為例)進(jìn)行分析,日輻照度曲線(輻照度基準(zhǔn)值為1 500 W/m2)及日最大光伏出力可見附錄B圖B3。在仿真算例中,環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃。逆變器運(yùn)行的功率因數(shù)范圍為(-0.95,0.95),分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電效率為78%。在光伏有功剪切策略中,光伏有功剪切限值為逆變器容量的10%[21]。

3.2 分析場景選擇

當(dāng)線路中無光伏出力時,實(shí)際饋線節(jié)點(diǎn)全天的電壓分布如附錄C圖C1所示。圖中共30條曲線,代表30個節(jié)點(diǎn)全天電壓趨勢圖,某些節(jié)點(diǎn)電壓幅值相近,有一定的重合。從圖中可以看出,無光伏接入時,各節(jié)點(diǎn)電壓全天均運(yùn)行在(0.95,1.05)(標(biāo)幺值)之內(nèi)。當(dāng)9.2 MW光伏全部接入,且以單位功率因數(shù)的方式運(yùn)行時,線路出現(xiàn)了過電壓,電壓分布如附錄C圖C2所示。附錄C圖C2中,在2014年7月16日當(dāng)天,線路在某些時段出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象,且在中午12:30時過電壓情況最惡劣,此時線路最高電壓約為1.065(標(biāo)幺值),此時整條線路各節(jié)點(diǎn)電壓幅值如附錄C圖C3所示。

由于2014年7月16日為7月日光照強(qiáng)度最大的一天,且由附錄C圖C2可以看出中午12:30線路過電壓情況最為嚴(yán)重,因此選取2014年7月16日中午12:30線路運(yùn)行工況作為典型場景進(jìn)行分區(qū)電壓控制,證明所提方法的有效性。

3.3 分區(qū)控制實(shí)現(xiàn)

針對2014年7月16日中午12:30時的實(shí)際饋線運(yùn)行狀態(tài),對30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)按照前述分區(qū)方法進(jìn)行無功分區(qū)。不同分區(qū)數(shù)對應(yīng)的改進(jìn)的無功模塊度函數(shù)曲線如附錄D圖D1所示,在圖中可以看出,當(dāng)系統(tǒng)分為6個子分區(qū)時,無功模塊度函數(shù)取得最大值ρ=0.647,因此最佳分區(qū)數(shù)為6,網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的無功分區(qū)結(jié)果如附錄B圖B1中紅色虛線框劃分所示。從附錄B圖B1來看,分區(qū)結(jié)果與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的地理屬性相關(guān),這是因?yàn)椴煌?jié)點(diǎn)之間靈敏度大小與節(jié)點(diǎn)之間的阻抗相關(guān),而節(jié)點(diǎn)之間的阻抗又與節(jié)點(diǎn)之間的地理屬性直接相關(guān),直接相連的兩個節(jié)點(diǎn)之間無功靈敏度較高,不直接相連的節(jié)點(diǎn)之間靈敏度較低,所以分區(qū)結(jié)果會與節(jié)點(diǎn)之間的地理屬性存在一定的相關(guān)性(后文有功分區(qū)也會出現(xiàn)類似現(xiàn)象,不再解釋)。各無功子分區(qū)依次標(biāo)記為{CQ1,CQ2,CQ3,CQ4,CQ5,CQ6}。

由附錄B圖B1與附錄C圖C3可知,存在過電壓節(jié)點(diǎn)的分區(qū)集合為M={CQ2,CQ3,CQ4,CQ5,CQ6}。在此分區(qū)基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行無功電壓控制后,線路各節(jié)點(diǎn)電壓幅值曲線如圖2所示,受控光伏吸收的無功功率可見附錄D圖D2。

圖2 無功電壓控制后的節(jié)點(diǎn)電壓曲線Fig.2 Node voltage curve after reactive power control

由附錄C圖C3與附錄D圖D2可知,由于子分區(qū)CQ1內(nèi)不存在過電壓節(jié)點(diǎn),所以CQ1內(nèi)所有光伏不參與無功電壓調(diào)節(jié),繼續(xù)以單位功率因數(shù)運(yùn)行。而其他子分區(qū)由于存在過電壓節(jié)點(diǎn),因此分區(qū)內(nèi)會有光伏參與調(diào)節(jié)。由圖2可知,子分區(qū)經(jīng)過無功電壓調(diào)節(jié)后,線路中仍存在過電壓節(jié)點(diǎn),此時需要啟動有功電壓調(diào)節(jié)策略。針對此時的運(yùn)行工況進(jìn)行有功電壓分區(qū),不同分區(qū)數(shù)對應(yīng)的有功模塊度函數(shù)如附錄D圖D3所示。

由附錄D圖D3可知,當(dāng)分區(qū)數(shù)為5時,有功模塊度函數(shù)取得最大值0.934 8,因此最佳有功分區(qū)數(shù)為5,相應(yīng)的有功分區(qū)結(jié)果如附錄B圖B1中藍(lán)實(shí)線框劃分所示,將各子分區(qū)依次標(biāo)記為{CP1,CP2,CP3,CP4,CP5}。

由附錄B圖B1與附錄D圖D3可知,存在過電壓節(jié)點(diǎn)的子分區(qū)為集合K={CP3,CP4,CP5},對集合K進(jìn)行有功電壓控制,經(jīng)過有功電壓控制后各節(jié)點(diǎn)電壓幅值與受控光伏有功剪切量分別見附錄D圖D4、附錄D圖D5。由附錄D圖D4可知,線路中30節(jié)點(diǎn)電壓均調(diào)節(jié)到安全運(yùn)行范圍之內(nèi),證明文中所提策略能有效地解決高比例分布式光伏接入配電網(wǎng)引起的過電壓問題。

3.4 案例比較

為了說明分區(qū)電壓控制策略的靈活性與快速性,本文采用不分區(qū)的集中式控制方式進(jìn)行全局電壓控制,并將兩種控制方法的仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析。

在集中式控制中,將所有節(jié)點(diǎn)默認(rèn)為在同一子分區(qū)內(nèi),并按照2.1節(jié)的區(qū)內(nèi)電壓控制策略進(jìn)行控制?？刂平Y(jié)束后,每個光伏節(jié)點(diǎn)的無功吸收與有功剪切如附錄E圖E1所示。從圖中可以看出,采用集中式的控制方法,所有光伏均參與了電壓調(diào)節(jié)過程,其無功吸收與有功剪切總量與分區(qū)電壓控制比較詳見表1。

表1 不同控制方式下光伏無功吸收量與有功剪切量對比Table 1 Comparison of reactive power absorption and active power curtailment between different control modes

如表1所示,采用集中式控制方式相比分區(qū)控制方式,光伏總無功吸收量多48.578 kvar,總有功剪切量少21.938 kW。這是由于在集中式的控制方式下,所有光伏均參與電壓調(diào)節(jié),利用完所有光伏的無功容量后,再進(jìn)行有功剪切,屬于全局優(yōu)化的過程,而分區(qū)控制方式下,只對含過電壓節(jié)點(diǎn)的分區(qū)進(jìn)行分區(qū)內(nèi)的光伏控制,不是所有光伏均參與調(diào)節(jié),是局部優(yōu)化的過程,所以會產(chǎn)生上述差異。但從結(jié)果數(shù)據(jù)上來看,兩種策略的光伏總無功吸收量與總有功剪切量相差不大,基本相同,且針對9.2 MW的光伏裝機(jī)容量來說,總體差異不大,且隨著光伏安裝容量及控制數(shù)量的增加,這種差異還會進(jìn)一步縮小。因此,在實(shí)際工程應(yīng)用中是可以接受的。

圖3為兩種控制方式下,線路中30個節(jié)點(diǎn)的電壓分布曲線,在圖中可以看出,經(jīng)過相應(yīng)的控制策略后,兩種方法均能將各節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)到正常運(yùn)行范圍之內(nèi),且分區(qū)控制的結(jié)果與集中式控制相比,電壓分布曲線趨勢相同、幅值接近,說明分區(qū)控制在電壓幅值控制上能與集中式控制產(chǎn)生近似相同的控制效果,體現(xiàn)了分區(qū)控制的有效性。

在電壓控制過程中,電壓幅值是控制優(yōu)劣的重要指標(biāo),但是隨著高比例分布式電源的接入,配電網(wǎng)控制節(jié)點(diǎn)快速增多,且光伏發(fā)電單元出力受天氣影響較大,控制時間尺度指標(biāo)也是考核電壓控制效果的重要指標(biāo)。對兩種控制方式下,被控光伏數(shù)量以及控制時間進(jìn)行了比較,如表2所示，控制時間在MATLAB環(huán)境中獲得。

圖3 集中式控制與分區(qū)控制下的節(jié)點(diǎn)電壓曲線Fig.3 Node voltage curves under centralized control and partition control

控制方式無功控制光伏數(shù)量有功控制光伏數(shù)量光伏控制總數(shù)控制時間/s分區(qū)控制198180.3723集中控制237231.1478

由表2可知,采用集中式的控制方式所用時間為1.147 8 s,而分區(qū)控制方式所用時間為0.372 3 s,比集中式控制方式用時縮短近68%,其控制速度更快。產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因在于,當(dāng)采用集中式的控制方式對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)時,要考慮線路中所有光伏節(jié)點(diǎn)的影響,如表2與附錄E圖E1所示,所有的光伏都參與電壓控制過程,這大大增加了控制過程的復(fù)雜程度。而采用分區(qū)控制時,分區(qū)能將電氣距離相近的光伏節(jié)點(diǎn)與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)劃分到同一個區(qū)域,使網(wǎng)絡(luò)對可用光伏的搜索范圍由原來的整個配電網(wǎng)縮小到某一個分區(qū),減少對可用光伏的搜索時間,加強(qiáng)對可用光伏的搜索能力。同時,在分區(qū)內(nèi)部進(jìn)行電壓控制時,根據(jù)靈敏度矩陣找出關(guān)鍵光伏節(jié)點(diǎn),通過控制關(guān)鍵光伏節(jié)點(diǎn)來控制關(guān)鍵負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓,不需要考慮其他分區(qū)的影響,從而極大地縮小了控制節(jié)點(diǎn)數(shù),很大程度簡化了控制過程。由附錄D圖D2與表2可知,在分區(qū)控制時不是所有的光伏節(jié)點(diǎn)都參與調(diào)節(jié),控制時間大大縮短。隨著光伏接入比例的增大,分區(qū)控制方法在控制時間上的優(yōu)勢將會更加明顯。從表中結(jié)果來看,分區(qū)控制的時間尺度為秒級,而配電網(wǎng)的運(yùn)行方式變化為小時級或天級,由此可以看出,本文分區(qū)控制速度完全能適應(yīng)配電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化。

綜合以上分析結(jié)果,分區(qū)控制與集中式控制相比,二者都能將線路電壓調(diào)節(jié)到安全范圍之內(nèi),且二者的光伏無功吸收與有功剪切總?cè)萘肯嗖畈淮?。但分區(qū)控制能縮小對可用光伏的搜索范圍,減少控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目,簡化控制過程,在控制時間尺度上具有極大的優(yōu)勢,能在較短的時間內(nèi)完成電壓控制,且隨著控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加,這種優(yōu)勢愈加明顯,滿足工程實(shí)際需求,適合未來高比例分布式光伏接入配電網(wǎng)的電壓控制。

4 結(jié)語

高比例分布式光伏的接入使配電網(wǎng)過電壓問題愈加嚴(yán)重,且未來高比例分布式光伏接入后,使得配電網(wǎng)中的控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目急劇增多,傳統(tǒng)的集中式控制手段無法滿足時間尺度的要求。為了解決高比例分布式光伏接入配電網(wǎng)帶來的過電壓及控制復(fù)雜性問題,本文提出了改進(jìn)的模塊度函數(shù)分區(qū)算法,在實(shí)現(xiàn)最佳分區(qū)的基礎(chǔ)上,按照先無功后有功的控制原則,通過對光伏集群內(nèi)部的關(guān)鍵光伏節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無功與有功電壓控制,將分區(qū)內(nèi)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)到正常范圍之內(nèi)。所提分區(qū)控制方法相比傳統(tǒng)集中式控制方法,能縮小對可用光伏的搜索范圍,減少控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目,簡化控制過程,能快速將網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)到安全運(yùn)行范圍之內(nèi),但在控制過程中,本文并沒有考慮控制的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。下一步的工作重點(diǎn)是在此基礎(chǔ)上結(jié)合OLTC以及可投切電容器等設(shè)備,考慮電壓控制的經(jīng)濟(jì)性與可靠性,進(jìn)行提高光伏消納能力的研究,促進(jìn)未來分布式光伏快速可持續(xù)的發(fā)展。

本文研究得到國網(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目(5211DS15002A)的資助,謹(jǐn)此致謝!

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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NetworkPartitionBasedClusterVoltageControlofHigh-penetrationDistributedPhotovoltaicSystemsinDistributionNetworks

XIAOChuanliang1,ZHAOBo2,ZHOUJinhui2,LIPeng2,DINGMing1

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310014, China)

With the access of high-penetration distributed photovoltaic (PV) systems, the problem of overvoltage in the distribution network is becoming increasingly serious. The conventional centralized voltage control methods for all PV systems have become too complicated to meet the requirements of controlling the time scale. By referring to reactive/active power balance index and the coupling index of area nodes, this paper proposes an improved modularity partition algorithm, which can automatically divide a distribution network with high-penetration of distributed PV systems into optimal partitions of reactive and active power layer. And then, PV systems are divided into clusters. Based on the partition, the voltage control strategy of using reactive power first and active power second lies in controlling the key PV node to regulate the voltage of key load nodes within a partition, effectively narrow the search range of controllable PV systems and greatly reduce the number of controlled nodes to accelerate the completion time of control. Finally, a certain 10 kV actual feeder system is used as an example to prove the effectiveness and feasibility of the proposed method.

This work is supported by State Grid Corporation of China (No. 5211DS150015).

high-penetration distributed photovoltaic system; partition of distribution network; reactive voltage control; active voltage control

2017-01-01;

2017-05-08。

上網(wǎng)日期: 2017-07-25。

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5211DS150015)。

肖傳亮(1991—),男,博士研究生,主要研究方向:新能源發(fā)電技術(shù)。E-mail： xclcalvin@163.com

趙 波(1977—),男,通信作者,博士,高級工程師,主要研究方向:分布式電源及微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。E-mail: zhaobozju@163.com

周金輝(1983—),男,博士,高級工程師,主要研究方向:分布式電源和微電網(wǎng)技術(shù)。E-mail: zhoujinhui_hz@163.com

(編輯蔡靜雯)