陳思漢　岳文超　蔣一銘　蔡德勝　朱雷

摘要：分布式光伏海量接入配電網(wǎng)，使得有源化配電線路電能問(wèn)題日益突出。鑒于此，利用分布式逆變器及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等配電網(wǎng)元素，挖掘逆變器無(wú)功資源，改進(jìn)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的信息化交互方式，補(bǔ)充和豐富配電網(wǎng)管理平臺(tái)的資源接入種類(lèi)和策略功能，實(shí)現(xiàn)了有源配電網(wǎng)多源互濟(jì)的系統(tǒng)調(diào)配功能，為解決配電網(wǎng)有源化帶來(lái)的電壓波動(dòng)、功率因數(shù)低引起的線損高等問(wèn)題提供了技術(shù)借鑒。研究結(jié)果表明，基于多源調(diào)相運(yùn)行的綜合協(xié)調(diào)管理技術(shù)具有很好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：逆變器;無(wú)功補(bǔ)充設(shè)備;協(xié)調(diào)控制;電能治理

中圖分類(lèi)號(hào)：TM761+.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）05-0009-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.002

引言

電壓是電能質(zhì)量的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，反映了電力系統(tǒng)在保護(hù)、運(yùn)行、設(shè)計(jì)以及規(guī)劃等綜合方面的管理水平。隨著負(fù)荷和供電需求的規(guī)模越來(lái)越大，配電網(wǎng)線路特別是配電末端的電壓波動(dòng)問(wèn)題日趨嚴(yán)重[1-2]，主要呈現(xiàn)出電壓波動(dòng)大、電壓低、功率因數(shù)低、網(wǎng)損高等負(fù)面影響。文獻(xiàn)[3-4]利用串聯(lián)補(bǔ)償裝置配合電容器技術(shù)，解決10 kV及以下電壓等級(jí)配電線路低電壓、低功率因數(shù)、高線損、抑制電壓閃變等問(wèn)題;文獻(xiàn)[5]提出了基于PSSSINAL軟件構(gòu)建配電網(wǎng)仿真模型，還原配電網(wǎng)多運(yùn)行方式的電壓質(zhì)量，通過(guò)調(diào)整變電站母線電壓提高變電站出線電壓，解決負(fù)荷大幅升高時(shí)的電壓質(zhì)量問(wèn)題;文獻(xiàn)[6]采用10 kV線路電氣參數(shù)監(jiān)測(cè)和電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化治理相結(jié)合的方式，使用三級(jí)協(xié)調(diào)控制挖掘變電站、中壓線路和臺(tái)區(qū)三個(gè)層面的調(diào)壓潛力，進(jìn)而調(diào)整電壓質(zhì)量;文獻(xiàn)[7]針對(duì)電解鋁負(fù)荷的低電壓?jiǎn)栴}，提出無(wú)功電源優(yōu)化配置方案;文獻(xiàn)[8]利用智能無(wú)功補(bǔ)償裝置、35 kV配電化、增加配電臺(tái)區(qū)、限制負(fù)荷率、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等綜合手段治理低電壓?jiǎn)栴};文獻(xiàn)[9]提出利用儲(chǔ)能系統(tǒng)“低儲(chǔ)高發(fā)”的特點(diǎn)提高配電網(wǎng)供電能力，改善電壓治理水平;文獻(xiàn)[10]就分布式光伏接入配電網(wǎng)后的電壓分布特性進(jìn)行了研究，并提出基于改進(jìn)Q（U）的PV無(wú)功電壓區(qū)域自治控制方法、觸發(fā)式就地控制策略實(shí)現(xiàn)就地分散自治控制，解決電壓波動(dòng)問(wèn)題;文獻(xiàn)[11]考慮到區(qū)域負(fù)荷增長(zhǎng)，采用在中壓10 kV線路增設(shè)串/并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置并更換10 kV線路的方案，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)治理饋線低電壓?jiǎn)栴};文獻(xiàn)[12]提出利用包括蓄電池和超級(jí)電容器在內(nèi)的復(fù)合儲(chǔ)能裝置，治理高功率密度分布式光伏接入配電網(wǎng)引起的多樣化電能質(zhì)量問(wèn)題;文獻(xiàn)[13]針對(duì)小水電出口附近電壓在豐水期和枯水期的波動(dòng)特性，提出了饋線自動(dòng)調(diào)壓設(shè)備反向調(diào)壓的方法。

現(xiàn)階段基于無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的電能治理技術(shù)研究較多，但主要以單點(diǎn)或單線路為研究對(duì)象，調(diào)節(jié)手段較單一;基于儲(chǔ)能技術(shù)的電壓治理技術(shù)現(xiàn)階段投資成本較高，不適合大面積推廣;而分布式光伏就地自治控制的實(shí)現(xiàn)可以借鑒電壓波動(dòng)治理技術(shù)。綜上所述，本文主要從配電網(wǎng)目前存在的問(wèn)題出發(fā)，以配電網(wǎng)固有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備及分布式光伏為基礎(chǔ)，通過(guò)挖掘逆變器無(wú)功調(diào)節(jié)能力及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的交互式特點(diǎn)，提出多源調(diào)相運(yùn)行的有源配電網(wǎng)綜合電能治理優(yōu)化架構(gòu)，并進(jìn)行了試點(diǎn)運(yùn)行。

1? ? 多源接入

1.1? ? 交互式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備一般采用直掛母線側(cè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，主要結(jié)構(gòu)包括PT/CT采集模塊、處理器模塊、電容模塊、升壓器及供電模塊等，主要作用是根據(jù)采集線路近區(qū)的電壓進(jìn)行感性和容性無(wú)功的補(bǔ)償，存在兩方面問(wèn)題：一方面，采集的電壓、功率因數(shù)等為近區(qū)參數(shù)，制訂的策略是局部的，整條線路上存在過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償，同時(shí)動(dòng)作頻次較高，自身?yè)p耗也高，特別是在長(zhǎng)線路上，負(fù)荷存在感性無(wú)功需求，線路上仍然存在無(wú)功傳輸，導(dǎo)致線損居高不下;另一方面，線路上部署的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備群為自主工作，缺乏管理，設(shè)備故障后只有在線路電壓存在較大問(wèn)題時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，且無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備故障或離線并非是該線路電壓出現(xiàn)問(wèn)題的充要條件，即其他原因引起線路電壓?jiǎn)栴}也是可能的，總體上無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備故障或離線問(wèn)題定位難。本方案在無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備層面進(jìn)行改進(jìn)，將無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備內(nèi)采集模塊用具備實(shí)時(shí)通信功能的通信模塊替換，并與智能終端組網(wǎng)，獲取線路全局電氣參數(shù)，如圖1中間所示，實(shí)現(xiàn)直采到數(shù)采電氣量的轉(zhuǎn)換，同時(shí)使其具備與管理平臺(tái)交互的能力。一方面，在具備相同感知能力的基礎(chǔ)上，減少了無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備硬件配件，相對(duì)降低了無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備成本;另一方面，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備獲取的是線路全局參數(shù)，補(bǔ)償?shù)恼w效果更好，且可以服從管理平臺(tái)遠(yuǎn)程遙調(diào)和統(tǒng)籌管理，具備全局感知和協(xié)調(diào)的能力，同時(shí)故障或離線狀態(tài)可得到準(zhǔn)確的監(jiān)控，故障定位能力得到提升。

1.2? ? 分布式光伏逆變器

分布式光伏正廣泛接入配電網(wǎng)，且呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，原有配電網(wǎng)變成了有源配電網(wǎng)，從配電網(wǎng)線路電能治理來(lái)看，當(dāng)分布式光伏發(fā)電時(shí)，線路末端電壓存在越上限風(fēng)險(xiǎn)，且分布式光伏多在低壓側(cè)并網(wǎng)，臺(tái)區(qū)內(nèi)電網(wǎng)管理手段較少，低壓側(cè)負(fù)荷存在高電壓運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。在采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)方式的分布式光伏發(fā)電中，分布式光伏發(fā)電電量全部就地消納，但負(fù)荷側(cè)感性無(wú)功需求并未遞減，反而呈少量增加趨勢(shì)，即分布式光伏發(fā)電階段吸收電網(wǎng)容性無(wú)功容量并未減少，進(jìn)而導(dǎo)致分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)關(guān)口功率因數(shù)低，且隨著分布式光伏裝機(jī)容量的持續(xù)攀升，該問(wèn)題將日益突出。

逆變器自身具備無(wú)功吸收和補(bǔ)償能力，分布式光伏裝機(jī)容量的攀升使得配電網(wǎng)線路上存在大量無(wú)功閑置資源，本文主要是挖掘了光伏逆變器的無(wú)功補(bǔ)償能力，并通過(guò)數(shù)據(jù)集中器與智能終端組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)海量逆變器參與線路無(wú)功電壓優(yōu)化。其中逆變器部署較分散，可在分布式光伏低壓側(cè)并網(wǎng)柜內(nèi)增加數(shù)據(jù)集中器，一方面收集逆變器群無(wú)功可控裕度及運(yùn)行狀態(tài)，另一方面接收智能終端下發(fā)的遙調(diào)控制信息，按照等比例裕度實(shí)現(xiàn)光伏逆變器群控群調(diào)，進(jìn)而使逆變器群參與線路無(wú)功電壓優(yōu)化，如圖1右側(cè)所示。

2? ? 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1? ? 硬件架構(gòu)

如圖1所示，將線路上無(wú)功補(bǔ)償裝置群通過(guò)交互模塊完成與智能終端的信息（包括線路電壓、無(wú)功、電流、頻率、功率因數(shù)等）交互，將在低壓側(cè)并網(wǎng)的分布式光伏通過(guò)數(shù)據(jù)集中器完成與智能終端的交互，同時(shí)繼承智能終端與電網(wǎng)管理平臺(tái)的拓?fù)浜屯ㄐ沛溌?，在管理平臺(tái)上新增交互式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和分布式光伏的建模模型，從而實(shí)現(xiàn)了多源參與配電網(wǎng)運(yùn)行和管理的新型交互式配電管理平臺(tái)。

2.2? ? 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)按照分層分級(jí)控制思路，主要分為設(shè)備感知層、邊緣計(jì)算層和系統(tǒng)管理層，如圖2所示，其中設(shè)備感知層包括線路開(kāi)關(guān)的感知、交互式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備群的感知及分布式光伏逆變器的感知，具備接收邊緣計(jì)算層的電氣量數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理、接收調(diào)度遙調(diào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制響應(yīng)及就地策略響應(yīng)等功能;邊緣計(jì)算層除具備對(duì)現(xiàn)階段線路的采集和控制功能外，還具備線路電氣量采集傳輸功能以及調(diào)度對(duì)感知層的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)功能;系統(tǒng)管理層主要完成全局監(jiān)控管理、區(qū)域策略制訂及最優(yōu)化配置、潮流計(jì)算，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維，對(duì)系統(tǒng)的建模具備擴(kuò)展和變更能力，以適應(yīng)分布式光伏海量接入的需求。

3? ? 控制策略

3.1? ? 可分配無(wú)功容量

光伏逆變器及交互式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備群實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)功控制后，線路及線路間控制對(duì)象呈現(xiàn)多源性，其中交互式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備群為集中式補(bǔ)償，光伏逆變器為分散式補(bǔ)償。這里假設(shè)某分支線路上分布式光伏裝機(jī)容量為SDC，SVG無(wú)功容量為SSVG，按照《光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50865—2013），光伏逆變器功率因數(shù)在cos φ=0.95范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)，則逆變器可調(diào)無(wú)功容量為QDC=±k1×SDC，該線路無(wú)功可控容量為：

式中：k1=;k2為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備安全控制系數(shù)，一般取0.9;正號(hào)表示容性無(wú)功，負(fù)號(hào)表示感性無(wú)功。

3.2? ? 控制流程

系統(tǒng)控制包括感知層就地控制、邊緣計(jì)算層控制和系統(tǒng)管理層控制。

（1）感知層就地控制流程如圖3（a）所示，初始化接收調(diào)度控制模式及設(shè)定門(mén)限參數(shù)，支持默認(rèn)模式選擇，在給定控制模式下實(shí)時(shí)計(jì)算相關(guān)輸入量（包括電壓、無(wú)功功率或功率因數(shù)），根據(jù)設(shè)定門(mén)限參數(shù)及裕度計(jì)算目標(biāo)值，并按照等比例裕度原則分配目標(biāo)值，下發(fā)至無(wú)功源側(cè)響應(yīng)，完成一次就地控制，采用多次PID控制保證穩(wěn)態(tài)精度。（2）邊緣計(jì)算層控制流程如圖3（b）所示，初始化獲取調(diào)度參數(shù)，實(shí)時(shí)采集本地線路電氣量，轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)和電氣量，同時(shí)監(jiān)視調(diào)度遠(yuǎn)程控制指令。當(dāng)無(wú)調(diào)度指令時(shí)，只負(fù)責(zé)將就地電氣量數(shù)據(jù)返回調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng);當(dāng)接收到調(diào)度指令時(shí)，完成就地指令和透?jìng)髦噶钭R(shí)別，就地指令就地響應(yīng)，透?jìng)髦噶钕掳l(fā)至歸屬邊緣層設(shè)備或集中器，并監(jiān)視邊緣層返回指令及功率返回采集值，實(shí)時(shí)更新本地?cái)?shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)與調(diào)度交互。（3）系統(tǒng)管理層控制流程如圖3（c）所示，系統(tǒng)管理層負(fù)責(zé)全管理范圍內(nèi)線路參數(shù)初始化，采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行潮流分析，制訂系統(tǒng)無(wú)功電壓優(yōu)化策略，在無(wú)局部參數(shù)調(diào)整時(shí)進(jìn)行策略迭代和分配，在需要局部參數(shù)調(diào)整時(shí)，根據(jù)迭代參數(shù)及局部數(shù)據(jù)分析進(jìn)行策略調(diào)整并完成重新分配。

4? ? 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文基于上述方案對(duì)線路上495 kW分布式光伏及500 kvar無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行了試點(diǎn)驗(yàn)證，其中分布式光伏采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式，分布式光伏所在廠區(qū)常用負(fù)荷200 kW，在分布式光伏發(fā)電期間有少量電量上網(wǎng)，方案試點(diǎn)前運(yùn)行電壓偏高，功率因數(shù)中位數(shù)在0.8左右，方案采用以下策略：分布式光伏側(cè)恒功率因數(shù)運(yùn)行，10 kV無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備由主站下發(fā)恒電壓模式，電壓定值10.2 kV，死區(qū)0.05 kV。

圖4（a）中，P-PCC、Q-PCC、P-DC、Q-DC分別為并網(wǎng)點(diǎn)有功功率和無(wú)功功率、分布式光伏有功出力和無(wú)功出力曲線;圖4（b）中Cos-PCC為并網(wǎng)點(diǎn)24 h功率因數(shù)曲線，Cos-Average為中位數(shù)0.926 5;圖4（c）中，U-PCC為10 kV無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備未投運(yùn)電壓曲線，分布式發(fā)電階段電壓越上限，U-svg為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備參與協(xié)調(diào)運(yùn)行電壓曲線，主站采用無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備恒電壓模式與分布式光伏配合運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果顯示，多源協(xié)調(diào)運(yùn)行可以很好地解決配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文分析了配電網(wǎng)分布式光伏接入及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等現(xiàn)階段運(yùn)行水平，挖掘逆變器無(wú)功潛在資源，結(jié)合無(wú)功補(bǔ)償交互式能力提升，采用逆變器和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備協(xié)調(diào)參與配電網(wǎng)電壓控制的方案，實(shí)現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化。研究結(jié)果表明，方案為有源配電網(wǎng)提供了更多的可調(diào)度無(wú)功資源，提升了分布式光伏消納能力，實(shí)現(xiàn)了分布式光伏和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和維護(hù)，提高了配電網(wǎng)運(yùn)行管理水平，采用全局協(xié)調(diào)方式優(yōu)化了線路無(wú)功分配合理性，降低了線損。

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收稿日期：2021-12-20

作者簡(jiǎn)介：陳思漢（1992—），男，江蘇連云港人，工程師，研究方向：配電自動(dòng)化。