譚松英

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 韶關(guān)樂昌供電局，廣東 韶關(guān) 512200）

0 引 言

配電網(wǎng)無功規(guī)劃的具體內(nèi)容就是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的無功分配，也就是在滿足系統(tǒng)的一定限制條件下，設(shè)計(jì)無功規(guī)劃設(shè)備的最佳分配方案和補(bǔ)償容量，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的有效運(yùn)行。由于可再生能源的易變性與不穩(wěn)定因素，給充電樁接入供電系統(tǒng)造成一定困難。而系統(tǒng)的無功設(shè)計(jì)方式通常以某一典型的工作情況為例，基本不考慮可再生能源的分配和充電樁入網(wǎng)的影響，其規(guī)劃方法已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的有效性與穩(wěn)定性需求[1]。本文考慮了充電樁入網(wǎng)的出力隔斷特性和順序式設(shè)計(jì)方法，提升配電網(wǎng)的無功規(guī)劃效果，以改進(jìn)的變電器系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的無功規(guī)劃方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 考慮充電樁入網(wǎng)的配電網(wǎng)無功規(guī)劃

1.1 構(gòu)建充電樁入網(wǎng)整流模塊

整流模塊屬于充電樁的上層結(jié)構(gòu)，為了使整流后的電壓滿足充電樁入網(wǎng)直流電壓要求，根據(jù)整流器具有的電壓升高特性，確定整流輸出電壓為900 V。根據(jù)整流器的原理，搭建仿真結(jié)構(gòu)[2]。供電電源的頻率為50 Hz，交流電源的有效值為400 V。整流器采用電壓外部控制和電流內(nèi)部控制相結(jié)合的控制方式，使變電器中的特性電壓達(dá)到平衡狀態(tài)。仿真模型如圖1所示。

圖1 充電樁入網(wǎng)仿真模型

電壓外部控制能夠提供充電樁入網(wǎng)內(nèi)部電流的調(diào)控指令，采用恒壓（Constant Voltage，CV）控制器進(jìn)行電壓的外部控制，從而保證直流輸出主線電壓的穩(wěn)定[3]。輸入電流的內(nèi)部控制采用限制電流方法，使用非線性變電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電流控制器。變電器功率的選擇會(huì)直接影響到整流器輸出側(cè)主線電壓的變化情況，因此要平衡開關(guān)的頻率和電網(wǎng)側(cè)的波動(dòng)電流，還要規(guī)定適合的變電器功率。變電器的功率越小，開關(guān)頻率會(huì)越大，充電樁入網(wǎng)電網(wǎng)側(cè)的波動(dòng)電流將會(huì)減?。蛔冸娖鞯墓β试酱?，開關(guān)頻率會(huì)越小，充電樁入網(wǎng)電網(wǎng)側(cè)的波動(dòng)電流將會(huì)增大[4]。當(dāng)輸入電流需要的功率偏差超過規(guī)定的變電器功率時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率控制電路開關(guān)的打開和關(guān)閉，從而使得需求功率的偏差控制在變電器功率的范圍內(nèi)。對(duì)變電器電壓進(jìn)行平衡控制是為了防止電壓產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)，從而減小因電壓不穩(wěn)定產(chǎn)生的惡劣電流波動(dòng)。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流定律實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)波動(dòng)電流值的控制，對(duì)充電樁的入網(wǎng)過程進(jìn)行濾波處理。目前，電流波動(dòng)防治方面的技術(shù)相對(duì)來說已經(jīng)比較完善，濾波的方法也有很多種，其中稀疏時(shí)域（Sparse Time Domain，STD）法的反應(yīng)速度快、可控性高、價(jià)格合理且技術(shù)成熟，因此采用STD法對(duì)電流值進(jìn)行控制[5]。利用STD法對(duì)單個(gè)充電樁入網(wǎng)電流進(jìn)行濾波后的波形如圖2所示。

圖2 濾波后A相電流波形

從圖2可以看出，使用STD法進(jìn)行濾波后的電流波形有了很大的優(yōu)化，幾乎與正弦形態(tài)相近，電流的波動(dòng)趨勢(shì)也大幅下降，濾波效果十分明顯。

1.2 設(shè)計(jì)配電網(wǎng)的準(zhǔn)入目標(biāo)

根據(jù)充電樁入網(wǎng)電流值，設(shè)計(jì)配電網(wǎng)的準(zhǔn)入目標(biāo)。為了保證配電網(wǎng)可以安全運(yùn)行，所有的用電設(shè)備都需要進(jìn)行安全設(shè)定，不能因單體存在的安全風(fēng)險(xiǎn)影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。根據(jù)配電網(wǎng)電力質(zhì)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，設(shè)計(jì)電壓的最大偏差量和波動(dòng)電流的最大值。為了確保配電網(wǎng)能夠安全可靠地運(yùn)行，充電樁接入電網(wǎng)時(shí)應(yīng)保證電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓偏差量不超過其最大規(guī)定值，即

式中：ΔUj為節(jié)點(diǎn)電壓偏差量；Uj為節(jié)點(diǎn)電壓；UM為電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電壓值；n為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)；ΔUmax為配電網(wǎng)所規(guī)定的節(jié)點(diǎn)電壓偏差最大值[6]。充電樁接入電網(wǎng)時(shí)，向接入節(jié)點(diǎn)注入的波動(dòng)電流應(yīng)不超過所允許的最大值，各波動(dòng)電流的含有量應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，即

式中：THDj為波動(dòng)電流含有量；l為波動(dòng)次數(shù)；H為震蕩電流值；THDjmax為總波動(dòng)電流形變率。由于直流充電樁接入電網(wǎng)所產(chǎn)生的波動(dòng)電流相對(duì)于震蕩電流的含量較少，且高頻率波動(dòng)含量相對(duì)于低頻率波動(dòng)次數(shù)可忽略不計(jì)，因此本文只研究不高于18次的波動(dòng)電流[7]。配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性也是電力系統(tǒng)無功規(guī)劃任務(wù)之一，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是配電網(wǎng)的損耗率，主要指有功損耗。含有充電樁的配電網(wǎng)有功損耗率φ的計(jì)算公式為

式中：φ表示配電網(wǎng)的有功損耗率；p1表示電網(wǎng)負(fù)載；pe表示充電樁入網(wǎng)的有功功率；pspend為配電網(wǎng)的有功損耗。有功損耗為

式中：i為配電網(wǎng)支路的編號(hào)；Ii為第i號(hào)支路的電流量；Rq為第i號(hào)支路的電阻值。研究電網(wǎng)接納充電樁入網(wǎng)能力的大小就是研究在滿足電網(wǎng)電力質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和電網(wǎng)流通量限制的前提下同時(shí)接入配電網(wǎng)充電樁的最大負(fù)荷是多少，由于配電網(wǎng)的大功率充電是通過充電樁接入電網(wǎng)的，因此確定最大的充電負(fù)荷可以轉(zhuǎn)化為確定接入電網(wǎng)的充電樁數(shù)量。

1.3 設(shè)計(jì)配電網(wǎng)無功規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)配電網(wǎng)中的充電樁準(zhǔn)入目標(biāo)，設(shè)計(jì)無功規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)。為了更明顯地體現(xiàn)出規(guī)范方法降低損耗的能力，采用規(guī)劃方法的總收益作為目標(biāo)函數(shù)[8]。構(gòu)建設(shè)備損耗率、配電網(wǎng)設(shè)備壽命與規(guī)劃方案的收益模型為

式中：Sp為每年的無功規(guī)劃收益；ΔPspend為有功損耗的減少值；t為最大負(fù)荷的持續(xù)時(shí)間；β為電價(jià)；Sw為每年的維護(hù)費(fèi)用，一般取投資費(fèi)用的8%；Sv為電壓超越限制的多余費(fèi)用；α為等額分配的折算系數(shù)；Sc為配電網(wǎng)設(shè)備的投入資金?？紤]充電樁入網(wǎng)做功、不做功的順序性，設(shè)計(jì)配電網(wǎng)減少的有功損耗計(jì)算公式為

式中：Δpn為第n種做功狀態(tài)時(shí)配電網(wǎng)無功前后的有功損耗減少值；ηn為第n種做功狀態(tài)的頻率[9,10]。根據(jù)做功情況分別計(jì)算電壓超越限制的費(fèi)用，再進(jìn)行權(quán)重處理，具體計(jì)算公式為

式中：KV為電壓超越限制的指數(shù)；m為配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

為了證明本文設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性，根據(jù)設(shè)計(jì)的規(guī)劃函數(shù)，采用C++語言設(shè)計(jì)配電網(wǎng)無功規(guī)劃模型。以配電網(wǎng)的無功規(guī)劃為基礎(chǔ)，該配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)0為結(jié)構(gòu)平衡節(jié)點(diǎn)，充電樁的接入點(diǎn)為計(jì)算機(jī)控制節(jié)點(diǎn)，其他為無載體節(jié)點(diǎn)。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的無功規(guī)劃方法的優(yōu)點(diǎn)，將傳統(tǒng)無功規(guī)劃方法和本文設(shè)計(jì)規(guī)劃方法進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)中，上層節(jié)點(diǎn)的電壓取11.2 kV，配電網(wǎng)設(shè)備的使用期限為12年，電價(jià)取0.46元/（kW·h），無功規(guī)劃的固定投資費(fèi)用為10 000元，維護(hù)成本取初始投入資金的8%，資金的變現(xiàn)率為7%。最大負(fù)荷需求時(shí)間取4 000 h，規(guī)劃容量為10的整數(shù)倍。利用無功規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)對(duì)本文方法及傳統(tǒng)方法進(jìn)行進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，迭代次數(shù)的最大值為380次，2種方法的對(duì)比結(jié)果及投入成本如表1所示。

表1 2種方法的規(guī)劃結(jié)果及投入成本

從表1可以看出，充電樁的入網(wǎng)操作能明顯減少配電網(wǎng)的有功損耗，配電網(wǎng)設(shè)備的投入資金減少了2.46萬元。合理安裝無功補(bǔ)償變電器組能降低配電網(wǎng)的損耗，以總收益最大為目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)了規(guī)劃方案，能使收益最大化。

3 結(jié) 論

利用充電樁做功和不做功出力狀態(tài)設(shè)計(jì)配電網(wǎng)無功規(guī)劃方法，考慮配電網(wǎng)負(fù)荷情況與充電樁入網(wǎng)輸送能力，能夠更有效地增強(qiáng)無功設(shè)計(jì)的合理性。通過分析充電樁入網(wǎng)情況下的規(guī)劃方法，其函數(shù)和方法也可應(yīng)用于其他接入電源或多種接入電網(wǎng)的配電網(wǎng)無功規(guī)劃研究。