摘 要：隨著新能源技術(shù)發(fā)展，以光伏為主的分布式電源應(yīng)用廣泛，光伏與配電網(wǎng)相結(jié)合具有降低能耗、提高電力系統(tǒng)的靈活性。光伏接入配電網(wǎng)后，其隨機(jī)性和間歇性會(huì)對(duì)線路損耗和電壓分布造成影響，因此需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無功控制，以保障其安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本文建立了光伏及負(fù)荷數(shù)學(xué)模型，模擬了電網(wǎng)負(fù)荷變化情況，提出了一種基于電壓無功解耦控制技術(shù)，進(jìn)行配電網(wǎng)無功補(bǔ)償，有效降低了光伏接入的負(fù)面影響，利用無功補(bǔ)償和諧波治理提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。該方法的推廣應(yīng)用為用電設(shè)備的正常運(yùn)行提供了重要保障，有效提升了電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：光伏；配電網(wǎng)；無功補(bǔ)償；分布式電源

中圖分類號(hào)：TM 714 " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著分布式電源迅速發(fā)展，以光伏為主的新能源并網(wǎng)不僅提高了電力系統(tǒng)供電的靈活性，而且增加了配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，會(huì)影響電壓分布和線路損耗。目前，分布式光伏電源接入的配電網(wǎng)普遍存在無功分布不均、補(bǔ)償效果不明顯等問題，為了解決光伏接入引起的配電網(wǎng)電壓質(zhì)量問題，需要對(duì)其進(jìn)行無功補(bǔ)償和優(yōu)化，從而保證配電網(wǎng)高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。

目前，配電網(wǎng)一般采用靜止無功發(fā)生器和電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償。對(duì)光伏發(fā)電接入的配電網(wǎng)來說，不同線路的電壓無功分布也有所區(qū)別。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償方法無法滿足實(shí)際需求，為了研究光伏接入配電網(wǎng)系統(tǒng)無功補(bǔ)償效果，需要對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行建模。另外，配電網(wǎng)無功補(bǔ)償效果還與系統(tǒng)負(fù)荷有一定關(guān)系，為了得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果，需要結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行建模。綜上所述，為了保證光伏接入配電網(wǎng)穩(wěn)定工作，需要開發(fā)一種新的控制策略進(jìn)行配電網(wǎng)無功補(bǔ)償[1]。本文結(jié)合光伏發(fā)電的特點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷類型，采用電壓和無功解耦控制的方法對(duì)配電網(wǎng)無功進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，并結(jié)合具體配電網(wǎng)對(duì)光伏接入后系統(tǒng)的無功補(bǔ)償效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電通過太陽能基板捕獲太陽能，并利用交直流變換器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。交直流轉(zhuǎn)換包括DC/DC變換器和DC/AC變換器，其中光伏基板的直流電壓經(jīng)過DC/DC變換器進(jìn)行升壓，可以進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，利用DC/AC變換器控制光伏發(fā)電并網(wǎng)。當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行并且光伏有功功率和負(fù)載需求均較大時(shí)，配電網(wǎng)向并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)輸送的功率較小，其電壓偏離值也較小，光伏逆變器可以根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行功率補(bǔ)償，當(dāng)電壓超限時(shí)，會(huì)吸收無功功率對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

光伏發(fā)電受光照強(qiáng)度、環(huán)境等因素影響，其功率具有間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)。由于光伏發(fā)電功率具有隨機(jī)波動(dòng)性，因此光伏接入配電網(wǎng)后會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓和潮流分布造成影響。為了保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)無功進(jìn)行優(yōu)化[2]。

1.2 光伏發(fā)電模型

由上文可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)利用逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為與配電網(wǎng)電壓同頻率、同幅值的三相交流電壓，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能，其中光伏基板將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能，其功率PDC如公式（1）所示。

（1）

式中：PSTC為標(biāo)準(zhǔn)工況光伏發(fā)電輸出的直流功率；GA、GSTC分別為實(shí)際太陽光輻射度和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下太陽光輻射度；TC為光伏基板的溫度；TSTC為光伏基板的溫度，該溫度一般設(shè)為25℃；CT為光伏基板的溫度系數(shù)。

光伏基板的溫度TC如公式（2）所示[3]。

（2）

式中：Ta為光伏系統(tǒng)所處環(huán)境溫度；NOCT為光伏系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件下基板的溫度；20為20 ℃；800為800 W/m2。

1.3 無功補(bǔ)償

分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)在并網(wǎng)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)電壓超限，利用靜止無功發(fā)生器可以對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行優(yōu)化。與并聯(lián)電容器相比，靜止無功發(fā)生器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果更佳，可以實(shí)現(xiàn)無功功率的快速釋放和吸收。假設(shè)系統(tǒng)電壓為Us，靜止無功補(bǔ)償裝置的電源電壓為Vd，則無功補(bǔ)償功率QSVG如公式（3）所示。

QSVG=-Us2B-UsVd[Gsin（δe-δs）]-Bcos（δe-δs） （3）

式中：B、G分別為等效阻抗的電導(dǎo)和電納；δe和δs分別為靜止無功發(fā)生器和電網(wǎng)電壓的相角。

判斷并網(wǎng)點(diǎn)電壓是否超限，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)因系統(tǒng)故障或者負(fù)荷突變而導(dǎo)致電壓下降時(shí)，優(yōu)先進(jìn)行電壓補(bǔ)償；當(dāng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，進(jìn)行無功電流補(bǔ)償[4]。

2 負(fù)荷數(shù)學(xué)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受光照和環(huán)境等因素影響會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，而配電系統(tǒng)用電設(shè)備多樣且具有時(shí)變性。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷會(huì)影響其補(bǔ)償效果。系統(tǒng)負(fù)荷是由時(shí)變負(fù)荷和恒定負(fù)荷構(gòu)成的，為了保證無功補(bǔ)償?shù)男Ч?，需要建立?fù)荷的數(shù)學(xué)模型，并與光伏發(fā)電模型相結(jié)合，進(jìn)行配電網(wǎng)電壓無功分析。

2.1 恒定負(fù)荷

恒定負(fù)荷即功率恒定的負(fù)荷。在電壓給定的條件下，負(fù)荷使用時(shí)間及其供電電壓決定其消耗電能的量，因此可以構(gòu)建使用時(shí)間和供電電壓的函數(shù)，從而對(duì)其進(jìn)行表達(dá)。這類負(fù)荷消耗的功率保持不變并且沒有溫度控制回路，例如電視機(jī)、風(fēng)扇和電燈等用電設(shè)備。在供電電壓小的條件下，這類負(fù)荷消耗的電能較小，利用ZIP模型模擬負(fù)荷的功率變化，從而模擬恒定負(fù)荷電壓響應(yīng)[5]，分別如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：Qi（Va）、Pi（Va）分別為第i個(gè)負(fù)荷消耗的無功功率和有功功率；Va為配電線路的電壓；Vn為額定電壓；Sn為額定視在功率；I%、Z%和p%分別為恒電流、恒阻抗和恒功率部分在系統(tǒng)負(fù)荷中所占的比例；Ipf、Zpf和Ppf分別為負(fù)荷中恒電流、恒阻抗和恒功率部分所對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)。

由公式（4）、公式（5）可知，不同的系統(tǒng)負(fù)荷會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)效果產(chǎn)生一定影響，當(dāng)采用電壓控制進(jìn)行系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)時(shí)，恒阻抗負(fù)荷調(diào)節(jié)效果最佳，其次是恒電流負(fù)荷。對(duì)恒功率負(fù)荷來說，采用電壓控制進(jìn)行功率損耗調(diào)節(jié)的效果最差[6]。

2.2 時(shí)變負(fù)荷

與恒定負(fù)荷相比，時(shí)變負(fù)荷通常具有溫度控制回路，例如電冰箱、熱水器等用電設(shè)備。對(duì)該類負(fù)荷來說，當(dāng)其供電電壓發(fā)生變化時(shí)，負(fù)荷所消耗的電能也會(huì)隨之變化，因此將此類用電設(shè)備稱為時(shí)變負(fù)荷。對(duì)時(shí)變負(fù)荷來說，需要采用控制策略對(duì)其消耗的電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證消耗的電功率滿足控制需求[7]。

3 配電網(wǎng)電壓無功控制策略

分布式光伏發(fā)電電源接入后會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的電壓和功率產(chǎn)生影響，為了保證配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，通過電壓無功解耦控制進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理，采用電壓控制的方法將負(fù)荷側(cè)電壓調(diào)節(jié)為ANSI電壓標(biāo)準(zhǔn)要求的較低值。該方法實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)無功功率和電壓的解耦控制，同時(shí)有效降低了系統(tǒng)無功能量消耗。其控制策略包括電壓控制和無功控制2個(gè)部分。

3.1 光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的影響

配電網(wǎng)不同電壓等級(jí)的線路參數(shù)特點(diǎn)具有一定差異性，其中低壓線路電阻遠(yuǎn)大于電抗，通常表現(xiàn)為電阻特性，線路電抗帶來的影響可以忽略不計(jì)。而中、高壓線路電阻遠(yuǎn)小于電抗，通常表現(xiàn)為電抗特性，線路電阻帶來的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)于小容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于線路線徑較小并表現(xiàn)為電阻特性，因此配電線路電抗的影響可以忽略，線路電壓降如公式（6）所示。

（6）

式中：dU為線路電壓降；U為配電線路的末端電壓；ΔU和δU分別為電壓降的縱向分量和橫向分量；j為虛數(shù)單位；P、Q分別為配電線路終端輸出的有功功率和無功功率；R為配電線路的電阻。

由公式（6）可知，線路末端輸出的無功功率對(duì)電壓降的橫、縱2個(gè)方向的分量，均有影響，因此對(duì)于光伏接入的配電網(wǎng)，電壓降受無功功率和有功功率2個(gè)方面的影響[8-9]。

3.2 電壓控制策略

電壓控制策略由以下4個(gè)步驟構(gòu)成。1） 采集配電網(wǎng)線路末端電壓值，并提取其最小值Vend。2） 測(cè)量變電站端口電壓V0，并計(jì)算其與配電網(wǎng)線路末端電壓最小值的差值VD，所得結(jié)果為二者間的電壓降，如公式（7）所示。3） 將公式（7）的結(jié)果與給定的電壓降VD*進(jìn)行比較，通過二者間的關(guān)系判定電壓帶寬Vbw，將帶寬給定值設(shè)定為Vbw1和Vbw2，如公式（8）所示。4） 將期望電壓設(shè)定為Vset，將其與配電網(wǎng)線路末端電壓最小值進(jìn)行比較。當(dāng)系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)壓器分接頭tap如公式（9）所示。當(dāng)系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)壓器分接頭tap如公式（10）所示。

VD=V0-Vend " " " " " （7）

（8）

（9）

（10）

3.3 無功控制策略

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行在設(shè)定的功率因數(shù)上，需要對(duì)其無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。采用電容器對(duì)其投切邏輯進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)男Ч^好，具體如下所示。1） 配電網(wǎng)中電容器進(jìn)行投切操作前，按照容量大小原則對(duì)電容器進(jìn)行排序，優(yōu)先投入大容量的電容器，同時(shí)保證其切除時(shí)間最晚。對(duì)容量相同的電容器來說，根據(jù)其與變電站間的距離，對(duì)其投切時(shí)序進(jìn)行判定，先投入距離較遠(yuǎn)的電容器最后將其切除。2） 為了保證系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)目煽啃?，需要?duì)電容器的投切邏輯進(jìn)行優(yōu)化，其動(dòng)作判據(jù)如公式（11）所示。

（11）

式中：Qi為第i個(gè)電容器消耗的無功功率；d1和d2分別為抑制系統(tǒng)震蕩而進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南禂?shù)；Qci為第i個(gè)電容器的額定容量；SWi為第i個(gè)電容器的開關(guān)狀態(tài)；CLOSED為關(guān)；OPEN為開。

4 算例分析

結(jié)合某配電網(wǎng)具體運(yùn)行情況，根據(jù)實(shí)際參數(shù)，采用GridLAB-D仿真軟件對(duì)本文所提的無功補(bǔ)償技術(shù)運(yùn)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，將仿真時(shí)間設(shè)定為1 d，步長為1 s。模擬負(fù)荷變化，驗(yàn)證電壓無功控制策略。在配電線路增加用戶節(jié)點(diǎn)，并配置相關(guān)用電設(shè)備。為了準(zhǔn)確模擬負(fù)荷變化，并分析一段時(shí)間內(nèi)電壓無功的控制效果，負(fù)荷模型采用ZIP模型根據(jù)公式（4）、公式（5）并結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)對(duì)負(fù)荷的功率變化進(jìn)行模擬。為了模擬光伏電源并網(wǎng)，在每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)處加入光伏發(fā)電設(shè)備。

配電網(wǎng)加入光伏發(fā)電設(shè)備后，將其負(fù)荷側(cè)的供電電壓目標(biāo)值設(shè)為117 V，并允許其在[115 V，121 V]波動(dòng)。結(jié)合負(fù)荷電壓變化情況，對(duì)光伏電源接入的配電網(wǎng)采用電壓無功控制（Volt/Var control，VVC）算法。算法實(shí)施過程中的電壓控制流程按照公式（7）～公式（10）進(jìn)行，無功控制過程中的電容器投切邏輯按照公式（11）進(jìn)行判斷。對(duì)算法加入前、后的電壓變化曲線進(jìn)行仿真，如圖2所示。

由負(fù)荷電壓變化曲線可知，配電網(wǎng)加入電壓無功控制算法后，負(fù)荷電壓在設(shè)定電壓117 V上、下波動(dòng)，與未加入該算法時(shí)的電壓相比幅值降低，電壓控制效果明顯，滿足控制需求。配電網(wǎng)線路無功能耗平均值見表1。

由表1可知，配電網(wǎng)接入光伏發(fā)電設(shè)備后，采用電壓無功控制算法的配電網(wǎng)線路無功能量損耗比之前下降了1.4%。

由上述分析可知，對(duì)光伏電源接入的配電網(wǎng)采用電壓無功控制策略，可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷類型和大小控制節(jié)點(diǎn)處電壓，并可以有效降低配電線路無功能量損耗，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)無功補(bǔ)償，保障電力系統(tǒng)的安全并使其穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

分布式光伏發(fā)電電源接入配電網(wǎng)后，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)造成較大影響，為了保證配電網(wǎng)及其用電設(shè)備的正常運(yùn)行，本文采用電壓無功解耦控制進(jìn)行配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償，同時(shí)還可以有效治理其諧波。首先，本文對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷是否具有溫控回路，對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行分類，并搭建其數(shù)學(xué)模型。其次，對(duì)電壓無功解耦控制策略進(jìn)行研究，并對(duì)該策略的電壓控制和無功控制進(jìn)行詳細(xì)介紹。最后，利用GridLAB-D仿真軟件并結(jié)合具體算例，對(duì)本文所提的配電網(wǎng)無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在該算法下，可以利用無功調(diào)節(jié)進(jìn)行功率補(bǔ)償，有效降低了光伏電源接入配電網(wǎng)帶來的負(fù)面影響，同時(shí)提高了配電網(wǎng)諧波水平，為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要保證。仿真結(jié)果驗(yàn)證了電壓無功解耦控制算法具有較好的控制效果和良好的適用性。

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