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介紹了基于電壓靈敏度分析的電壓控制原理;在此基礎(chǔ)上,綜述了低壓配電網(wǎng)中基于有功調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)、分接頭調(diào)節(jié)以及多設(shè)備協(xié)調(diào)的電壓控制方法;評述了以上方法的適用場景、優(yōu)勢以及不足;總結(jié)了當(dāng)前研究所面臨的挑戰(zhàn)并展望了低壓配電網(wǎng)電壓控制新趨勢。
蔡永翔, 唐巍, 徐鷗洋, 張璐
0 引言
隨著全球經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展,能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻問題[1-5],這也推動了可再生能源發(fā)電的研究和發(fā)展,光伏發(fā)電在眾多可再生能源資源中占有十分重要的地位。從2005年后光伏的并網(wǎng)裝機(jī)容量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢[6],預(yù)計(jì)到2040年前后光伏發(fā)電在所有可再生能源發(fā)電中的比重將達(dá)到最大[7]。
光伏分散式并網(wǎng)及其電能的就地消納已經(jīng)成為趨勢[8-9]。以歐洲為例,根據(jù)歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會的報告,2012至2014年歐盟的光伏裝機(jī)總量超過 70 GW,其中超過70%為屋頂光伏項(xiàng)目。從國內(nèi)情況來看,根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》以及《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)當(dāng)遵循分散開發(fā)、就近消納為主的原則。當(dāng)前,我國低壓配電網(wǎng)戶用光伏并網(wǎng)數(shù)量快速增長,并網(wǎng)容量也不斷提高。
由于戶用光伏本身具有隨機(jī)性、間歇性和波動性,高比例光伏并網(wǎng)后會造成網(wǎng)絡(luò)面臨諸多風(fēng)險,例如網(wǎng)絡(luò)電壓越限和波動風(fēng)險加劇[12-15]、三相不平衡的問題更加突出[16-17]、網(wǎng)絡(luò)中的諧波含量增加[18]以及以及配電網(wǎng)保護(hù)誤動作[19]。由于電壓幅值的高低直接影響用戶的正常用電,以上眾多風(fēng)險中電壓越限是影響光伏消納最重要的因素之一[13, 20-21],因此研究含高比例戶用光伏低壓配電網(wǎng)中的電壓控制問題具有十分重要的價值和意義。
盡管低壓戶用光伏在國內(nèi)的發(fā)展速度非常迅速,但是在電壓控制的研究上與國際先進(jìn)水平相比還略顯滯后。因此,本文對國內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)和梳理,首先分析了高比例戶用光伏的并網(wǎng)特征及其對網(wǎng)絡(luò)電壓的影響,介紹了基于電壓靈敏度的低壓配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)原理,并以此為基礎(chǔ)分析了低壓配電網(wǎng)基于有功、無功、分接頭設(shè)備以及多種設(shè)備協(xié)調(diào)的電壓控制方法,對其特征、適應(yīng)場景和不足之處加以評述,同時還展望了低壓配網(wǎng)中的電壓控制發(fā)展方向,以供相關(guān)研究者借鑒和參考。
1 高比例戶用光伏的并網(wǎng)特征及其對電壓的影響分析
潮流單向流動是傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)的基本特征。低壓配電網(wǎng)有以下兩個顯著的特點(diǎn)：1)線路r/x較高[22-23];2)輻射狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[24]。由于低壓線路r/x較高,有功-相角和無功-電壓的解耦關(guān)系不再存在,即有功和無功均能對電壓造成比較顯著的影響;由于低壓配電網(wǎng)多為輻射狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)中電能從配電變壓器輸送到用戶,潮流單向流動,造成電壓從配變母線開始沿饋線逐漸降低[25-26]。
用戶光伏通常分散接入低壓配電網(wǎng)的各節(jié)點(diǎn),其并網(wǎng)功率若不能完全由本地負(fù)荷利用將會導(dǎo)致反向潮流和電壓升高[14]。戶用光伏接入的比例越高,則反向潮流越顯著,節(jié)點(diǎn)電壓甚至?xí)缴舷?同時也會造成網(wǎng)損急劇增加[27]。由于低壓居民用戶的負(fù)荷特性與光伏發(fā)電功率特性不一致,負(fù)荷高峰時段與光伏功率高峰時段不重疊,導(dǎo)致低壓電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓變化明顯,在白天光伏發(fā)電功率過剩時段將會出現(xiàn)過電壓,而在夜間重負(fù)荷時段則會出現(xiàn)欠電壓。按照GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》的規(guī)定,低壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差應(yīng)不高于標(biāo)稱電壓的7%且不低于標(biāo)稱電壓的10%。
電壓波動顯著是含高比例戶用光伏低壓配電網(wǎng)的另一特點(diǎn)。受太陽輻照強(qiáng)度、溫度以及云層等因素影響,光伏并網(wǎng)功率會發(fā)生突變,從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓明顯波動;由于戶用光伏產(chǎn)權(quán)屬于用戶,不受配電公司管轄,其隨機(jī)接入或退出將進(jìn)一步增加電網(wǎng)運(yùn)行的不確定性,使得低壓配電網(wǎng)電壓越限和波動的風(fēng)險加劇。GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》規(guī)定：對于隨機(jī)性不規(guī)則的電壓波動,低壓配電網(wǎng)的限值是3%。
2 基于電壓靈敏度的低壓配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)原理
線路的r/x參數(shù)特征是選擇控制手段的重要依據(jù),其中r代表線路電阻,x代表線路電抗。文獻(xiàn)[31]指出配電網(wǎng)線路r/x與電壓靈敏度直接相關(guān),對于r>x的線路,電壓-有功靈敏度數(shù)值大于電壓-無功靈敏度,即有功對電壓的影響更為顯著;對于r<x的線路,電壓-有功靈敏度數(shù)值小于電壓-無功靈敏度,即無功對電壓的影響更為顯著。在低壓配電網(wǎng)中,若線路的r和x相當(dāng),調(diào)節(jié)有功和無功均能實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)電壓的控制[32-33];若r顯著大于x,無功對于電壓的影響可以忽略,并且無功調(diào)節(jié)可能造成線路中出現(xiàn)大量的無功潮流,從而引起網(wǎng)損的增加,采用有功控制電壓才可獲得較好的控制效果[34]。
3 低壓配電網(wǎng)電壓控制方法
低壓配電網(wǎng)中的電壓控制問題亦存在獨(dú)特性。首先,低壓配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)不健全,許多基于完善通信的控制方法在低壓網(wǎng)絡(luò)中難以適用;其次,低壓配網(wǎng)線路類型比較復(fù)雜,r/x較大,其變化范圍也大(表1中r/x范圍為0.716~12.394),單一控制方法難以在不同低壓網(wǎng)絡(luò)中適用;此外,相比于輸電網(wǎng)和中壓配電網(wǎng),低壓配電網(wǎng)的可調(diào)設(shè)備資源更少,設(shè)備的可調(diào)容量和動作性能通常也受限?？刂品椒ūM可能兼顧以上3個問題,同時提高設(shè)備的控制效率是研究的要點(diǎn)。本節(jié)以第2節(jié)的理論分析為基礎(chǔ),對低壓網(wǎng)絡(luò)中的通信情況進(jìn)行簡要介紹,綜述基于有功、無功、分接頭設(shè)備以及多種設(shè)備協(xié)調(diào)的電壓控制方法并對方法特征、適應(yīng)場景和不足之處加以評述。
3.1 低壓配電網(wǎng)中的通信條件
低壓配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)不健全,可靠性較低是普遍存在的情況[13]。由于低壓網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大,維護(hù)難度也大,未來短時間內(nèi)這一現(xiàn)狀無法得到顯著的改善。因此,中壓配電網(wǎng)中一些基于可靠通信的集中控制方法難以在低壓配電網(wǎng)中得到推廣。從當(dāng)前的研究成果來看,多數(shù)的研究是基于無通信或者弱通信假設(shè)進(jìn)行的。圖1是一種低壓配電網(wǎng)中典型的通信模型[35-36],某一節(jié)點(diǎn)只能與相鄰兩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。同時,需要特別注意的是,通信過程中要注意對用戶隱私的保護(hù)。
圖1 常見的低壓配電網(wǎng)通信配置圖
3.2 基于有功的電壓控制方法
3.2.1 光伏并網(wǎng)有功削減
在r顯著大于x的低壓配網(wǎng)中,削減戶用光伏并網(wǎng)功率是一種非常簡單有效的抑制網(wǎng)絡(luò)過電壓的方法,并且可以有助于降低過電壓情形下線路中的有功流動,從而降低網(wǎng)絡(luò)損耗。圖2為一種常用的光伏有功削減曲線,其中,PPV為光伏并網(wǎng)有功,若并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓低于允許電壓上限Vth-OV時,光伏發(fā)電按照最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)功率并網(wǎng);若并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓超過允許電壓上限時,光伏發(fā)電不再按照MPPT功率并網(wǎng),而按照預(yù)定的電壓-有功曲線切除光伏并網(wǎng)有功。多數(shù)研究均以此為基礎(chǔ)提出控制策略[37-39],但是僅僅以防止各節(jié)點(diǎn)電壓不越限為目標(biāo),不考慮各節(jié)點(diǎn)削減量協(xié)調(diào),在執(zhí)行削減和賠償時很難兼顧公平,也很難解釋功率削減的合理性。文獻(xiàn)[22]以電壓靈敏度分析為基礎(chǔ),結(jié)合低壓配電網(wǎng)的輻射狀特性,對不同節(jié)點(diǎn)電壓控制曲線參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計(jì),協(xié)調(diào)目標(biāo)是確保電壓有效控制及每個節(jié)點(diǎn)光伏功率削減的均等性,使得削減和賠償方案更加容易執(zhí)行。然而,通過削減光伏并網(wǎng)有功進(jìn)行電壓控制的策略以減少清潔能源發(fā)電為代價,實(shí)質(zhì)上沒有提高低壓配電網(wǎng)對光伏發(fā)電的消納能力,在夜間也無法對網(wǎng)絡(luò)提供電壓支撐。
圖2 電壓-有功控制曲線
3.2.2 分布式儲能有功調(diào)節(jié)
相比于光伏并網(wǎng)有功,分布式儲能則具有更好的功率和電壓調(diào)節(jié)特性,具備吸收和發(fā)出有功的能力,可以實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)凈功率的削峰填谷和電壓調(diào)節(jié),有助于實(shí)現(xiàn)電能的本地化利用,同樣能一定程度降低網(wǎng)絡(luò)損耗[40]。
從控制的角度上看,控制策略不僅需要考慮儲能的功率輸出,還需要充分考慮儲能本身荷電狀態(tài)(state of ge,SOC)的控制。在中壓配電網(wǎng)中比較理想的解決方案是動態(tài)最優(yōu)潮流[41],但是對網(wǎng)絡(luò)的通信情況和控制器的解算能力提出了較高的要求,這在低壓配電網(wǎng)中是難以實(shí)現(xiàn)的。
在無通信的低壓配電網(wǎng)中,文獻(xiàn)[42]建立了基于模糊邏輯的儲能控制模型,將本地節(jié)點(diǎn)電壓偏移量和儲能SOC同時作為控制輸入量,可以兼顧對節(jié)點(diǎn)電壓和儲能SOC的控制。也有一些研究僅將儲能設(shè)備用于調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)電壓波動[43]和網(wǎng)絡(luò)三相不平衡[44-45],這些應(yīng)用對儲能的容量要求不高,因而儲能SOC的控制相對容易。
在具備弱通信能力的低壓配網(wǎng)中,為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率和儲能SOC的有效控制,一些文獻(xiàn)提出了改進(jìn)的儲能控制策略,包括“分布式+就地”[36, 46]以及“集中+就地”[47-48]的多階段控制策略：首先,在分布式或者集中控制階段選擇參與控制的儲能設(shè)備并且給定參考輸出有功;然后,儲能在就地控制階段根據(jù)自身的SOC情況進(jìn)一步調(diào)整功率輸出;最后,通過分布式(集中)階段和就地階段之間的不斷迭代和調(diào)整直到達(dá)到電壓控制目標(biāo)。
盡管儲能具備多種優(yōu)點(diǎn)并且更多控制策略也不斷涌現(xiàn),但是當(dāng)前儲能的投資和維護(hù)費(fèi)用較高,使用壽命較短。文獻(xiàn)[49-50]均指出推動儲能的應(yīng)用還需要在電力市場中建立合理的輔助服務(wù)機(jī)制,以促進(jìn)儲能設(shè)備更加高效和經(jīng)濟(jì)的使用。
3.3 基于無功的電壓控制方法
在線路r和x數(shù)值相當(dāng)?shù)牡蛪号潆娋W(wǎng)中,光伏逆變器的無功控制是一種有效的電壓調(diào)節(jié)手段,相比于控制光伏有功、分布式儲能有功以及分接頭設(shè)備等,該方案控制經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)[9, 13, 33]。
圖3 逆變器的有功和無功容量曲線
1)基于cosφ(PPV)控制的逆變器無功調(diào)節(jié)。
cosφ(PPV)控制是一種常規(guī)的無功控制方法,旨在限制網(wǎng)絡(luò)電壓的上升和線路中過多的無功流動,德國光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會給出了分布式光伏并網(wǎng)的指導(dǎo)性控制曲線[52],如圖4所示。當(dāng)光伏并網(wǎng)功率超過額定有功的50%時,光伏逆變器吸收無功以避免網(wǎng)絡(luò)電壓的進(jìn)一步升高,同時應(yīng)保證光伏并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)維持在±0.95的范圍內(nèi)。我國的光伏電站并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也有類似的規(guī)定,需要將光伏并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)維持在±0.95的范圍內(nèi)[53]。這種控制方式在光伏并網(wǎng)比例不高時能起到很好的效果,然而在含高比例戶用光伏的低壓配電網(wǎng)中,嚴(yán)格限制光伏的并網(wǎng)功率因數(shù)不利于充分發(fā)揮逆變器的無功調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[13]指出強(qiáng)光照輕負(fù)荷的情況下,網(wǎng)絡(luò)中會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的過電壓風(fēng)險,如果嚴(yán)格限制光伏并網(wǎng)的功率因數(shù),則可能無法動用全部的無功控制容量,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的過電壓風(fēng)險。類似地,文獻(xiàn)[54]指出在夜間無光照重負(fù)荷的情況下,如果嚴(yán)格限制光伏并網(wǎng)的功率因數(shù)則光伏并網(wǎng)無功只能設(shè)置為零,無法對網(wǎng)絡(luò)提供電壓支撐,從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)面臨欠電壓風(fēng)險。文獻(xiàn)[10,54]均指出在強(qiáng)光照高負(fù)荷的情況下,一些固定光伏并網(wǎng)功率因數(shù)的控制方式反而會增加網(wǎng)絡(luò)損耗,造成網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)的劣化。
圖4 cosφ(PPV)控制曲線
2)基于QPV(V)控制的逆變器無功調(diào)節(jié)。
QPV(V)下垂控制是一種非常經(jīng)典的電壓控制方法[55-57],控制曲線如圖5所示。若光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓高于預(yù)先制定的目標(biāo)電壓,光伏逆變器吸收無功以延緩節(jié)點(diǎn)電壓的上升;反之,光伏逆變器注入無功功率以延緩節(jié)點(diǎn)電壓的降低;若并網(wǎng)點(diǎn)電壓達(dá)到網(wǎng)絡(luò)電壓的上限(下限)時,光伏逆變器按最大的無功容量吸收(注入)無功?？紤]到上述策略可能會造成網(wǎng)絡(luò)中不必要的無功流動,文獻(xiàn)[58]對電壓-無功下垂曲線進(jìn)行分段,將圖5中的目標(biāo)電壓設(shè)定為一個區(qū)間,在區(qū)間內(nèi)逆變器無功輸出為零以降低線路中的無功流動,避免不必要的網(wǎng)絡(luò)損耗。文獻(xiàn)[59]則對于網(wǎng)絡(luò)中區(qū)間的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了研究。然而,QPV(V)下垂控制可能出現(xiàn)的電壓穩(wěn)定問題難以預(yù)料和建模分析[60-61],當(dāng)前的很多文獻(xiàn)對于QPV(V)控制的研究是以穩(wěn)態(tài)假設(shè)作為基礎(chǔ),對控制過程中可能出現(xiàn)的電壓穩(wěn)定問題探討較少[9]。
圖5 電壓-無功控制曲線
3.4 基于配變分接頭的電壓控制方法
配變分接頭調(diào)節(jié)是一種有效的電壓控制方法,在國內(nèi)通常不考慮對于分接頭進(jìn)行調(diào)整,但是在國際上,特別是歐洲一些國家將分接頭調(diào)節(jié)作為低壓配電網(wǎng)中非常重要的電壓調(diào)節(jié)手段[62],以電力電子設(shè)備為基礎(chǔ)的固態(tài)分接頭變壓器在低壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用也開始受到關(guān)注。
通過分接頭進(jìn)行電壓控制的關(guān)鍵在于分接頭的調(diào)節(jié)能夠兼顧不同低壓饋線的電壓分布情況,同時避免頻繁的分接頭調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[63]提出了一種基于規(guī)則的分接頭控制策略,圖6是一個含3條低壓配電饋線的低壓配電網(wǎng),在每條線路末端以及OLTC控制器處安裝電壓通信設(shè)備,每條饋線將末端電壓上傳至OLTC控制器,控制器篩選出最大電壓和最小電壓,通過規(guī)則的判斷選出合適的分接頭動作策略,如最大電壓和最小電壓均出現(xiàn)越上限的情況,分接頭則調(diào)節(jié)首端電壓下降,而最大電壓越上限,最小電壓越下限則分接頭不動作。這種控制策略能夠?qū)Σ煌伨€的電壓情況進(jìn)行綜合判斷,從而避免不必要的分接頭動作,同時所需要的通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少。文獻(xiàn)[35]的OLTC控制思路也類似,進(jìn)一步指出OLTC的動作應(yīng)當(dāng)設(shè)置一定的控制延遲,避免不必要的分接頭動作。為了避免對通信的依賴,文獻(xiàn)[20]則提出了一種基于饋線參數(shù)和功率分布特征的遠(yuǎn)端電壓估計(jì)方法,在無通信的情形下也能比較準(zhǔn)確的估算出各饋線的末端電壓。
圖6 基于遠(yuǎn)端量測的分接頭控制模型
3.5 多種設(shè)備綜合協(xié)調(diào)的控制方法
對于光伏并網(wǎng)比例較高、線路r/x偏高及線路較長的低壓配電網(wǎng),往往需要同時采用光伏逆變器、儲能、OLTC以及DSTATCOM等多種設(shè)備抑制電壓越限和電壓波動。對于光伏逆變器、儲能以及DSTATCOM,由于其基于電力電子技術(shù)則可以頻繁調(diào)節(jié);對于OLTC,考慮到設(shè)備磨損程度較大則不適宜頻繁動作,應(yīng)盡可能降低其動作次數(shù)。通過對對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的分析,各種設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制策略可分為以下3類：
1)按不同設(shè)備的控制目標(biāo)進(jìn)行劃分。
通過對控制目標(biāo)進(jìn)行劃分,可以減弱設(shè)備的控制壓力。文獻(xiàn)[64]提出了分區(qū)控制策略以減輕OLTC的控制壓力,指出OLTC對電壓的靈敏度隨線路長度的增加而降低,末端光伏電壓-無功(電壓-有功)的靈敏度隨線路長度的增加而增加,如圖7所示,將靈敏度相等的節(jié)點(diǎn)作為分區(qū)節(jié)點(diǎn),提高網(wǎng)絡(luò)電壓控制效果的同時降低OLTC控制壓力。文獻(xiàn)[65]給出了OLTC和儲能的協(xié)調(diào)控制方式,指出對于OLTC,無反向潮流情況下控制目標(biāo)應(yīng)為遠(yuǎn)端電壓,潮流反向情況下控制目標(biāo)應(yīng)為變壓器出口電壓;對于儲能設(shè)備,無反向潮流情況下應(yīng)提供功率支持,潮流反向情況下應(yīng)通過吸收功率減弱反向潮流。
圖7 控制區(qū)域確定原理圖
2)按不同設(shè)備的調(diào)節(jié)順序進(jìn)行劃分。
通過對控制順序進(jìn)行劃分,也可以實(shí)現(xiàn)有效的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[35]提出了基于規(guī)則的分布式電壓控制策略,指出網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)越限時,首先應(yīng)調(diào)節(jié)光伏逆變器無功功率,通過光伏逆變器吸收或發(fā)出無功來抑制電壓越上限或下限;其次,再考慮進(jìn)行光伏有功削減。類似地,文獻(xiàn)[66]對儲能和光伏逆變器調(diào)節(jié)的先后次序進(jìn)行了優(yōu)化,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)電壓越限時,優(yōu)先采用光伏逆變器無功進(jìn)行就地電壓調(diào)節(jié),控制無效的情況下再調(diào)節(jié)儲能并網(wǎng)有功。
3)按不同設(shè)備的調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行劃分。
調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性也是制定控制方案需要考慮的重要因素。OLTC的調(diào)節(jié)造成設(shè)備磨損程度比較明顯,并且不能頻繁調(diào)節(jié),因此單次調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)代價較高。光伏、儲能以及DSTATCOM本身具備頻繁的動作特性,但是設(shè)備投資和維護(hù)成本之間的差異也會造成調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性的不同。文獻(xiàn)[40]考慮設(shè)備投資和運(yùn)行維護(hù)成本,基于電壓-有功/無功/分接頭靈敏度矩陣獲得電壓-價格靈敏度矩陣,當(dāng)電壓越限時根據(jù)電壓-價格靈敏度矩陣對各種調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行排序,選擇出最經(jīng)濟(jì)的控制方案。但是目前考慮經(jīng)濟(jì)性因素的控制模型研究還相對較少。
4 低壓配電網(wǎng)電壓控制新技術(shù)展望
從以上的控制綜述可以看出,當(dāng)前已經(jīng)存在一些針對低壓配電網(wǎng)電壓控制的研究成果,但是這些研究仍有一些不足和分析不充分的情形。在系統(tǒng)層面上,還鮮有文獻(xiàn)研究網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的評估和預(yù)警模型,也鮮有文獻(xiàn)從源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)的角度探討控制模型的建立;在控制方法上,現(xiàn)有文獻(xiàn)對于光伏并網(wǎng)場景和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指標(biāo)的考慮還不充分,也少有文獻(xiàn)將輔助服務(wù)的定價問題納入到控制模型中;在設(shè)備層面上,當(dāng)前文獻(xiàn)多關(guān)注光伏逆變器、分布式儲能和OLTC等設(shè)備,對于諸如虛擬同步機(jī)和固態(tài)分接頭變壓器等新型設(shè)備在含高比例戶用光伏低壓配電網(wǎng)中應(yīng)用和控制的研究還有所不足。因此,從系統(tǒng)、控制方法和控制設(shè)備3個層面對低壓配電網(wǎng)電壓控制新技術(shù)進(jìn)行展望。
4.1 低壓配電網(wǎng)電壓越限評估與風(fēng)險預(yù)警研究
當(dāng)前戶用光伏較多的接入農(nóng)村低壓配電網(wǎng),其可控設(shè)備較少、通信條件較差,導(dǎo)致對光伏消納能力較弱,常常需要削減光伏并網(wǎng)功率才能避免電壓越限,造成了資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。因此,應(yīng)根據(jù)負(fù)荷水平、光伏接入比例、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制設(shè)備條件,對低壓配電網(wǎng)光伏消納能力和電壓越限風(fēng)險進(jìn)行評估,幫助有關(guān)部門制定合理的戶用光伏并網(wǎng)計(jì)劃。此外,結(jié)合區(qū)域負(fù)荷變化特征和周期性氣候變化等因素建立風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)則可以進(jìn)一步為有關(guān)部門的管理提供依據(jù)和參考,避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)嚴(yán)重的電壓越限。
4.2 源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)的電壓控制研究
電壓問題出現(xiàn)的根本原因是網(wǎng)絡(luò)對于光伏發(fā)電消納能力不足,即源網(wǎng)荷的協(xié)調(diào)程度還有待提高。首先,并網(wǎng)光伏電源端需要具備一定的有功和無功可控能力,降低對網(wǎng)絡(luò)的影響;其次,網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷應(yīng)當(dāng)具備一定的彈性可調(diào)能力,減小負(fù)荷峰值與光伏發(fā)電峰值的不匹配程度;不僅如此,低壓網(wǎng)絡(luò)中的通信和量測條件應(yīng)當(dāng)不斷完善以提高網(wǎng)絡(luò)自身的協(xié)調(diào)控制能力。當(dāng)前相關(guān)的研究還有待補(bǔ)充。從更宏觀的角度看,戶用光伏的消納問題不僅需要做到局部就地平衡,還應(yīng)當(dāng)考慮區(qū)域間互供和整體消納協(xié)調(diào),如一些學(xué)者已經(jīng)提出在低壓配電網(wǎng)中建立微型能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)想[67],通過多能互補(bǔ)和區(qū)域互聯(lián)提高對光伏的消納能力,從而化解網(wǎng)絡(luò)電壓越限風(fēng)險。
4.3 交直流混合配電網(wǎng)的電壓控制研究
相比于低壓交流配電網(wǎng),低壓直流配電網(wǎng)具有線路損耗小、節(jié)約成本等特點(diǎn),且戶用光伏及儲能也更易于接入,同時具有更好的供電可靠性和電能質(zhì)量[68],一些文獻(xiàn)對于直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),規(guī)劃以及控制問題進(jìn)行了相關(guān)的討論[69-71]。但是,將當(dāng)前的交流網(wǎng)絡(luò)直接轉(zhuǎn)換成直流網(wǎng)絡(luò)尚存在巨大的政策、資金以及技術(shù)挑戰(zhàn),因此,低壓交流配網(wǎng)向低壓交直流混合配網(wǎng)過渡成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢之一,并且有可能在未來長期保持下去。文獻(xiàn)[72]提出一種基于交直流互聯(lián)的低壓配網(wǎng)轉(zhuǎn)供模型,如圖8所示,利用AC/DC換流器將不同負(fù)荷特性的饋線末端連接起來,并且通過變下垂系數(shù)策略調(diào)節(jié)換流器流過功率的大小和方向,使得負(fù)荷特性不同的饋線功率均衡,可以有效化解電壓風(fēng)險。
文獻(xiàn)[73]則提出了交直流線路并行架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖9所示,交直流接口同時入戶,傳統(tǒng)交流網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)負(fù)荷、控制設(shè)備和控制方式不變,戶用光伏以及電動汽車則通過直流饋線并網(wǎng);直流饋線通過首端的儲能控制,還可以穩(wěn)定首端交流母線的電壓,極大的降低了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行風(fēng)險和設(shè)備投資。
圖8 基于交直流混合低壓配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供模型
圖9 交直流線路并行架設(shè)結(jié)構(gòu)
4.4 多目標(biāo)多場景的電壓控制研究
當(dāng)前多數(shù)控制方法的控制目標(biāo)和場景比較單一。一方面,這些文獻(xiàn)重點(diǎn)解決光伏并網(wǎng)后所引起的電壓越上限問題,對于傳統(tǒng)的夜間重負(fù)荷所引起的欠電壓問題以及光伏功率波動所引起的網(wǎng)絡(luò)電壓波動問題考慮還有所欠缺,即控制并沒有充分考慮光伏的運(yùn)行場景。另一方面,也鮮有文獻(xiàn)考慮控制策略對于網(wǎng)絡(luò)損耗和網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)的影響,即控制并沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指標(biāo)。因此,有必要在含有高比例戶用光伏發(fā)電的低壓配電網(wǎng)中建立多場景、多目標(biāo)的控制模型,兼顧網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險的抑制及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指標(biāo)的優(yōu)化。
4.5 考慮經(jīng)濟(jì)性因素的電壓控制研究
當(dāng)前,政策性因素是推進(jìn)戶用光伏并網(wǎng)的主要動力,但最終將會被市場和價格因素所取代。在此背景下戶用光伏消納問題的利益主體將變得多元化,基于一定的價格要素考慮光伏的并網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)電壓控制等問題會更加合理,如可以建立不同利益主體間光伏并網(wǎng)和輔助服務(wù)的博弈及合作模型。在此背景下低壓配網(wǎng)的電壓控制將被賦予經(jīng)濟(jì)和價格屬性,相關(guān)的研究將會對光伏的并網(wǎng)和設(shè)備的高效利用起到促進(jìn)作用,也會對并網(wǎng)政策的完善提供參考和依據(jù)。
4.6 光儲虛擬同步機(jī)建模及電壓控制研究
與經(jīng)過逆變器并網(wǎng)的電源不同,同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)功率具有很大的慣性,避免了并網(wǎng)功率的快速波動。通過對光儲逆變器的參數(shù)設(shè)置以及阻抗匹配,可以使分布式光儲系統(tǒng)具有與同步發(fā)電機(jī)類似的并網(wǎng)特性[74-76]。當(dāng)前文獻(xiàn)對光儲虛擬同步機(jī)建模的研究還有所不足,多采用簡化的網(wǎng)絡(luò)模型并且沒有充分考慮低壓網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)特點(diǎn),光儲虛擬同步機(jī)對網(wǎng)絡(luò)電壓的影響及調(diào)節(jié)作用的研究也較少。因此,相關(guān)的研究還有待補(bǔ)充和完善。
4.7 新型電力電子設(shè)備的研制
一些新型電力電子設(shè)備在低壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用正在受到關(guān)注。固態(tài)分接頭變壓器的分接頭變化不再需要進(jìn)行機(jī)械性的調(diào)整,圖10是固態(tài)分接頭的結(jié)構(gòu)示意圖,通過對晶閘管的開合操作即可調(diào)整變壓器的變比,避免了分接頭的磨損,使得變壓器的變比可以頻繁調(diào)節(jié)[51],這將極大增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的電壓調(diào)節(jié)能力。類似設(shè)備在低壓配網(wǎng)中的應(yīng)用還有待補(bǔ)充和完善。
圖10 含固態(tài)分接頭變壓器的控制原理圖
5 結(jié)語
本文圍繞含高比例戶用光伏低壓配電網(wǎng)電壓控制問題,總結(jié)了戶用光伏在低壓配電網(wǎng)的并網(wǎng)特征及其引起的電壓問題,基于電壓靈敏度理論介紹了當(dāng)前低壓配電網(wǎng)的電壓控制原理。并以此為基礎(chǔ),結(jié)合低壓配電網(wǎng)的通信條件,綜述了基于有功、無功以及分接頭的電壓控制方法,同時對多類設(shè)備的協(xié)調(diào)控制方法也進(jìn)行了介紹,總結(jié)了不同控制方法的使用場景、優(yōu)勢與不足之處。最后,對解決低壓配電網(wǎng)電壓問題的新技術(shù)進(jìn)行了展望,以期能為該領(lǐng)域?qū)淼难芯刻峁┮恍﹨⒖肌?br />
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原標(biāo)題：含高比例戶用光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制研究綜述
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