含高比例戶用光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制研究綜述

: 摘要：戶用光伏的并網(wǎng)和利用對緩解當前的能源和環(huán)境危機具有重要意義,高比例戶用光伏并網(wǎng)所導(dǎo)致的電壓問題成為制約網(wǎng)絡(luò)消納的關(guān)鍵因素。闡述了含高比例戶用光伏低壓配電網(wǎng)中的電壓問題;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)濟加速發(fā)展,能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為當前面臨的嚴峻問題[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)裝機容量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢[6],預(yù)計到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年歐盟的光伏裝機總量超過 70 GW,其中超過70%為屋頂光伏項目。從國內(nèi)情況來看,根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于促進光伏產(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)當遵循分散開發(fā)、就近消納為主的原則。當前,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)面臨諸多風險,例如網(wǎng)絡(luò)電壓越限和波動風險加劇[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：1)線路r/x較高[22-23];2)輻射狀的拓撲結(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)多為輻射狀拓撲結(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,其并網(wǎng)功率若不能完全由本地負荷利用將會導(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)點電壓甚至會越上限,同時也會造成網(wǎng)損急劇增加[27]。由于低壓居民用戶的負荷特性與光伏發(fā)電功率特性不一致,負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)點電壓偏差應(yīng)不高于標稱電壓的7%且不低于標稱電壓的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。受太陽輻照強度、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,其隨機接入或退出將進一步增加電網(wǎng)運行的不確定性,使得低壓配電網(wǎng)電壓越限和波動的風險加劇。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

在含高比例戶用光伏的低壓配網(wǎng)中主要的有功控制手段有光伏本身的有功削減以及分布式儲能的有功調(diào)節(jié)等。無功控制手段有光伏逆變器的無功調(diào)節(jié)、配電網(wǎng)靜止同步補償器(distribution network static synonous compensators,DSTATCOM)的無功調(diào)節(jié)以及并聯(lián)電容器(shunt capacitor,SC)無功調(diào)節(jié)等。其中受到關(guān)注最為廣泛的是光伏逆變器的無功調(diào)節(jié),這是因為這種調(diào)節(jié)方式能高效的利用用戶逆變器的容量[30],不需要額外的設(shè)備投資;而DSTATCOM需要網(wǎng)絡(luò)公司單獨進行投資并且價格昂貴,SC則不能頻繁投切且只能為網(wǎng)絡(luò)提供電壓支撐,不能實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)過電壓的調(diào)節(jié)。分接頭設(shè)備包括帶有載調(diào)壓分接頭(on-load tap changer,OLTC)的變壓器、調(diào)壓器以及固態(tài)分接頭變壓器等,多安裝在首端對全網(wǎng)電壓進行調(diào)節(jié)。

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[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,調(diào)節(jié)有功和無功均能實現(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。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)點只能與相鄰兩節(jié)點進行通信。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。

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)電按照最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)功率并網(wǎng);若并網(wǎng)節(jié)點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)點電壓不越限為目標,不考慮各節(jié)點削減量協(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[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)點電壓控制曲線參數(shù)進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計,協(xié)調(diào)目標是確保電壓有效控制及每個節(jié)點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)有功進行電壓控制的策略以減少清潔能源發(fā)電為代價,實質(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,可以實現(xiàn)對節(jié)點凈功率的削峰填谷和電壓調(diào)節(jié),有助于實現(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)中是難以實現(xiàn)的。

在無通信的低壓配電網(wǎng)中,文獻[42]建立了基于模糊邏輯的儲能控制模型,將本地節(jié)點電壓偏移量和儲能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,為了實現(xiàn)并網(wǎng)功率和儲能SOC的有效控制,一些文獻提出了改進的儲能控制策略,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)整直到達到電壓控制目標。

盡管儲能具備多種優(yōu)點并且更多控制策略也不斷涌現(xiàn),但是當前儲能的投資和維護費用較高,使用壽命較短。文獻[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)機制,以促進儲能設(shè)備更加高效和經(jīng)濟的使用。

3.3 基于無功的電壓控制方法

在線路r和x數(shù)值相當?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)濟性最優(yōu)[9, 13, 33]。

低壓配電網(wǎng)無功控制以就地為主,主流的策略可以分為3種[9, 13]：cosφ(PPV)控制(以光伏并網(wǎng)有功PPV為控制輸入量,調(diào)節(jié)逆變器無功以控制光伏逆變器的并網(wǎng)功率因數(shù)cosφ)、QPV(V)控制(以光伏并網(wǎng)點電壓V作為控制輸入量實現(xiàn)逆變器無功QPV調(diào)節(jié))和QPV(PPV)控制(以光伏并網(wǎng)有功作為控制輸入量實現(xiàn)逆變器無功調(diào)節(jié))。

圖3 逆變器的有功和無功容量曲線

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