無功電壓優(yōu)化對新能源消納的影響

:大規(guī)模風電和光伏接入電力系統(tǒng)將會加劇配電網(wǎng)節(jié)點的電壓波動，而無功電壓優(yōu)化能有效改善系統(tǒng)的電壓水平。新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學）、國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院的研究人員劉華志、李永剛、王優(yōu)胤、張曉天、曹南君，在2019年《電工技術(shù)學報》增刊2上撰文，建立了無功優(yōu)化對配電網(wǎng)電壓和新能源消納的影響模型。研究表明，該模型可以起到改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量，提高消納能力的作用。

近幾年來，風電和光伏等分布式電源（Distributed Generation, DG）的發(fā)展十分迅速，呈現(xiàn)井噴式增長，給電網(wǎng)帶來了許多問題。DG出力的隨機性、不確定性以及與負荷的不匹配特性都會對系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生影響，其安裝位置的隨機性會改變電網(wǎng)的潮流，進而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

目前對于新能源并網(wǎng)的無功優(yōu)化已開展了較多研究。對于含有新能源的無功優(yōu)化控制既要考慮DG和無功補償裝置的無功出力的連續(xù)控制，又要考慮新能源的不確定性。

有學者將風電和光伏的有功無功輸出能力與傳統(tǒng)有功無功優(yōu)化方式相配合，利用場景縮減方法，實現(xiàn)了配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。

有學者側(cè)重分析了含光伏配電網(wǎng)的有功無功資源，利用二層規(guī)劃分別將光和電容器的狀態(tài)變量和出力分為上下層優(yōu)化變量，通過發(fā)掘光伏的無功調(diào)節(jié)潛力，對配電網(wǎng)的經(jīng)濟性和安全性進行了優(yōu)化。新能源并網(wǎng)后，對配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)模式產(chǎn)生了一定的影響，分布式電源有功出力的隨機性變化超過了無功調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)速度，可能會導(dǎo)致電壓的越限運行。

有學者以有功網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標，利用錐松弛等原理構(gòu)造了含分布式能源的配網(wǎng)無功優(yōu)化模型，保證了新能源消納的同時配網(wǎng)的網(wǎng)損最小。

有學者分析了多種新能源接入電網(wǎng)的無功電壓控制，但是缺少了對新能源消納的分析。

有學者提出適用于主動配電網(wǎng)的無功電壓全局優(yōu)化控制策略，建立了無功電壓全局優(yōu)化控制模型，使用多目標優(yōu)化的方法，實現(xiàn)了無功潮流分布。

大多數(shù)無功優(yōu)化的研究都是采用多目標非線性優(yōu)化方法。多目標可以同時考慮多個問題，更符合實際，但是多目標之間存在相互影響，不同目標之間的權(quán)重取舍會在一定程度上影響優(yōu)化結(jié)果。

部分學者考慮了分布式電源對配電網(wǎng)電壓波動的影響。有學者通過增大短路容量削弱光伏電源對配電網(wǎng)電壓波動的影響，提高了光伏的接入容量。有學者建立了分布式光伏的消納模型，通過使用調(diào)壓措施，有效地提高了光伏的消納，并對多種調(diào)壓方式進行了對比。

新能源一般運行在最大功率點跟蹤方式，不參與系統(tǒng)動態(tài)調(diào)壓。但是新能源會受反調(diào)峰特性、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受限、系統(tǒng)消納水平低等因素的影響而被迫棄光棄風，新能源的裝機容量并沒有得到完全利用，仍然蘊含著發(fā)送大量無功的潛力，如果能將這部分無功合理運用，將能夠提高全網(wǎng)電壓水平，進而提升系統(tǒng)對新能源的消納能力。

考慮到系統(tǒng)中，除了DG具有一定無功調(diào)節(jié)能力外，還有諸多無功補償設(shè)備，這些無功補償設(shè)備均能達到提升電壓、提高新能源消納的效果。傳統(tǒng)消納問題并沒有考慮到無功電壓優(yōu)化對消納的提升，因此，如果能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化新能源無功余量與無功補償設(shè)備無功容量，達到提升系統(tǒng)電壓水平及系統(tǒng)消納水平的目的，將具有重要意義。

目前，大多數(shù)文獻都是針對含有分布式電源的配電網(wǎng)利用系統(tǒng)中的無功補償設(shè)備進行電壓優(yōu)化，缺乏優(yōu)化這一過程對電網(wǎng)電壓水平和新能源消納能力影響的研究。

新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學）、國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院的研究人員提出了以電壓質(zhì)量為目標的無功電壓優(yōu)化模型，利用單目標來驗證優(yōu)化前后的影響。采用智能粒子數(shù)控制的粒子群（Particle Swarm Optimization, PSO）算法進行求解。常規(guī)的粒子群算法結(jié)構(gòu)簡單，但收斂速度較慢，采用智能粒子數(shù)控制可以節(jié)省優(yōu)化所需時間。

圖1 算法流程

研究人員首先對雙饋風機的無功調(diào)節(jié)能力進行分析，建立了無功優(yōu)化對配電網(wǎng)電壓和新能源消納的影響模型?？紤]到風電和光伏等分布式電源存在一定的無功余量，具有一定無功調(diào)節(jié)能力，利用這些無功余量進行無功優(yōu)化，將節(jié)點電壓和額定電壓偏差的方差作為目標，建立了無功電壓的優(yōu)化模型。在常規(guī)粒子群算法基礎(chǔ)上，使用智能粒子數(shù)控制提高計算效率。最后，通過IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)對模型進行了多場景仿真分析，結(jié)果表明所提出的無功電壓優(yōu)化模型可以起到改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量，提高消納能力的作用。

在高滲透率場景下，系統(tǒng)可以利用風電光伏的無功余量對系統(tǒng)電壓水平進行優(yōu)化，在提高系統(tǒng)電壓水平的同時保證新能源的消納。新能源接入的位置不同，無功電壓優(yōu)化對其消納的影響也不同。

研究人員表示，光伏和風電等可再生能源的迅速發(fā)展，將逐漸取代傳統(tǒng)的能源發(fā)電，其并網(wǎng)和系統(tǒng)對它們的消納能力必將成為新能源發(fā)電研究的重點。如果能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)無功電壓優(yōu)化與新能源接入的關(guān)系，達到提升系統(tǒng)電壓水平及系統(tǒng)消納水平的目的，將具有重要意義。將風機的無功余量考慮到模型中，針對新能源出力的波動性，可以對一年的數(shù)據(jù)進行分析計算，將其季節(jié)特性加入對電網(wǎng)的影響。