含分布式光伏的有源配电网无功电压控制研究

石博隆，丁磊明，杨晓雷，黄金波，刘海琼，鲍 威

（1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；2.国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000；3.浙江大学，杭州 310027）

0 引言

近年来我国分布式光伏发电规模不断扩大，并网容量不断提高，呈现出“点多面广、局部区域高密度并网”的格局[1]。大规模分布式光伏并网，可以提高清洁能源的比重，缓解能源压力和环境问题[2]，但分布式光伏接入配电网后，配电网从严格垂直的辐射式网络变成一个遍布电源的主动配电网，增加了配电网电压控制的难度[1-6]。当光伏发电功率过大且无法全部就地消纳时，其中部分功率将通过线路向系统电网倒送，造成用户侧节点电压越限。用户侧节点电压越限问题已成为限制光伏并网发电系统渗透率提高的重要因素之一[4]。为适应高渗透率、大规模分布式光伏的接入，国内外学者正积极研究主动配电网电压控制方法和策略。

文献[6]分析了单个光伏发电和多个光伏发电接入对辐射式馈线的影响，并仿真验证了光伏发电出力、光伏接入位置、线路参数等因素对馈线电压的影响。文献[7]提出一种改进的模块度函数分区算法，结合无功、有功平衡度指标与区内节点耦合度指标，自动形成最佳分区，对含高比例分布式光伏的配电网进行无功与有功两个层面的光伏集群控制。文献[8]提出配电网分布式电压控制策略，通过光伏系统的无功协调补偿和有功优化缩减实现电压的低成本快速控制。文献[9]提出一种充分挖掘分布式光伏无功能力的多电压层级配电网双层无功电压协调优化控制策略，在多电压层级配电网无功电压协调控制模型中，建立电压分区和主导节点选择模型，采用上层全局优化和下层分区优化的双层协调控制策略。

目前，高渗透率光伏配电网的电压控制策略可分为分散式控制、集中式控制、分布式控制三大类[8-9]。分散式电压控制方式控制响应速度快，投资成本低，但调压能力有限，可调节资源利用不充分；集中式电压控制的目标是实现系统全局优化，可统一调配可控资源，但量测数据量大、通信负担重且投资成本较高；分布式电压控制具有良好的自治性和适应性，相对于集中控制，系统投资少，通信数据量降低，能够充分发掘分布式光伏系统的调压能力。综上所述，分布式电压控制方法投资少，效率高，具有更好的优越性。

本文分析了分布式光伏电源接入配电网引起电压越限的基本原理，并针对分布式光伏并网电压越限问题，对目前常用的电压控制方法和控制策略进行对比，提出分布式电抗器控制电压方式，并通过电力系统分析程序BPA 仿真对比了电抗器的接入位置、接入容量对调压效果的影响。

1 电压越限基本原理

图1 无源配电网等值电路

则线路的电压关系为：

电流从电网侧流向负荷侧，有功方向为正值，线路末端电压小于线路始端电压。光伏并网接入后的等值电路如图2 所示。

图2 光伏并网等值电路

图中PV 为分布式光伏电源，P 和Q 分别为光伏电源发出的有功和无功功率，则式（2）变为：

对于10 kV 及以下电压等级的配电网线路有R≫X，当光伏发电功率P 较大且无法全部就地消纳时，其发出的部分功率将通过线路向电网侧倒送，此时有功功率方向将发生改变，即（PL-P）R将变为负值，当（PL-P）R 的绝对值大于（QL-Q）X时，将导致ΔU 变为负值，从而使得线路末端即接入光伏电源的负载端电压高于电网侧变电站母线电压，甚至出现严重的电压越限问题。

小规模分布式光伏接入会影响局部配电网的无功电压特性，而高渗透率分布式光伏的接入会影响配电网全局的无功电压特性[5]，光伏出力大小、光伏接入位置、电网线路参数、负荷大小等因素均会对线路电压造成影响。

2 分布式电抗器控制方式

目前地调AVC（自动电压控制）系统只对重要节点进行监控，优先满足枢纽节点的电压要求，无法兼顾大量分布式光伏接入带来的潮流不确定性引起的线路过电压问题[9]。针对线路过电压问题，最直接但也最不经济的解决方式是增大线路导线半径、减少线路阻抗。目前国内外常用的电压控制方法主要分为以下3 类： 光伏逆变器调压[9，14-15]、无功补偿装置调压[6]、储能装置调压[6]。其中，无功补偿装置主要包括： 并联电抗器补偿、SVC（静止无功补偿器）、SVG（静止无功发生器）、STATCOM（静止同步无功补偿器）等。上述各类电压控制方法的优缺点如表1 所示。

表1 过电压控制方式对比

各种电压控制方法中，逆变器调节方法最经济，其次是安装电抗器补偿装置。但逆变器调节范围有限，而AVC 系统可以调节变电站母线电压，因此本文提出在中压配电网线路上加装控制器和可控串联电抗器或并联电抗器，以实现分布控制各中压线路电压的方法，并通过仿真分析所需电抗器的容量。

如图3 所示，在10 kV 线路上有多处接入负荷和分布式光伏，通过在变电站出口至配变1 之间的10 kV 线路上加装1 台控制器和1 台可控电抗器，可控电抗器以串联或并联的方式接入。

控制器包括3 个模块，分别是采集模块、计算模块、控制模块。采集模块负责实时收集线路各节点电压、光伏出力、负荷等数据。当线路出现过电压时，计算模块根据采集到的实时数据，结合线路型号、线路长度等参数数据，计算当前所需投入的电抗器容量，再通过控制模块改变电抗器的投切位置，以调节电抗器投入容量，统一控制整条线路的电压。

图3 电抗器控制方式示意

所需电抗器的容量根据线路参数、负荷大小、光伏容量计算得出，按末端电压可能出现的最大值进行配置。当所需容量超过单台电抗器容量上限时，可采取在10 kV 线路上多处加装可控电抗器的方法。本文以加装1 台可控电抗器为例计算所需的容量。

3 仿真结果与分析

以图4 所示的10 kV 线路负荷分布进行BPA模型仿真计算，节点0 为变电站出口，其母线电压标幺值为U*=1.05 p.u.，10 kV 线路上共有2 个负荷，每个负荷节点均安装最大容量为3 MVA的光伏。设定三段线路长度均相同，即节点0 至节点1 的线路长度、节点1 至节点2 的线路长度、节点1 至节点3 的线路长度均相同，节点2和节点3 的负荷、光伏的有功、无功注入相同。下文中线路长度均指节点0 至节点2 的长度。

图4 10 kV 线路负荷分布示意

3.1 线路参数影响

（1）不同线路型号

采用相同的线路长度10 km，负荷有功为1 MW，负荷吸收0.2 Mvar 容性无功，光伏有功出力为3 MW，对于不同的线路型号： LGJ-50，LGJ-70，LGJ-90，LGJ-120，LGJ-150，LGJ-185和LGJ-240，各节点电压变化曲线如图5（a）所示。

（2）不同线路长度

采用相同的线路型号LGJ-70，负荷有功为1 MW，负荷吸收0.2 Mvar 容性无功，光伏有功出力为3 MW，对于不同的线路长度，各节点电压变化曲线如图5（b）所示。

图5 不同参数下电压变化曲线

由图5 可见： 线路截面越小，末端电压升高幅度越大；线路长度越长，末端电压升高幅度越大。

3.2 电抗器接入位置影响

在图4 所示节点0 至节点1 之间的线路上安装电抗器，固定电抗器容量，改变其安装在线路上的位置，对于串联电抗器方式而言，串联电抗器在同一段线路上的位置变化理论上对负荷的调压效果没有影响，因此以下通过仿真研究并联电抗器接入位置的变化对调压效果的影响。

设定线路型号为LGJ-240，线路长度为20 km，负荷有功为0.5 MW，光伏有功出力为3 MW，在节点0 至节点1 之间线路上并联接入容量为1 Mvar 的电抗器，改变电抗器的接入位置，并联电抗器与节点0 的距离与各节点电压曲线见图6。

图6 并联电抗器接入位置与电压变化曲线

由图6 可见，并联电抗器接入位置的变化会影响调压效果，距离线路末端越近，电压的控制效果越好。

3.3 电抗器容量大小影响

选用线路型号LGJ-70，线路长度为10 km，负荷有功为1 MW，负荷吸收0.2 Mvar 容性无功，光伏出力为3 MW，在节点1 串联或并联不同容量的电抗器，对应的节点1 与节点2 的电压变化曲线如图7 所示。

图7 不同电抗器容量下的节点电压变化

可见，串联电抗器容量大小与降电压的幅度呈非线性关系，而并联电抗器容量大小与降电压的幅度大致呈线性关系。

3.4 所需电抗器容量抽样分析

为研究不同线路型号和不同线路长度的情况下，实现电压控制所需的串联电抗器、并联电抗器的容量大小，本文采用随机抽样的方法对图4所示模型进行电抗器容量的需求分析，电抗器串联或并联至节点1 处以集中控制过电压。

设定线路型号样本包括LGJ-50，LGJ-70，LGJ-90，LGJ-120，LGJ-150，LGJ-185 和LGJ-240，光伏功率因数范围为[0.95，1.0]，线路长度样本为[0.2，20.0] km。抽样过程中，线路型号采用离散随机抽样方法，其概率函数为：

式中：n 取7；ai为各线路型号；p（ai）为第i 种线路型号的取值概率，各型号取值概率均为1/n≈0.143。

对线路长度与光伏功率因数采用均匀分布的连续抽样方法，其概率密度函数为：

式中： a，b 分别为线路长度、光伏功率因数取值的上限、下限。

同时，在抽样过程中剔除未加装电抗器时末端电压小于1.07UN或大于1.15UN的模型样本，以及加装5 Mvar 以下串联或并联电抗器后，电压仍无法低于1.07UN的样本，得到共计500 组有效模型样本。

3.4.1 所需容量大小对比

各抽样样本所需的串联电抗器和并联电抗器的容量大小如图8 所示，电抗器容量范围分布如表2 所示。

图8 各样本所需电抗器容量

根据统计结果可见：

（1）88.4%的样本所需的串联电抗器容量均小于1.0 Mvar，36.0%的样本需要的并联电抗器容量大于1.0 Mvar。

表2 电抗器容量范围分布

（2）52.80%的样本仅需低于0.5 Mvar 的串联电抗器，24.20%的样本仅需低于0.5 Mvar 的并联电抗器。

3.4.2 容量大小在末端电压区间上的分布对比

电抗器的容量大小与节点2 所在末端电压区间的分布情况如图9 所示。

图9 串并联电抗器容量分布

从图9 可见，随着末端电压的升高，所需的串联电抗器容量或并联电抗器容量也大致呈现上升趋势。

3.4.3 容量差值分布

计算所需并联容量与串联容量的差值，将差值从大到小排序，如图10 所示。

图10 串并联电抗器容量差值曲线

经统计可知，有92.4%的样本所需的并联电抗器容量大于该样本所需的串联电抗器容量，可见对于图4 所示线路模型，大部分情况下采用并联电抗器补偿方式所需的电抗器容量大于采用串联电抗器补偿方式所需的电抗器容量。

4 结论

本文分析了分布式光伏并网引起配电网电压越限的基本原理，对目前常用的电压控制方法和控制策略进行对比，提出采用分布式电抗器控制电压方式，并针对图4 所示线路模型通过BPA 仿真分析了串联电抗器和并联电抗器的接入位置与所需容量对比，最后通过抽样分析不同线路型号和线路长度下所需的串联电抗器与并联电抗器的容量大小分布、容量差值分布等特征，得出以下结论：

（1）并联电抗器安装位置越靠近线路末端，电压控制效果越好。

（2）大多数情况下采用串联电抗器所需的容量小于并联电抗器所需的容量。

（3）随着末端电压的升高，所需的串联电抗器容量或并联电抗器容量也大致呈现上升趋势。

（4）串联电抗器容量大小与降电压的幅度呈非线性关系，而并联电抗器容量大小与降电压的幅度大致呈线性关系。

（5）大多数情况下，串联小于1.0 Mvar 的电抗器，即可将电压控制在允许范围内。

实际应用中，在选择分布式光伏并网电压控制方法和控制策略时，需要结合实际光伏接入情况、线路参数情况、负荷情况，兼顾控制措施的有效性和经济性，以达到最佳控制效果。