基于分布式电源接入的配电网无功控制策略研究

王朝龙，阿尔优鬼

（1．国网青海省电力公司，青海 西宁 810000；2．国网青海省电力公司黄化供电公司，青海 黄南藏族自治州 811200）

随着经济的不断发展，能源危机日益严重，因此可再生能源如光伏、风电得到了广泛的应用。由光伏、风电构成的分布式电源接入配电网会提升线路不同负荷节点的电压值，甚至会超过电压最大值，给用户带来严重影响。如果弃用分布式电源，会引起连接线缆线电压降低，进而会影响供电电能质量。因此需要对接入配电网的分布式电源电压进行调控。通常分布式电源接入电网后可以有效改善电网的无功特性，但一些分布式电源会消耗无功功率，无法实现无功调节，因此需要对此类接入配电网的分布式电源进行无功补偿[1]。

为了研究光伏、风电等分布式电源接入配电网后的电压无功控制效果，需要对分布式电源进行建模，而系统负荷对分布式电源接入配电网后的电压无功控制效果具有重要影响。配电网中负荷主要包括恒功率负荷、恒阻抗负荷和恒电流负荷三种类型，每种负荷在系统中以固定比例的形式存在，因此需要将分布式电源与其负荷相结合进行建模，从而获得准确的分析效果。

本文根据分布式电源的特点，提出一种基于规则的电压无功控制策略，实现配电网的无功调节。首先对光伏、风电两种常见分布式电源及其负荷进行建模，然后对无功控制算法进行介绍，最后通过仿真验证了无功控制策略在分布式电源接入配电网中的控制效果。

1 分布式电源数学模型

1．1 光伏发电模型

光伏发电系统与配电网之间通过单相逆变器接入。光伏发电系统输出的是直流功率，其表达式如下所示：

式（1）、（2）中，PDC为光伏发电系统输出的直流功率，PSTC、GSTC分别为标准测试条件下光伏发电系统输出的直流功率和太阳光辐射度，GA为实际太阳光辐射度，TC为光伏电池板温度，TSTC为标准测试条件下光伏电池板温度，通常取25℃，CT为功率温度系数，Ta为环境温度，NOCT为光伏系统正常运行时电池板温度[2-3]。

1．2 风力发电模型

风力发电系统通过三相变流器接入配电网，风机捕获风能进行发电，风机在不同风速下输出的机械功率如下所示：

式（3）中，Pm为风机输出的机械功率，ρ为空气密度，S为桨叶扫过面积，Cp为功率因数，V为风速，其中功率因数与桨距角和叶尖速比有关。

2 负荷数学模型

分布式电源的输出功率具有波动性，其负荷具有时变性，负荷类型会影响电压无功控制效果。负荷类型分为恒定负荷和时变负荷，为了能够获得准确的分析效果，分别对上述两种负荷进行建模。

2．1 恒定负荷

对于电视机、电脑和风扇等常见的不带温控回路的负荷，通常在电压给定条件下，其消耗的电功率是不变的，称为恒定负荷。此类负荷消耗的能量可以通过电压和所用时间构成的函数来表达，因此供电电压越大，负荷消耗的能量就越大[4-6]。本文通过ZIP模型模拟负荷的功率变化，进而可以实现负荷电压响应模拟，ZIP模型的表达式如下所示：

式（4）、（5）中，Pi（Va）、Qi（Va）分别为第i个负荷消耗的无功功率和有功功率，Vn为线路额定电压，Va为线路实际电压，Sn为额定视在功率，Z%、I%、P%分别为恒阻抗、恒电流、恒功率在负荷中所占的百分比，Zpf、Ipf、Ppf分别为恒阻抗、恒电流、恒功率部分的功率因数。

由式（4）、（5）可以发现，在不同负荷情况下，通过降低电压的方式来实现降低功率的效果不同，其中恒阻抗负荷可以得到较好的效果，恒电流负荷效果次之，恒功率负荷基本没有效果[7]。

2．2 时变负荷

对于电冰箱、热水器等带温控回路的负荷，在给定电压变化条件下，其消耗的电功率也可能变化，称为时变负荷，此类负荷的控制环节通过一定的调节策略可以实现消耗的电功率满足控制需求。

时变负荷通常采用等效热参数（ETP）模型来实现数学建模和模拟[8]。

3 配电网电压无功控制策略

基于电压无功协调控制算法实现分布式电源接入配电网的无功控制，该方法通过调节配电网负荷侧的工作电压，使其在ANSI电压标准的较低部分运行，以降低系统耗能。该算法中电压控制和无功控制耦合很小，可以分解成两部分。

3．1 电压控制

电压控制主要包括以下四个步骤：

首先，对配电网中线路末端电压进行监测，并从监测的数据中提取线路端电压的最小值Vend；

然后，计算系统中变电所电压V0与线路末端电压最小值之间的电压降VD，如下所示：

其次，将计算得到的电压降与设定的电压降VD＊进行比较，从而可以得到控制电压带宽Vbw，控制电压带宽设定为，具体表达式如下所示：

最后，将线路末端电压最小值与设定电压Vset进行比较，当系统负荷较小时，分接头tap变化如下：

当系统负荷较大时，分接头tap变化如下：

稳压器分接头通常会对其动作是否会导致线路电压超限进行判断，如果电压超过允许的最大值，稳压器的分接头将会停止动作。对于存在多个稳压器的电网，稳压器的分接头将根据各自所处电压和线路的末端电压动作。

3．2 无功控制

通过电容器的投切实现无功控制，可以保证系统中稳压器所在的功率因数在设定值以上。

首先需要对系统中的电容器按一定的规则进行排序，通常优先投入的是容量大的电容器，最后切除。对于容量相同的电容器，按距离变电所的远近进行动作判断，远离变电所的电容器先投入后切除。

电容器的投切动作按以下判据进行操作：

式（10）中，Qbri为无功损失容量，Qci为第 i个电容器的额定容量，d1和d2机械震荡补偿系数，SWi为第i个电容器的开关状态。

4 算例分析

为了验证本文所提的配电网电压无功控制策略的效果，采用GridLAB-D仿真软件进行分析验证，该软件支持连续时间序列的仿真，并包含丰富的负荷模型，可以对负荷的变化情况进行模拟，有利于连续时间序列电压无功控制效果的分析。为了模拟分布式电源和负荷变化，在配电线上添加用户及相应的用电装置，并在每个用户处加入光伏发电和风电装置。

加入光伏发电装置后，负荷侧的期望电压设定为117V，允许的电压变化范围是[114V，120V]，为了验证电压无功控制（VVC）效果，分别对采用该算法前后的负荷电压变化曲线进行仿真，其仿真结果如图1所示。

图1 负荷电压变化曲线

由图1可知，采用电压无功控制算法后，负荷电压明显降低，基本控制在117V左右，满足设计要求。当光照辐射率增大时，光伏发电装置的输出功率也随之增加，负荷节点电压明显提升。

馈线系统能量消耗平均值如表1所示。

表1 能量消耗平均值

由表1可以发现，接入光伏发电装置后，为了验证电压无功控制算法，对馈线系统能量消耗平均值进行对比，能量消耗平均值在加入VVC控制算法后比之前下降1．6%。

加入风力发电装置后，负荷侧的期望电压设定为117V，允许的电压变化范围是[114V，120V]，仿真结果如图2所示。

图2 负荷电压变化曲线

由图2可知，采用电压无功控制算法后，负荷电压可以得到有效控制，当风速较大时风机输出功率也随之增大，导致电压控制存在波动，该算法的控制效果受到影响，但是电压波动仍在允许范围内。

馈线系统能量消耗平均值如表2所示。

表2 能量消耗平均值

由表2可以发现，接入风力发电装置后，为了验证电压无功控制算法，对馈线系统能量消耗平均值进行对比，能量消耗平均值在加入VVC控制算法后比之前下降1．33%。

5 结论

以光伏、风电为主的分布式电源接入配电网后，对配电网进行电压无功控制可以更好地服务系统的无功补偿，保证电网安全稳定工作。本文基于电压无功协调控制算法实现分布式电源接入配电网的无功控制方法进行了研究，建立了光伏发电、风力发电和系统负荷的数学模型，对该算法的电压控制和无功控制进行了详细的介绍，采用GridLAB-D仿真软件对本文所提的配电网电压无功控制策略进行仿真验证。该方法降低了分布式电源接入配电网带来的负面影响，实现了电网电压无功控制和补偿，为配电网的稳定运行提供了重要保证，通过仿真数据对比分析，验证了基于电压无功协调控制算法具有较好的控制效果和良好的适用性。