基于光伏接入的配电网无功补偿技术研究

摘 要：随着新能源技术发展，以光伏为主的分布式电源应用广泛，光伏与配电网相结合具有降低能耗、提高电力系统的灵活性。光伏接入配电网后，其随机性和间歇性会对线路损耗和电压分布造成影响，因此需要对配电网进行无功控制，以保障其安全、稳定运行。本文建立了光伏及负荷数学模型，模拟了电网负荷变化情况，提出了一种基于电压无功解耦控制技术，进行配电网无功补偿，有效降低了光伏接入的负面影响，利用无功补偿和谐波治理提高配电网的电能质量。该方法的推广应用为用电设备的正常运行提供了重要保障，有效提升了电力系统的供电质量。

关键词：光伏；配电网；无功补偿；分布式电源

中图分类号：TM 714 " " " " " 文献标志码：A

随着分布式电源迅速发展，以光伏为主的新能源并网不仅提高了电力系统供电的灵活性，而且增加了配电网结构的复杂度，会影响电压分布和线路损耗。目前，分布式光伏电源接入的配电网普遍存在无功分布不均、补偿效果不明显等问题，为了解决光伏接入引起的配电网电压质量问题，需要对其进行无功补偿和优化，从而保证配电网高效、稳定地运行。

目前，配电网一般采用静止无功发生器和电容器进行无功补偿。对光伏发电接入的配电网来说，不同线路的电压无功分布也有所区别。传统的无功补偿方法无法满足实际需求，为了研究光伏接入配电网系统无功补偿效果，需要对光伏发电进行建模。另外，配电网无功补偿效果还与系统负荷有一定关系，为了得到准确的分析结果，需要结合系统负荷进行建模。综上所述，为了保证光伏接入配电网稳定工作，需要开发一种新的控制策略进行配电网无功补偿[1]。本文结合光伏发电的特点，根据系统负荷类型，采用电压和无功解耦控制的方法对配电网无功进行优化，从而实现系统的无功补偿，并结合具体配电网对光伏接入后系统的无功补偿效果进行仿真验证。

1 分布式光伏发电系统

1.1 光伏发电

光伏发电通过太阳能基板捕获太阳能，并利用交直流变换器进行能量转换，光伏发电系统结构如图1所示。交直流转换包括DC/DC变换器和DC/AC变换器，其中光伏基板的直流电压经过DC/DC变换器进行升压，可以进行最大功率点跟踪，利用DC/AC变换器控制光伏发电并网。当并网运行并且光伏有功功率和负载需求均较大时，配电网向并网节点输送的功率较小，其电压偏离值也较小，光伏逆变器可以根据并网点电压进行功率补偿，当电压超限时，会吸收无功功率对电压进行调节。

光伏发电受光照强度、环境等因素影响，其功率具有间歇性和波动性特点。由于光伏发电功率具有随机波动性，因此光伏接入配电网后会对电网电压和潮流分布造成影响。为了保障电网安全、稳定地运行，需要对系统无功进行优化[2]。

1.2 光伏发电模型

由上文可知，光伏发电系统利用逆变器将直流电压转换为与配电网电压同频率、同幅值的三相交流电压，从而实现并网功能，其中光伏基板将太阳能转换为直流电能，其功率PDC如公式（1）所示。

（1）

式中：PSTC为标准工况光伏发电输出的直流功率；GA、GSTC分别为实际太阳光辐射度和标准测试条件下太阳光辐射度；TC为光伏基板的温度；TSTC为光伏基板的温度，该温度一般设为25℃；CT为光伏基板的温度系数。

光伏基板的温度TC如公式（2）所示[3]。

（2）

式中：Ta为光伏系统所处环境温度；NOCT为光伏系统稳定运行条件下基板的温度；20为20 ℃；800为800 W/m2。

1.3 无功补偿

分布式光伏发电接入配电网在并网点会出现电压超限，利用静止无功发生器可以对节点电压进行优化。与并联电容器相比，静止无功发生器的动态补偿效果更佳，可以实现无功功率的快速释放和吸收。假设系统电压为Us，静止无功补偿装置的电源电压为Vd，则无功补偿功率QSVG如公式（3）所示。

QSVG=-Us2B-UsVd[Gsin（δe-δs）]-Bcos（δe-δs） （3）

式中：B、G分别为等效阻抗的电导和电纳；δe和δs分别为静止无功发生器和电网电压的相角。

判断并网点电压是否超限，当并网点因系统故障或者负荷突变而导致电压下降时，优先进行电压补偿；当电压恢复正常时，进行无功电流补偿[4]。

2 负荷数学模型

光伏发电系统的输出功率受光照和环境等因素影响会产生波动，而配电系统用电设备多样且具有时变性。对系统进行无功补偿时，系统负荷会影响其补偿效果。系统负荷是由时变负荷和恒定负荷构成的，为了保证无功补偿的效果，需要建立负荷的数学模型，并与光伏发电模型相结合，进行配电网电压无功分析。

2.1 恒定负荷

恒定负荷即功率恒定的负荷。在电压给定的条件下，负荷使用时间及其供电电压决定其消耗电能的量，因此可以构建使用时间和供电电压的函数，从而对其进行表达。这类负荷消耗的功率保持不变并且没有温度控制回路，例如电视机、风扇和电灯等用电设备。在供电电压小的条件下，这类负荷消耗的电能较小，利用ZIP模型模拟负荷的功率变化，从而模拟恒定负荷电压响应[5]，分别如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：Qi（Va）、Pi（Va）分别为第i个负荷消耗的无功功率和有功功率；Va为配电线路的电压；Vn为额定电压；Sn为额定视在功率；I%、Z%和p%分别为恒电流、恒阻抗和恒功率部分在系统负荷中所占的比例；Ipf、Zpf和Ppf分别为负荷中恒电流、恒阻抗和恒功率部分所对应的功率因数。

由公式（4）、公式（5）可知，不同的系统负荷会对配电网的功率调节效果产生一定影响，当采用电压控制进行系统的功率调节时，恒阻抗负荷调节效果最佳，其次是恒电流负荷。对恒功率负荷来说，采用电压控制进行功率损耗调节的效果最差[6]。

2.2 时变负荷

与恒定负荷相比，时变负荷通常具有温度控制回路，例如电冰箱、热水器等用电设备。对该类负荷来说，当其供电电压发生变化时，负荷所消耗的电能也会随之变化，因此将此类用电设备称为时变负荷。对时变负荷来说，需要采用控制策略对其消耗的电功率进行调节，从而保证消耗的电功率满足控制需求[7]。

3 配电网电压无功控制策略

分布式光伏发电电源接入后会对配电网的电压和功率产生影响，为了保证配电网稳定运行，通过电压无功解耦控制进行无功补偿和谐波治理，采用电压控制的方法将负荷侧电压调节为ANSI电压标准要求的较低值。该方法实现了配电网无功功率和电压的解耦控制，同时有效降低了系统无功能量消耗。其控制策略包括电压控制和无功控制2个部分。

3.1 光伏接入对配电网的影响

配电网不同电压等级的线路参数特点具有一定差异性，其中低压线路电阻远大于电抗，通常表现为电阻特性，线路电抗带来的影响可以忽略不计。而中、高压线路电阻远小于电抗，通常表现为电抗特性，线路电阻带来的影响可以忽略不计。对于小容量的光伏发电系统，由于线路线径较小并表现为电阻特性，因此配电线路电抗的影响可以忽略，线路电压降如公式（6）所示。

（6）

式中：dU为线路电压降；U为配电线路的末端电压；ΔU和δU分别为电压降的纵向分量和横向分量；j为虚数单位；P、Q分别为配电线路终端输出的有功功率和无功功率；R为配电线路的电阻。

由公式（6）可知，线路末端输出的无功功率对电压降的横、纵2个方向的分量，均有影响，因此对于光伏接入的配电网，电压降受无功功率和有功功率2个方面的影响[8-9]。

3.2 电压控制策略

电压控制策略由以下4个步骤构成。1） 采集配电网线路末端电压值，并提取其最小值Vend。2） 测量变电站端口电压V0，并计算其与配电网线路末端电压最小值的差值VD，所得结果为二者间的电压降，如公式（7）所示。3） 将公式（7）的结果与给定的电压降VD*进行比较，通过二者间的关系判定电压带宽Vbw，将带宽给定值设定为Vbw1和Vbw2，如公式（8）所示。4） 将期望电压设定为Vset，将其与配电网线路末端电压最小值进行比较。当系统低负荷运行时，稳压器分接头tap如公式（9）所示。当系统高负荷运行时，稳压器分接头tap如公式（10）所示。

VD=V0-Vend " " " " " （7）

（8）

（9）

（10）

3.3 无功控制策略

为了保证系统运行在设定的功率因数上，需要对其无功功率进行调节和优化。采用电容器对其投切逻辑进行优化，进行无功补偿的效果较好，具体如下所示。1） 配电网中电容器进行投切操作前，按照容量大小原则对电容器进行排序，优先投入大容量的电容器，同时保证其切除时间最晚。对容量相同的电容器来说，根据其与变电站间的距离，对其投切时序进行判定，先投入距离较远的电容器最后将其切除。2） 为了保证系统无功补偿的可靠性，需要对电容器的投切逻辑进行优化，其动作判据如公式（11）所示。

（11）

式中：Qi为第i个电容器消耗的无功功率；d1和d2分别为抑制系统震荡而进行补偿的系数；Qci为第i个电容器的额定容量；SWi为第i个电容器的开关状态；CLOSED为关；OPEN为开。

4 算例分析

结合某配电网具体运行情况，根据实际参数，采用GridLAB-D仿真软件对本文所提的无功补偿技术运用效果进行验证，将仿真时间设定为1 d，步长为1 s。模拟负荷变化，验证电压无功控制策略。在配电线路增加用户节点，并配置相关用电设备。为了准确模拟负荷变化，并分析一段时间内电压无功的控制效果，负荷模型采用ZIP模型根据公式（4）、公式（5）并结合系统参数对负荷的功率变化进行模拟。为了模拟光伏电源并网，在每个用户节点处加入光伏发电设备。

配电网加入光伏发电设备后，将其负荷侧的供电电压目标值设为117 V，并允许其在[115 V，121 V]波动。结合负荷电压变化情况，对光伏电源接入的配电网采用电压无功控制（Volt/Var control，VVC）算法。算法实施过程中的电压控制流程按照公式（7）～公式（10）进行，无功控制过程中的电容器投切逻辑按照公式（11）进行判断。对算法加入前、后的电压变化曲线进行仿真，如图2所示。

由负荷电压变化曲线可知，配电网加入电压无功控制算法后，负荷电压在设定电压117 V上、下波动，与未加入该算法时的电压相比幅值降低，电压控制效果明显，满足控制需求。配电网线路无功能耗平均值见表1。

由表1可知，配电网接入光伏发电设备后，采用电压无功控制算法的配电网线路无功能量损耗比之前下降了1.4%。

由上述分析可知，对光伏电源接入的配电网采用电压无功控制策略，可以根据系统负荷类型和大小控制节点处电压，并可以有效降低配电线路无功能量损耗，从而实现配电网无功补偿，保障电力系统的安全并使其稳定运行。

5 结论

分布式光伏发电电源接入配电网后，会对配电网造成较大影响，为了保证配电网及其用电设备的正常运行，本文采用电压无功解耦控制进行配电网的无功补偿，同时还可以有效治理其谐波。首先，本文对分布式光伏发电系统进行了介绍，根据系统负荷是否具有温控回路，对配电网负荷进行分类，并搭建其数学模型。其次，对电压无功解耦控制策略进行研究，并对该策略的电压控制和无功控制进行详细介绍。最后，利用GridLAB-D仿真软件并结合具体算例，对本文所提的配电网无功补偿技术进行仿真验证，在该算法下，可以利用无功调节进行功率补偿，有效降低了光伏电源接入配电网带来的负面影响，同时提高了配电网谐波水平，为电力系统的安全、稳定运行提供了重要保证。仿真结果验证了电压无功解耦控制算法具有较好的控制效果和良好的适用性。

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