主动配电网电压协调控制策略

张佳琦，王林川

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

主动配电网电压协调控制策略

张佳琦，王林川

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

主动配电网中由于分布式电源的接入干扰了传统电压控制设备的动作，使得配电网电压控制面临更加严峻的挑战，针对有载调压变压器传统控制方法无法有效解决主动配电网电压越限问题，提出了有载调压变压器集中控制方法，该方法在有载调压变压器控制多条馈线时，利用系统的最大电压和最小电压调节变压器分接头位置。同时为了减少有载调压变压器的动作次数，提出主动配电网电压协调控制策略，该策略充分利用分布式电源的无功功率与有载调压变压器协调配合，确保配电网电压质量。最后，针对一个双馈线配电系统进行仿真，仿真结果表明该方法可以保证电压不越限且使有载调压变压器的动作次数更少。

主动配电网；分布式电源；有载调压变压器；电压协调控制

分布式发电技术不断发展，使得配电网中分布式电源(DG)的渗透率逐渐提高，这将对配电系统潮流分布、电压水平、短路容量等电气特征造成显著影响，传统配电网在设计阶段并未考虑上述因素，无法满足当前高渗透率可再生能源接入与高效利用的要求[1-3]。因此，传统配电网向主动配电网(ADN)的过渡和发展已势在必行，而电压控制是实现主动配电网可靠供电的重要基础[4]。

由于分布式光伏、风电等能源具有间歇特性，这会严重影响系统电压波形，干扰传统电压控制设备的动作，从而导致系统出现过电压、欠电压，增加系统网损以及有载调压变压器(OLTC)的动作次数[5]。近几年来，为了克服DG接入的影响，国内外学者提出了许多电压控制方案。文献[6]采用遗传算法，以电压偏移和系统网损最小为目标函数。文献[7]提出以系统网损和OLTC的动作次数最小为目标函数，协调OLTC和静止无功补偿器的两阶优化算法。以上方法DG的功率因数均是恒定的，因此DG并未参与调压。文献[8-9]提出利用DG的有功功率和无功功率来缓解系统电压越限问题，但是该方法没有考虑DG与其他电压控制设备的协调作用。

基于以上分析，本文将控制DG无功功率与OLTC动作相结合，提出一种主动配电网电压协调控制方法。该方法首先利用遗传优化算法，以电压偏差和DG从系统吸收的无功功率最小为目标函数，优化DG无功功率。然后，设计OLTC集中控制方案，即根据系统的最大电压和最小电压调节变压器分接头位置。从而实现主动配电网快速电压调节，使电压时刻处于合理的安全区间，OLTC动作次数更少。

1 分布式电源对于主动配电网电压及其控制的影响

分布式发电目前还无法大规模接入配电网的一个很重要的因素就在于其对配电网电压方面产生的重大影响，传统配电网的潮流是从变电站流向用户，馈线上各个节点的电压值逐次降低，而对于有大量DG接入的主动配电网，潮流流动方向将变得不确定，网络的电压水平也不再具有单调性[10-11]。图1是含DG的简化配电网模型，则DG母线与OLTC二次侧电压差为

(1)

式中：PG，QG分别为DG发出的有功功率和无功功率；PL，QL分别为负荷消耗的有功功率和无功功率；R，X分别为线路的电阻和电抗；VG为DG母线电压。

图1 含DG的简化配电网模型

从公式(1)可以看出，系统可能会出现两种最糟糕的情况：1)当DG发出的功率最大而网络轻载时，系统会出现过电压；2)当DG发出的功率最小而网络重载时，系统会出现欠电压。

针对上述两种情况，提出两种解决方案：1)控制DG的无功功率；2)减少DG发出的有功功率。但是减少有功功率会造成一定的经济损失，而且DG的无功功率又受到其自身的额定功率限制，所以以上两种方法均不能完全解决DG接入对系统造成的影响。此外，由于光伏、风电等分布式电源的间歇特性，会出现传统调压设备误动作等情况。因此，为了满足DG大规模接入配电网，同时使DG吸收的无功功率更少，发出的有功功率不缩减，本文将提出OLTC集中控制方法。

2 OLTC集中控制模型

传统的OLTC的控制方法认为从变电站到线路末端电压是逐次降低的。当OLTC控制多条馈线时，一些馈线由于大量DG的接入可能出现过电压，而另一些馈线由于负荷很大可能出现欠电压，这时传统的OLTC的控制方法不再起作用，需要提出一种OLTC集中控制方法。传统OLTC和改进OLTC的控制模型，如图2所示。OLTC集中模型通过监测系统的最大电压和最小电压而动作，代替了传统控制模型中只根据一个固定参考值Vref而工作[12]。

图2 OLTC控制模型

OLTC集中控制方法通过改变变压器触头位置，将系统的最大电压和最小电压控制在电压允许偏差范围内。变压器分接头动作公式如下：

(2)

3 主动配电网电压协调控制策略

3.1 基于遗传算法的无功优化模型

3.1.1 目标函数

虽然光伏等逆变型 DG 的有功波动会影响到配电网电压稳定，但是由于光伏电源有功输出常常并未达到额定容量，具有一定的无功备用，因此合理利用光伏电源的无功备用容量，使光伏参与配电网电压调节，可以在一定程度上改善配电网电压质量。为了减少OLTC的动作次数，同时使DG吸收的无功功率更少，本文将提出基于遗传算法的无功优化模型，该模型的目标函数为

(3)

本文提出的目标函数为电压偏差和DG吸收的无功功率最小，是一个多目标非线性的目标函数。从系统安全性角度出发，电压偏差是我们首要考虑的问题，减少电压偏差可以使OLTC的动作次数更少，所以取ω1是ω2的5倍。

3.1.2 约束条件

考虑到电网运行要求和自然条件限制，含 DG的配电网无功优化的等式约束条件为DG接入后的有功和无功功率潮流平衡方程，不等式约束条件是一系列安全性约束方程，包括 DG 无功容量约束、负荷节点电压的约束等，依次如公式(4)-公式(7)所示。

(4)

图3 OLTC和DG协调控制方案

(5)

(6)

Vmin≤Vi≤Vmax，

(7)

式中：PGi，QGi分别为发电机注入的有功功率和无功功率；PDGk，QDGk分别为DG的有功功率和无功功率；SDGk为DG的额定功率；pfDGk为DG的功率因数；PLi，QLi分别为负荷消耗的有功功率和无功功率；Gij，Bij，δij分别为节点i，j之间的电导，电纳和相角差；Vmin，Vmax为电压下限和电压上限，分别取值为0.9 p.u.和1.1 p.u.。

3.2 主动配电网的电压协调控制策略

为了减少OLTC的动作次数，同时使系统电压时刻处于合理安全区间，DG需要与OLTC协调配合动作。主动配电网电压协调控制策略流程图，如图3所示。首先需要远程测量系统数据，一旦系统电压越限，基于遗传算法的无功优化控制器开始动作，计算延时时间，以确保得到DG最优无功配置。当延时时间超过OLTC的动作时间，而电压仍存在越限问题，这时OLTC根据公式(2)开始动作。

4 算例分析

本文将通过图4所示的主动配电网算例，来验证所提出主动配电网电压协调控制方法的正确性和有效性。

图4 主动配电网电压协调控制算例

图5 光伏发电和居民用电功率曲线

图4中配电网有两条馈线组成，馈线1和馈线2，这两条馈线由OLTC控制。馈线1中接入大量DG，这条馈线由于潮流反向可能出现过电压；而馈线2中含有大量负荷没有任何DG，这条馈线有可能出现欠电压。本文选定DG为光伏发电，额定功率为5 MVA，图5为光伏发电和居民用电6 h-18 h功率曲线。

图6为在传统OLTC控制下，系统最大电压和最小电压波动情况以及OLTC动作情况。从图6可以看出，系统的最大电压和最小电压都超出了电压允许偏差范围，当分布式光伏电源发出的有功功率最大时，系统出现了过电压，而当居民负荷最大时系统出现了欠电压，在12 h左右，光伏发电和居民负荷都很大，配电网同时出现了过电压和欠电压。

图6 传统OLTC控制方案

针对上述问题，提出了OLTC集中控制方法，图7为在OLTC集中控制下，系统的最大电压和最小电压的波动情况以及OLTC的动作情况。从图7可以看出，系统同时出现过电压和欠电压时，OTLC不能动作，所以无法解决电压越限问题，但是其他时刻配电网的最大电压和最小电压均被控制在电压允许偏差范围内。此时，OLTC的动作次数为8次。

图7 OLTC集中控制方案

最后验证DG无功控制和OLTC集中控制协调动作对配电网电压分布的影响，本文中DG功率因数被限制在0.95左右，图8显示了在协调控制下，配电网最大电压和最小电压的波动情况，以及OLTC的动作情况。图中系统最大电压和最小电压均满足电压允许偏差，而且OLTC的动作次数从8次降到了4次。该结果表明本文提出的电压协调控制策略可以很好的解决电压越限问题，而且还可以减少OLTC的动作次数，延长OLTC的使用寿命。

图8 协调控制方案

图9 遗传算法迭代过程

本文采用基于遗传算法的无功优化方法，通过仿真统计平均每次遗传算法的收敛时间在3.2 s左右，而OLTC的动作时间在30 s-60 s左右，所以当系统电压越限时，可以保证每次在OLTC动作之前，基于遗传算法无功控制器能够完成收敛迭代，确保得到DG的最优无功功率配置。图9为当DG发出的有功功率为3.75 MW时，基于遗传算法的无功优化迭代过程曲线。迭代过程所需要的时间为3.21 s远小于OLTC的动作时间，在进入OLTC集中控制之前，遗传算法已完成了收敛迭代，得到了DG的最优无功功率配置。

5 结 论

本文针对DG接入主动配电网后电压分布特点及其控制特性，提出了一种主动配电网电压协调控制方法，该方法由两部分组成，即OLTC集中控制方法和基于遗传算法的DG无功优化控制方法。当OLTC控制多条馈线时，OLTC集中控制方法可以有效解决系统出现过电压和欠电压的问题。基于遗传算法的DG无功优化控制方法可以使电压偏差更小，OLTC动作次数更少，从而延长OLTC的使用寿命；并且，算例仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。当然，在自治控制中，对于配电网馈线电压控制还可以协调其他无功控制设备达到更经济的控制效果，对此有待进一步研究。

[1] 尤毅，刘东，于文鹏，等.主动配电网技术及其进展[J].电力系统自动化，2012，36(18)：10-16.

[2] 吴彤，陈洪涛，赵建明，等.含分布式风电和储能的配电网潮流计算方法研究[J].东北电力大学学报，2015，35(3)：1-4.

[3] 侯旭，曲雪莹，王鹤.主动配电网中并网系统故障穿越研究[J].东北电力大学学报，2017，37(3)：56-62.

[4] 范明天，张祖平，苏傲雪，等.主动配电系统可行技术的研究[J].中国电机工程学报，2013，33(22)：12-18.

[5] 尤毅，陈炯聪，余南华.主动配电网电压协调控制[J].南方电网技术，2015，9(9)：81-86.

[6] T.Senjyu，Y.Miyazato，A.Yona，et al.Optimal distribution voltage control and coordination with distributedgeneration[J].IEEE Transactions on Power Systems，2008，23(2)：1236-1242.

[7] N.Daratha，B.Das，J.Sharma，Coordination between OLTC and SVC for voltage regulation in unbalanced distribution system distributed generation[J].IEEE Transactions on Power Systems，2013，29(1)：1-11.

[8] S.Deshmukh，B.Natarajan，and A.Pahwa，Voltage/VAR control in distribution networks via reactive power injection through distributed generators[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(3)：1226-1234.

[9] L.Yu，D.Czarkowski，F.de Leon，Optimal distributed voltage regulation for secondary networks with DGs[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(2)：959-967.

[10] 黄冠能，高贞彦，耿博，等.全资源调度下主动配电网削峰填谷优化运行研究[J].东北电力大学学报，2016，36(3)：1-6.

[11] 童亦斌，吴学智，唐芬.分布式光伏发电与主动配电网的协调发展[J].电力建设，2015，36(1)：72-75.

[12] Maher Abdelkhalek Azzouz，Mostafa Shaaban，Ehab El-Saadany.Real-Time optimal voltage regulation for distribution networks incorporating high penetration of PEVs[J].IEEE Transactions on Power Systems，2015，30(6)：1-12.

[13] H.E.Farag，E.F.El-Saadany，R.Seethapathy.A two ways communication-based distributed control for voltage regulation in smart distribution feeders[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(1)：271-281.

Coordinated Voltage Control Strategy for Active Distribution Networks

Zhang Jiaqi，Wang Linchuan

(Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

Voltage control in active distribution networks (ADN) becomes more challenging due to distributed generation (DG) interference with the conventional voltage control devices.It is difficult to effectively solve such problems as the voltage off-limit for the traditional on-load tap changer (OLTC).In this paper，a centralized on-load tap changer (OLTC) control scheme is proposed，which utilizes the system’s maximum and minimum voltages，to provide a proper voltage regulation when the OLTC feeds multiple feeders.At the same time，to reduce action times of on-load tap changer，a coordinated strategy is proposed，which the distributed generation reactive power is combined with on-load tap changer to ensure the voltage level and quality.Finally，this paper carries on the simulation using a two-feeder active distribution network，whose results shows the proposed control algorithms can achieve an effective voltage regulation with less tap operation.

Active distribution network (ADN)；Distributed generation (DG)；On-load tap changer (OLTC)；Coordinated voltage control

2016-09-12

张佳琦(1992-)，女，在读硕士研究生，主要研究方向：主动配电网.

1005-2992(2017)04-0014-06

TM732

A

电子邮箱： 735969179@qq.com(张佳琦)；934285339@qq.com(王林川)