有源配电网电压控制技术研究综述*

叶保璇，吴育武，陈志威，王禄庆，黄向敏，张诗建

0 引言

随着环境污染和能源短缺问题的恶化，各国的环保意识和能源战略意识逐渐增强，基于可再生能源的分布式电源技术（Distributed Generator，DG）得以重视和发展，规模化的分布式电源接入已成为配电网重要的发展方向[1-3]。

DG接入改变了传统配电网的电源结构，使配电网从单电源辐射状结构变为遍布电源的复杂结构，对配电网无功电压控制产生了重大影响。此外，DG固有的随机性、间歇性和波动性也给配电网电压控制带来了新的挑战[4-6]。

有源配电网电压控制旨为在满足配电网正常运行的电压要求下，提升配电网分布式电源的消纳能力，降低配电网运行网损[7]。国内外许多专家和学者在有源配电网电压控制理论方面做了大量的研究工作，取得了丰硕的研究成果[8-46]。但是，由于有源配电网电压控制受多种因素影响，目前较多控制方法的使用范围受到限制，难以推广应用。因此，回顾当前有源配电网电压控制技术的发展现状，分析与总结当前电压控制技术的特点，对于实现有源配电网实用化控制技术，提高配电网电压控制水平和DG消纳能力具有重大现实意义。

本文立足于有源配电网电压特性分析，综述了国内外有源配电网电压控制技术研究的成果，归纳分析了各控制模式的特性，为我国有源配电网电压控制实用化技术的发展提供借鉴与参考。

1 DG接入对配电网电压特性的影响

传统的配电网多为辐射型电网结构，潮流单向流动，造成电压从配变母线开始沿馈线逐渐降低[11-12]，而在有源配电网中，DG接入改变了潮流分布，显著地影响配电网电压特性。

目前广泛分布和大力发展的一般是基于可再生能源的分布式电源，主要类型为小水电、风电、光伏发电、生物发电等，其共同特点为出力稳定性和可控性较差（特别是风电和光伏）[13-15]。区别于输电网，在配电网中，线路的阻抗比较大[20-21]，有功-相角和无功-电压的耦合性较强，即有功功率和无功功率均能显著地影响线路电压分布。因此，在分布式电源接入后，配电网电压波动显著。一方面，基于可在生能源的分布式电源出力受限于一次能源特性，特别是光伏、风电，其出力跟随太阳辐照强度、风力频繁变动，导致有源配电网电压发生明显的波动[22-23]；另一方面，多数分布式电源为分散接入，且为用户所有，加上国家政策对于用户分布式电源的鼓励及对电网公司弃光、弃水、弃风等控制手段的限制，配电网内分布式电源渗透率升高和控制手段匮乏的矛盾逐渐突出，进一步加剧了有源配电网电压的波动性和不确定性。

除了DG自身出力特性给配电网电压特性带来了影响之外，DG接入配电网的规模、接入方式、运行模式[16-19]均对配电网定压特性产生不同的影响。

在接入规模方面，当DG并网容量较小时，其出力影响范围有限，对配电网电压特性只有局部影响；而在DG渗透率较高时，其输出功率沿并网馈线大量倒送，甚至倒送至变电站端，影响配电网全局的无功电压特性。

在接入方式方面，DG并网点位置、并网模式等接入因素均对配电网电压分布特性产生影响。一般而言，DG并网点位置越靠近线路末端，对配电网电压的支撑能力越强；在相同渗透率下，分散接入相对于集中接入，配电网电压的整体支撑作用越明显。

在运行模式方面，DG出力、运行功率因数也显著地影响着配电网的电压。DG出力越大，配电网电压的抬升效果越明显。而对于运行功率因数，尽管配电网线路的R/X较大，但其数值仍然小于1，因此滞后功率因数越小，DG对配电网电压的影响越大。

总体而言，目前有较多的文献研究分析分布式电源接入对配电网电压特性的影响，但大多都是基于恒功率模型的稳态仿真，且专注于无功功率影响分析，实际上，对于DG并网运行的暂态过程，以及不同DG有功-无功控制特性对配电网电压影响尚缺少透彻的研究[24-25]。

2 有源配电网电压控制

有源配电网中，合理的DG配置可以一定程度上改善配电网潮流分布，提升配电网电压质量。而在DG配置容量过大、布点过多时，则有可能在DG集中出力期，因线路倒送功率过大而出现过电压问题，在DG出力间歇期，有可能因部分DG无法提供无功功率甚至消耗部分无功，进一步扩大配电网无功缺额，降低电压水平。因此，仅依靠DG的调节远远不能满足配电网合理运行电压水平的需求，为取得合理的电压水平，仍需要依赖多种电压调控设备，结合负荷水平和配电网网架结构进行配电网电压的协调控制。

目前的研究中，对于有源配电网电压的控制方法可以分为两大类：（1）被动电压控制；（2）主动电压控制。

2.1 被动电压控制

有源配电网被动电压控制对于硬件设施和通信条件要求不高，适应性较强。所谓被动控制，是指只有当电网运行发生问题或故障，或实际运行中测量某个参数达到预设的告警值的时候，才会触发动作来消除问题或告警的一种控制模式，如目前最常见的电容器按功率因数区间、电压区间控制[26]，变电站内按照九区图进行VQC控制[27]，都属于广义概念上的被动控制。

被动控制的架构较为简单，主要由被动控制对象、被动触发条件和被动操作动作三个因素组成，其控制模式可以概括为，在电网的实际运行中，一旦被动触发条件得到满足，则由被动控制对象自动执行被动操作动作，来达到消除被动触发条件的目的。被动控制对象的类型包括电容器、电抗器、有载调压变压器（On-Load Tap Changer，OLTC）、配电网静止同步补偿器（Distribution STATic syn⁃chronous COMpensator，D-STATCOM）等设备手段，被动触发条件包括电压越限、功率因数越限、无功越限、谐波越限等预设条件，而被动操作动作则按对象的不同分为电容器、电抗器的分组投切，OLTC的档位调节或DSTAT⁃COM的出力调节等。

针对DG接入引起的电压问题，文献[28]首先证明了配电网中DG接入点最容易出现电压越限，然后提出一种基于无功调节和有功调节的本地电压控制策略，以接入点电压为判据，当接入点电压越上限时进行DG无功功率调节并在有必要时配合以有功功率调节以维持电压合格，当接入点不出现电压越上限时，计算该点实时可继续接纳的DG有功功率，并释放相应的受限上网出力以实现最大化的DG消纳。文献[29]则提出了一种分布式光伏的就地自适应电压控制策略，针对不同的运行工况，制定不同的自适应电压期望值设定方法以及自适应电压控制策略，提高分布式光伏并网电压控制能力以及提升电网接纳光伏的能力。

而在电容器被动控制方面，目前较多的是按照相关导则对电容器进行自动投切控制[26]，也有相关研究对这种投切方式进行改善。文献[31]考虑了不同负荷状态下对无功补偿需求的差异性，提出一种负荷相关的电容器自动控制方法，针对负荷轻载、常载和重载分别设定了3组功率因数区间进行电容器的自动投切。为避免投切无序混乱，提升区域电容器投切的协同性，文献[32]提出了基于修正功率因数评估的配电网低压电容器协同控制，以馈线首端的修正功率因数到平衡区间距离数值最小化为控制目标，以配电负载率确定电容器投切的优先级，协同馈线全线的电容器进行投切。

综合而言，被动式的电压控制可以在满足基本电压约束的前提下对各种无功设备进行控制，不依赖于通信且减少了控制变量的维度，但其并不能够根据电网以及负荷的实时变化自动地调整运行方式与策略，无法对异常运行状态与故障进行有效地控制。被动控制模式存在以下几方面的限制。

（1）反应滞后。在异常运行状态出现到控制设备动作响应有时间差，控制反应迟缓，无法根据配电网运行状态的变化而及时进行相应有效的控制。

（2）频繁动作。在电网局部负荷频繁波动且幅度较大时，在较短的周期内，传统的被动的控制模式可能会使得无功补偿设备过度响应，从而出现设备频繁反复动作的情况。

（3）利用率低。被动控制一般是简单运用现有的调压和补偿手段，将功率因数或电压控制在某个合格的范围内，以满足基本的运行要求。这种控制方式没有考虑重载期线路和配变的降损补偿需求，往往会造成部分时期内无功补偿设备的闲置浪费，而这部分闲置资源可以从节能降损角度出发，进一步地分析利用，挖掘配电网的节能空间，优化配电网经济运行。

（4）可靠性低。由于被动控制一般是触发式操作，因此在各控制设备被触发动作时，往往是运行问题已经发生演变至电压或功率因数越限的时候，此时配电网已经偏离了良好运行状态，也对电能质量等相关指标的考核造成了影响。实际上被动控制是一种后发式动作，并不能较好地抑制相关运行问题的恶化，可靠性较低。

随着越来越多的DG接入配电网，其由于时间和空间分布不均带来出力的间歇性和波动性使上述问题暴露得更加严重，传统的被动控制俨然已经不能满足当前配电网运行的电压质量和可靠性要求，因此需要另一种更灵活、更有效的控制模式来适应有源配电网的发展。

2.2 主动电压控制

区别于被动电压控制，有源配电网的主动电压控制以运行数据为基础，依托先进的测控技术、通信技术和电力电子智能控制技术，在运行发生问题和故障之前，感知和判断配电网及负荷的实时状况，并主动地进行电压调控来满足运行安全性和稳定性的要求。按主动优化控制所立足的时间层面不同，可以把主动电压控制分为准实时主动控制和预前态主动控制。

2.2.1 准实时主动控制

现阶段多数研究的主动电压控制一般为准实时态的电压优化控制，而数学优化求解控制是目前电压优化控制研究的主流。

数学优化求解控制即对配电网无功优化问题进行数学建模并运用高效的算法求解控制，其控制精度取决于模型的准确度和算法的寻优能力。文献[33]分析了基于无功补偿设备、分布式电源、网络重构等方面的配电网无功优化策略，计及各策略应用的优先次序，以配电网综合损耗最小为目标，建立了主动配电网综合无功优化模型，综合考虑了各种电压调控手段的应用效益。文献[34]引入了自适应多算法求解策略，基于现有算法求解能力及特性分析，建立算法备选池，通过求解过程中某一算法产生的子代群体质量，自适应选择下一代使用的算法及比例，综合了多种算法的优势，提高了整体的寻优效率；文献[35-38]则对配电网的进行分区研究并提出相应的优化模型、算法及改进方案。

准实时主动控制是一种基于当前潮流断面进行的优化控制，从配电网动态发展的角度而言，准实时主动控制忽略了配电网及负荷的动态变化，当前取得的优化控制结果并不完全适应实际配电网的运行情况，实际上是一种趋优控制。

2.2.2 预前态主动控制

预前态电压控制则更能符合未来有源配电网主动电压控制的发展需求，可以实现长时间尺度下的各离散调控手段平滑控制，灵活地调节电压。文献[39]提出了一种基于两阶段规划法的有源配电网综合电压优化控制，首先，通过第2阶段确定分接头位置和电容器投入组数的状态，并由差分进化算法确定第1阶段各个时段内各DG的最佳有功和无功输出。然后，将第1阶段的DG最佳输出反馈给第2阶段，再根据动态规划算法确定次日最优的电压控制预案。针对DG与无功补偿设备日前协调优化控制问题，文献[40]提出一种计及DG和电容器协调的配电网日前计划方法，将电容器作为基础调节设备，而DG作为补充调节设备，采用改进模糊聚类方法对电容器投切容量进行时序分段，在满足投切组数约束的条件下尽可能提高其最优补偿效果。

模型预测控制理论具备滚动优化的特性，近年来，许多专家学者积极开展了基于模型预测控制理论的有源配电网电压控制研究[41-46]。为解决有源配电网中分布式可再生能源和储能系统造成的电压波动影响，文献[41]基于模型预测控制理论，以控制成本最小为目标，考虑储能使用寿命，保证母线电压运行在正常运行范围内，将电压的运行状态分为正常运行、不理想运行和紧急运行3个状态，根据配电网中电压所处的不同状态，采取成本不同的控制措施，充分利用主动配电网中分布式电源、有载调压变压器和储能系统，以实现灵活有效的电压控制。而文献[42]针对风电场电压受风力影响容易快速波动，传统基于当前时间断面进行决策的方法易出现无功控制滞后、多种设备不协调等问题，基于模型预测控制理论，提出了一种旨在协调风力机和静止无功发生器的风电场电压控制方法，实现未来时间窗内电压控制曲线和无功调节动态过程的优化。

然而，随着有源配电网的发展，在进行有源配电网主动电压控制时，所考虑的将不仅仅是配电网、传统负荷、DG、无功补偿设备等要素，还包括各类新型的电力要素，如电动汽车、储能、可控负荷等，其多因素的不确定性给预前态的主动电压控制带来巨大的挑战，目前尚在探索更为行之有效的控制方法。

综合而言，主动电压控制极大依赖于配电网通信与自动化控制，其特点可以概括为以下几个方面：

（1）前瞻性。主动电压控制利用配电网通信及高级在线监控技术，可以感知并判断配电网及负荷的异常运行状态，并在运行问题或故障发生之前，主动地进行电压调控来满足运行需求。

（2）经济性。主动电压控制除了考虑基本的电压调控要求之外，往往还综合考虑配电网的网损率、调控设备的动作次数等经济要求，在满足配电网安全运行的前提下，寻求最大化的电压控制效益。因此，主动电压控制技术不仅可以满足配电网基本的电压调节要求，还可以实现设备的经济动作，最大限度地降低配网运行损耗，具有良好的节能效果。

（3）协调性。主动电压控制通过先进的通信技术，使得控制区域内各节点可以进行充分的信息交互，从而可以对不同特性的调控设备与手段进行协调控制，达到理想的控制效果。

而当前配电网分布广泛，由于地理位置和地区政策的不同，不同区域配电网的发展程度不一，主动电压控制技术的应用环境相对恶劣，目前较多的优秀控制理论仍无法全面推广应用。

3 有待深入研究的问题

随着DG的接入及发展，传统电源集中的配电网必然向遍布电源的有源配电网转变。而有源配电网中，分布式电源数量多、位置散，使得配电网的潮流更加复杂，给配电网安全稳定运行带来重大影响。

传统的电压被动电压控制技术无法及时解决因DG出力波动、不确定性引起的电压快速波动问题，也无法适应储能、电动汽车等多元化负荷，一定程度上制约了配电网电压控制水平和分布式电源渗透率的提升。而主动地进行分布式电源及各种电压控制手段协调的电压控制，可以有效地解决被动电压控制存在的问题。但主动电压控制对于网架、通信、设备的极高要求，给配电网电压控制的实际应用带来了巨大的难题。

因此，如何智能化地结合被动与主动电压控制技术，适应有源配电网不同的发展条件、负荷特性以及配电网特殊运行方式，研究实用化、工程化的主动电压控制方案，对于提高配电网电压控制能力与效益，以及提高DG的消纳能力具有重要意义。

具体的可以着重研究以下几个方面：

（1）在控制手段方面，进行分布式电源、可控负荷、电动汽车、无功调节设备及储能等多元素融合的配电网电压控制研究。综合考虑有功-无功对配电网电压的影响，结合需求侧管理，研究多种控制元素的控制边界、收益及协调。

（2）在控制方法层面，进行多时间尺度控制设备的协调配合研究。现有的研究大多是基于各设备同步动作调节的仿真，实际上各电压控制设备动作响应特性具有差异，因此，研究DG、电容器、D-STATCOM等不同控制时间尺度的电压控制方案，是实现主动电压控制工程效益的重点及难点。

（3）在控制应用层面，基于我国配电网不平衡发展现状，分析各种主动控制方法的应用条件，包括网架、通信、设备等方面的应用要求，总结主动电压控制方法的工程应用经验，研究适应各种配电网环境的自适应电压控制。

4 结语

有源配电网受DG出力的影响，表现出与传统配电网不同的运行特性与电压特性。本文总结了分布式电源接入对配电网电压特性的影响，从被动和主动两个层面分析总结了有源配电网的电压控制方法，指出了现有电压控制的特点与不足。并在此基础上，从有源配电网的控制手段、方法、应用等方面指出有源配电网电压控制进一步的研究方向，对适应未来大规模DG接入及配电网主动电压控制实用化技术研究具有重要的参考价值。