基于可变功率和阻抗平抑主动配电网母线电压偏差方法研究

黄利军 王雷涛 李献伟 盛京格 白贯雨

（许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

随着分布式电源（distributed generation, DG）、储能装置、电动汽车等新元素接入配电网渗透率的不断提高，给传统配电网带来的诸如电压波动、损耗增加、潮流反送等影响日益扩大[1]。DG接入位置和容量不合适，可能导致系统某些薄弱母线失稳，引起系统电压崩溃[2]。此外，清洁能源发电的大规模开发利用和用户更苛刻的电能质量需求，对传统配电网的运行方式提出了新的挑战。为此，国际大电网会议（CIGRE）于2008年提出了主动配电网的理念。

主动配电网（active distribution network, ADN）是在主网配网协同控制的基础上，具有分布式发电、储能和需求侧响应等电源、负荷调控手段，能够针对电力系统的实际运行状态，自适应调节其电源、网络及负荷的配电网[3]。与传统配电网相比，ADN有机整合先进信息通信、电力电子及智能控制等技术，为实现分布式可再生能源大规模并网与高效利用提供了一种有效解决方案[4]。尽管 ADN具备了DG、储能装置等优化调控的物理条件，但由于上述条件具有随机性、不确定性等特点，通常造成ADN电压波动，因此如何通过有效手段保障ADN电压在允许的范围内已成为研究的热点之一。

针对新能源不断接入下的配电网，如何控制其电压稳定，国内外学者展开了多方面的研究。文献[5]分析了接入不同电压等级母线、不同渗透率条件下的光伏电源对配电网电压偏差的影响规律，对不同渗透率光伏电源的并网位置提出了合理建议。文献[6]指出光伏接入配电网节点电压的大小与光伏出力、接入位置及线路阻抗和初始端电压有关，并针对光伏总接入容量过大时所造成的接入点电压越上限，提出了采用P-U下垂调节方法抑制过电压；在弱通信能力的低压配电网中，文献[7-8]提出了“分布式+就地”和“集中式+就地”改进的储能控制策略，最终通过分布式（集中）阶段和就地阶段之间的不断迭代和调整实现对电压的控制。文献[9]为解决 ADN中分布式能源和储能系统对电压波动造成的影响，提出了通过 DG、储能系统和有载调压变压器，采用最小控制成本的方案对电压进行控制。文献[10]应用分布式电压主动控制策略，采取主动负荷、变压器分接头、DG有功功率和功率因数相结合的方式进行电压控制，实现稳定配电网电压的目的。文献[11]使用储能装置实现配电网电压调节，提出一种基于多种低碳技术的电压控制策略。文献[12]指出DG接入配电网馈线中后段、分散接入比集中接入更有利于提高静态电压的稳定性，且随着DG接入配电网一定容量的增加，节点电压呈正相关的增长。文献[13]指出光伏发电渗透率越高，则逆向的功率越显著，导致馈线电压上升甚至出现越上限的情况；同时分析了DG渗透率对配网电压的影响，指出DG渗透率越大对电压的支撑作用越大。针对传统电容器组不能频繁投切调压的情况，文献[14]提出基于灵敏度分析法综合调节DG出力和投切电容器组来调节电压，通过仿真证明调节DG出力能有效改善调压。文献[15]提出了基于牛顿－拉夫逊的三相连续潮流算法，并以此为工具，将DG接入母线视为PQ和PV节点，对含DG的配电网静态电压稳定性进行了分析。上述研究从不同角度分析了DG接入配电网对电压造成的影响，并提出了一些治理措施，但在如何最大化利用新能源、通过改变负荷总功率和输电线路的电压损失，平抑负荷端电压波动，相关的研究还比较匮乏。

近年来，由于柔性负荷（flexible load, FL）[16]日益增多，负荷类型和特性更加丰富，为配电网电压调节提供了新的手段和方案，因此，本文根据DG、FL、输电线路阻抗对电压损失的影响，提出一种基于可变功率和阻抗平抑ADN电压偏差的方法。该方法首次提出根据电压偏差方向，对DG输出功率、馈线阻抗和负荷总功率进行协调控制，以改变馈线电压损失，平抑负荷母线电压偏差。

1 平抑负荷母线电压偏差分析

1.1 电压偏差因素分析

电压偏差是指供电网络中某点的实际电压同该处的额定电压之差。ADN在运行过程中，由于负荷和DG功率变化、运行方式变化导致系统阻抗变化等因素，使得各部分的电压实时处于动态变化中，从而出现电压可能越上限或下限的现象，因此通过分析各因素对电压偏差的影响，能够为制定平抑电压偏差的合理策略奠定基础。

在配电网系统额定电压恒定的情况下，电压偏差涉及系统传输的有功功率与综合电阻的乘积、系统传输的无功功率与综合电抗的乘积两方面的因素，如式（1）所示。

式中，UΔ为负荷母线处的电压损失，UN为系统额定电压，PL和 QL分别为负荷的总有功功率和总无功功率，R和X分别为输电线路等效电阻和电抗。

由式（1）得到此时负荷母线处的实际电压U可表示为

由式（2）可知，若出现负荷母线处的实际电压超出允许的范围，则通过调节负荷功率和输电线路的综合阻抗，可改变线路电压损耗，实现平抑电压偏差的目标。

1.2 可变负荷功率平抑负荷母线电压偏差可行性分析

配电网在一定的运行方式下，负荷功率的变化将引起主要供电元件（如线路、变压器等）电压损失的变化，使受端电压出现偏差。

随着储能装置、电动汽车等 FL的出现和渗透率的不断提高，与配电网中近乎刚性用电需求的重要负荷相比，FL可在一定范围内灵活调节其用电行为的优点提高了负荷总功率调控的便利性，为通过改变负荷功率平抑负荷母线电压偏差提供了新方法。

1.3 DG平抑负荷母线电压偏差可行性分析

传统配电网一般呈辐射状结构，稳态运行状况下，沿馈线潮流方向，电压逐渐降低。在ADN中，由于 DG的接入，整个系统由一个放射状的网络变为一个电源和用户互联的有源网络，从而在负荷功率一定的情况下，必然会引起输电线路中传输功率的变化，导致线路上电压损失的改变，进而引起受端电压出现偏差。

在图1所示含DG的ADN中，输电线路的电压损失可表示为[17]

图1 ADN架构示意图

式中，PDG和 QDG分别为 DG接入配电网的有功功率和无功功率。

此时负荷母线的实际电压U表示为[17]

由式（3）、式（4）可知，当负荷母线接入DG时，随着DG接入功率的变化，输电线路电压损失可能为正值或负值，从而使母线实际电压可能大于所允许的最大值或小于所允许的最小值，因此通过调节DG的输出功率可实现平抑负荷母线电压偏差。

1.4 可变阻抗平抑负荷母线电压偏差可行性分析

电力系统电压偏差的原因是由于变化的负荷电流通过阻抗元件引起电压损失造成的。由式（3）、式（4）可知，在负荷总功率和DG接入功率不变的情况下，若改变通过电流元件的阻抗，则电压损失也将发生变化，从而实现平抑负荷母线电压偏差的目标。

2 基于可变功率和阻抗平抑负荷母线电压偏差流程分析

在ADN中，DG的合理分布可对配电网电压起支撑作用，增强系统的电压强度，平抑电压波动，起到调节电压偏差的作用[18]。由于输电线路阻抗能够影响负荷端电压偏差，对于对供电可靠性有特殊要求的负荷，在负荷和电源功率调节困难的情况下，可通过增加柔性线路改变线路综合阻抗调节电压偏差，其中柔性线路是指可在任意时间段进行投切、电阻和电抗能够灵活改变的线路。

综上所述，本节根据图1的配电网系统架构，通过改变DG功率、柔性线路阻抗和FL功率3种因素，对ADN负荷母线电压正负偏差进行调节，整体调节流程如图2所示。

图2 负荷母线电压偏差整体调节流程

图2中，ADN主站系统对柔性线路和FL进行投切，未对ADN母线电压偏差进行调节前，两者均处于冷备用状态。

3 基于可变功率平抑负荷母线电压正向偏差策略研究

传统配电网运行时，负荷变化可能造成不同节点电压抬升，使电压正向偏差超出允许范围，而ADN中的DG，又会造成不同节点出现电压正偏差。鉴于 FL具有灵活可变的特性和重要负荷对供电可靠性的苛刻需求，为了尽可能最大化的利用 DG，本文根据图1配电网典型架构，研究将FL与DG相结合，平抑负荷母线电压正向偏差的策略。

ADN运行时，若负荷母线电压U满足 UN≤U≤Umax（Umax为重要负荷正常运行时的最大电压），则配电网正常运行；若Umax＜U，则在重要负荷（important load, IL）和DG功率、输电线路Y1阻抗不变的情况下，投入FL，并调节其功率，使之满足式（5）的关系，以减小输电线路的电压损失，实现 UN≤U ≤ Umax；若投入FL不能实现平抑负荷母线电压偏差的目标，则保持此时已经投入的 FL功率不变，进一步通过降低DG的输出功率使之满足式（6）的关系，实现平抑负荷母线电压偏差。上述调节流程如图3所示。

图3 基于可变功率平抑母线电压正向偏差流程

式中，PL=PIL+PFL，QL=QIL+QFL。

上述策略中，为实现平抑负荷母线电压偏差的目标，可以投入单个或多个FL，以及调节单个或多个 DG的接入功率。若电压正向偏差过高，即使投入全部FL或切除全部DG仍不能使电压恢复至正常范围内，则可通过有足够容量的能进行双向调节的无功补偿装置如调相机、装有并联电抗器的电容器组、静止无功补偿器等，使母线电压恢复至允许的范围。

4 基于可变功率和阻抗平抑负荷母线电压负向偏差策略研究

在负荷所需功率不变的 ADN中，由于负荷端DG接入功率的变化能够引起输电线路所传输功率的变化，从而改变输电线路电压损失，因此基于输电线路可变传输功率，能够对负荷母线电压偏差进行平抑。

对供电电压有特殊需求的重要负荷，当电压出现负偏差超出所允许的范围时，亦可考虑通过调节输电线路的阻抗平抑受电端电压偏差。为此，本文根据图1配电网系统架构，将DG与阻抗可变的柔性线路相结合，研究平抑负荷母线电压负向偏差的策略。

ADN运行时，若负荷母线电压U满足 Umin≤U≤UN（Umin为重要负荷正常运行时所允许的最小电压），则系统正常运行，仅通过输电线路 Y1向重要负荷进行供电；若 U ＜Umin，则保持IL功率和输电线路Y1阻抗不变，增大DG的输出功率，使其满足式（7）的关系，以减小输电线路电压损失，平抑负荷母线电压至允许的范围内；若通过调节 DG不能实现 Umin≤ U ≤ UN，则保持IL和此时DG接入功率不变，投入柔性线路Y2，通过调节其阻抗，使之满足式（8）的关系，实现 Umin≤ U ≤ UN，上述调节流程如图4所示。

图4 负荷母线电压负向偏差调节流程

式中，

若电压负向偏差过大，即使切除全部 FL或投入全部DG仍不能使电压恢复至正常范围，则可通过直接在低压电网终端上加装适量的无功补偿装置，改善电压质量，使母线电压恢复至允许的范围，保障配电网的可靠经济运行[19]。

5 算例仿真

为验证本文所提方法的可行性，以图1配电网系统架构为例，搭建如图5所示的Matlab/Simulink仿真模型，DG、FL、IL分别为等效的分布式电源、柔性负荷、重要负荷，通过调节 DG直流电压改变其输出功率，负荷额定线电压为380V。根据相关标准可知，低压 380V配电网系统单相电压偏差峰值范围为[280, 333]。线路 Y1采用电缆输电，忽略其电容影响，单位电阻和电感分别为 R =0.271Ω/km、L= 0 .2771mH/km，相关的初始参数见表1。

图5 电压偏差调节策略仿真模型

表1 配电网系统初始参数

5.1 基于可变功率平抑负荷母线电压正向偏差策略仿真

根据初始条件，仿真得到母线电压峰值为300V，如图6所示，满足允许的范围。

若电源电压为450V，母线峰值电压则为354V，超出允许范围，如图 7所示。在 0.03s投入并调节FL有功功率 200kW，得到结果如图 8所示。调节FL有功功率120kW，无功功率50kvar，得到结果如图9所示。

图6 初始条件下负荷母线峰值电压

图7 电源电压为450V时负荷母线峰值电压

图8 投入FL有功功率时负荷母线峰值电压

图9 投入FL有功和无功功率时负荷母线峰值电压

若投入FL有功功率120kW、无功功率50kvar，不能平抑母线电压至允许范围，则在0.06s调节DG电压为110V，降低输出功率，使母线电压至允许范围，如图10所示。

图10 调节FL和DG功率时负荷母线峰值电压

由图 6至图 10可知，当电源电压正向波动和FL功率充足时，通过调节FL功率，能够实现平抑负荷母线电压波动的目标；当FL功率不足而DG功率充足时，通过调节DG功率，可进一步平抑负荷母线电压波动。

5.2 基于可变功率和阻抗平抑负荷母线电压负向偏差策略仿真

ADN运行时，若电源电压为 350V，母线峰值电压则为272V，低于允许范围，如图11所示。在0.03s提高DG的电压至660V，增大输出功率，仿真结果如图12所示。若增大DG输出功率不能平抑母线电压至允许的范围，则在 0.06s投入柔性线路通过调节其阻抗为0.0213 + j 0.03238(Ω)，使负荷母线电压至允许的范围，如图13所示。

图11 电源电压为350V时负荷母线峰值电压

由图11至图13可知，在母线电压负向偏差和负荷总功率恒定的情况下，通过调节 DG的电压进而改变其接入配电网的功率，可实现平抑负荷母线电压波动的目标。若DG输出功率不能平抑母线电压至允许的范围，则通过改变输电线路总阻抗的方式以减少电压损失，也可实现平抑负荷母线电压波动。

图12 增大DG输出功率时负荷母线峰值电压

图13 投入线路Y2时负荷母线峰值电压

6 结论

本文利用Matlab/Simulink仿真软件，针对主动配电网负荷母线端电压的波动，通过分析平抑电压偏差流程，研究了基于可变功率和阻抗平抑电压偏差策略，所得结论如下：

1）在主动配电网中，将柔性负荷灵活可调的特性与对分布式电源主动控制及管理的特点相结合，能够在最大化利用分布式电源的同时，平抑负荷母线电压偏差。

2）通过调节负荷母线端接入DG的功率，改变负荷等值总功率，进而改变负荷馈线传输功率，可实现平抑负荷母线电压偏差。

3）将分布式电源和阻抗可变的柔性线路相结合，可更灵活地改变配电网馈线电压损失，使馈线端母线电压满足负荷需求。

受FL或DG接入配电网的功率所限，可能存在极端情况下通过调节两者功率均不能实现母线电压恢复至正常范围的目标，此时仍需要通过其他方法调节母线电压。此外，采用本文所提出的电压偏差调整策略中，涉及装置的投切和功率的调节，在此过程中，负荷能否承受短时间内母线电压波动或引起电能质量恶化是未来需要进一步研究的工作。

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