计及分布式光伏接入的配电网无功补偿优化研究

李玉笑

廊坊新奥光伏集成有限公司 河北廊坊 065001

近年来，随着分布式光伏发电（Distributed photovoltaic power generation，以下简称PV）技术的迅猛发展以及国家新能源优先调度政策的执行，大量PV系统接入配电网，使配电系统从放射状结构变为多电源结构，电网潮流和短路电流的大小、方向和分布特性均发生改变。光伏并网发电系统没有旋转惯量、调速器及励磁调节系统，不具备调压、调频以及调峰能力。受其发电特性影响，光伏系统并网后不会向配电网系统注入短路电流，线路保护的灵敏度下降，导致保护装置误动或拒动，相邻线路的瞬时速断保护失去选择性等。因此，原有保护方案不能满足接入PV系统后配电网继电保护要求，必须评估PV系统对配电网继电保护的影响，研究新的保护策略。

1 电压波动理论分析

1.1 配电网电压波动原理分析

配电网中的电压受到潮流分布的影响，当电网中的负荷以及电源输送的功率发生变化时，就会导致配电网中母线上的各个节点发生电压波动。分布式光伏PV并入配电网后，除了上述传统的因素外，由于光照强度与温度不断发生变化导致光伏PV的功率发生了变化，从而引起了电压的波动。一般情况下，光伏系统对于配电网并网点（Point of Common Coupling，PCC）冲击最大。其中分布式 PV发电逆变器的功率因数主要区间为（-0．95，0．95），为了简化计算并更好地分析问题，在分析过程中忽略无功功率的影响，即将接入配电网中的光伏电源等效为电流源。

1.2 环网结构中电压波动分析

通过分析可以得出光伏电源接入配电网中的容量以及短路容量的大小是影响配电网中电压波动的关键因素。由于光伏产业的不断发展，不能通过降低发电量来抑制配电网中电压的波动，因此，从短路容量的角度抑制电压波动。由于环网中增大了短路容量，有助于抑制波动。为此做出以下分析。

2 计及分布式光伏接入的配电网无功补偿模型

2.1 无功补偿优化的数学模型

无功补偿优化问题从数学的角度看可以这样理解：在给出确定的电力系统结构和电力负荷参数的情况下，找出适合的控制变量，根据实际情况列出各种等式和不等式作为约束条件，然后求出以系统的运行成本为最佳目标函数的解。其数学模型可以由下面公式共同组成：式中，f表示目标函数，s．t．g函数表示等式约束条件，h函数表示不等式约束条件，u为选择的控制变量（主要包括电机两端的电压、变压器装置变比、用于无功功率补偿的装置容量等），x表示状态变量（主要包括节点电压）。

2.2 优化的目标函数

为了优化无功补偿目标函数，选择罚函数法对状态标量进行约束的条件。即当状态标量处于超过界限的情况下，附加上惩罚项约束的条件，从而在原先的目标函数基础上进行优化处理，使得变量均能符合该数学模型的约束条件，最终求得配电网系统中无功补偿的最优解压为所允许的极限值时，节点电压超过电压所允许的最大值，取电压值上限；当节点电压超过电压所允许的最小值时，取电压值下限；否则取的值。λ表示罚系数，N表示母线的总数，式中，表示节点电表示为最大年损耗的小时数，ΔP为有功损耗，α为无功补偿系数，Qc为无功补偿容量。

2.3 配电网继电保护变化

我国放射状配电网上的故障80%是瞬时性故障，通常采用三段式电流保护无需设置方向元件即可有效地保护线路全长。PV系统接入配电网后，网络潮流方向变复杂，功率分点不确定性增加，致使原网络配置的继电保护受到影响，具体表现为保护误动作、重合闸不成功、保护范围缩小等。深入研究了PV系统接入配电网的路径位置和光伏发电装机总量对放射状配电网三段式电流保护选择性和灵敏性的影响[1]。

2.4 基于方向元件的配电网继电保护的改进

受逆变装置的影响，配电网接入PV系统后方向元件的判据与非接入PV系统方向元件的判据不同。经过仿真研究确定，PV系统采用非低电压穿越控制时，配电网电源侧和PV系统侧保护方向元件的动作判据分别为-80°≤σ≤105°和-75°≤σ≤100°；PV系统采用低电压穿越控制时，配电网电源侧和PV系统侧保护方向元件的动作判据分别为-10°≤σ≤105°和-75°≤σ≤170°（σ为保护安装点电压和正序电流之间的向量夹角）。如图1所示，配电网保护装置R1、R2、R4动作于配电网络电源提供的正向短路电流，保护装置R3、R5动作于PV系统提供的正向短路电流，二者不存在配合关系[2]。提出的电流保护整定原则，故障点出现在PV系统的上游、下游或相邻馈电线路上时，保护装置均能够按照设计的选择性进行动作，切除故障部分，不会出现误动作情况。

图1 PV系统接入配电网保护示意图

3 结语

在分布式光伏接入的配电网中，光伏发电规模的不断扩大对电力系统进行无功补偿的优化方面研究具有重要意义。对比分析不同的无功补偿优化技术，选择最佳的优化方案。本文具体分析了分布式光伏接入后，对整个配电网系统产生的影响，结合其对整个配电网的影响，同时考虑无功补偿避免的功率损耗费用与购置无功补偿装置所需的费用，建立起配电网的无功功率补偿优化的数学模型，将粒子群算法与无功补偿的数学模型相联系[3]，并通过软件进行优化，从而建立合适的模型。该优化方法具有易于建模、计算效率高、考虑全局得出最优解的特点。