面向电压越限问题的配电网协同电压控制策略研究

王 剑，付永刚

（国网山东省电力公司 寿光市供电公司，寿光262700）

电压的稳定对电力设备的使用周期和用户用电的质量等方面有着重大的影响[1]。目前含分布式电源配电网的常用电压控制方式为无功或者有功功率的方式[2]。在配电网协同电压的控制过程中，就地电压控制器通过本地的节点补偿设备完成电压调整，相邻就地电压控制器相互间可传输无功功率缺额和节点越线电压。同时配电网电压和无功功率有着紧密的联系，国内外的相关研究已经在这一方面取得巨大的成绩。但现阶段仍然还没有合理且有效的方法解决临近分布式电源接入点电压越线的情况[3]。此次研究提出针对电压越线问题的配电网协同电压的控制方法，在节点电压和有功及无功功率两者关系上，分析分布式电源对节点电压的有功和无功功率的改变。

1 含分布式电源的配电网协同电压控制方案

1.1 配电网协同电压控制策略分析

此次研究提出一种分层分布式配电网协同电压的控制方法，满足含多个分布式电源的全线电压控制，仿止电压出现越线的问题。随着分布式电源和无功补偿设备出力而变化，线路中节点电压的水平也会有所改变[4]。研究设置线路中每个节点包含无功补偿装置和分布式电源，如果两者均没有，则视为功率为0，分布式电源接入配电网的结构示意图如图1 所示。标记节点k 处的电压幅值为Uk，该处分布式电源传送的有功功率是pDG，k，QRE，k是指该节点处无功设备传递出的无功功率。

图1 分布式电源接入配电网的结构示意图Fig.1 Structure diagram of distributed generation connected to distribution network

节点电压和分布式电源的有功功率与无功功率存在一定关系，节点电压的计算公式为

式中：U0指线路前端电压幅值；Xi指电抗值。从k 节点电压与j 节点无功设备的无功功率的灵敏度和j节点有功功率的灵敏度计算公式可以看出，节点电压与有功和无功功率的灵敏度关系主要取决于节点j 的位置。如果节点j 在k 节点的下游，则灵敏度的值相对较大；如果节点j 所处的位置位于变电站母线出口处，则灵敏度值相对较小。因此本地节点和下游节点调节电压的能力最强。配电网采用相同导线条件下，电压-有功功率和电压-无功功率耦合能力比值为线路的抗阻比值。线路中任意2 个节点之间的耦合能力比值直接相关于阻抗值。当线路的阻抗值相对较大时，电压和有功功率两者的耦合作用就越大，反之，电压和无功功率两者的耦合作用就越大[5]。

研究保证分布式电源接入点处的电压在合理电压限值内，结合节点处的无功补偿功率进行考虑，确保系统功率供需稳定。由公式（1）可知，分布式电源以最大功率因数点运行，若节点负荷功率保持稳定，则节点电压相关于无功设备的无功功率。当降低越限电压为目标限值电压Uk，lim，则得到越限节点处无功设备的无功功率的公式和分布式电源的有功功率的公式。通过无功功率计算公式得知，分布式电源接入配电网后，配电区域中的无功补偿设备的无功功率会直接影响所有节点的电压水平，前者和后者分别是控制量和被控量[6-7]。理想状态下，每个分布式电源接入点都需要装入数量足够的无功补偿设备，假如数量低于分布式电源的数量，则无功补偿的容量可能会耗尽，无法实现节点电压控制[8]。配电网正常运行的条件下，分布式节点运行在最大功率因数点。若节点电压越线，电压控制方法为增加越线节点处的无功补偿设备无功功率。设置节点j 和节点k 是两个电压越线的节点，则计算公式为

联立式（2）和式（3），可以得到越线电压降低至目标限值时，补偿设备提供的无功功率QRE，k和QRE，j。依据前述灵敏度分析，首先选择下游无功设备调节电压，k 节点的无功借调功率表达式为

式中：Qcap，k是指k 节点无功设备补偿容量；k+是指k 节点下游处容量充足的节点。

若节点下游无功容量消耗完后，节点电压仍然超过限值，那么需要上游节点的无功设备的帮助，无功借调功率的计算公式为

式中：k-是指k 节点下游处容量充足的节点。假如整条馈线中的无功设备容量均耗完且节点电压仍然没有得到控制，则减少分布式电源的有功功率的消耗控制电压。j 节点和k 节点对应电压分别为

联立式（6）和式（7），则可以得到两个节点电压降至目标限值相应的有功缩减功率。同时，需要对无功的输出功率、有功功率缩减量额进行修正避免误差对计算结果的影响。

1.2 配电网协同电压控制策略流程

研究所提出的配电网的馈线层协同电压控制策略以有功/无功功率借调的形式调整电压，具体的实现示意图如图2 所示。

图2 配电网协同电压控制策略示意图Fig.2 Schematic diagram of distribution network cooperative voltage control strategy

第1步：依据线路中所有节点的负荷状态设定分布式电源的接入节点的目标电压限值；

第2步：实时监测有功输出功率、无功输出功率、接入节点电压，从而缓慢恢复有功功率的输出，减低无功功率输出，此阶段分为4 种情况[9-10]：其一，当节点电压没有超出限制，继续进行第2 步的操作；其二，当节点电压超过目标电压上限，但无功补偿设备的容量还没有达到最大值，则进行第3 步操作；其三，若节点电压值已经超出电压限值，同时无功补偿设备的容量达到最大值，则进行第4 步操作；其四，若节点电压值已经超出电压限值，同时全线路的无功补偿设备的容量到达极限，则进行第4和第5 步操作；

第3步：在无功功率补偿过程中增加越限节点处无功功率，同时计算无功功率，并对计算结果进行修正。完成以上操作后，进入第5 步；

第4步：在无功功率的借调过程中，依据就近原则向上游和下游拥有充足无功功率的补偿设备请求无功功率，同时计算无功输送功率，并对得到的结果进行修正。完成以上操作后，进入第6 步；

第5步：在有功缩减阶段，电压控制的方法是就地降低所有越线节点的有功功率，同时计算分布式电源有功功率，并对计算结果进行修正；

第6步：控制越线节点无功补偿设备输出，包括是否输出和输出量大小，进而实现电压控制。完成上述操作后直接跳转到第2 步；

第7步：通过越线附近的无功补偿设备实现电压控制，主要是无功补偿设备输出的控制量大小。完成上述操作后同样跳转至第2 步；

第8步：通过越线节点附近的分布式电源的控制量大小实现电压控制。完成上述操作后同样跳转至第2 步。

2 配电网协同电压控制效果分析

2.1 IEEE33 节点配电系统仿真分析

研究采用IEEE33 节点馈线系统标准算例模型进行配电网的协同控制电压准确性分析，拓扑结构如图3 所示。仿真实验在算例的4，11，28 号3 个节点分别连接分布式电源，有功功率分别为3MW，2MW，3MW，无功设备容量设置为20%的分布式的电源有功功率。

图3 IEEE33 节点馈线系统拓扑图Fig.3 Topology diagram of IEEE33 node feeder system

不同控制策略下所有节点电压变化情况如图4所示，蓝色线段表示未调整之前的电压，4 号节点的电压为1.0336 p.u.，而11 号节点和28 号节点的电压分别为1.0664 p.u.和1.0664 p.u.。同时可以看出，4 号节点电压未超出限制，而其他两个节点的电压已经出现越线的问题，需要进行及时处理。从无功借调电压、无功补偿电压、有功缩减电压可以看到，此次研究的控制方法具有有效性和高效性。

图4 不同控制策略下节点电压变化情况Fig.4 Node voltage variation under different control strategies

2.2 计算结果

不同节点有功功率和无功功率的计算结果如表1 所示。3 个节点的电压计算结果如图5 所示。依据含分布式电源的配电网协同电压控制方案，首先进入无功功率补偿过程，经式（2）和式（3）计算可知，11 号节点和28 号节点的无功设备分别提供0.5072 MVar 和0.6842 MVar 的无功功率才能调低电压。但是11 号节点和28 号节点的最大容量分别是0.4 MVar 和0.6 MVar。因此当无功补偿设备的最大容量达到最大值时，11 号和28 号节点电压分别降低至1.0544 p.u.和1.0541 p.u.。然后进入无功功率借调过程，11 号和28 号节点向4 号节点请求无功借调。经式（5）计算可知，11 号和28 号节点分别向4 号节点借调的无功功率为1.148 MVar 和1.0702 MVar。但4 号节点最大无功功率容量为0.61 MVar。因此当4 号节点无功补偿设备达到最大值时，11 号和28 号节点电压分别降低至1.0527 p.u.和1.0525 p.u.。

表1 不同节点有功功率和无功功率的计算结果Tab.1 Calculation results of active power and reactive power of different nodes

图5 三个节点的电压计算结果Fig.5 Voltage calculation results of three nodes

接下来进入有功功率缩减过程，经式（6）和式（7）计算可知，需分别将11 号和28 号节点的有功功率缩减至1.9430 MW 和2.9291 MW，相应的节点电压分别为1.0498 p.u.和1.0498 p.u.。经修正值计算最终得到11 号和28 号节点的有功功率分别为1.9464 MW 和2.9340 MW，最终两个节点的电压为1.0500 p.u.。

3 结语

配电网面临分布式电源的大量渗透，所带来的电压越线问题成为电力行业极具挑战性的难题。此次研究提出解决全线电压越线的分层分布式协同电压控制方案，本方法利用整条馈线上无功功率充足的设备控制电压越线的问题。IEEE33 仿真系统计算分析表明，无功功率补偿过程，11 号和28 号节点电压分别降低至1.0544 p.u.和1.0541 p.u.。无功功率借调过程，两个节点电压分别降至1.0527 p.u.和1.0525 p.u.。有功功率缩减过程，两个节点电压恢复到正常值，所提出的配电网协同电压控制策略能有效处理电压越线的问题。本研究还存在不完善之处，未考虑分布式电源功率输出特性，在今后的工作中需要进一步完善。