计及新能源消纳的地区电网无功电压优化控制策略

张智光，倪秋龙，廖 培，石博隆，吴振杰，李城达，许大卫

（1.国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，杭州 310007；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；3.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），南京 211106；4.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

0 引言

近年来，我国的新能源并网装机容量增速逐年提高，进入规模化发展阶段。2020 年，受国家财政补贴退坡政策的影响，新能源全年新增并网装机超过1.1 亿kW，创下历史新高［1］。新能源发电的间歇性、波动性引发了源荷的不匹配问题［2］，导致了“弃光弃风”等问题的出现，新能源的消纳能力成为制约新能源发展的重要问题［3］。新能源一般运行在最大功率点跟踪方式，当系统消纳水平低导致“弃光弃风”时，新能源的装机容量并没有得到完全利用［4］。

新能源大量并网后，其出力的不确定性及安装位置的随机性改变了电网的潮流特征，影响了系统电压的稳定，同时为了降低损耗一般采用以线性规划、混合整数规划等求解算法建立的无功电压优化模型，模型以网损最优为目标，以电网中各节点的电压限值、无功限值、有载调压分接头动作次数、容抗器投切次数为约束［5］。当地区电网中新能源渗透率较高时，新能源消纳能力受时间、环境等影响较大，对系统有功、无功潮流特性均造成明显影响［6］，从而导致常规的无功优化模型收敛性下降，计算结果的精度不足。因此，需考虑支撑新能源最大消纳能力的无功电压优化方法，通过量化评估新能源的消纳能力，修正优化模型。

对于新能源站并网后电压和无功的优化问题，目前已开展了较多研究［7-11］。文献［7］提出基于并网风电、光伏站的无功可调容量，采用平衡优化器进行无功优化求解，从而获得离散设备及连续无功源的控制措施。文献［8］考虑新能源发电的波动和不确定性，提出一种基于区间建模的无功优化策略，使用基于优化场景的区间潮流算法和改进的粒子群优化算法求解，并通过算例仿真验证策略的有效性。文献［9］考虑高比例新能源参与电网调控的应用场景，采用多目标樽海鞘群算法，快速获得控制措施的帕累托最优解集，并引用多目标智能算法对策略进行比较验证。文献［10］设计了基于熵权与多层次模糊综合评价理论的综合赋权方法，通过确定电网多目标无功优化模型中各子目标的权重，给出优化结果并指导区域内自律控制，同时基于凝聚型层次聚类和动态无功储备指标，实现分区调控和全局协同优化，从而实现区域内快速且平滑的自动电压控制。文献［11］为解决高比例新能源并网后的源荷不匹配问题，提出基于电压偏差和波动量的电压趋危系数，应用多时间尺度自适应无功电压控制方法构建以经济性和安全性满意度最优为目标的日前优化调度策略，通过动态修正传统下垂控制的固定斜率来释放光伏逆变器无功裕度，从而提高配电网电压控制的经济性和安全性。总体来说，上述研究均未从评估新能源的最大消纳能力出发，部分算法的寻优效率偏低，在实际场景应用方面存在局限性。

为此，本文提出一种基于新能源最大消纳能力评估的无功电压优化控制策略。首先分析新能源的最大发电能力，然后利用母线电压控制约束及有功对电压的灵敏度，进行新能源消纳评估，确定最大消纳目标。建立基于最大消纳目标的无功优化控制模型，求解各节点的电压控制目标，进行超前决策控制。本文方法可在保证系统电压合格的前提下，最大化提升地区电网的新能源消纳能力。

1 地区电网无功电压优化策略现状

根据地区电网的拓扑结构特点以及电压无功的运行特性，在无功优化控制策略方面，主要采用三级控制策略形式［12］：全局无功电压优化策略、供区协调控制策略、站内单点控制策略。

1.1 全局无功电压优化策略

全局优化控制策略以网损最小为优化目标，电网稳态下，在中枢点电压不良时，通过减少电压的约束条件进行控制，以提升系统的合格概率［13］。当出现电压剧烈波动时，适当调节电压的标准值区间，保证受端电压稳定以减少电量的损耗量。在具体实施中，全局优化策略依赖于状态估计及OPF（最优潮流）算法的相关软件，通过求解优化解集，指导电网调控人员进行相关决策。

1.2 供区协调控制策略

地区电网一般以330 kV/220 kV电压等级作为根节点，下级一般为开环运行方式，可形成若干供区，供区内不存在电磁环网。由于各供区的拓扑组织类似，协调控制策略可形成模板，复用至其他供区。供区协调控制策略一般采用零功率补偿方式，即从拓扑基层开始电压调整，最终汇总至中央控制单元，实现整体意义的稳定。

1.3 站内单点控制策略

单个厂站一般采用专家规则进行就地控制，规则一般有“九区图”或类似算法［14-16］。

在工程实施中，为保证无功电压优化的安全和平稳性，还设置了一系列控制规则，如单个变电站一次性只能调节一个并联电路，有载调压分接头一次性只能调节一个档位，主线路不可与补偿设备同时变动等。此外，通过对电网的实时量测值进行有效性判定和坏数据的清洗、无功调节设备需满足每日调节次数的限制、根据线路负荷能力实现“逆调压”控制等措施的应用，保证电网电压按照统一标准，稳定地向目标值靠近。

2 考虑新能源最大消纳能力的控制策略

2.1 策略设计

在新能源高比例渗透电网的背景下，现有的无功电压优化控制策略主要还是基于电压、网损或功率因数的变化，缺少基于新能源消纳能力的综合统筹考虑［17-20］。本文基于电力系统的运行和管理特征，提出一种支撑新能源最大消纳能力的地区电网无功电压优化方法。在建立无功优化模型时，考虑地区电网新能源的消纳能力，通过定量评估的方式得出新能源的最大安全发电能力，并以新能源的最大发电能力为约束，修正模型中各节点的电压控制目标值，从而给出考虑新能源最大消纳能力后的无功电压优化解集。

建立以全网损耗最小为目标的优化函数：

式中：f(U，θ，I，T，QG，QN)为全网的网损；U为节点的电压数据；θ为电压控制区间；I为系统中并联补偿器的电流；T为有载调压分接头的数据变化情况；QG为电源的无功输出功率；QN为新能源的无功输出功率。

各分量的约束函数为：

式中：PGi、PLi、QLi分别为节点i的有功功率输出、有效承载负荷、无效承载负荷；Pij和Qij分别为节点i至节点j的有功损耗和无功损耗；QGi为常规电源无功功率输出，QGimax和QGimin分别为其上限和下限；QNi为新能源无功功率输出，QNimax和QNimin分别为其上限和下限；Ui为节点i电压，Uimax和Uimin分别为其上限和下限；Ii为并联补偿器i的电流，Iimax和Iimin分别为其上限和下限；Ti为有载调压分接头档位，Timax和Timin分别为其上限和下限；S为所有节点集合；G为电源集合；N为新能源集合；C为并联补偿器集合；T为变压器有载分接头集合。

传统的无功电压优化策略中，节点电压的约束上下限Uimax和Uimin一般由当地考核标准或相关规范确定。本文方法在确定节点电压的约束限值时，考虑了新能源的最大消纳能力。消纳能力以新能源的最大安全发电能力Pimax和电压越限超发功率Pidiff进行评估，流程如下：

1）根据短期有功预测数据求取有功预测整定值Pifutr。Pifutr的整定值可取节点当前时刻往后3 个时间断面的新能源有功预测数据的加权平均值（每断面间隔15 min），即：

式中：Pifutr1、Pifutr2、Pifutr3分别为3个时间断面的新能源有功预测值；γ1、γ2、γ3分别为3个预测点的权重系数。新能源有功预测值主要基于气象特征和有功历史数据，通过样本训练建立预测模型，并输出有功预测数据［21］。

2）计算新能源的最大安全发电能力Pimax和电压越限超发功率Pidiff。基于有功预测整定值Pifutr计算Pimax和Pidiff，即：

式中：Pi为节点的当前有功出力；Sipvsens为节点有功对电压的灵敏度。

3）求得节点i的电压越限超发功率Pidiff后，即可计算节点电压控制目标修正量ΔVidiff：

式中：Siqvsens为节点无功对电压的灵敏度；∂为裕度保留系数，一般由新能源站内根据需保留的动态无功裕度确定；Qd为新能源站当前可提供的无功下调裕度，该值由新能源站统计并上送，包括站内无功补偿设备的可调能力。

4）根据电压越限超发功率Pidiff、有功对电压的灵敏度Sipvsens及电压控制目标修正值ΔUidiff，可计算修正后的电压优化限值Uisetmax及Uisetmin，即：

5）最终，根据修正后的限值Uisetmax和Uisetmin，替换式（2）中节点电压的约束限值Uimax和Uimin，进行优化求解后，即可得出考虑新能源消纳能力后的无功补偿装置、有载调压分接头、电源及新能源无功出力的目标值。

整体策略的流程如图1所示。

图1 优化策略流程Fig.1 The optimization strategy flow

2.2 总体控制方案

地区电网的无功存在区域性和分散性特征，决定了优化控制方法必须实现空间和时间的解耦控制［22-24］。在空间上主要是控制分层分区，在时间上主要采用多周期序列控制，避免电压或无功的波动和震荡。总体的控制方案为：

1）根据无功就地平衡的原则，对电网进行动态分区，分区基于电网的静态拓扑模型和实时的遥测、遥信状态，并支持数据质量识别和预处理。拓扑分区应周期性检测并更新，并支持电网中各类运行方式。

2）新能源功率预测信息由外部接口导入，当接口异常或数据质量明显不良时，应具备自动切换至传统无功电压优化算法的功能。

3）将预测信息与新能源安全发电能力进行比较，确定是否启动支撑新能源消纳的无功优化分析。为提高策略精度，应对结果进行合理性校验，预防设备投切振荡。应预判设备动作后对电网的影响，防止投入后出现电压越限等事故或调节震荡现象。

4）优化结果通过校验后，应减少命令的传输环节和系统网络的不安全因素，以保证遥控出口的可靠和流畅。

总体控制方案和数据流程如图2所示。

图2 总体控制方案及流程Fig.2 General control plan and flow

2.3 关键技术

在优化方法中，除控制策略外，对整体功能影响较为重要的关键技术主要有动态分区、策略预判、告警闭锁等。关键技术对方法的实用性有至关重要的影响。

2.3.1 动态分区

根据地区电网的拓扑结构和方式特点，在动态分区时应考虑以下要素：

1）对变压器并列运行方式的识别，如两台三卷变压器有任意两侧处于环接时应判定为并列运行。并列运行的变压器在有载调压设备动作时，应保持调节方向和调节量的一致性，以防止形成环流，损坏设备。

2）分区时应支持区域的嵌套划分，即识别任意厂站的连接关系。例如，分布式新电源一般并网于10 kV 以下电压等级，分区时应可识别它与220 kV枢纽变电站的从属关系。

3）分区应具备容错功能，考虑遥信自校验，以免分区结果错误。

4）分区的计算时长应对电网规模不敏感，并具备多分区并行处理功能，以保证大规模电网分析的实时性。

2.3.2 策略预判

在策略执行前，应对策略执行后的电网状态进行初步预判，防止电网事故或设备动作震荡等不良后果。预判措施主要有：

1）在并联容抗器投切前，预判动作后母线电压，防止电压越限或投切震荡。

2）考虑有载调压步长，防止变压器有载调压开关动作震荡。

3）实现设备日动作次数的有效分配，在负荷上坡、下坡阶段预留次数，减少离散设备无效动作。

4）考虑分区关口和站内的无功优化方向一致性，避免上下级无功调节震荡。

2.3.3 告警闭锁

在控制的输入、输出阶段，面临电网中各种“噪声”的干扰，需考虑各种闭锁状况，以保证控制的安全性并减轻监控人员处理异常事件的工作量，包括但不限于：

1）当主网电压过高时，应闭锁各级主变压器（以下简称“主变”）的有载分接头上调，且对于下属的变电站应闭锁电容器投入或电抗器切除。

2）当被控设备处于检修、备用、不在控制周期或动作达到次数限值时，应闭锁动作。

3）当有载调压分接头达到极限档位，或出现内部故障、过负荷、重瓦斯、差动、压力释放、油温过高等保护信号时，应闭锁动作。

4）当并联电容器未装设限流电抗器，或出现过流、不平衡等保护信号时，应闭锁动作。

5）新能源站出现无功可增/可减裕度不足时，闭锁同方向动作。

3 应用实例

浙江某地供电区域为28节点系统，包括19组并联电容/电抗器、12台有载调压分接头、22座新能源站。选取春节期间某日负荷较轻、新能源大发时段进行仿真分析。以15 min 为1 个断面，2 h为1个周期。首先分析新能源出力上升时电网电压的变化情况，以10：00 为初始值，至12：00 共8 个断面。图3为离散设备的动作策略，图4为新能源出力（上坡阶段）及主导节点18 的电压优化前后曲线。由图3可知，2号、6号主变有载分接头以及4号、7 号电容器在10：00 动作一次，此后未动作，满足离散设备动作次数约束。由图4可知，在新能源出力处于高峰并持续上升时，在优化前电压持续上升并接近限值，优化后电压保持在正常范围并维持稳定。

图3 新能源出力上坡阶段离散设备动作策略Fig.3 The action strategy for discrete devices in the uphill phase of new energy output

图4 新能源出力（上坡阶段）及主导节点18的电压曲线Fig.4 Voltage curves of new energy output（uphill phase）and pilot node 18

然后分析新能源出力下坡阶段的电压变化情况，选取15：00 作为初始值，对15：00 至16：45 的连续8个断面进行优化计算。图5为离散设备的动作策略，图6为新能源出力（下坡阶段）及主导节点18 的电压优化前后曲线。由图5 可知，18 号、19号电容器在15：00动作一次，6号主变有载调压在15：00 动作一次，7 号主变有载调压在15：45 动作一次，其余设备未动作，满足动作次数限值约束。由图6可知，在新能源出力高峰下坡阶段，电压峰值相对优化前有明显下降，同时电压保持了较为平稳的水平。

图5 新能源出力下坡阶段离散设备动作策略Fig.5 The action strategy for discrete devices in the downhill phase of new energy output

图6 新能源出力（下坡阶段）及主导节点18的电压曲线Fig.6 Voltage curves of new energy output（downhill phase）and pilot node 18

分析优化前后主导节点的电压质量，图7和图8 分别为主导节点18 和主导节点27 的电压变化情况。可以看出：优化前，随着新能源出力进入高峰上坡或下坡阶段，主导节点18和27的电压波动较为剧烈，甚至出现越限情况，越限率分别为3%和2.2%；优化后，电压曲线较为平稳，未出现越限情况，波动率分别降至1.06%和0.73%。

图7 主导节点18的电压变化情况Fig.7 Voltage variation of pilot node 18

图8 主导节点27的电压变化情况Fig.8 Voltage variation of pilot node 27

最后分析新能源的无功裕度变化情况。图9为9 号和10 号新能源的无功出力变化情况。可以看出，在离散设备动作的同时，新能源的无功出力大幅降低，趋近于0。

图9 新能源无功出力变化情况Fig.9 Variation of the reactive power output of new energy

综上所述，采用优化控制策略降低了新能源出力大发时电压的波动率，改善了电压质量，同时离散设备通过无功置换提高了新能源的无功裕度，从而较好地支撑了新能源的消纳。

4 结语

地区电网的无功电压优化控制能力，一定程度上决定了新能源的消纳水平［25］。本文提出一种基于新能源最大消纳能力的无功电压优化控制策略，引入新能源有功预测信息对新能源最大发电能力进行评估，之后利用有功对电压的灵敏度和母线电压的控制约束，以最大消纳能力为目标修正节点电压的优化限值，给出离散量和连续量的调节策略，进行超前决策控制。通过现场实例应用，证明了该方法的正确性和有效性。本文的研究成果，可为地区电网新能源消纳潜力的挖掘提升及电网的规划改造提供理论和实践支撑。