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編者按：戶用光伏的并網(wǎng)和利用對緩解當(dāng)前的能源和環(huán)境危機具有重要意義,高比例戶用光伏并網(wǎng)所導(dǎo)致的電壓問題成為制約網(wǎng)絡(luò)消納的關(guān)鍵因素。闡述了含高比例戶用光伏低壓配電網(wǎng)中的電壓問題。

介紹了基于電壓靈敏度分析的電壓控制原理;在此基礎(chǔ)上,綜述了低壓配電網(wǎng)中基于有功調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)、分接頭調(diào)節(jié)以及多設(shè)備協(xié)調(diào)的電壓控制方法;評述了以上方法的適用場景、優(yōu)勢以及不足;總結(jié)了當(dāng)前研究所面臨的挑戰(zhàn)并展望了低壓配電網(wǎng)電壓控制新趨勢。

蔡永翔, 唐巍, 徐鷗洋, 張璐

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展,能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻問題[1-5],這也推動了可再生能源發(fā)電的研究和發(fā)展,光伏發(fā)電在眾多可再生能源資源中占有十分重要的地位。從2005年后光伏的并網(wǎng)裝機容量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢[6],預(yù)計到2040年前后光伏發(fā)電在所有可再生能源發(fā)電中的比重將達(dá)到最大[7]。

光伏分散式并網(wǎng)及其電能的就地消納已經(jīng)成為趨勢[8-9]。以歐洲為例,根據(jù)歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會的報告,2012至2014年歐盟的光伏裝機總量超過 70 GW,其中超過70%為屋頂光伏項目。從國內(nèi)情況來看,根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》以及《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)當(dāng)遵循分散開發(fā)、就近消納為主的原則。當(dāng)前,我國低壓配電網(wǎng)戶用光伏并網(wǎng)數(shù)量快速增長,并網(wǎng)容量也不斷提高。

由于戶用光伏本身具有隨機性、間歇性和波動性,高比例光伏并網(wǎng)后會造成網(wǎng)絡(luò)面臨諸多風(fēng)險,例如網(wǎng)絡(luò)電壓越限和波動風(fēng)險加劇[12-15]、三相不平衡的問題更加突出[16-17]、網(wǎng)絡(luò)中的諧波含量增加[18]以及以及配電網(wǎng)保護(hù)誤動作[19]。由于電壓幅值的高低直接影響用戶的正常用電,以上眾多風(fēng)險中電壓越限是影響光伏消納最重要的因素之一[13, 20-21],因此研究含高比例戶用光伏低壓配電網(wǎng)中的電壓控制問題具有十分重要的價值和意義。

盡管低壓戶用光伏在國內(nèi)的發(fā)展速度非常迅速,但是在電壓控制的研究上與國際先進(jìn)水平相比還略顯滯后。因此,本文對國內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)和梳理,首先分析了高比例戶用光伏的并網(wǎng)特征及其對網(wǎng)絡(luò)電壓的影響,介紹了基于電壓靈敏度的低壓配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)原理,并以此為基礎(chǔ)分析了低壓配電網(wǎng)基于有功、無功、分接頭設(shè)備以及多種設(shè)備協(xié)調(diào)的電壓控制方法,對其特征、適應(yīng)場景和不足之處加以評述,同時還展望了低壓配網(wǎng)中的電壓控制發(fā)展方向,以供相關(guān)研究者借鑒和參考。

1 高比例戶用光伏的并網(wǎng)特征及其對電壓的影響分析

潮流單向流動是傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)的基本特征。低壓配電網(wǎng)有以下兩個顯著的特點：1)線路r/x較高[22-23];2)輻射狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[24]。由于低壓線路r/x較高,有功-相角和無功-電壓的解耦關(guān)系不再存在,即有功和無功均能對電壓造成比較顯著的影響;由于低壓配電網(wǎng)多為輻射狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)中電能從配電變壓器輸送到用戶,潮流單向流動,造成電壓從配變母線開始沿饋線逐漸降低[25-26]。

用戶光伏通常分散接入低壓配電網(wǎng)的各節(jié)點,其并網(wǎng)功率若不能完全由本地負(fù)荷利用將會導(dǎo)致反向潮流和電壓升高[14]。戶用光伏接入的比例越高,則反向潮流越顯著,節(jié)點電壓甚至?xí)缴舷?同時也會造成網(wǎng)損急劇增加[27]。由于低壓居民用戶的負(fù)荷特性與光伏發(fā)電功率特性不一致,負(fù)荷高峰時段與光伏功率高峰時段不重疊,導(dǎo)致低壓電網(wǎng)各節(jié)點電壓變化明顯,在白天光伏發(fā)電功率過剩時段將會出現(xiàn)過電壓,而在夜間重負(fù)荷時段則會出現(xiàn)欠電壓。按照GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》的規(guī)定,低壓配電網(wǎng)節(jié)點電壓偏差應(yīng)不高于標(biāo)稱電壓的7%且不低于標(biāo)稱電壓的10%。

電壓波動顯著是含高比例戶用光伏低壓配電網(wǎng)的另一特點。受太陽輻照強度、溫度以及云層等因素影響,光伏并網(wǎng)功率會發(fā)生突變,從而導(dǎo)致節(jié)點電壓明顯波動;由于戶用光伏產(chǎn)權(quán)屬于用戶,不受配電公司管轄,其隨機接入或退出將進(jìn)一步增加電網(wǎng)運行的不確定性,使得低壓配電網(wǎng)電壓越限和波動的風(fēng)險加劇。GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》規(guī)定：對于隨機性不規(guī)則的電壓波動,低壓配電網(wǎng)的限值是3%。

在含高比例戶用光伏的低壓配網(wǎng)中主要的有功控制手段有光伏本身的有功削減以及分布式儲能的有功調(diào)節(jié)等。無功控制手段有光伏逆變器的無功調(diào)節(jié)、配電網(wǎng)靜止同步補償器(distribution network static synonous compensators,DSTATCOM)的無功調(diào)節(jié)以及并聯(lián)電容器(shunt capacitor,SC)無功調(diào)節(jié)等。其中受到關(guān)注最為廣泛的是光伏逆變器的無功調(diào)節(jié),這是因為這種調(diào)節(jié)方式能高效的利用用戶逆變器的容量[30],不需要額外的設(shè)備投資;而DSTATCOM需要網(wǎng)絡(luò)公司單獨進(jìn)行投資并且價格昂貴,SC則不能頻繁投切且只能為網(wǎng)絡(luò)提供電壓支撐,不能實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)過電壓的調(diào)節(jié)。分接頭設(shè)備包括帶有載調(diào)壓分接頭(on-load tap changer,OLTC)的變壓器、調(diào)壓器以及固態(tài)分接頭變壓器等,多安裝在首端對全網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

線路的r/x參數(shù)特征是選擇控制手段的重要依據(jù),其中r代表線路電阻,x代表線路電抗。文獻(xiàn)[31]指出配電網(wǎng)線路r/x與電壓靈敏度直接相關(guān),對于r>x的線路,電壓-有功靈敏度數(shù)值大于電壓-無功靈敏度,即有功對電壓的影響更為顯著;對于r<x的線路,電壓-有功靈敏度數(shù)值小于電壓-無功靈敏度,即無功對電壓的影響更為顯著。在低壓配電網(wǎng)中,若線路的r和x相當(dāng),調(diào)節(jié)有功和無功均能實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)電壓的控制[32-33];若r顯著大于x,無功對于電壓的影響可以忽略,并且無功調(diào)節(jié)可能造成線路中出現(xiàn)大量的無功潮流,從而引起網(wǎng)損的增加,采用有功控制電壓才可獲得較好的控制效果[34]。

3 低壓配電網(wǎng)電壓控制方法

低壓配電網(wǎng)中的電壓控制問題亦存在獨特性。首先,低壓配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)不健全,許多基于完善通信的控制方法在低壓網(wǎng)絡(luò)中難以適用;其次,低壓配網(wǎng)線路類型比較復(fù)雜,r/x較大,其變化范圍也大(表1中r/x范圍為0.716~12.394),單一控制方法難以在不同低壓網(wǎng)絡(luò)中適用;此外,相比于輸電網(wǎng)和中壓配電網(wǎng),低壓配電網(wǎng)的可調(diào)設(shè)備資源更少,設(shè)備的可調(diào)容量和動作性能通常也受限。控制方法盡可能兼顧以上3個問題,同時提高設(shè)備的控制效率是研究的要點。本節(jié)以第2節(jié)的理論分析為基礎(chǔ),對低壓網(wǎng)絡(luò)中的通信情況進(jìn)行簡要介紹,綜述基于有功、無功、分接頭設(shè)備以及多種設(shè)備協(xié)調(diào)的電壓控制方法并對方法特征、適應(yīng)場景和不足之處加以評述。

3.1 低壓配電網(wǎng)中的通信條件

低壓配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)不健全,可靠性較低是普遍存在的情況[13]。由于低壓網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大,維護(hù)難度也大,未來短時間內(nèi)這一現(xiàn)狀無法得到顯著的改善。因此,中壓配電網(wǎng)中一些基于可靠通信的集中控制方法難以在低壓配電網(wǎng)中得到推廣。從當(dāng)前的研究成果來看,多數(shù)的研究是基于無通信或者弱通信假設(shè)進(jìn)行的。圖1是一種低壓配電網(wǎng)中典型的通信模型[35-36],某一節(jié)點只能與相鄰兩節(jié)點進(jìn)行通信。同時,需要特別注意的是,通信過程中要注意對用戶隱私的保護(hù)。
3.2 基于有功的電壓控制方法

3.2.1 光伏并網(wǎng)有功削減

在r顯著大于x的低壓配網(wǎng)中,削減戶用光伏并網(wǎng)功率是一種非常簡單有效的抑制網(wǎng)絡(luò)過電壓的方法,并且可以有助于降低過電壓情形下線路中的有功流動,從而降低網(wǎng)絡(luò)損耗。圖2為一種常用的光伏有功削減曲線,其中,PPV為光伏并網(wǎng)有功,若并網(wǎng)節(jié)點的電壓低于允許電壓上限Vth-OV時,光伏發(fā)電按照最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)功率并網(wǎng);若并網(wǎng)節(jié)點的電壓超過允許電壓上限時,光伏發(fā)電不再按照MPPT功率并網(wǎng),而按照預(yù)定的電壓-有功曲線切除光伏并網(wǎng)有功。多數(shù)研究均以此為基礎(chǔ)提出控制策略[37-39],但是僅僅以防止各節(jié)點電壓不越限為目標(biāo),不考慮各節(jié)點削減量協(xié)調(diào),在執(zhí)行削減和賠償時很難兼顧公平,也很難解釋功率削減的合理性。文獻(xiàn)[22]以電壓靈敏度分析為基礎(chǔ),結(jié)合低壓配電網(wǎng)的輻射狀特性,對不同節(jié)點電壓控制曲線參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計,協(xié)調(diào)目標(biāo)是確保電壓有效控制及每個節(jié)點光伏功率削減的均等性,使得削減和賠償方案更加容易執(zhí)行。然而,通過削減光伏并網(wǎng)有功進(jìn)行電壓控制的策略以減少清潔能源發(fā)電為代價,實質(zhì)上沒有提高低壓配電網(wǎng)對光伏發(fā)電的消納能力,在夜間也無法對網(wǎng)絡(luò)提供電壓支撐。
3.2.2 分布式儲能有功調(diào)節(jié)

相比于光伏并網(wǎng)有功,分布式儲能則具有更好的功率和電壓調(diào)節(jié)特性,具備吸收和發(fā)出有功的能力,可以實現(xiàn)對節(jié)點凈功率的削峰填谷和電壓調(diào)節(jié),有助于實現(xiàn)電能的本地化利用,同樣能一定程度降低網(wǎng)絡(luò)損耗[40]。

從控制的角度上看,控制策略不僅需要考慮儲能的功率輸出,還需要充分考慮儲能本身荷電狀態(tài)(state of ge,SOC)的控制。在中壓配電網(wǎng)中比較理想的解決方案是動態(tài)最優(yōu)潮流[41],但是對網(wǎng)絡(luò)的通信情況和控制器的解算能力提出了較高的要求,這在低壓配電網(wǎng)中是難以實現(xiàn)的。

在無通信的低壓配電網(wǎng)中,文獻(xiàn)[42]建立了基于模糊邏輯的儲能控制模型,將本地節(jié)點電壓偏移量和儲能SOC同時作為控制輸入量,可以兼顧對節(jié)點電壓和儲能SOC的控制。也有一些研究僅將儲能設(shè)備用于調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)電壓波動[43]和網(wǎng)絡(luò)三相不平衡[44-45],這些應(yīng)用對儲能的容量要求不高,因而儲能SOC的控制相對容易。

在具備弱通信能力的低壓配網(wǎng)中,為了實現(xiàn)并網(wǎng)功率和儲能SOC的有效控制,一些文獻(xiàn)提出了改進(jìn)的儲能控制策略,包括“分布式+就地”[36, 46]以及“集中+就地”[47-48]的多階段控制策略：首先,在分布式或者集中控制階段選擇參與控制的儲能設(shè)備并且給定參考輸出有功;然后,儲能在就地控制階段根據(jù)自身的SOC情況進(jìn)一步調(diào)整功率輸出;最后,通過分布式(集中)階段和就地階段之間的不斷迭代和調(diào)整直到達(dá)到電壓控制目標(biāo)。

盡管儲能具備多種優(yōu)點并且更多控制策略也不斷涌現(xiàn),但是當(dāng)前儲能的投資和維護(hù)費用較高,使用壽命較短。文獻(xiàn)[49-50]均指出推動儲能的應(yīng)用還需要在電力市場中建立合理的輔助服務(wù)機制,以促進(jìn)儲能設(shè)備更加高效和經(jīng)濟(jì)的使用。

3.3 基于無功的電壓控制方法

在線路r和x數(shù)值相當(dāng)?shù)牡蛪号潆娋W(wǎng)中,光伏逆變器的無功控制是一種有效的電壓調(diào)節(jié)手段,相比于控制光伏有功、分布式儲能有功以及分接頭設(shè)備等,該方案控制經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)[9, 13, 33]。 低壓配電網(wǎng)無功控制以就地為主,主流的策略可以分為3種[9, 13]：cosφ(PPV)控制(以光伏并網(wǎng)有功PPV為控制輸入量,調(diào)節(jié)逆變器無功以控制光伏逆變器的并網(wǎng)功率因數(shù)cosφ)、QPV(V)控制(以光伏并網(wǎng)點電壓V作為控制輸入量實現(xiàn)逆變器無功QPV調(diào)節(jié))和QPV(PPV)控制(以光伏并網(wǎng)有功作為控制輸入量實現(xiàn)逆變器無功調(diào)節(jié))。

1)基于cosφ(PPV)控制的逆變器無功調(diào)節(jié)。

cosφ(PPV)控制是一種常規(guī)的無功控制方法,旨在限制網(wǎng)絡(luò)電壓的上升和線路中過多的無功流動,德國光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會給出了分布式光伏并網(wǎng)的指導(dǎo)性控制曲線[52],如圖4所示。當(dāng)光伏并網(wǎng)功率超過額定有功的50%時,光伏逆變器吸收無功以避免網(wǎng)絡(luò)電壓的進(jìn)一步升高,同時應(yīng)保證光伏并網(wǎng)點的功率因數(shù)維持在±0.95的范圍內(nèi)。我國的光伏電站并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也有類似的規(guī)定,需要將光伏并網(wǎng)點的功率因數(shù)維持在±0.95的范圍內(nèi)[53]。這種控制方式在光伏并網(wǎng)比例不高時能起到很好的效果,然而在含高比例戶用光伏的低壓配電網(wǎng)中,嚴(yán)格限制光伏的并網(wǎng)功率因數(shù)不利于充分發(fā)揮逆變器的無功調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[13]指出強光照輕負(fù)荷的情況下,網(wǎng)絡(luò)中會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的過電壓風(fēng)險,如果嚴(yán)格限制光伏并網(wǎng)的功率因數(shù),則可能無法動用全部的無功控制容量,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的過電壓風(fēng)險。類似地,文獻(xiàn)[54]指出在夜間無光照重負(fù)荷的情況下,如果嚴(yán)格限制光伏并網(wǎng)的功率因數(shù)則光伏并網(wǎng)無功只能設(shè)置為零,無法對網(wǎng)絡(luò)提供電壓支撐,從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)面臨欠電壓風(fēng)險。文獻(xiàn)[10,54]均指出在強光照高負(fù)荷的情況下,一些固定光伏并網(wǎng)功率因數(shù)的控制方式反而會增加網(wǎng)絡(luò)損耗,造成網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)的劣化。
2)基于QPV(V)控制的逆變器無功調(diào)節(jié)。

QPV(V)下垂控制是一種非常經(jīng)典的電壓控制方法[55-57],控制曲線如圖5所示。若光伏并網(wǎng)點電壓高于預(yù)先制定的目標(biāo)電壓,光伏逆變器吸收無功以延緩節(jié)點電壓的上升;反之,光伏逆變器注入無功功率以延緩節(jié)點電壓的降低;若并網(wǎng)點電壓達(dá)到網(wǎng)絡(luò)電壓的上限(下限)時,光伏逆變器按最大的無功容量吸收(注入)無功。考慮到上述策略可能會造成網(wǎng)絡(luò)中不必要的無功流動,文獻(xiàn)[58]對電壓-無功下垂曲線進(jìn)行分段,將圖5中的目標(biāo)電壓設(shè)定為一個區(qū)間,在區(qū)間內(nèi)逆變器無功輸出為零以降低線路中的無功流動,避免不必要的網(wǎng)絡(luò)損耗。文獻(xiàn)[59]則對于網(wǎng)絡(luò)中區(qū)間的協(xié)調(diào)設(shè)計問題進(jìn)行了研究。然而,QPV(V)下垂控制可能出現(xiàn)的電壓穩(wěn)定問題難以預(yù)料和建模分析[60-61],當(dāng)前的很多文獻(xiàn)對于QPV(V)控制的研究是以穩(wěn)態(tài)假設(shè)作為基礎(chǔ),對控制過程中可能出現(xiàn)的電壓穩(wěn)定問題探討較少[9]。 3)基于QPV(PPV)控制的逆變器無功調(diào)節(jié)。 針對QPV(V)控制可能出現(xiàn)的問題,一些基于Q(P)控制的研究成果相繼出現(xiàn)[10,12-13],控制曲線與圖5類似,但橫坐標(biāo)為光伏并網(wǎng)的有功。相比于QPV(V)控制,QPV(PPV)中的有功和無功解耦,逆變器的無功調(diào)節(jié)并不會引起有功發(fā)生變化,因此QPV(PPV)控制不會引起穩(wěn)定性問題[13]。為提高無功控制效率,降低對于無功容量的投資,文獻(xiàn)[10]對QPV(PPV)控制的無功控制啟動閾值和控制斜率的設(shè)計進(jìn)行了研究,建立了控制參數(shù)的全局優(yōu)化模型,使得了不同節(jié)點間的無功控制具有更高的協(xié)同性。為盡可能降低無功在線路中的流動,文獻(xiàn)[13]設(shè)計了非線性的無功斜率參數(shù)。文獻(xiàn)[12]則以節(jié)點的凈功率作為控制輸入量,設(shè)計了多模式的控制策略,將節(jié)點電壓波動、過電壓和欠電壓的控制都考慮在內(nèi)?？梢钥闯?QPV(PPV)控制相比于和QPV(V)控制在實現(xiàn)上更加靈活,由于不用考慮電壓穩(wěn)定性的問題,在實際的使用過程中也更加容易。但是QPV(PPV)控制對于網(wǎng)絡(luò)損耗以及網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)影響的研究還有待補充和完善。

3.4 基于配變分接頭的電壓控制方法

配變分接頭調(diào)節(jié)是一種有效的電壓控制方法,在國內(nèi)通常不考慮對于分接頭進(jìn)行調(diào)整,但是在國際上,特別是歐洲一些國家將分接頭調(diào)節(jié)作為低壓配電網(wǎng)中非常重要的電壓調(diào)節(jié)手段[62],以電力電子設(shè)備為基礎(chǔ)的固態(tài)分接頭變壓器在低壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用也開始受到關(guān)注。

通過分接頭進(jìn)行電壓控制的關(guān)鍵在于分接頭的調(diào)節(jié)能夠兼顧不同低壓饋線的電壓分布情況,同時避免頻繁的分接頭調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[63]提出了一種基于規(guī)則的分接頭控制策略,圖6是一個含3條低壓配電饋線的低壓配電網(wǎng),在每條線路末端以及OLTC控制器處安裝電壓通信設(shè)備,每條饋線將末端電壓上傳至OLTC控制器,控制器篩選出最大電壓和最小電壓,通過規(guī)則的判斷選出合適的分接頭動作策略,如最大電壓和最小電壓均出現(xiàn)越上限的情況,分接頭則調(diào)節(jié)首端電壓下降,而最大電壓越上限,最小電壓越下限則分接頭不動作。這種控制策略能夠?qū)Σ煌伨€的電壓情況進(jìn)行綜合判斷,從而避免不必要的分接頭動作,同時所需要的通信節(jié)點數(shù)量較少。文獻(xiàn)[35]的OLTC控制思路也類似,進(jìn)一步指出OLTC的動作應(yīng)當(dāng)設(shè)置一定的控制延遲,避免不必要的分接頭動作。為了避免對通信的依賴,文獻(xiàn)[20]則提出了一種基于饋線參數(shù)和功率分布特征的遠(yuǎn)端電壓估計方法,在無通信的情形下也能比較準(zhǔn)確的估算出各饋線的末端電壓。
3.5 多種設(shè)備綜合協(xié)調(diào)的控制方法

對于光伏并網(wǎng)比例較高、線路r/x偏高及線路較長的低壓配電網(wǎng),往往需要同時采用光伏逆變器、儲能、OLTC以及DSTATCOM等多種設(shè)備抑制電壓越限和電壓波動。對于光伏逆變器、儲能以及DSTATCOM,由于其基于電力電子技術(shù)則可以頻繁調(diào)節(jié);對于OLTC,考慮到設(shè)備磨損程度較大則不適宜頻繁動作,應(yīng)盡可能降低其動作次數(shù)。通過對對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的分析,各種設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制策略可分為以下3類：

1)按不同設(shè)備的控制目標(biāo)進(jìn)行劃分。

通過對控制目標(biāo)進(jìn)行劃分,可以減弱設(shè)備的控制壓力。文獻(xiàn)[64]提出了分區(qū)控制策略以減輕OLTC的控制壓力,指出OLTC對電壓的靈敏度隨線路長度的增加而降低,末端光伏電壓-無功(電壓-有功)的靈敏度隨線路長度的增加而增加,如圖7所示,將靈敏度相等的節(jié)點作為分區(qū)節(jié)點,提高網(wǎng)絡(luò)電壓控制效果的同時降低OLTC控制壓力。文獻(xiàn)[65]給出了OLTC和儲能的協(xié)調(diào)控制方式,指出對于OLTC,無反向潮流情況下控制目標(biāo)應(yīng)為遠(yuǎn)端電壓,潮流反向情況下控制目標(biāo)應(yīng)為變壓器出口電壓;對于儲能設(shè)備,無反向潮流情況下應(yīng)提供功率支持,潮流反向情況下應(yīng)通過吸收功率減弱反向潮流。
2)按不同設(shè)備的調(diào)節(jié)順序進(jìn)行劃分。

通過對控制順序進(jìn)行劃分,也可以實現(xiàn)有效的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[35]提出了基于規(guī)則的分布式電壓控制策略,指出網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)越限時,首先應(yīng)調(diào)節(jié)光伏逆變器無功功率,通過光伏逆變器吸收或發(fā)出無功來抑制電壓越上限或下限;其次,再考慮進(jìn)行光伏有功削減。類似地,文獻(xiàn)[66]對儲能和光伏逆變器調(diào)節(jié)的先后次序進(jìn)行了優(yōu)化,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)電壓越限時,優(yōu)先采用光伏逆變器無功進(jìn)行就地電壓調(diào)節(jié),控制無效的情況下再調(diào)節(jié)儲能并網(wǎng)有功。

3)按不同設(shè)備的調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行劃分。

調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性也是制定控制方案需要考慮的重要因素。OLTC的調(diào)節(jié)造成設(shè)備磨損程度比較明顯,并且不能頻繁調(diào)節(jié),因此單次調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)代價較高。光伏、儲能以及DSTATCOM本身具備頻繁的動作特性,但是設(shè)備投資和維護(hù)成本之間的差異也會造成調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性的不同。文獻(xiàn)[40]考慮設(shè)備投資和運行維護(hù)成本,基于電壓-有功/無功/分接頭靈敏度矩陣獲得電壓-價格靈敏度矩陣,當(dāng)電壓越限時根據(jù)電壓-價格靈敏度矩陣對各種調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行排序,選擇出最經(jīng)濟(jì)的控制方案。但是目前考慮經(jīng)濟(jì)性因素的控制模型研究還相對較少。

4 低壓配電網(wǎng)電壓控制新技術(shù)展望

從以上的控制綜述可以看出,當(dāng)前已經(jīng)存在一些針對低壓配電網(wǎng)電壓控制的研究成果,但是這些研究仍有一些不足和分析不充分的情形。在系統(tǒng)層面上,還鮮有文獻(xiàn)研究網(wǎng)絡(luò)運行的評估和預(yù)警模型,也鮮有文獻(xiàn)從源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)的角度探討控制模型的建立;在控制方法上,現(xiàn)有文獻(xiàn)對于光伏并網(wǎng)場景和網(wǎng)絡(luò)運行指標(biāo)的考慮還不充分,也少有文獻(xiàn)將輔助服務(wù)的定價問題納入到控制模型中;在設(shè)備層面上,當(dāng)前文獻(xiàn)多關(guān)注光伏逆變器、分布式儲能和OLTC等設(shè)備,對于諸如虛擬同步機和固態(tài)分接頭變壓器等新型設(shè)備在含高比例戶用光伏低壓配電網(wǎng)中應(yīng)用和控制的研究還有所不足。因此,從系統(tǒng)、控制方法和控制設(shè)備3個層面對低壓配電網(wǎng)電壓控制新技術(shù)進(jìn)行展望。

4.1 低壓配電網(wǎng)電壓越限評估與風(fēng)險預(yù)警研究

當(dāng)前戶用光伏較多的接入農(nóng)村低壓配電網(wǎng),其可控設(shè)備較少、通信條件較差,導(dǎo)致對光伏消納能力較弱,常常需要削減光伏并網(wǎng)功率才能避免電壓越限,造成了資源浪費和經(jīng)濟(jì)損失。因此,應(yīng)根據(jù)負(fù)荷水平、光伏接入比例、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制設(shè)備條件,對低壓配電網(wǎng)光伏消納能力和電壓越限風(fēng)險進(jìn)行評估,幫助有關(guān)部門制定合理的戶用光伏并網(wǎng)計劃。此外,結(jié)合區(qū)域負(fù)荷變化特征和周期性氣候變化等因素建立風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)則可以進(jìn)一步為有關(guān)部門的管理提供依據(jù)和參考,避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)嚴(yán)重的電壓越限。

4.2 源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)的電壓控制研究

電壓問題出現(xiàn)的根本原因是網(wǎng)絡(luò)對于光伏發(fā)電消納能力不足,即源網(wǎng)荷的協(xié)調(diào)程度還有待提高。首先,并網(wǎng)光伏電源端需要具備一定的有功和無功可控能力,降低對網(wǎng)絡(luò)的影響;其次,網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷應(yīng)當(dāng)具備一定的彈性可調(diào)能力,減小負(fù)荷峰值與光伏發(fā)電峰值的不匹配程度;不僅如此,低壓網(wǎng)絡(luò)中的通信和量測條件應(yīng)當(dāng)不斷完善以提高網(wǎng)絡(luò)自身的協(xié)調(diào)控制能力。當(dāng)前相關(guān)的研究還有待補充。從更宏觀的角度看,戶用光伏的消納問題不僅需要做到局部就地平衡,還應(yīng)當(dāng)考慮區(qū)域間互供和整體消納協(xié)調(diào),如一些學(xué)者已經(jīng)提出在低壓配電網(wǎng)中建立微型能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)想[67],通過多能互補和區(qū)域互聯(lián)提高對光伏的消納能力,從而化解網(wǎng)絡(luò)電壓越限風(fēng)險。

4.3 交直流混合配電網(wǎng)的電壓控制研究

相比于低壓交流配電網(wǎng),低壓直流配電網(wǎng)具有線路損耗小、節(jié)約成本等特點,且戶用光伏及儲能也更易于接入,同時具有更好的供電可靠性和電能質(zhì)量[68],一些文獻(xiàn)對于直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),規(guī)劃以及控制問題進(jìn)行了相關(guān)的討論[69-71]。但是,將當(dāng)前的交流網(wǎng)絡(luò)直接轉(zhuǎn)換成直流網(wǎng)絡(luò)尚存在巨大的政策、資金以及技術(shù)挑戰(zhàn),因此,低壓交流配網(wǎng)向低壓交直流混合配網(wǎng)過渡成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢之一,并且有可能在未來長期保持下去。文獻(xiàn)[72]提出一種基于交直流互聯(lián)的低壓配網(wǎng)轉(zhuǎn)供模型,如圖8所示,利用AC/DC換流器將不同負(fù)荷特性的饋線末端連接起來,并且通過變下垂系數(shù)策略調(diào)節(jié)換流器流過功率的大小和方向,使得負(fù)荷特性不同的饋線功率均衡,可以有效化解電壓風(fēng)險。

文獻(xiàn)[73]則提出了交直流線路并行架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖9所示,交直流接口同時入戶,傳統(tǒng)交流網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)負(fù)荷、控制設(shè)備和控制方式不變,戶用光伏以及電動汽車則通過直流饋線并網(wǎng);直流饋線通過首端的儲能控制,還可以穩(wěn)定首端交流母線的電壓,極大的降低了網(wǎng)絡(luò)運行風(fēng)險和設(shè)備投資。
4.4 多目標(biāo)多場景的電壓控制研究

當(dāng)前多數(shù)控制方法的控制目標(biāo)和場景比較單一。一方面,這些文獻(xiàn)重點解決光伏并網(wǎng)后所引起的電壓越上限問題,對于傳統(tǒng)的夜間重負(fù)荷所引起的欠電壓問題以及光伏功率波動所引起的網(wǎng)絡(luò)電壓波動問題考慮還有所欠缺,即控制并沒有充分考慮光伏的運行場景。另一方面,也鮮有文獻(xiàn)考慮控制策略對于網(wǎng)絡(luò)損耗和網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)的影響,即控制并沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)運行指標(biāo)。因此,有必要在含有高比例戶用光伏發(fā)電的低壓配電網(wǎng)中建立多場景、多目標(biāo)的控制模型,兼顧網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險的抑制及網(wǎng)絡(luò)運行指標(biāo)的優(yōu)化。

4.5 考慮經(jīng)濟(jì)性因素的電壓控制研究

當(dāng)前,政策性因素是推進(jìn)戶用光伏并網(wǎng)的主要動力,但最終將會被市場和價格因素所取代。在此背景下戶用光伏消納問題的利益主體將變得多元化,基于一定的價格要素考慮光伏的并網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)電壓控制等問題會更加合理,如可以建立不同利益主體間光伏并網(wǎng)和輔助服務(wù)的博弈及合作模型。在此背景下低壓配網(wǎng)的電壓控制將被賦予經(jīng)濟(jì)和價格屬性,相關(guān)的研究將會對光伏的并網(wǎng)和設(shè)備的高效利用起到促進(jìn)作用,也會對并網(wǎng)政策的完善提供參考和依據(jù)。

4.6 光儲虛擬同步機建模及電壓控制研究

與經(jīng)過逆變器并網(wǎng)的電源不同,同步發(fā)電機的并網(wǎng)功率具有很大的慣性,避免了并網(wǎng)功率的快速波動。通過對光儲逆變器的參數(shù)設(shè)置以及阻抗匹配,可以使分布式光儲系統(tǒng)具有與同步發(fā)電機類似的并網(wǎng)特性[74-76]。當(dāng)前文獻(xiàn)對光儲虛擬同步機建模的研究還有所不足,多采用簡化的網(wǎng)絡(luò)模型并且沒有充分考慮低壓網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)特點,光儲虛擬同步機對網(wǎng)絡(luò)電壓的影響及調(diào)節(jié)作用的研究也較少。因此,相關(guān)的研究還有待補充和完善。

4.7 新型電力電子設(shè)備的研制

一些新型電力電子設(shè)備在低壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用正在受到關(guān)注。固態(tài)分接頭變壓器的分接頭變化不再需要進(jìn)行機械性的調(diào)整,圖10是固態(tài)分接頭的結(jié)構(gòu)示意圖,通過對晶閘管的開合操作即可調(diào)整變壓器的變比,避免了分接頭的磨損,使得變壓器的變比可以頻繁調(diào)節(jié)[51],這將極大增強網(wǎng)絡(luò)的電壓調(diào)節(jié)能力。類似設(shè)備在低壓配網(wǎng)中的應(yīng)用還有待補充和完善。
5 結(jié)語

本文圍繞含高比例戶用光伏低壓配電網(wǎng)電壓控制問題,總結(jié)了戶用光伏在低壓配電網(wǎng)的并網(wǎng)特征及其引起的電壓問題,基于電壓靈敏度理論介紹了當(dāng)前低壓配電網(wǎng)的電壓控制原理。并以此為基礎(chǔ),結(jié)合低壓配電網(wǎng)的通信條件,綜述了基于有功、無功以及分接頭的電壓控制方法,同時對多類設(shè)備的協(xié)調(diào)控制方法也進(jìn)行了介紹,總結(jié)了不同控制方法的使用場景、優(yōu)勢與不足之處。最后,對解決低壓配電網(wǎng)電壓問題的新技術(shù)進(jìn)行了展望,以期能為該領(lǐng)域?qū)淼难芯刻峁┮恍﹨⒖肌?br />
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原標(biāo)題：含高比例戶用光伏的低壓配電網(wǎng)電壓控制研究綜述