主动配电网背景下无功电压控制方法

1、研究背景

目前, 全球的能源压力和环境问题变得越来越突出。传统化石能源不可再生, 未来将不可避免地逐渐枯竭, 同时还产生“温室效应”、“酸雨”、“雾霾”等严重的环境问题。因此寻找新型能源辅助甚至取代传统化石能源成为当前能源问题解决的突破口, 由此而诞生的分布式电源(Distributed Generation, DG)技术, 将成为清洁能源利用的主要形式和智能电网发展的重要方向。

为适应高渗透率、大规模分布式电源的接入, 国内外学者正积极开展智能电网背景下的具有一定调节能力的主动配电网(Active Distribution Network, ADN)技术研究。国际大电网会议对于主动配电网的定义可以简单概括为: 主动配电网是一个内部具有分布式能源, 拓扑结构可灵活调整, 具有主动控制和运行能力的配电网。具体而言, 主动配电网通过结合先进信息通信、电力电子及智能控制等技术, 使得配电网中的分布式电源具有可控性、网络拓扑可灵活调节、具有较为完善的可观性、能够实现协调优化管理的管控等功能。

作为主动配电网运行的核心工作之一, 主动配电网通过跨电压等级的无功电压控制, 在满足电力用户负荷需求的条件下, 主动地对并网分布式电源、储能、有载调压变压器、无功补偿等设备的运行进行优化与控制, 从而达到灵活控制系统供电电压, 改善无功电压运行水平, 降低设备电能损耗的目的。然而, 分布式电源出力的波动性、需求侧管理的加强和拓扑结构的主动调整使得配电网的无功电压特性变得复杂多变, 因此, 深入开展主动配电网的无功电压机理及适应其特性的控制策略研究, 对于实现无功电压的主动控制, 更好的接纳分布式电源, 从而提高配电网的自动化和主动管理水平具有十分重要的意义。

2、主动配电网的无功电压特性

尽可能地消纳分布式电源、并对其进行主动控制是主动配电网的最显著特征。从稳态层面来说, 小规模分布式电源的接入会局部影响配电网的无功电压特性, 而主动配电网的高渗透率分布式电源接入却会影响配电网全局的无功电压特性。分布式电源对配电网电压分布的影响程度与其出力、接入位置、接入模式、功率因数相关联。从暂态的层面而言, 当分布式电源启停或者出力变化时, 常常会造成系统电压波动, 而分布式电源接入后潮流的快速波动, 则会引起线路上的无功损耗和电压损耗的相应变化, 不同分布式电源在实际运行中对配电网的无功电压特性影响也相应不同, 特性复杂多变。

随着阶梯电价的逐步实施以及电动汽车之类的新型负荷的逐步推广, 配电网的需求侧管理越来越走入人们的视线, 对负荷进行主动管理是主动配电网核心理念的又一重要组成部分。从原理上来说, 加强需求侧管理更有利于实现源荷平衡, 减小配电网中的无功损耗和电压损耗。而从对配电网运行的影响角度, 负荷调整又与分布式电源接入有所不同, 分布式电源的出力随气候和时空分布因素变化的波动性更剧烈, 突变性更强, 相对而言可调负荷的变化幅度和速率较为缓和, 可控性更好, 同样将从正反两个方向影响到配电网的无功电压特性。

电动汽车行业日渐兴起, 其充电时间具有一定的灵活性, 可从协议供电和阶梯电价两方面入手, 使其成为主动配电网中负荷响应的重要一环。当电动汽车规模接入电网时, 其无控制充电行为将会对电网造成冲击和扰动, 而有序的充放电则有助于电网的经济运行。由此, 车辆到电网(vehicle to grid, V2G)技术应时而生, 即电动汽车忙时则充电从电网获取电能, 闲时则放电接入反哺电网。V2G技术的产生和发展增强了电网对电动汽车的有序和有效管理, 引导着需求侧主动管理的进一步发展。也有学者在V2G的基础上提出了电池到电网(battery to grid, B2G)技术, 大大拓宽了该领域研究的范畴。

综合以上因素, 主动配电网的无功电压特性变得更为复杂, 具有广范围、多变量、高维度的特点, 想要更好地消纳分布式电源并对配电网进行有效的主动控制, 必须要对多因素作用下的主动配电网无功电压特性有进一步的研究。

3、主动配电网无功电压控制

传统配电网无功优化方案中, 影响无功优化结果的不确定因素大多数只有负荷的波动, 而由于分布式电源接入后输出功率受天气和地域等随机波动的影响很大, 主动配电网中的不确定因素增多。相比负荷变化, 分布式电源出力的变化更加频繁, 因此高渗透率分布式电源接入的主动配电网的无功电压控制问题变得更为复杂, 仅仅依靠分布式电源的调节能力还远不能满足保持配电网的合理电压水平的需求, 想解决配电网的无功平衡问题, 仍然要协同多种设备进行控制。

目前的研究中, 对主动配电网的无功电压控制方法主要可以分为两大类: ①集中式的协同控制; ②分散式的自治控制。

主动配电网要实现主动调控的基础是实现全面量测, 因此要求有与之配套的配电网自动化、通信和能量管理系统建设。传统配电网由于网架结构相对固定、调控设备较为单一, 且受通信系统的限制, 多数采用“站内自动控制、站外就地控制”的措施, 而主动配电网则具备了全局协同控制、精准控制的环境和条件。主动配电网的无功集中控制对象可以分为三类: ①传统的无功电压控制设备, 如电容器、OLTC等; ②增强型设备, 如分布式储能装置、配网静止同步补偿器(DSTATCOM)等; ③具有无功调节能力的分布式电源等。

然而, 现有的配电网SCADA系统由于其构架和通信能力的局限, 还难以支撑高效的区域集中控制; 同时, 某些时候可能发生的数据错漏或者通信故障也会影响主动配电网的集中控制, 威胁系统的安全运行。因此, 在过渡阶段也提出了一系列针对主动配电网的分散式无功控制策略。

综合而言, 主动配电网的无功电压集中控制需要依赖全面的数据收集和可靠的通信传输, 由于主动配电网中影响无功电压的控制变量类型更多, 再加上灵活可变的拓扑结构和需求侧响应, 因此主动配电网的集中控制非常复杂。而分散式的就地控制可以在满足基本电压约束的前提下对主动配电网中的分布式电源和各种无功设备进行控制, 减少了通信的数据量和降低了控制变量的维度, 可以作为主动配电网无功电压控制系统中的辅助控制和故障下的紧急控制方案。

4、有待进一步研究的问题

大规模、高渗透率的分布式电源在配电网接入, 以及拓扑和需求侧增加的控制维度, 势必会对配电网电能质量、稳定性和无功电压控制等方面造成严重的影响, 为更好地消纳和利用分布式电源, 配电系统将由传统的简单无源网络向着以复杂多源为特征的主动配电网发展是当前研究的必然趋势。结合当前主动配电网无功电压控制方面研究现状的分析, 下一步将需要着重研究以下问题:

1) 主动配电网背景下分布式电源互补规划层面, 如何实现不同类型的分布式电源在配电网中的协调互补规划, 利用不同类型分布式电源在无功电压控制特性上的差异和互补性能(例如风光之间的互补或者储能对风/光的柔化), 减少配电网的无功电压波动和潮流波动, 提高多种分布式电源在配电网中的渗透率, 将是一个重要的课题。

2) 主动配电网无功补偿规划和控制层面, 由于分布式电源出力、拓扑调整和负荷调节等因素改变了配电网的无功电压特性, 传统的无功补偿配置没有及时跟随这种变化, 不能完全适应配电网的无功电压快速的扰动, 因此要从经济效益角度考虑DSTATCOM等动态无功补偿的容量选择和应用问题。

3) 在主动配电网的需求侧主动管理层面, 如何在保证供电可靠性、尽量减少停电时间的同时, 通过合理的负荷调节和转移来削减负荷峰谷差并优化电网运行, 是在主动配电网条件下提出的一个新的研究课题。这既不能一味地削减负荷减轻损耗, 又要求需求侧响应发挥其应有的主动管理作用, 因此需要在两者之间找到一种合适的评价体系, 用以评估负荷调节产生的经济效益、电压质量改善效益和因停电造成的损失及控制上的操作成本之间的差别。

4) 在主动配电网的网架拓扑层面, 目前已有的研究多数只着眼于含分布式电源和储能的微网结构规划, 或紧急情况下的短时孤岛切换运行, 而对于可灵活调整拓扑的主动配电网网架规划原则, 以及在正常运行时如何通过合理调整网架来改善潮流状况和电压控制效果的研究则相当匮乏。灵活有效的拓扑调整需要依赖于配电网能量系统的实时监测和网络潮流的准确计算预测, 在此过程中如何考虑网架的数学模型和优化算法, 以及如何协调落实在通信和自动控制中的问题则成为重点所在。

5) 目前大量文献的成果是基于国外算例和IEEE等抽象算例开展的研究, 未考虑国内实际配电网架构特征和负荷特性等, 并鲜有实践验证。此外, 国外的主动配电网研究是在成熟的配电网负荷基础上, 采用中压电网配合单相供电, 主要利用中压OLTC和分布式电源配合的手段; 而我国的主动配电网采用三相供电加庞大的低压电网, 还要考虑持续增长的负荷, 而低压侧的电容器更是无功控制的主要手段。如何理论联系实际, 建立符合我国配电网实际的标准主动配电网模型, 进行实际的技术示范和研究成果验证, 是增强理论成果可信度和科学性的关键工作。