赫衛(wèi)國，程軍照，王文璽，翟晶晶

（1.中國電力科學(xué)研究院，南京 210003；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，昆明 650011；3.南京工程學(xué)院，南京 211167）

含分布式光伏發(fā)電的配電網(wǎng)電壓越界調(diào)節(jié)策略

赫衛(wèi)國1，程軍照2，王文璽2，翟晶晶3

（1.中國電力科學(xué)研究院，南京 210003；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，昆明 650011；3.南京工程學(xué)院，南京 211167）

針對含高滲透分布式光伏發(fā)電的配電網(wǎng)電壓越限問題，可充分利用并網(wǎng)光伏逆變器的無功調(diào)壓能力。提出2種接入中低壓配電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電的輸出電壓調(diào)節(jié)策略，第1種策略基于各光伏發(fā)電接入節(jié)點的電壓-功率靈敏度，根據(jù)電壓越界程度選擇靈敏度大的光伏發(fā)電節(jié)點，調(diào)整其無功輸出，當(dāng)仍不能滿足電壓要求時，部分場景可以繼續(xù)調(diào)整其有功輸出；第2種策略以有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)，對配電網(wǎng)中各分布式光伏發(fā)電的無功和有功出力進(jìn)行優(yōu)化，在保證電壓越界得到有效調(diào)節(jié)的同時，實現(xiàn)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行。通過IEEE33節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行兩種場景的模擬，驗證分析了2種策略的有效性。

配電網(wǎng)；電壓越界；分布式光伏；電壓靈敏度；差分進(jìn)化算法；光伏輸出模式

配電網(wǎng)運行管理需要保證電力用戶的電能質(zhì)量，確保其供電電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)。分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)可能改變配電網(wǎng)的運行特性，引起節(jié)點電壓過高問題。當(dāng)負(fù)荷需求大而光伏發(fā)電少時，可能出現(xiàn)電壓過低問題［1］。分布式光伏發(fā)電逆變器在最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）模式下輸出有功功率的同時，往往仍有剩余的容量，具備一定的無功功率輸出潛力。從電網(wǎng)的角度來看，充分利用這部分閑置的無功能力可以調(diào)節(jié)配電網(wǎng)潮流并改善電壓分布，保證配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行［2—4］。

目前，含光伏發(fā)電的配電網(wǎng)電壓越界主要是通過變壓器分接頭或者其他輔助無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，也有部分文獻(xiàn)涉及到通過分布式光伏有功無功出力進(jìn)行調(diào)整。文獻(xiàn)［5］通過多代理系統(tǒng)對配電網(wǎng)的變壓器分接頭進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以實現(xiàn)大量分布式光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行；文獻(xiàn)［6］通過多代理系統(tǒng)，利用局部量測信息和代理商之間的通訊進(jìn)行配電網(wǎng)電壓監(jiān)測，通過對分布式電源和負(fù)荷的有功無功功率協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，以改善電壓并減少配網(wǎng)有功損失；文獻(xiàn)［7］進(jìn)一步分析了節(jié)點電壓與節(jié)點注入有功功率的靈敏度關(guān)系，將電壓分為2類警告等級并分別設(shè)置相應(yīng)的閾值，在電網(wǎng)電壓達(dá)到第2級閾值后啟動光伏功率調(diào)節(jié)功能；文獻(xiàn)［8］分析了并網(wǎng)逆變器容量與光伏陣列額定功率的關(guān)系，優(yōu)化調(diào)節(jié)光伏發(fā)電逆變器的無功出力和有功削減，以提高配電網(wǎng)三相電壓平衡水平和運行的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)［9］利用光伏發(fā)電的無功出力以及其他無功電源，保證每一個時間斷面配電網(wǎng)各節(jié)點電壓滿足要求。

由于中低壓配電網(wǎng)阻抗和感抗在一個數(shù)量級上，節(jié)點電壓與注入的有功功率和無功功率的關(guān)聯(lián)性很高，因此，對各個節(jié)點注入的有功功率或者無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)都能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)的電壓水平產(chǎn)生影響。本文針對含分布式光伏發(fā)電的配電網(wǎng)電壓越界調(diào)節(jié)問題，基于先無功后有功的原則，分別從節(jié)點電壓本地調(diào)節(jié)和配網(wǎng)全局優(yōu)化的角度，提出2種分布式光伏輸出電壓越界調(diào)節(jié)策略，以充分挖掘“免費”的分布式光伏發(fā)電的配網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)能力。

1 基于靈敏度的電壓越界就地調(diào)節(jié)策略

1.1 電壓調(diào)節(jié)策略

配電網(wǎng)靈敏度電壓調(diào)節(jié)方法根據(jù)電網(wǎng)節(jié)點電壓分布情況有選擇地進(jìn)行調(diào)整，其關(guān)鍵點在于節(jié)點注入功率增量的決策，功率增量通過節(jié)點電壓無功功率靈敏度或者節(jié)點電壓有功功率靈敏度計算獲得。

本文電壓調(diào)節(jié)直接以節(jié)點電壓越界量最小為目標(biāo)函數(shù)，如式（1）所示

式中：Vi為非平衡節(jié)點i的電壓；N為配電網(wǎng)非平衡節(jié)點個數(shù)；g(Vi)為電壓越界函數(shù)，如式（2）式（3）所示

式中：μ和σ分別為高斯函數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，本文取 μ為1.0，σ與配電網(wǎng)參數(shù)有關(guān)；Vsl和Vsu分別為節(jié)點電壓“軟”約束的下邊界和上邊界；Vhl和Vhu分別為節(jié)點電壓“硬”約束的下邊界和上邊界；wv為硬約束越界懲罰因子［10］。

其中，電壓“硬”約束表示供電允許的最小、最大電壓允許范圍，“軟”約束表示根據(jù)實際電網(wǎng)電壓等級所確定的更優(yōu)化的電壓范圍。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓越界時，按照各分布式光伏發(fā)電對電壓調(diào)節(jié)的效果進(jìn)行排序，根據(jù)先無功后有功的原則，在電網(wǎng)運行約束和光伏發(fā)電運行約束下，建立電壓靈敏度就地調(diào)節(jié)策略如下：

（1）當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)節(jié)點電壓越上界時，優(yōu)先調(diào)節(jié)全網(wǎng)接入分布式光伏發(fā)電的電壓最高節(jié)點，以使得

（2）當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)節(jié)點電壓越下界時，優(yōu)先調(diào)節(jié)全網(wǎng)接入分布式光伏發(fā)電的電壓最低節(jié)點，以使得

接入配電網(wǎng)的各分布式光伏可調(diào)節(jié)有功功率ΔPj和無功功率 ΔQj的裕度分別如式（6）、式（7）

式中：Po,j和PMPP,j分別為第 j個光伏發(fā)電調(diào)節(jié)前的有功功率輸出值和理想的最大有功功率輸出值，若光伏發(fā)電已經(jīng)按照最大功率跟蹤方式運行，則Po,j=PMPP,j；Qo,j為第 j個光伏發(fā)電調(diào)節(jié)前的無功功率輸出值；Qlb,j、Qub,j分別為光伏發(fā)電最大可輸出的感性和容性無功功率。

為了維持分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，調(diào)節(jié)后，逆變器的輸出功率不能超過其額定容量的限制，即

式中：Sj為光伏發(fā)電 j的逆變器額定容量。

1.2 電壓靈敏度計算

對于某時間斷面的配電網(wǎng)而言，某節(jié)點母線的電壓增量是除平衡節(jié)點外的其他各個節(jié)點注入有功功率和無功功率共同作用的結(jié)果。配電網(wǎng)輻射式的運行結(jié)構(gòu)特點表明，某節(jié)點的電壓水平受到該節(jié)點自身的功率注入的影響最大，受到電氣距離短的相鄰節(jié)點的功率注入影響次之。為了量化這一影響，一般使用靈敏度值來表征，本文采用擾動觀察法來獲得。

以有功功率為例，如圖1所示，節(jié)點i的電壓和注入的有功功率分別為Vi和Pi，假設(shè)點A為k時刻節(jié)點電壓和有功注入，那么在保持其他節(jié)點功率不變的前提下，節(jié)點i的一個負(fù)的有功功率增量ΔPi,k會引起節(jié)點i電壓產(chǎn)生一個負(fù)的增量ΔVi,k，從而運行點從點A移至點B。定義目標(biāo)狀態(tài)變量增量ΔVi,k與該控制變量增量ΔPi,k的比值為節(jié)點i的電壓-有功功率自靈敏度

圖1 節(jié)點電壓與節(jié)點注入有功靈敏度關(guān)系

調(diào)整節(jié)點i的無功注入ΔQi,k將會引起該節(jié)點電壓該變量為ΔVi,k，則節(jié)點i的電壓-無功功率自靈敏度為

同樣，改變?nèi)魏我粋€節(jié)點功率注入除了影響本節(jié)點電壓之外，對其他有電氣聯(lián)系的節(jié)點電壓也會產(chǎn)生影響，因此，定義調(diào)整節(jié)點 j的功率注入引起節(jié)點i電壓改變的電壓-有功功率互靈敏度和電壓-無功功率互靈敏度分別為

其中，不具有有功功率和無功功率調(diào)節(jié)能力的節(jié)點 j對應(yīng)的元素取為0。

1.3 策略求解過程

對于某一時間斷面可能出現(xiàn)的配電網(wǎng)節(jié)點電壓越界風(fēng)險的配電網(wǎng)運行場景，基本的流程包含電壓監(jiān)測、判斷最佳調(diào)節(jié)光伏及其無功有功選擇3個主要的部分，如圖2所示，具體的求解步驟如下：

（1）監(jiān)測電壓，若最高節(jié)點電壓越上界，則計算該電壓越上界程度，繼續(xù)步驟（2）；若最低節(jié)點電壓越下界，則計算電壓越下界程度，繼續(xù)步驟（5）；

（2）將配電網(wǎng)所有節(jié)點電壓按降序排列，選取電壓最高的節(jié)點i，判斷該節(jié)點對應(yīng)的電壓-無功功率靈敏度向量中最大值對應(yīng)的節(jié)點計算所需要的無功功率，根據(jù)該節(jié)點可調(diào)無功功率約束（式7）修正無功功率指令；

（3）判斷是否仍存在電壓越上界情況，若無，則將當(dāng)前計算的各光伏發(fā)電的無功功率值作為指令下達(dá)，結(jié)束；否則，設(shè)=0，重復(fù)步驟（2）；若遍歷所有可調(diào)分布式光伏節(jié)點無功后仍存在電壓越上限的情況，轉(zhuǎn)至步驟（4）；

（4）根據(jù)電壓-有功功率靈敏度進(jìn)行分布式光伏有功功率調(diào)節(jié)，過程與步驟（2）和步驟（3）一致，若仍然無法保證所有節(jié)點電壓不越上界，調(diào)節(jié)失敗，退出；

（5）將配電網(wǎng)所有節(jié)點電壓按升序排列，選取電壓最低的節(jié)點i，判斷該節(jié)點對應(yīng)的電壓-無功功率靈敏度向量中最大值對應(yīng)的節(jié)點計算所需要的無功功率，根據(jù)該節(jié)點可調(diào)無功功率約束（式7）修正無功功率指令；

（6）判斷是否仍存在電壓越下界情況，若無，則將當(dāng)前計算的各光伏發(fā)電的無功功率值作為指令下達(dá)，結(jié)束；否則，設(shè)=0，重復(fù)步驟（5）；若遍歷所有可調(diào)分布式光伏節(jié)點無功后仍存在電壓越下限的情況，轉(zhuǎn)至步驟（7）；

（7）根據(jù)電壓-有功功率靈敏度進(jìn)行分布式光伏有功功率調(diào)節(jié)，過程與步驟（5）和步驟（6）一致，若仍然無法保證所有節(jié)點電壓不越下界，調(diào)節(jié)失敗，退出。

圖2 電壓靈敏度就地調(diào)節(jié)策略流程圖

2 電壓越界全局優(yōu)化調(diào)節(jié)策略

在確保系統(tǒng)電壓分布滿足要求的前提下，應(yīng)盡可能使配網(wǎng)網(wǎng)損最小，以及因調(diào)節(jié)光伏有功輸出導(dǎo)致的棄光最小，因此定義優(yōu)化目標(biāo)如式（15）

式中：Pl為支路l的有功網(wǎng)損；L為配網(wǎng)總支路數(shù)；Pj和PMPP,j分別為接入節(jié)點 j的分布式光伏有功出力和最大可輸出有功功率；J為含分布式光伏接入的總節(jié)點數(shù)。

并且，與式（6）和式（8）一致，分布式光伏功率輸出應(yīng)滿足

式中：Qi和Sj分別為節(jié)點 j所接分布式光伏發(fā)電的無功輸出和額定容量。

此外，應(yīng)滿足配電網(wǎng)潮流平衡約束

式中：Pn和Qn分別為大電網(wǎng)向配電網(wǎng)提供的有功功率和無功功率。

配電網(wǎng)所有節(jié)點電壓應(yīng)滿足運行要求。借助式（3）所定義電壓越界函數(shù)，采用罰函數(shù)法，將電壓的越界情況轉(zhuǎn)換為一個懲罰項疊加到目標(biāo)函數(shù)上

當(dāng)所有節(jié)點電壓滿足“軟”約束時，懲罰項為零；當(dāng)存在不滿足電壓“硬”約束的節(jié)點時，懲罰項急劇增大。

差分進(jìn)化（differential evolution,DE）算法是以差分項為特征的一種群體進(jìn)化智能算法，具有高效的全局搜索能力，以及連續(xù)的搜索域空間［11］。本文采用DE算法求解前文建立的優(yōu)化模型，具體過程不再贅述。

3 算例研究

以IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)作為本文的測試算例，如圖3所示，具體參數(shù)見附錄表A.1。該配電網(wǎng)額定電壓水平為12.66 kV，基準(zhǔn)容量為10 MVA。平衡節(jié)點電壓取為1 p.u.，分布式光伏發(fā)電分別接入節(jié)點11、15、30 和 32，額定容量 Sj分別為 0.1 p.u.、0.1 p.u.、0.1 p.u.和0.12 p.u.，設(shè)光伏無功輸出上下限分別為Qub,j=0.3Sj，Qlb,j=-0.3Sj。取節(jié)點電壓硬約束上下邊界為：Vhl=0.9 p.u.，Vhu=1.1 p.u.，節(jié)點電壓軟約束上下邊界為：Vsl=0.952 p.u.，Vsu=1.048 p.u.。

圖3 IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)及光伏發(fā)電接入位置

采用本文所提出的基于靈敏度的電壓越界就地調(diào)節(jié)策略（策略1）和電壓越界全局優(yōu)化調(diào)節(jié)策略（策略2）進(jìn)行分析，設(shè)置如下2種典型場景：

場景1：分布式光伏輸出功率大，負(fù)荷需求小，取分布式光伏發(fā)電比例因子為0.9，負(fù)荷需求比例因子為0.28，對應(yīng)著可能出現(xiàn)的節(jié)點越上限情形；

場景2：分布式光伏輸出功率小，負(fù)荷需求大，取分布式光伏發(fā)電比例因子為0.08，負(fù)荷需求比例因子為0.88，對應(yīng)著可能出現(xiàn)的節(jié)點越下限情形。

針對場景1，由計算可知，節(jié)點15是全網(wǎng)電壓最高節(jié)點，V15=1.064 5 p.u.，超出電壓“軟”約束上界Vsu，因此需要啟動電壓調(diào)節(jié)策略。采用本文所提2種策略均能有效調(diào)節(jié)配網(wǎng)電壓，使得所有節(jié)點均滿足電壓“軟”約束，如表1、表2和圖4所示。其中，策略1在4個分布式光伏發(fā)電MPPT模式下滿發(fā)無功功率，但仍無法滿足電壓約束，因此啟動電壓-有功功率調(diào)節(jié)措施，通過損失11號、15號和32號分布式光伏有功來確保所有節(jié)點電壓符合要求。

表1 針對場景1的2種策略計算結(jié)果

表2 場景1的2種策略光伏無功輸出情況p.u.

圖4 場景1調(diào)節(jié)前后配電網(wǎng)節(jié)點電壓分布

針對場景2，由計算可知，節(jié)點18是全網(wǎng)電壓最低節(jié)點，V18=0.934 9 p.u.，超出電壓“軟”約束下界Vsl，因此需要啟動電壓調(diào)節(jié)策略。采用本文所提2種策略均能有效調(diào)節(jié)配網(wǎng)電壓，使得所有節(jié)點均滿足電壓“軟”約束，如表3、表4和圖5所示。

表3 針對場景2的2種策略計算結(jié)果

表4 場景2的2種策略光伏無功輸出情況p.u.

圖5 場景2調(diào)節(jié)前后配電網(wǎng)節(jié)點電壓分布

可見，本文所提2種電壓調(diào)節(jié)策略均具有較好的配網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)效果。相比較基于靈敏度的就地調(diào)節(jié)策略而言，全局優(yōu)化調(diào)節(jié)策略通常能夠獲得更小的網(wǎng)損和更少的棄光量；考慮到目前運行于中低壓配電網(wǎng)的部分分布式光伏發(fā)電并未配置光纖或無線公網(wǎng)通信方式，尚不具備全局優(yōu)化調(diào)節(jié)的條件，因此建議采用本文提出的僅考慮接入點電壓的靈敏度調(diào)節(jié)策略，從而充分挖掘分布式光伏逆變器的雙象限無功調(diào)節(jié)潛力，減少專用無功補(bǔ)償裝置的配置，以節(jié)約安裝成本，降低運維工作量。

4 結(jié)論

本文提出了2種采用分布式光伏逆變器進(jìn)行配電網(wǎng)電壓越界調(diào)節(jié)的策略：一種根據(jù)就地接入點電壓信息，采用電壓-功率靈敏度概念直接調(diào)整光伏逆變器無功功率和有功功率輸出；另一種根據(jù)全網(wǎng)電壓信息和光伏逆變器運行狀態(tài)，在全局范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。通過分析與算例驗證，得到如下結(jié)論：①中低壓配電網(wǎng)改變光伏發(fā)電有功和無功功率注入均具有一定的配網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)效果；②在缺少全局通信系統(tǒng)、不具備全網(wǎng)優(yōu)化電壓控制的情況下，采用本文所提的基于電壓-功率靈敏度的就地電壓調(diào)節(jié)策略具有較好的調(diào)節(jié)效果。

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表A.1 IEEE33配電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)參數(shù)

2017-06-09

2017-07-25

云南電網(wǎng)公司科技項目“主動配電網(wǎng)背景下的無功電壓控制技術(shù)研究”（yndw［2016］000301GHY00034）

赫衛(wèi)國（1978），男，河南商丘人，高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事新能源發(fā)電方面的研究工作；程軍照（1982），男，湖北廣水人，高級工程師，研究方向為分布式發(fā)電與微網(wǎng)、智能電網(wǎng)；王文璽（1977），男，云南昭通人，高級工程師，研究方向為新能源、配電網(wǎng)技術(shù)；翟晶晶（1982），女，湖北唐山人，實驗師，工學(xué)碩士，研究方向為智能用電、電力系統(tǒng)運行與控制。

（本欄責(zé)任編輯馬 雷，陳玉辰）

Regulation method of voltage limits violation in distribution network with distributed photovoltaic generation

HEWei-guo1,CHENGJun-zhao2,WANGWen-xi2,ZHAIJing-jing3
（1.China Electric Power Research Institute,Nanjing 210003,China;2.Electric Power Planningand Researching Center,Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650011,China;3.Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China）

In order to improve the situation of voltage violation in distribution network with high penetration distributed photovoltaic（PV）system,it is possible to fully utilize the reactive power regulation ability of grid-connected PV inverter.This paper proposes two kinds of strategies on distributed PV generation output regulation for node voltage violation of medium-low voltage level distribution network.For the first method,each PV node’s voltage sensitivity to its injected reactive power and active power is obtained using disturbance-observation method.The available reactive power output of the most effective PV access node is calculated and when its reactive power is not sufficient,its active power is able to regulate.For the second method,aiming at both regulating voltage violation and minimizingthegrid active power loss,thereactive power and active power of all the PV generation systems are optimized from the perspective of global optimization.Through the simulation of IEEE 33 nodes distribution network under two typical kinds of operation scenarios,in comparison with the voltage reactive power active power PVoutput mode,thevalidity of both methodsareproved.

distribution network;voltage violation;distributed PV generation;voltage sensitivity;differential evolution algorithm;PV output mode

TM714

B

1009-1831（2017）06-0019-06

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.06.005