编者按：户用光伏的并网和利用对缓解当前的能源和环境危机具有重要意义,高比例户用光伏并网所导致的电压问题成为制约网络消纳的关键因素。阐述了含高比例户用光伏低压配电网中的电压问题。

介绍了基于电压灵敏度分析的电压控制原理;在此基础上,综述了低压配电网中基于有功调节、无功调节、分接头调节以及多设备协调的电压控制方法;评述了以上方法的适用场景、优势以及不足;总结了当前研究所面临的挑战并展望了低压配电网电压控制新趋势。

蔡永翔, 唐巍, 徐鸥洋, 张璐

0 引言

随着全球经济加速发展,能源短缺和环境污染已经成为当前面临的严峻问题[1-5],这也推动了可再生能源发电的研究和发展,光伏发电在众多可再生能源资源中占有十分重要的地位。从2005年后光伏的并网装机容量呈现出快速增长的趋势[6],预计到2040年前后光伏发电在所有可再生能源发电中的比重将达到最大[7]。

光伏分散式并网及其电能的就地消纳已经成为趋势[8-9]。以欧洲为例,根据欧洲光伏产业协会的报告,2012至2014年欧盟的光伏装机总量超过 70 GW,其中超过70%为屋顶光伏项目。从国内情况来看,根据《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》以及《电力发展“十三五”规划》,光伏并网发电应当遵循分散开发、就近消纳为主的原则。当前,我国低压配电网户用光伏并网数量快速增长,并网容量也不断提高。

由于户用光伏本身具有随机性、间歇性和波动性,高比例光伏并网后会造成网络面临诸多风险,例如网络电压越限和波动风险加剧[12-15]、三相不平衡的问题更加突出[16-17]、网络中的谐波含量增加[18]以及以及配电网保护误动作[19]。由于电压幅值的高低直接影响用户的正常用电,以上众多风险中电压越限是影响光伏消纳最重要的因素之一[13, 20-21],因此研究含高比例户用光伏低压配电网中的电压控制问题具有十分重要的价值和意义。

尽管低压户用光伏在国内的发展速度非常迅速,但是在电压控制的研究上与国际先进水平相比还略显滞后。因此,本文对国内外的相关研究进行总结和梳理,首先分析了高比例户用光伏的并网特征及其对网络电压的影响,介绍了基于电压灵敏度的低压配电网电压调节原理,并以此为基础分析了低压配电网基于有功、无功、分接头设备以及多种设备协调的电压控制方法,对其特征、适应场景和不足之处加以评述,同时还展望了低压配网中的电压控制发展方向,以供相关研究者借鉴和参考。

1 高比例户用光伏的并网特征及其对电压的影响分析

潮流单向流动是传统低压配电网的基本特征。低压配电网有以下两个显著的特点：1)线路r/x较高[22-23];2)辐射状的拓扑结构[24]。由于低压线路r/x较高,有功-相角和无功-电压的解耦关系不再存在,即有功和无功均能对电压造成比较显著的影响;由于低压配电网多为辐射状拓扑结构,传统低压配电网中电能从配电变压器输送到用户,潮流单向流动,造成电压从配变母线开始沿馈线逐渐降低[25-26]。

用户光伏通常分散接入低压配电网的各节点,其并网功率若不能完全由本地负荷利用将会导致反向潮流和电压升高[14]。户用光伏接入的比例越高,则反向潮流越显著,节点电压甚至会越上限,同时也会造成网损急剧增加[27]。由于低压居民用户的负荷特性与光伏发电功率特性不一致,负荷高峰时段与光伏功率高峰时段不重叠,导致低压电网各节点电压变化明显,在白天光伏发电功率过剩时段将会出现过电压,而在夜间重负荷时段则会出现欠电压。按照GB/T 12325—2008《电能质量供电电压偏差》的规定,低压配电网节点电压偏差应不高于标称电压的7%且不低于标称电压的10%。

电压波动显著是含高比例户用光伏低压配电网的另一特点。受太阳辐照强度、温度以及云层等因素影响,光伏并网功率会发生突变,从而导致节点电压明显波动;由于户用光伏产权属于用户,不受配电公司管辖,其随机接入或退出将进一步增加电网运行的不确定性,使得低压配电网电压越限和波动的风险加剧。GB/T 12326—2008《电能质量电压波动和闪变》规定：对于随机性不规则的电压波动,低压配电网的限值是3%。

在含高比例户用光伏的低压配网中主要的有功控制手段有光伏本身的有功削减以及分布式储能的有功调节等。无功控制手段有光伏逆变器的无功调节、配电网静止同步补偿器(distribution network static synonous compensators,DSTATCOM)的无功调节以及并联电容器(shunt capacitor,SC)无功调节等。其中受到关注最为广泛的是光伏逆变器的无功调节,这是因为这种调节方式能高效的利用用户逆变器的容量[30],不需要额外的设备投资;而DSTATCOM需要网络公司单独进行投资并且价格昂贵,SC则不能频繁投切且只能为网络提供电压支撑,不能实现对网络过电压的调节。分接头设备包括带有载调压分接头(on-load tap changer,OLTC)的变压器、调压器以及固态分接头变压器等,多安装在首端对全网电压进行调节。

线路的r/x参数特征是选择控制手段的重要依据,其中r代表线路电阻,x代表线路电抗。文献[31]指出配电网线路r/x与电压灵敏度直接相关,对于r>x的线路,电压-有功灵敏度数值大于电压-无功灵敏度,即有功对电压的影响更为显著;对于r<x的线路,电压-有功灵敏度数值小于电压-无功灵敏度,即无功对电压的影响更为显著。在低压配电网中,若线路的r和x相当,调节有功和无功均能实现对网络电压的控制[32-33];若r显著大于x,无功对于电压的影响可以忽略,并且无功调节可能造成线路中出现大量的无功潮流,从而引起网损的增加,采用有功控制电压才可获得较好的控制效果[34]。

3 低压配电网电压控制方法

低压配电网中的电压控制问题亦存在独特性。首先,低压配网通信网络不健全,许多基于完善通信的控制方法在低压网络中难以适用;其次,低压配网线路类型比较复杂,r/x较大,其变化范围也大(表1中r/x范围为0.716~12.394),单一控制方法难以在不同低压网络中适用;此外,相比于输电网和中压配电网,低压配电网的可调设备资源更少,设备的可调容量和动作性能通常也受限。控制方法尽可能兼顾以上3个问题,同时提高设备的控制效率是研究的要点。本节以第2节的理论分析为基础,对低压网络中的通信情况进行简要介绍,综述基于有功、无功、分接头设备以及多种设备协调的电压控制方法并对方法特征、适应场景和不足之处加以评述。

3.1 低压配电网中的通信条件

低压配电网通信网络不健全,可靠性较低是普遍存在的情况[13]。由于低压网络规模庞大,维护难度也大,未来短时间内这一现状无法得到显著的改善。因此,中压配电网中一些基于可靠通信的集中控制方法难以在低压配电网中得到推广。从当前的研究成果来看,多数的研究是基于无通信或者弱通信假设进行的。图1是一种低压配电网中典型的通信模型[35-36],某一节点只能与相邻两节点进行通信。同时,需要特别注意的是,通信过程中要注意对用户隐私的保护。
3.2 基于有功的电压控制方法

3.2.1 光伏并网有功削减

在r显著大于x的低压配网中,削减户用光伏并网功率是一种非常简单有效的抑制网络过电压的方法,并且可以有助于降低过电压情形下线路中的有功流动,从而降低网络损耗。图2为一种常用的光伏有功削减曲线,其中,PPV为光伏并网有功,若并网节点的电压低于允许电压上限Vth-OV时,光伏发电按照最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)功率并网;若并网节点的电压超过允许电压上限时,光伏发电不再按照MPPT功率并网,而按照预定的电压-有功曲线切除光伏并网有功。多数研究均以此为基础提出控制策略[37-39],但是仅仅以防止各节点电压不越限为目标,不考虑各节点削减量协调,在执行削减和赔偿时很难兼顾公平,也很难解释功率削减的合理性。文献[22]以电压灵敏度分析为基础,结合低压配电网的辐射状特性,对不同节点电压控制曲线参数进行统一协调设计,协调目标是确保电压有效控制及每个节点光伏功率削减的均等性,使得削减和赔偿方案更加容易执行。然而,通过削减光伏并网有功进行电压控制的策略以减少清洁能源发电为代价,实质上没有提高低压配电网对光伏发电的消纳能力,在夜间也无法对网络提供电压支撑。
3.2.2 分布式储能有功调节

相比于光伏并网有功,分布式储能则具有更好的功率和电压调节特性,具备吸收和发出有功的能力,可以实现对节点净功率的削峰填谷和电压调节,有助于实现电能的本地化利用,同样能一定程度降低网络损耗[40]。

从控制的角度上看,控制策略不仅需要考虑储能的功率输出,还需要充分考虑储能本身荷电状态(state of ge,SOC)的控制。在中压配电网中比较理想的解决方案是动态最优潮流[41],但是对网络的通信情况和控制器的解算能力提出了较高的要求,这在低压配电网中是难以实现的。

在无通信的低压配电网中,文献[42]建立了基于模糊逻辑的储能控制模型,将本地节点电压偏移量和储能SOC同时作为控制输入量,可以兼顾对节点电压和储能SOC的控制。也有一些研究仅将储能设备用于调节网络电压波动[43]和网络三相不平衡[44-45],这些应用对储能的容量要求不高,因而储能SOC的控制相对容易。

在具备弱通信能力的低压配网中,为了实现并网功率和储能SOC的有效控制,一些文献提出了改进的储能控制策略,包括“分布式+就地”[36, 46]以及“集中+就地”[47-48]的多阶段控制策略：首先,在分布式或者集中控制阶段选择参与控制的储能设备并且给定参考输出有功;然后,储能在就地控制阶段根据自身的SOC情况进一步调整功率输出;最后,通过分布式(集中)阶段和就地阶段之间的不断迭代和调整直到达到电压控制目标。

尽管储能具备多种优点并且更多控制策略也不断涌现,但是当前储能的投资和维护费用较高,使用寿命较短。文献[49-50]均指出推动储能的应用还需要在电力市场中建立合理的辅助服务机制,以促进储能设备更加高效和经济的使用。

3.3 基于无功的电压控制方法

在线路r和x数值相当的低压配电网中,光伏逆变器的无功控制是一种有效的电压调节手段,相比于控制光伏有功、分布式储能有功以及分接头设备等,该方案控制经济性最优[9, 13, 33]。 低压配电网无功控制以就地为主,主流的策略可以分为3种[9, 13]：cosφ(PPV)控制(以光伏并网有功PPV为控制输入量,调节逆变器无功以控制光伏逆变器的并网功率因数cosφ)、QPV(V)控制(以光伏并网点电压V作为控制输入量实现逆变器无功QPV调节)和QPV(PPV)控制(以光伏并网有功作为控制输入量实现逆变器无功调节)。

1)基于cosφ(PPV)控制的逆变器无功调节。

cosφ(PPV)控制是一种常规的无功控制方法,旨在限制网络电压的上升和线路中过多的无功流动,德国光伏并网标准委员会给出了分布式光伏并网的指导性控制曲线[52],如图4所示。当光伏并网功率超过额定有功的50%时,光伏逆变器吸收无功以避免网络电压的进一步升高,同时应保证光伏并网点的功率因数维持在±0.95的范围内。我国的光伏电站并网标准也有类似的规定,需要将光伏并网点的功率因数维持在±0.95的范围内[53]。这种控制方式在光伏并网比例不高时能起到很好的效果,然而在含高比例户用光伏的低压配电网中,严格限制光伏的并网功率因数不利于充分发挥逆变器的无功调节能力。文献[13]指出强光照轻负荷的情况下,网络中会出现非常严重的过电压风险,如果严格限制光伏并网的功率因数,则可能无法动用全部的无功控制容量,从而导致严重的过电压风险。类似地,文献[54]指出在夜间无光照重负荷的情况下,如果严格限制光伏并网的功率因数则光伏并网无功只能设置为零,无法对网络提供电压支撑,从而导致网络面临欠电压风险。文献[10,54]均指出在强光照高负荷的情况下,一些固定光伏并网功率因数的控制方式反而会增加网络损耗,造成网络功率因数的劣化。
2)基于QPV(V)控制的逆变器无功调节。

QPV(V)下垂控制是一种非常经典的电压控制方法[55-57],控制曲线如图5所示。若光伏并网点电压高于预先制定的目标电压,光伏逆变器吸收无功以延缓节点电压的上升;反之,光伏逆变器注入无功功率以延缓节点电压的降低;若并网点电压达到网络电压的上限(下限)时,光伏逆变器按最大的无功容量吸收(注入)无功。考虑到上述策略可能会造成网络中不必要的无功流动,文献[58]对电压-无功下垂曲线进行分段,将图5中的目标电压设定为一个区间,在区间内逆变器无功输出为零以降低线路中的无功流动,避免不必要的网络损耗。文献[59]则对于网络中区间的协调设计问题进行了研究。然而,QPV(V)下垂控制可能出现的电压稳定问题难以预料和建模分析[60-61],当前的很多文献对于QPV(V)控制的研究是以稳态假设作为基础,对控制过程中可能出现的电压稳定问题探讨较少[9]。 3)基于QPV(PPV)控制的逆变器无功调节。 针对QPV(V)控制可能出现的问题,一些基于Q(P)控制的研究成果相继出现[10,12-13],控制曲线与图5类似,但横坐标为光伏并网的有功。相比于QPV(V)控制,QPV(PPV)中的有功和无功解耦,逆变器的无功调节并不会引起有功发生变化,因此QPV(PPV)控制不会引起稳定性问题[13]。为提高无功控制效率,降低对于无功容量的投资,文献[10]对QPV(PPV)控制的无功控制启动阈值和控制斜率的设计进行了研究,建立了控制参数的全局优化模型,使得了不同节点间的无功控制具有更高的协同性。为尽可能降低无功在线路中的流动,文献[13]设计了非线性的无功斜率参数。文献[12]则以节点的净功率作为控制输入量,设计了多模式的控制策略,将节点电压波动、过电压和欠电压的控制都考虑在内。可以看出,QPV(PPV)控制相比于和QPV(V)控制在实现上更加灵活,由于不用考虑电压稳定性的问题,在实际的使用过程中也更加容易。但是QPV(PPV)控制对于网络损耗以及网络功率因数影响的研究还有待补充和完善。

3.4 基于配变分接头的电压控制方法

配变分接头调节是一种有效的电压控制方法,在国内通常不考虑对于分接头进行调整,但是在国际上,特别是欧洲一些国家将分接头调节作为低压配电网中非常重要的电压调节手段[62],以电力电子设备为基础的固态分接头变压器在低压配电网中的应用也开始受到关注。

通过分接头进行电压控制的关键在于分接头的调节能够兼顾不同低压馈线的电压分布情况,同时避免频繁的分接头调节。文献[63]提出了一种基于规则的分接头控制策略,图6是一个含3条低压配电馈线的低压配电网,在每条线路末端以及OLTC控制器处安装电压通信设备,每条馈线将末端电压上传至OLTC控制器,控制器筛选出最大电压和最小电压,通过规则的判断选出合适的分接头动作策略,如最大电压和最小电压均出现越上限的情况,分接头则调节首端电压下降,而最大电压越上限,最小电压越下限则分接头不动作。这种控制策略能够对不同馈线的电压情况进行综合判断,从而避免不必要的分接头动作,同时所需要的通信节点数量较少。文献[35]的OLTC控制思路也类似,进一步指出OLTC的动作应当设置一定的控制延迟,避免不必要的分接头动作。为了避免对通信的依赖,文献[20]则提出了一种基于馈线参数和功率分布特征的远端电压估计方法,在无通信的情形下也能比较准确的估算出各馈线的末端电压。
3.5 多种设备综合协调的控制方法

对于光伏并网比例较高、线路r/x偏高及线路较长的低压配电网,往往需要同时采用光伏逆变器、储能、OLTC以及DSTATCOM等多种设备抑制电压越限和电压波动。对于光伏逆变器、储能以及DSTATCOM,由于其基于电力电子技术则可以频繁调节;对于OLTC,考虑到设备磨损程度较大则不适宜频繁动作,应尽可能降低其动作次数。通过对对国内外相关文献的分析,各种设备间的协调控制策略可分为以下3类：

1)按不同设备的控制目标进行划分。

通过对控制目标进行划分,可以减弱设备的控制压力。文献[64]提出了分区控制策略以减轻OLTC的控制压力,指出OLTC对电压的灵敏度随线路长度的增加而降低,末端光伏电压-无功(电压-有功)的灵敏度随线路长度的增加而增加,如图7所示,将灵敏度相等的节点作为分区节点,提高网络电压控制效果的同时降低OLTC控制压力。文献[65]给出了OLTC和储能的协调控制方式,指出对于OLTC,无反向潮流情况下控制目标应为远端电压,潮流反向情况下控制目标应为变压器出口电压;对于储能设备,无反向潮流情况下应提供功率支持,潮流反向情况下应通过吸收功率减弱反向潮流。
2)按不同设备的调节顺序进行划分。

通过对控制顺序进行划分,也可以实现有效的协调控制。文献[35]提出了基于规则的分布式电压控制策略,指出网络电压出现越限时,首先应调节光伏逆变器无功功率,通过光伏逆变器吸收或发出无功来抑制电压越上限或下限;其次,再考虑进行光伏有功削减。类似地,文献[66]对储能和光伏逆变器调节的先后次序进行了优化,当网络出现电压越限时,优先采用光伏逆变器无功进行就地电压调节,控制无效的情况下再调节储能并网有功。

3)按不同设备的调节经济性进行划分。

调节经济性也是制定控制方案需要考虑的重要因素。OLTC的调节造成设备磨损程度比较明显,并且不能频繁调节,因此单次调节的经济代价较高。光伏、储能以及DSTATCOM本身具备频繁的动作特性,但是设备投资和维护成本之间的差异也会造成调节经济性的不同。文献[40]考虑设备投资和运行维护成本,基于电压-有功/无功/分接头灵敏度矩阵获得电压-价格灵敏度矩阵,当电压越限时根据电压-价格灵敏度矩阵对各种调节设备进行排序,选择出最经济的控制方案。但是目前考虑经济性因素的控制模型研究还相对较少。

4 低压配电网电压控制新技术展望

从以上的控制综述可以看出,当前已经存在一些针对低压配电网电压控制的研究成果,但是这些研究仍有一些不足和分析不充分的情形。在系统层面上,还鲜有文献研究网络运行的评估和预警模型,也鲜有文献从源-网-荷协调的角度探讨控制模型的建立;在控制方法上,现有文献对于光伏并网场景和网络运行指标的考虑还不充分,也少有文献将辅助服务的定价问题纳入到控制模型中;在设备层面上,当前文献多关注光伏逆变器、分布式储能和OLTC等设备,对于诸如虚拟同步机和固态分接头变压器等新型设备在含高比例户用光伏低压配电网中应用和控制的研究还有所不足。因此,从系统、控制方法和控制设备3个层面对低压配电网电压控制新技术进行展望。

4.1 低压配电网电压越限评估与风险预警研究

当前户用光伏较多的接入农村低压配电网,其可控设备较少、通信条件较差,导致对光伏消纳能力较弱,常常需要削减光伏并网功率才能避免电压越限,造成了资源浪费和经济损失。因此,应根据负荷水平、光伏接入比例、网络参数、拓扑结构及控制设备条件,对低压配电网光伏消纳能力和电压越限风险进行评估,帮助有关部门制定合理的户用光伏并网计划。此外,结合区域负荷变化特征和周期性气候变化等因素建立风险预警系统则可以进一步为有关部门的管理提供依据和参考,避免网络出现严重的电压越限。

4.2 源-网-荷协调的电压控制研究

电压问题出现的根本原因是网络对于光伏发电消纳能力不足,即源网荷的协调程度还有待提高。首先,并网光伏电源端需要具备一定的有功和无功可控能力,降低对网络的影响;其次,网络中的负荷应当具备一定的弹性可调能力,减小负荷峰值与光伏发电峰值的不匹配程度;不仅如此,低压网络中的通信和量测条件应当不断完善以提高网络自身的协调控制能力。当前相关的研究还有待补充。从更宏观的角度看,户用光伏的消纳问题不仅需要做到局部就地平衡,还应当考虑区域间互供和整体消纳协调,如一些学者已经提出在低压配电网中建立微型能源互联网的设想[67],通过多能互补和区域互联提高对光伏的消纳能力,从而化解网络电压越限风险。

4.3 交直流混合配电网的电压控制研究

相比于低压交流配电网,低压直流配电网具有线路损耗小、节约成本等特点,且户用光伏及储能也更易于接入,同时具有更好的供电可靠性和电能质量[68],一些文献对于直流配电网的拓扑结构,规划以及控制问题进行了相关的讨论[69-71]。但是,将当前的交流网络直接转换成直流网络尚存在巨大的政策、资金以及技术挑战,因此,低压交流配网向低压交直流混合配网过渡成为当前网络发展的趋势之一,并且有可能在未来长期保持下去。文献[72]提出一种基于交直流互联的低压配网转供模型,如图8所示,利用AC/DC换流器将不同负荷特性的馈线末端连接起来,并且通过变下垂系数策略调节换流器流过功率的大小和方向,使得负荷特性不同的馈线功率均衡,可以有效化解电压风险。

文献[73]则提出了交直流线路并行架设的网络结构,如图9所示,交直流接口同时入户,传统交流网络的并网负荷、控制设备和控制方式不变,户用光伏以及电动汽车则通过直流馈线并网;直流馈线通过首端的储能控制,还可以稳定首端交流母线的电压,极大的降低了网络运行风险和设备投资。
4.4 多目标多场景的电压控制研究

当前多数控制方法的控制目标和场景比较单一。一方面,这些文献重点解决光伏并网后所引起的电压越上限问题,对于传统的夜间重负荷所引起的欠电压问题以及光伏功率波动所引起的网络电压波动问题考虑还有所欠缺,即控制并没有充分考虑光伏的运行场景。另一方面,也鲜有文献考虑控制策略对于网络损耗和网络功率因数的影响,即控制并没有充分考虑网络运行指标。因此,有必要在含有高比例户用光伏发电的低压配电网中建立多场景、多目标的控制模型,兼顾网络风险的抑制及网络运行指标的优化。

4.5 考虑经济性因素的电压控制研究

当前,政策性因素是推进户用光伏并网的主要动力,但最终将会被市场和价格因素所取代。在此背景下户用光伏消纳问题的利益主体将变得多元化,基于一定的价格要素考虑光伏的并网以及网络电压控制等问题会更加合理,如可以建立不同利益主体间光伏并网和辅助服务的博弈及合作模型。在此背景下低压配网的电压控制将被赋予经济和价格属性,相关的研究将会对光伏的并网和设备的高效利用起到促进作用,也会对并网政策的完善提供参考和依据。

4.6 光储虚拟同步机建模及电压控制研究

与经过逆变器并网的电源不同,同步发电机的并网功率具有很大的惯性,避免了并网功率的快速波动。通过对光储逆变器的参数设置以及阻抗匹配,可以使分布式光储系统具有与同步发电机类似的并网特性[74-76]。当前文献对光储虚拟同步机建模的研究还有所不足,多采用简化的网络模型并且没有充分考虑低压网络的参数特点,光储虚拟同步机对网络电压的影响及调节作用的研究也较少。因此,相关的研究还有待补充和完善。

4.7 新型电力电子设备的研制

一些新型电力电子设备在低压配电网中的应用正在受到关注。固态分接头变压器的分接头变化不再需要进行机械性的调整,图10是固态分接头的结构示意图,通过对晶闸管的开合操作即可调整变压器的变比,避免了分接头的磨损,使得变压器的变比可以频繁调节[51],这将极大增强网络的电压调节能力。类似设备在低压配网中的应用还有待补充和完善。
5 结语

本文围绕含高比例户用光伏低压配电网电压控制问题,总结了户用光伏在低压配电网的并网特征及其引起的电压问题,基于电压灵敏度理论介绍了当前低压配电网的电压控制原理。并以此为基础,结合低压配电网的通信条件,综述了基于有功、无功以及分接头的电压控制方法,同时对多类设备的协调控制方法也进行了介绍,总结了不同控制方法的使用场景、优势与不足之处。最后,对解决低压配电网电压问题的新技术进行了展望,以期能为该领域将来的研究提供一些参考。

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原标题：含高比例户用光伏的低压配电网电压控制研究综述