考慮分布式光伏無功出力特性的配電網無功優化配置

王 晶 ，王曦煒 ，楊增力 ，吳 迪 ，張 振

（1. 國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077; 2. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 閔行 200240）

0 引言

隨著國家“雙碳”戰略目標的提出、新型電力系統建設的推進，配電網將接入大量的分布式能源、微網、儲能設施等有源設備。將有大量分布式電源接入配電網，新能源滲透率將會持續提升，電網運行情況更加復雜，配電網將會出現電壓越限的問題，因此須對配電網的分布式電源及無功補償裝置進行優化，以保證配電網損耗與電壓偏差小的情況下提高配置的經濟性。

分布式電源的接入一方面使得傳統的單端電源輻射狀配電網變成多端電源供電的復雜網絡，配電網的電壓情況易受分布式電源影響，因此須采取相應的無功補償措施。另一方面，由于分布式電源自身的功率輸出特性，其在電網中可以起到一定的調節作用，甚至能作為可控單元參與配電網調壓。針對分布式電源接入配電網后配電網無功補償方面的研究受到國內外學者的高度重視，取得了許多成果。文獻[1-2]介紹了分布式電源接入配電網后的配電網規劃與運行方法。文獻[3-4]著重分析了分布式電源接入配電網的容量、位置等因素對配電網電壓的影響，通過建立典型配電網模型進行仿真，得到分布式電源接入配電網會使配電網電壓抬升的結論，同時抬升的程度與接入點的位置以及分布式電源接入的容量相關，接入位置越靠近末端、接入的容量越大則電壓抬升效果越明顯。文獻[5-7]針對光伏電源和風電場接入電網的不同特性，提出了基于無功補償裝置的電網電壓控制策略，充分利用了無功補償裝置的處理特性以及新能源的功率調節能力，提高了電網運行的經濟性。

以上研究僅考慮分布式光伏的出力特性對配電網電壓的影響，而未充分考慮分布式光伏的結構特性帶來的無功補償能力，因此僅實現了利用不同位置以及容量的分布式電源來完成配電網規劃階段的電壓調節。本文考慮分布式光伏電源的結構與靜止無功補償器的相似性，分析分布式光伏在低出力情況下進行無功補償的可行性；針對配電網中接入大量分布式電源的情況，考慮不同的分布式電源滲透率情況，提出考慮分布式光伏無功補償能力的配電網無功補償優化配置方案；通過設計大量分布式電源接入配電網的算例，驗證最優容量配比的電壓調整效果以及模型有效性。

1 分布式光伏參與調壓的原理

1.1 分布式光伏電源接入對配電網電壓控制的影響

由于配電網線路的阻抗比（R/X）較大，線路中傳輸的有功功率對電壓的支撐作用明顯，而分布式光伏直接向配電網輸送有功功率會在一定程度上抬高配電網電壓，分布式光伏電源同時也具備發出和吸收無功功率的功能，這也可以為調節配電網節點電壓幅值提供有效的方法。分布式光伏電源的接入對配電網電壓的影響情況由接入容量、接入位置以及運行時的功率因數決定，而多個分布式光伏電源同時接入配電網后對電壓的影響情況將會更加復雜，因此首先考慮單個分布式光伏電源接入的情況。

分布式光伏電源接入位置對配電網電壓的影響：分布式光伏電源正常運行狀態下可以將其功率因數視為1，因此在接入配電網后會向配電網輸入有功功率，從而使得接入點的電壓升高，而其他節點也會隨著分布式光伏電源的輸出變化出現不同程度的電壓抬升。分布式光伏電源的接入會使配電網該支路全部節點電壓升高，且接入點越靠近線路末端，電壓抬升越明顯。在規劃分布式光伏電源接入的位置時須考慮有功輸入的變化對節點電壓的影響，防止出現電壓越限的情況。

分布式光伏電源接入容量對配電網電壓的影響：基于上一小節的分析，分布式光伏電源輸出有功功率會使配電網節點電壓抬升，同時認為分布式光伏的發電量與容量變化率相同，則配電網電壓抬升程度與分布式光伏電源接入的容量呈正相關。

分布式光伏電源功率因數對配電網電壓的影響：由于分布式光伏電源在結構上有接地電容具備無功補償功能，因此在輸送有功功率的同時可以發出（或吸收）無功功率進而可以調節節點電壓。

1.2 正常運行情況下的有功無功協調調壓方法

分布式光伏電源在輸出有功功率時若還剩余部分容量，則可用于輸出無功功率進行電壓調節，具體表現為并網點電壓高于目標值時分布式光伏電源通過吸收無功功率來降低電壓，當并網點電壓低于目標值時分布式光伏電源則發出無功功率來抬升電壓。

當分布式光伏電源剩余容量不足以滿足并網點電壓無功調節需求時，須考慮通過適當減少有功輸出，從而增加無功調節范圍；在此調節方法下，須設定有功出力閾值，以確保在滿足無功調節需求的情況下仍有較高的光伏利用率。

1.3 低出力情況下的無功調壓方法

在低出力狀態或夜間運行狀態光伏逆變器可充當無功補償器為配電網輸送無功功率提供電壓支撐。

如圖1所示，當分布式光伏運行在區域Ⅰ時為正常有功出力狀態，此時分布式光伏的功率因數為0.85及以上，因此有功出力大而無功出力范圍受限；當分布式光伏運行在區域Ⅱ時為低出力運行狀態，此時由于光照不足無法達到較高有功出力，因此可以通過外置控制模塊使分布式光伏的功率因數低于0.85，進而利用剩余容量參與配電網無功調節；當分布式光伏運行在區域Ⅲ為夜間無出力狀態，此時分布式光伏需要從配電網系統吸收少量有功功率為接地電容進行充放電，從而使用全部容量參與配電網無功補償。

2 考慮分布式光伏調壓能力的配電網無功補償優化配置模型

2.1 目標函數

本方法考慮的分布式電源主要為分布式光伏與分布式風機，以分布式電源配置容量以及無功補償裝置配置容量為決策變量，考慮有功損耗成本、分布式電源配置成本、無功補償成本以及棄風棄光成本建立目標函數：

式中：Closs為配電網有功損耗成本；CDG為分布式電源年化配置成本；Ccom為無功補償配置成；CDGloss為棄光成本。

配電網有功損耗成本：

式中：cP為單位上網電價；Tmax為規劃考慮的電網運行時長；Gij為線路ij的導納參數；Vi為節點i電壓； θij為電壓相角差。

分布式電源配置年化成本：

式中：r為貼現率；m為分布式電源最大使用年限；SiPV與SiWG分別表示節點i處接入的分布式光伏與分布式風機容量；cIPV與cIWG分別表示分布式光伏與分布式風機單位容量配置成本；cMPV與cMWG分別表示分布式光伏與分布式風機單位容量年維護成本。

無功補償成本：

式中：ccom為單位容量無功補償配置成本；SC為系統配置的總無功補償裝置容量。

棄風棄光成本：

式中：PaPV為分布式光伏棄光量。

2.2 約束條件

節點電壓約束：

式中：Vi,min與Vi,max為節點i處允許的電壓最小值與最大值。

潮流約束：

式中：PGi，QGi為節點i注入的有功及無功功率；PDGi為節點i處分布式電源注入的有功功率；PLi，QLi為節點i處的有功及無功負荷；QCi為節點i處配置的無功補償量。

支路最大功率約束：

式中：Pi,max表示i支路允許通過的最大有功功率。

分布式電源裝機容量約束：

式中：SDG,total為分布式電源接入總容量；Pload為系統總負荷；RP為分布式電源最大滲透率。

分布式光伏電源無功補償約束：

分布式電源有功出力約束：

式中：Ra,t為不同時刻的環境因素指標，對應分布式光伏為當前時刻光照強度，對應分布式風機為當前時刻的風力大小。

考慮分布式光伏存在通過棄光參與無功調節的運行方式，因此引入分布式光伏棄光約束：

式中：RaPV為分布式光伏允許的最大棄光率。

3 算例分析

3.1 算例設計

算例仿真與分析在IEEE 33節點系統上進行?？紤]大量分布式電源接入配電網的情況，將電壓偏移量較大的節點設為分布式電源的安裝節點，設置上網電價為350元/(MW·h)，節點電壓最大偏差值為10%，分布式光伏發電成本為120元/(MW·h)，分布式風機發電成本為150元/(MW·h)，無功補償單位補償量成本為140元/(Mvar·h)，其中運行成本為120元/(Mvar·h)，無功補償激勵成本為20元/(Mvar·h），允許最大棄光率為20%，分布式電源滲透率由15%變化至45%進行仿真，分布式電源滲透率為分布式電源接入總容量與配電網系統中有功負荷總容量之比 ，通過利用分布式光伏電源的調壓能力替代靜止無功補償器，優化得到不同滲透率下的最優分布式風光容量配比。負荷波動情況如圖2所示，分別使用一年四個季度的典型日負荷模擬全年系統運行，而分布式光伏和分布式風機全年出力數據按照圖3、圖4所示。

圖2 四季典型日負荷曲線

圖3 四季分布式光伏出力曲線

圖4 四季分布式風機出力曲線

3.2 大規模分布式電源接入配電網最優容量比

通過算例以及最優模型得出接入配電網的分布式光伏與分布式風機的最優容量比以及相應最優無功補償容量配置方案，記為方案一，并將僅使用SVG進行無功補償的配網運行方案記為方案二，優化結果如表1所示。

表1 2種方案優化結果對比表格

如表格結果所示，在分布式電源滲透率處于15%～25%期間時，隨著滲透率提高分布式光伏逐漸取代無功補償裝置，而當滲透率超過30%之后，分布式光伏已完全取代無功補償裝置，同時隨著滲透率的增加，分布式光伏與分布式風機裝機比例逐漸增大，這一結果表明隨著滲透率的增加，配網中應該接入更多具有調壓能力的分布式光伏來滿足電網的無功補償需求。圖5中對比了不同滲透率情況下的成本組成情況，可見隨著滲透率增加，總運行成本的增加主要是由于分布式電源的配置以及運行維護成本增加導致的；在無功補償方面，隨著滲透率提高無功補償裝置需求也逐漸提高，但采取分布式光伏進行無功調壓的方案一仍然可以不額外配置無功補償設備，這也證明該優化配置模型的有效性。

圖5 2種方案系統運行成本組成分析

4 結論

本文通過分析分布式電源接入配電網帶來的影響基礎上，考慮分布式光伏的調壓能力，以年綜合費用最小為目標，建立分布式電源容量比例優化配置模型，并在IEEE 33節點上進行仿真和分析，得到以下結論：

分布式電源接入配電網可以在一定程度上緩解電網有功損耗，但是在常規控制方式下須配置相應的無功補償設備來實現節點電壓穩定，而分布式光伏可以通過增加控制模塊從而實現對配電網的有功無功協調控制，因此對配電網的電壓調節效果更為顯著；

隨著分布式電源滲透率的提高，分布式光伏與分布式風機的接入容量比例也逐漸提高，這是由于高滲透率的分布式電源會給電網帶來更大的無功補償需求，而改進過后的分布式光伏可以有效緩解配電網對無功補償裝置的依賴，從而降低了配置成本；

與傳統的無功補償方式相比，考慮分布式光伏無功補償能力的配置方案可以降低無功補償器配置容量，且隨著滲透率的增加對無功補償裝置的優化效果越明顯，經濟效益越好。

目前市場上對分布式光伏控制模塊改進技術暫不成熟，在高滲透率情況下的經濟效益不明顯，隨著技術發展以及裝置優化，該優化方案對配電網調壓過程的優化效益將會更加明顯。