含高比例户用光伏的低压配电网电压控制研究综述

 摘要：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%。

2 基于电压灵敏度的低压配电网电压调节原理

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

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。

图1 常见的低压配电网通信配置图

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。

图2 电压-有功控制曲线

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)。

图3 逆变器的有功和无功容量曲线