引言

電壓是電能質量的主要衡量標準之一,反映了電力系統(tǒng)在保護、運行、設計以及規(guī)劃等綜合方面的管理水平。隨著負荷和供電需求的規(guī)模越來越大,配電網線路特別是配電末端的電壓波動問題日趨嚴重,主要呈現出電壓波動大、電壓低、功率因數低、網損高等負面影響。文獻利用串聯補償裝置配合電容器技術,解決10kV及以下電壓等級配電線路低電壓、低功率因數、高線損、抑制電壓閃變等問題:文獻提出了基于PsssINA1軟件構建配電網仿真模型,還原配電網多運行方式的電壓質量,通過調整變電站母線電壓提高變電站出線電壓,解決負荷大幅升高時的電壓質量問題:文獻采用10kV線路電氣參數監(jiān)測和電壓質量優(yōu)化治理相結合的方式,使用三級協調控制挖掘變電站、中壓線路和臺區(qū)三個層面的調壓潛力,進而調整電壓質量:文獻針對電解鋁負荷的低電壓問題,提出無功電源優(yōu)化配置方案:文獻利用智能無功補償裝置、35kV配電化、增加配電臺區(qū)、限制負荷率、結合網絡優(yōu)化等綜合手段治理低電壓問題:文獻提出利用儲能系統(tǒng)"低儲高發(fā)"的特點提高配電網供電能力,改善電壓治理水平:文獻就分布式光伏接入配電網后的電壓分布特性進行了研究,并提出基于改進O(U）的PV無功電壓區(qū)域自治控制方法、觸發(fā)式就地控制策略實現就地分散自治控制,解決電壓波動問題:文獻考慮到區(qū)域負荷增長,采用在中壓10kV線路增設串/并聯無功補償裝置并更換10kV線路的方案,動態(tài)評價治理饋線低電壓問題:文獻提出利用包括蓄電池和超級電容器在內的復合儲能裝置,治理高功率密度分布式光伏接入配電網引起的多樣化電能質量問題:文獻針對小水電出口附近電壓在豐水期和枯水期的波動特性,提出了饋線自動調壓設備反向調壓的方法。

現階段基于無功補償設備的電能治理技術研究較多,但主要以單點或單線路為研究對象,調節(jié)手段較單一:基于儲能技術的電壓治理技術現階段投資成本較高,不適合大面積推廣:而分布式光伏就地自治控制的實現可以借鑒電壓波動治理技術。綜上所述,本文主要從配電網目前存在的問題出發(fā),以配電網固有無功補償設備及分布式光伏為基礎,通過挖掘逆變器無功調節(jié)能力及無功補償設備的交互式特點,提出多源調相運行的有源配電網綜合電能治理優(yōu)化架構,并進行了試點運行。

1多源接入

1.1交互式無功補償設備

無功補償設備一般采用直掛母線側進行動態(tài)補償,主要結構包括PT/CT采集模塊、處理器模塊、電容模塊、升壓器及供電模塊等,主要作用是根據采集線路近區(qū)的電壓進行感性和容性無功的補償,存在兩方面問題:一方面,采集的電壓、功率因數等為近區(qū)參數,制訂的策略是局部的,整條線路上存在過補償或欠補償,同時動作頻次較高,自身損耗也高,特別是在長線路上,負荷存在感性無功需求,線路上仍然存在無功傳輸,導致線損居高不下:另一方面,線路上部署的無功補償設備群為自主工作,缺乏管理,設備故障后只有在線路電壓存在較大問題時才能發(fā)現,且無功補償設備故障或離線并非是該線路電壓出現問題的充要條件,即其他原因引起線路電壓問題也是可能的,總體上無功補償設備故障或離線問題定位難。本方案在無功補償設備層面進行改進,將無功補償設備內采集模塊用具備實時通信功能的通信模塊替換,并與智能終端組網,獲取線路全局電氣參數,如圖1中間所示,實現直采到數采電氣量的轉換,同時使其具備與管理平臺交互的能力。一方面,在具備相同感知能力的基礎上,減少了無功補償設備硬件配件,相對降低了無功補償設備成本:另一方面,無功補償設備獲取的是線路全局參數,補償的整體效果更好,且可以服從管理平臺遠程遙調和統(tǒng)籌管理,具備全局感知和協調的能力,同時故障或離線狀態(tài)可得到準確的監(jiān)控,故障定位能力得到提升。

1.2分布式光伏逆變器

分布式光伏正廣泛接入配電網,且呈現上升趨勢,原有配電網變成了有源配電網,從配電網線路電能治理來看,當分布式光伏發(fā)電時,線路末端電壓存在越上限風險,且分布式光伏多在低壓側并網,臺區(qū)內電網管理手段較少,低壓側負荷存在高電壓運行風險。在采用自發(fā)自用、余電上網方式的分布式光伏發(fā)電中,分布式光伏發(fā)電電量全部就地消納,但負荷側感性無功需求并未遞減,反而呈少量增加趨勢,即分布式光伏發(fā)電階段吸收電網容性無功容量并未減少,進而導致分布式光伏并網點關口功率因數低,且隨著分布式光伏裝機容量的持續(xù)攀升,該問題將日益突出。

逆變器自身具備無功吸收和補償能力,分布式光伏裝機容量的攀升使得配電網線路上存在大量無功閑置資源,本文主要是挖掘了光伏逆變器的無功補償能力,并通過數據集中器與智能終端組網,實現海量逆變器參與線路無功電壓優(yōu)化。其中逆變器部署較分散,可在分布式光伏低壓側并網柜內增加數據集中器,一方面收集逆變器群無功可控裕度及運行狀態(tài),另一方面接收智能終端下發(fā)的遙調控制信息,按照等比例裕度實現光伏逆變器群控群調,進而使逆變器群參與線路無功電壓優(yōu)化,如圖1右側所示。

2系統(tǒng)架構

2.1硬件架構

如圖1所示,將線路上無功補償裝置群通過交互模塊完成與智能終端的信息(包括線路電壓、無功、電流、頻率、功率因數等）交互,將在低壓側并網的分布式光伏通過數據集中器完成與智能終端的交互,同時繼承智能終端與電網管理平臺的拓撲和通信鏈路,在管理平臺上新增交互式無功補償設備和分布式光伏的建模模型,從而實現了多源參與配電網運行和管理的新型交互式配電管理平臺。

2.2軟件架構

系統(tǒng)軟件架構按照分層分級控制思路,主要分為設備感知層、邊緣計算層和系統(tǒng)管理層,如圖2所示,其中設備感知層包括線路開關的感知、交互式無功補償設備群的感知及分布式光伏逆變器的感知,具備接收邊緣計算層的電氣量數據并進行處理、接收調度遙調實現遠程控制響應及就地策略響應等功能:邊緣計算層除具備對現階段線路的采集和控制功能外,還具備線路電氣量采集傳輸功能以及調度對感知層的控制指令轉發(fā)功能:系統(tǒng)管理層主要完成全局監(jiān)控管理、區(qū)域策略制訂及最優(yōu)化配置、潮流計算,同時實現遠程運維,對系統(tǒng)的建模具備擴展和變更能力,以適應分布式光伏海量接入的需求。

3控制策略

3.1可分配無功容量

光伏逆變器及交互式無功補償設備群實現遠程無功控制后,線路及線路間控制對象呈現多源性,其中交互式無功補償設備群為集中式補償,光伏逆變器為分散式補償。這里假設某分支線路上分布式光伏裝機容量為sDC,sVG無功容量為ssVG,按照《光伏發(fā)電接入配電網設計規(guī)范》(GB/T50865一2013),光伏逆變器功率因數在cose=0.95范圍內動態(tài)可調,則逆變器可調無功容量為Q_DC=±k1×S_DC,該線路無功可控容量為:

式中:k1=:k2為無功補償設備安全控制系數,一般取0.9:正號表示容性無功,負號表示感性無功。

3.2控制流程

系統(tǒng)控制包括感知層就地控制、邊緣計算層控制和系統(tǒng)管理層控制。

(1)感知層就地控制流程如圖3(a)所示,初始化接收調度控制模式及設定門限參數,支持默認模式選擇,在給定控制模式下實時計算相關輸入量(包括電壓、無功功率或功率因數),根據設定門限參數及裕度計算目標值,并按照等比例裕度原則分配目標值,下發(fā)至無功源側響應,完成一次就地控制,采用多次PID控制保證穩(wěn)態(tài)精度。(2)邊緣計算層控制流程如圖3(b)所示,初始化獲取調度參數,實時采集本地線路電氣量,轉發(fā)參數和電氣量,同時監(jiān)視調度遠程控制指令。當無調度指令時,只負責將就地電氣量數據返回調度監(jiān)控系統(tǒng):當接收到調度指令時,完成就地指令和透傳指令識別,就地指令就地響應,透傳指令下發(fā)至歸屬邊緣層設備或集中器,并監(jiān)視邊緣層返回指令及功率返回采集值,實時更新本地數據并實現與調度交互。(3)系統(tǒng)管理層控制流程如圖3(c)所示,系統(tǒng)管理層負責全管理范圍內線路參數初始化,采集系統(tǒng)數據并進行潮流分析,制訂系統(tǒng)無功電壓優(yōu)化策略,在無局部參數調整時進行策略迭代和分配,在需要局部參數調整時,根據迭代參數及局部數據分析進行策略調整并完成重新分配。

4試驗驗證

本文基于上述方案對線路上495kw分布式光伏及500kvar無功補償設備進行了試點驗證,其中分布式光伏采用自發(fā)自用、余電上網模式,分布式光伏所在廠區(qū)常用負荷200kw,在分布式光伏發(fā)電期間有少量電量上網,方案試點前運行電壓偏高,功率因數中位數在0.8左右,方案采用以下策略:分布式光伏側恒功率因數運行,10kV無功補償設備由主站下發(fā)恒電壓模式,電壓定值10.2kV,死區(qū)0.05kV。

圖4(a)中,P-PCC、o-PCC、P-DC、o-DC分別為并網點有功功率和無功功率、分布式光伏有功出力和無功出力曲線:圖4(b)中Cos-PCC為并網點24h功率因數曲線,Cos-Average為中位數0.9265:圖4(c)中,U-PCC為10kV無功補償設備未投運電壓曲線,分布式發(fā)電階段電壓越上限,U-svg為無功補償設備參與協調運行電壓曲線,主站采用無功補償設備恒電壓模式與分布式光伏配合運行。試驗結果顯示,多源協調運行可以很好地解決配電網電能質量問題。

圖4現場運行數據

5結語

本文分析了配電網分布式光伏接入及無功補償設備等現階段運行水平,挖掘逆變器無功潛在資源,結合無功補償交互式能力提升,采用逆變器和無功補償設備協調參與配電網電壓控制的方案,實現區(qū)域配電網無功電壓優(yōu)化。研究結果表明,方案為有源配電網提供了更多的可調度無功資源,提升了分布式光伏消納能力,實現了分布式光伏和無功補償設備的遠程管理和維護,提高了配電網運行管理水平,采用全局協調方式優(yōu)化了線路無功分配合理性,降低了線損。

20220318_62347020a0822__計及多源調相運行的有源配電網電能質量治理技術研究