1、研究背景

目前, 全球的能源壓力和環(huán)境問題變得越來越突出。傳統(tǒng)化石能源不可再生, 未來將不可避免地逐漸枯竭, 同時(shí)還產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”、“酸雨”、“霧霾”等嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此尋找新型能源輔助甚至取代傳統(tǒng)化石能源成為當(dāng)前能源問題解決的突破口, 由此而誕生的分布式電源(Distributed Generation, DG)技術(shù), 將成為清潔能源利用的主要形式和智能電網(wǎng)發(fā)展的重要方向。

為適應(yīng)高滲透率、大規(guī)模分布式電源的接入, 國內(nèi)外學(xué)者正積極開展智能電網(wǎng)背景下的具有一定調(diào)節(jié)能力的主動(dòng)配電網(wǎng)(Active Distribution Network, ADN)技術(shù)研究。國際大電網(wǎng)會(huì)議對(duì)于主動(dòng)配電網(wǎng)的定義可以簡(jiǎn)單概括為: 主動(dòng)配電網(wǎng)是一個(gè)內(nèi)部具有分布式能源, 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靈活調(diào)整, 具有主動(dòng)控制和運(yùn)行能力的配電網(wǎng)。具體而言, 主動(dòng)配電網(wǎng)通過結(jié)合先進(jìn)信息通信、電力電子及智能控制等技術(shù), 使得配電網(wǎng)中的分布式電源具有可控性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇伸`活調(diào)節(jié)、具有較為完善的可觀性、能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化管理的管控等功能。

作為主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行的核心工作之一, 主動(dòng)配電網(wǎng)通過跨電壓等級(jí)的無功電壓控制, 在滿足電力用戶負(fù)荷需求的條件下, 主動(dòng)地對(duì)并網(wǎng)分布式電源、儲(chǔ)能、有載調(diào)壓變壓器、無功補(bǔ)償?shù)仍O(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化與控制, 從而達(dá)到靈活控制系統(tǒng)供電電壓, 改善無功電壓運(yùn)行水平, 降低設(shè)備電能損耗的目的。然而, 分布式電源出力的波動(dòng)性、需求側(cè)管理的加強(qiáng)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主動(dòng)調(diào)整使得配電網(wǎng)的無功電壓特性變得復(fù)雜多變, 因此, 深入開展主動(dòng)配電網(wǎng)的無功電壓機(jī)理及適應(yīng)其特性的控制策略研究, 對(duì)于實(shí)現(xiàn)無功電壓的主動(dòng)控制, 更好的接納分布式電源, 從而提高配電網(wǎng)的自動(dòng)化和主動(dòng)管理水平具有十分重要的意義。

2、主動(dòng)配電網(wǎng)的無功電壓特性

盡可能地消納分布式電源、并對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)控制是主動(dòng)配電網(wǎng)的最顯著特征。從穩(wěn)態(tài)層面來說, 小規(guī)模分布式電源的接入會(huì)局部影響配電網(wǎng)的無功電壓特性, 而主動(dòng)配電網(wǎng)的高滲透率分布式電源接入?yún)s會(huì)影響配電網(wǎng)全局的無功電壓特性。分布式電源對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響程度與其出力、接入位置、接入模式、功率因數(shù)相關(guān)聯(lián)。從暫態(tài)的層面而言, 當(dāng)分布式電源啟?；蛘叱隽ψ兓瘯r(shí), 常常會(huì)造成系統(tǒng)電壓波動(dòng), 而分布式電源接入后潮流的快速波動(dòng), 則會(huì)引起線路上的無功損耗和電壓損耗的相應(yīng)變化, 不同分布式電源在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)配電網(wǎng)的無功電壓特性影響也相應(yīng)不同, 特性復(fù)雜多變。

隨著階梯電價(jià)的逐步實(shí)施以及電動(dòng)汽車之類的新型負(fù)荷的逐步推廣, 配電網(wǎng)的需求側(cè)管理越來越走入人們的視線, 對(duì)負(fù)荷進(jìn)行主動(dòng)管理是主動(dòng)配電網(wǎng)核心理念的又一重要組成部分。從原理上來說, 加強(qiáng)需求側(cè)管理更有利于實(shí)現(xiàn)源荷平衡, 減小配電網(wǎng)中的無功損耗和電壓損耗。而從對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響角度, 負(fù)荷調(diào)整又與分布式電源接入有所不同, 分布式電源的出力隨氣候和時(shí)空分布因素變化的波動(dòng)性更劇烈, 突變性更強(qiáng), 相對(duì)而言可調(diào)負(fù)荷的變化幅度和速率較為緩和, 可控性更好, 同樣將從正反兩個(gè)方向影響到配電網(wǎng)的無功電壓特性。

電動(dòng)汽車行業(yè)日漸興起, 其充電時(shí)間具有一定的靈活性, 可從協(xié)議供電和階梯電價(jià)兩方面入手, 使其成為主動(dòng)配電網(wǎng)中負(fù)荷響應(yīng)的重要一環(huán)。當(dāng)電動(dòng)汽車規(guī)模接入電網(wǎng)時(shí), 其無控制充電行為將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊和擾動(dòng), 而有序的充放電則有助于電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由此, 車輛到電網(wǎng)(vehicle to grid, V2G)技術(shù)應(yīng)時(shí)而生, 即電動(dòng)汽車忙時(shí)則充電從電網(wǎng)獲取電能, 閑時(shí)則放電接入反哺電網(wǎng)。V2G技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展增強(qiáng)了電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車的有序和有效管理, 引導(dǎo)著需求側(cè)主動(dòng)管理的進(jìn)一步發(fā)展。也有學(xué)者在V2G的基礎(chǔ)上提出了電池到電網(wǎng)(battery to grid, B2G)技術(shù), 大大拓寬了該領(lǐng)域研究的范疇。

綜合以上因素, 主動(dòng)配電網(wǎng)的無功電壓特性變得更為復(fù)雜, 具有廣范圍、多變量、高維度的特點(diǎn), 想要更好地消納分布式電源并對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行有效的主動(dòng)控制, 必須要對(duì)多因素作用下的主動(dòng)配電網(wǎng)無功電壓特性有進(jìn)一步的研究。

3、主動(dòng)配電網(wǎng)無功電壓控制

傳統(tǒng)配電網(wǎng)無功優(yōu)化方案中, 影響無功優(yōu)化結(jié)果的不確定因素大多數(shù)只有負(fù)荷的波動(dòng), 而由于分布式電源接入后輸出功率受天氣和地域等隨機(jī)波動(dòng)的影響很大, 主動(dòng)配電網(wǎng)中的不確定因素增多。相比負(fù)荷變化, 分布式電源出力的變化更加頻繁, 因此高滲透率分布式電源接入的主動(dòng)配電網(wǎng)的無功電壓控制問題變得更為復(fù)雜, 僅僅依靠分布式電源的調(diào)節(jié)能力還遠(yuǎn)不能滿足保持配電網(wǎng)的合理電壓水平的需求, 想解決配電網(wǎng)的無功平衡問題, 仍然要協(xié)同多種設(shè)備進(jìn)行控制。

目前的研究中, 對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的無功電壓控制方法主要可以分為兩大類: ①集中式的協(xié)同控制; ②分散式的自治控制。

主動(dòng)配電網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)控的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)全面量測(cè), 因此要求有與之配套的配電網(wǎng)自動(dòng)化、通信和能量管理系統(tǒng)建設(shè)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對(duì)固定、調(diào)控設(shè)備較為單一, 且受通信系統(tǒng)的限制, 多數(shù)采用“站內(nèi)自動(dòng)控制、站外就地控制”的措施, 而主動(dòng)配電網(wǎng)則具備了全局協(xié)同控制、精準(zhǔn)控制的環(huán)境和條件。主動(dòng)配電網(wǎng)的無功集中控制對(duì)象可以分為三類: ①傳統(tǒng)的無功電壓控制設(shè)備, 如電容器、OLTC等; ②增強(qiáng)型設(shè)備, 如分布式儲(chǔ)能裝置、配網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器(DSTATCOM)等; ③具有無功調(diào)節(jié)能力的分布式電源等。

然而, 現(xiàn)有的配電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)由于其構(gòu)架和通信能力的局限, 還難以支撐高效的區(qū)域集中控制; 同時(shí), 某些時(shí)候可能發(fā)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)漏或者通信故障也會(huì)影響主動(dòng)配電網(wǎng)的集中控制, 威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此, 在過渡階段也提出了一系列針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的分散式無功控制策略。

綜合而言, 主動(dòng)配電網(wǎng)的無功電壓集中控制需要依賴全面的數(shù)據(jù)收集和可靠的通信傳輸, 由于主動(dòng)配電網(wǎng)中影響無功電壓的控制變量類型更多, 再加上靈活可變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和需求側(cè)響應(yīng), 因此主動(dòng)配電網(wǎng)的集中控制非常復(fù)雜。而分散式的就地控制可以在滿足基本電壓約束的前提下對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)中的分布式電源和各種無功設(shè)備進(jìn)行控制, 減少了通信的數(shù)據(jù)量和降低了控制變量的維度, 可以作為主動(dòng)配電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng)中的輔助控制和故障下的緊急控制方案。

4、有待進(jìn)一步研究的問題

大規(guī)模、高滲透率的分布式電源在配電網(wǎng)接入, 以及拓?fù)浜托枨髠?cè)增加的控制維度, 勢(shì)必會(huì)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量、穩(wěn)定性和無功電壓控制等方面造成嚴(yán)重的影響, 為更好地消納和利用分布式電源, 配電系統(tǒng)將由傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單無源網(wǎng)絡(luò)向著以復(fù)雜多源為特征的主動(dòng)配電網(wǎng)發(fā)展是當(dāng)前研究的必然趨勢(shì)。結(jié)合當(dāng)前主動(dòng)配電網(wǎng)無功電壓控制方面研究現(xiàn)狀的分析, 下一步將需要著重研究以下問題:

1) 主動(dòng)配電網(wǎng)背景下分布式電源互補(bǔ)規(guī)劃層面, 如何實(shí)現(xiàn)不同類型的分布式電源在配電網(wǎng)中的協(xié)調(diào)互補(bǔ)規(guī)劃, 利用不同類型分布式電源在無功電壓控制特性上的差異和互補(bǔ)性能(例如風(fēng)光之間的互補(bǔ)或者儲(chǔ)能對(duì)風(fēng)/光的柔化), 減少配電網(wǎng)的無功電壓波動(dòng)和潮流波動(dòng), 提高多種分布式電源在配電網(wǎng)中的滲透率, 將是一個(gè)重要的課題。

2) 主動(dòng)配電網(wǎng)無功補(bǔ)償規(guī)劃和控制層面, 由于分布式電源出力、拓?fù)湔{(diào)整和負(fù)荷調(diào)節(jié)等因素改變了配電網(wǎng)的無功電壓特性, 傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償配置沒有及時(shí)跟隨這種變化, 不能完全適應(yīng)配電網(wǎng)的無功電壓快速的擾動(dòng), 因此要從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮DSTATCOM等動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)娜萘窟x擇和應(yīng)用問題。

3) 在主動(dòng)配電網(wǎng)的需求側(cè)主動(dòng)管理層面, 如何在保證供電可靠性、盡量減少停電時(shí)間的同時(shí), 通過合理的負(fù)荷調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)移來削減負(fù)荷峰谷差并優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行, 是在主動(dòng)配電網(wǎng)條件下提出的一個(gè)新的研究課題。這既不能一味地削減負(fù)荷減輕損耗, 又要求需求側(cè)響應(yīng)發(fā)揮其應(yīng)有的主動(dòng)管理作用, 因此需要在兩者之間找到一種合適的評(píng)價(jià)體系, 用以評(píng)估負(fù)荷調(diào)節(jié)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、電壓質(zhì)量改善效益和因停電造成的損失及控制上的操作成本之間的差別。

4) 在主動(dòng)配電網(wǎng)的網(wǎng)架拓?fù)鋵用? 目前已有的研究多數(shù)只著眼于含分布式電源和儲(chǔ)能的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃, 或緊急情況下的短時(shí)孤島切換運(yùn)行, 而對(duì)于可靈活調(diào)整拓?fù)涞闹鲃?dòng)配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃原則, 以及在正常運(yùn)行時(shí)如何通過合理調(diào)整網(wǎng)架來改善潮流狀況和電壓控制效果的研究則相當(dāng)匱乏。靈活有效的拓?fù)湔{(diào)整需要依賴于配電網(wǎng)能量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)潮流的準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)測(cè), 在此過程中如何考慮網(wǎng)架的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法, 以及如何協(xié)調(diào)落實(shí)在通信和自動(dòng)控制中的問題則成為重點(diǎn)所在。

5) 目前大量文獻(xiàn)的成果是基于國外算例和IEEE等抽象算例開展的研究, 未考慮國內(nèi)實(shí)際配電網(wǎng)架構(gòu)特征和負(fù)荷特性等, 并鮮有實(shí)踐驗(yàn)證。此外, 國外的主動(dòng)配電網(wǎng)研究是在成熟的配電網(wǎng)負(fù)荷基礎(chǔ)上, 采用中壓電網(wǎng)配合單相供電, 主要利用中壓OLTC和分布式電源配合的手段; 而我國的主動(dòng)配電網(wǎng)采用三相供電加龐大的低壓電網(wǎng), 還要考慮持續(xù)增長的負(fù)荷, 而低壓側(cè)的電容器更是無功控制的主要手段。如何理論聯(lián)系實(shí)際, 建立符合我國配電網(wǎng)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)主動(dòng)配電網(wǎng)模型, 進(jìn)行實(shí)際的技術(shù)示范和研究成果驗(yàn)證, 是增強(qiáng)理論成果可信度和科學(xué)性的關(guān)鍵工作。