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)能力的主動配電網(wǎng)(Active Distribution Network, ADN)技術(shù)研究。國際大電網(wǎng)會議對于主動配電網(wǎng)的定義可以簡單概括為: 主動配電網(wǎng)是一個內(nèi)部具有分布式能源, 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靈活調(diào)整, 具有主動控制和運(yùn)行能力的配電網(wǎng)。具體而言, 主動配電網(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。

作為主動配電網(wǎng)運(yùn)行的核心工作之一, 主動配電網(wǎng)通過跨電壓等級的無功電壓控制, 在滿足電力用戶負(fù)荷需求的條件下, 主動地對并網(wǎng)分布式電源、儲能、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性、需求側(cè)管理的加強(qiáng)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主動調(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, 對于實現(xiàn)無功電壓的主動控制, 更好的接納分布式電源, 從而提高配電網(wǎng)的自動化和主動管理水平具有十分重要的意義。

2、主動配電網(wǎng)的無功電壓特性

盡可能地消納分布式電源、并對其進(jìn)行主動控制是主動配電網(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局部影響配電網(wǎng)的無功電壓特性, 而主動配電網(wǎng)的高滲透率分布式電源接入?yún)s會影響配電網(wǎng)全局的無功電壓特性。分布式電源對配電網(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, 常常會造成系統(tǒng)電壓波動, 而分布式電源接入后潮流的快速波動, 則會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際運(yùn)行中對配電網(wǎng)的無功電壓特性影響也相應(yīng)不同, 特性復(fù)雜多變。

隨著階梯電價的逐步實施以及電動汽車之類的新型負(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, 對負(fù)荷進(jìn)行主動管理是主動配電網(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空分布因素變化的波動性更劇烈, 突變性更強(qiáng), 相對而言可調(diào)負(fù)荷的變化幅度和速率較為緩和, 可控性更好, 同樣將從正反兩個方向影響到配電網(wǎng)的無功電壓特性。

電動汽車行業(yè)日漸興起, 其充電時間具有一定的靈活性, 可從協(xié)議供電和階梯電價兩方面入手, 使其成為主動配電網(wǎng)中負(fù)荷響應(yīng)的重要一環(huán)。當(dāng)電動汽車規(guī)模接入電網(wǎng)時, 其無控制充電行為將會對電網(wǎng)造成沖擊和擾動, 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)時而生, 即電動汽車忙時則充電從電網(wǎng)獲取電能, 閑時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)對電動汽車的有序和有效管理, 引導(dǎo)著需求側(cè)主動管理的進(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, 想要更好地消納分布式電源并對配電網(wǎng)進(jìn)行有效的主動控制, 必須要對多因素作用下的主動配電網(wǎng)無功電壓特性有進(jìn)一步的研究。

3、主動配電網(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, 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)波動的影響很大, 主動配電網(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, 對主動配電網(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。

主動配電網(wǎng)要實現(xiàn)主動調(diào)控的基礎(chǔ)是實現(xiàn)全面量測, 因此要求有與之配套的配電網(wǎng)自動化、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)自動控制、站外就地控制”的措施, 而主動配電網(wǎng)則具備了全局協(xié)同控制、精準(zhǔn)控制的環(huán)境和條件。主動配電網(wǎng)的無功集中控制對象可以分為三類: 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, 某些時候可能發(fā)生的數(shù)據(jù)錯漏或者通信故障也會影響主動配電網(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主動配電網(wǎng)的分散式無功控制策略。

綜合而言, 主動配電網(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主動配電網(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, 勢必會對配電網(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)的簡單無源網(wǎng)絡(luò)向著以復(fù)雜多源為特征的主動配電網(wǎng)發(fā)展是當(dāng)前研究的必然趨勢。結(jié)合當(dāng)前主動配電網(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) 主動配電網(wǎng)背景下分布式電源互補(bǔ)規(guī)劃層面, 如何實現(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)或者儲能對風(fēng)/光的柔化), 減少配電網(wǎng)的無功電壓波動和潮流波動, 提高多種分布式電源在配電網(wǎng)中的滲透率, 將是一個重要的課題。

2) 主動配電網(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, 因此要從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮DSTATCOM等動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)娜萘窟x擇和應(yīng)用問題。

3) 在主動配電網(wǎng)的需求側(cè)主動管理層面, 如何在保證供電可靠性、盡量減少停電時間的同時, 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, 是在主動配電網(wǎng)條件下提出的一個新的研究課題。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)有的主動管理作用, 因此需要在兩者之間找到一種合適的評價體系, 用以評估負(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能的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃, 或緊急情況下的短時孤島切換運(yùn)行, 而對于可靈活調(diào)整拓?fù)涞闹鲃优潆娋W(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃原則, 以及在正常運(yùn)行時如何通過合理調(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)的實時監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)潮流的準(zhǔn)確計算預(yù)測, 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)落實在通信和自動控制中的問題則成為重點所在。

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)實際配電網(wǎng)架構(gòu)特征和負(fù)荷特性等, 并鮮有實踐驗證。此外, 國外的主動配電網(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)系實際, 建立符合我國配電網(wǎng)實際的標(biāo)準(zhǔn)主動配電網(wǎng)模型, 進(jìn)行實際的技術(shù)示范和研究成果驗證, 是增強(qiáng)理論成果可信度和科學(xué)性的關(guān)鍵工作。