1、研究背景

目前, 全球的能源壓力和環境問題變得越來越突出。傳統化石能源不可再生, 未來將不可避免地逐漸枯竭, 同時還產生“溫室效應”、“酸雨”、“霧霾”等嚴重的環境問題。因此尋找新型能源輔助甚至取代傳統化石能源成為當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, 將成為清潔能源利用的主要形式和智能電網發展的重要方向。

為適應高滲透率、大規模分布式電源的接入, 國內外學者正積極開展智能電網背景下的具有一定調節能力的主動配電網(Active Distribution Network, ADN)技術研究。國際大電網會議對于主動配電網的定義可以簡單概括為: 主動配電網是一個內部具有分布式能源, 拓撲結構可靈活調整, 具有主動控制和運行能力的配電網。具體而言, 主動配電網通過結合先進信息通信、電力電子及智能控制等技術, 使得配電網中的分布式電源具有可控性、網絡拓撲可靈活調節、具有較為完善的可觀性、能夠實現協調優化管理的管控等功能。

作為主動配電網運行的核心工作之一, 主動配電網通過跨電壓等級的無功電壓控制, 在滿足電力用戶負荷需求的條件下, 主動地對并網分布式電源、儲能、有載調壓變壓器、無功補償等設備的運行進行優化與控制, 從而達到靈活控制系統供電電壓, 改善無功電壓運行水平, 降低設備電能損耗的目的。然而, 分布式電源出力的波動性、需求側管理的加強和拓撲結構的主動調整使得配電網的無功電壓特性變得復雜多變, 因此, 深入開展主動配電網的無功電壓機理及適應其特性的控制策略研究, 對于實現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、主動配電網的無功電壓特性

盡可能地消納分布式電源、并對其進行主動控制是主動配電網的最顯著特征。從穩態層面來說, 小規模分布式電源的接入會局部影響配電網的無功電壓特性, 而主動配電網的高滲透率分布式電源接入卻會影響配電網全局的無功電壓特性。分布式電源對配電網電壓分布的影響程度與其出力、接入位置、接入模式、功率因數相關聯。從暫態的層面而言, 當分布式電源啟停或者出力變化時, 常常會造成系統電壓波動, 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變化, 不同分布式電源在實際運行中對配電網的無功電壓特性影響也相應不同, 特性復雜多變。

隨著階梯電價的逐步實施以及電動汽車之類的新型負荷的逐步推廣, 配電網的需求側管理越來越走入人們的視線, 對負荷進行主動管理是主動配電網核心理念的又一重要組成部分。從原理上來說, 加強需求側管理更有利于實現源荷平衡, 減小配電網中的無功損耗和電壓損耗。而從對配電網運行的影響角度, 負荷調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, 相對而言可調負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的無功電壓特性。

電動汽車行業日漸興起, 其充電時間具有一定的靈活性, 可從協議供電和階梯電價兩方面入手, 使其成為主動配電網中負荷響應的重要一環。當電動汽車規模接入電網時, 其無控制充電行為將會對電網造成沖擊和擾動, 而有序的充放電則有助于電網的經濟運行。由此, 車輛到電網(vehicle to grid, V2G)技術應時而生, 即電動汽車忙時則充電從電網獲取電能, 閑時則放電接入反哺電網。V2G技術的產生和發展增強了電網對電動汽車的有序和有效管理, 引導著需求側主動管理的進一步發展。也有學者在V2G的基礎上提出了電池到電網(battery to grid, B2G)技術, 大大拓寬了該領域研究的范疇。

綜合以上因素, 主動配電網的無功電壓特性變得更為復雜, 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進行有效的主動控制, 必須要對多因素作用下的主動配電網無功電壓特性有進一步的研究。

3、主動配電網無功電壓控制

傳統配電網無功優化方案中, 影響無功優化結果的不確定因素大多數只有負荷的波動, 而由于分布式電源接入后輸出功率受天氣和地域等隨機波動的影響很大, 主動配電網中的不確定因素增多。相比負荷變化, 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的無功電壓控制問題變得更為復雜, 僅僅依靠分布式電源的調節能力還遠不能滿足保持配電網的合理電壓水平的需求, 想解決配電網的無功平衡問題, 仍然要協同多種設備進行控制。

目前的研究中, 對主動配電網的無功電壓控制方法主要可以分為兩大類: ①集中式的協同控制; ②分散式的自治控制。

主動配電網要實現主動調控的基礎是實現全面量測, 因此要求有與之配套的配電網自動化、通信和能量管理系統建設。傳統配電網由于網架結構相對固定、調控設備較為單一, 且受通信系統的限制, 多數采用“站內自動控制、站外就地控制”的措施, 而主動配電網則具備了全局協同控制、精準控制的環境和條件。主動配電網的無功集中控制對象可以分為三類: ①傳統的無功電壓控制設備, 如電容器、OLTC等; ②增強型設備, 如分布式儲能裝置、配網靜止同步補償器(DSTATCOM)等; ③具有無功調節能力的分布式電源等。

然而, 現有的配電網SCADA系統由于其構架和通信能力的局限, 還難以支撐高效的區域集中控制; 同時, 某些時候可能發生的數據錯漏或者通信故障也會影響主動配電網的集中控制, 威脅系統的安全運行。因此, 在過渡階段也提出了一系列針對主動配電網的分散式無功控制策略。

綜合而言, 主動配電網的無功電壓集中控制需要依賴全面的數據收集和可靠的通信傳輸, 由于主動配電網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撲結構和需求側響應, 因此主動配電網的集中控制非常復雜。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中的分布式電源和各種無功設備進行控制, 減少了通信的數據量和降低了控制變量的維度, 可以作為主動配電網無功電壓控制系統中的輔助控制和故障下的緊急控制方案。

4、有待進一步研究的問題

大規模、高滲透率的分布式電源在配電網接入, 以及拓撲和需求側增加的控制維度, 勢必會對配電網電能質量、穩定性和無功電壓控制等方面造成嚴重的影響, 為更好地消納和利用分布式電源, 配電系統將由傳統的簡單無源網絡向著以復雜多源為特征的主動配電網發展是當前研究的必然趨勢。結合當前主動配電網無功電壓控制方面研究現狀的分析, 下一步將需要著重研究以下問題:

1) 主動配電網背景下分布式電源互補規劃層面, 如何實現不同類型的分布式電源在配電網中的協調互補規劃, 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性能(例如風光之間的互補或者儲能對風/光的柔化), 減少配電網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中的滲透率, 將是一個重要的課題。

2) 主動配電網無功補償規劃和控制層面, 由于分布式電源出力、拓撲調整和負荷調節等因素改變了配電網的無功電壓特性, 傳統的無功補償配置沒有及時跟隨這種變化, 不能完全適應配電網的無功電壓快速的擾動, 因此要從經濟效益角度考慮DSTATCOM等動態無功補償的容量選擇和應用問題。

3) 在主動配電網的需求側主動管理層面, 如何在保證供電可靠性、盡量減少停電時間的同時, 通過合理的負荷調節和轉移來削減負荷峰谷差并優化電網運行, 是在主動配電網條件下提出的一個新的研究課題。這既不能一味地削減負荷減輕損耗, 又要求需求側響應發揮其應有的主動管理作用, 因此需要在兩者之間找到一種合適的評價體系, 用以評估負荷調節產生的經濟效益、電壓質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) 在主動配電網的網架拓撲層面, 目前已有的研究多數只著眼于含分布式電源和儲能的微網結構規劃, 或緊急情況下的短時孤島切換運行, 而對于可靈活調整拓撲的主動配電網網架規劃原則, 以及在正常運行時如何通過合理調整網架來改善潮流狀況和電壓控制效果的研究則相當匱乏。靈活有效的拓撲調整需要依賴于配電網能量系統的實時監測和網絡潮流的準確計算預測, 在此過程中如何考慮網架的數學模型和優化算法, 以及如何協調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, 未考慮國內實際配電網架構特征和負荷特性等, 并鮮有實踐驗證。此外, 國外的主動配電網研究是在成熟的配電網負荷基礎上, 采用中壓電網配合單相供電, 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采用三相供電加龐大的低壓電網, 還要考慮持續增長的負荷, 而低壓側的電容器更是無功控制的主要手段。如何理論聯系實際, 建立符合我國配電網實際的標準主動配電網模型, 進行實際的技術示范和研究成果驗證, 是增強理論成果可信度和科學性的關鍵工作。