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基于分布式光伏电源的配电网电压控制策略

2025-01-07 67 上传者：管理员

摘要：随着“双碳”目标的提出以及新型电力系统的构建，大规模分布式光伏电源接入到配电网中，引起配电网电压越界、潮流反转等问题。对此，本文提出基于分布式光伏电源的配电网无功优化模型，以有功网损最小为目标，配电网潮流、电压安全稳定运行为约束，分布式光伏电源无功输出为决策变量，并通过差分进化算法求解；最后，根据IEEE 33节点典型配电系统验证所提电压控制策略的有效性。

关键词：
分布式光伏
差分进化算法
无功优化
气候环境变化
配电网
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为应对能源短缺、气候环境变化等严峻挑战，我国积极推动能源低碳化转型，以光伏为主的分布式电源在配电网中的渗透率不断提高，在可持续发展进程中发挥着重要作用，但光伏出力的随机性及波动性会导致配电网电压波动增加，极大影响系统的安全稳定运行状态。无功优化技术作为配电网调控的重要手段，主要通过调节无功潮流以改善电能质量、降低运行损耗。本文提出分布式光伏参与的有源配电网无功调控策略，通过无功优化算法对分布式光伏及电网内无功可控资源进行优化配置，提高了电能质量及电网安全稳定性。

1、分布式光伏电源并网对配电网电压的影响

分布式电源并网会改变馈线的稳态电压，导致节点的电压偏差发生变化。光伏发电的输出功率关于光照强度呈现出不确定性分布，可能会造成分布式电源输出功率发生变化，影响配电网节点电压偏差严重，进而影响配电网安全稳定运行[1-2]。

以图1简单配电线路为例，进行分布式光伏接入配电网电压分析。

图1 含分布式光伏的简单配电线路

在分布式光伏电源并网前，该线路电压降落为：

针对电感性线路（X>>R），上式还可以等效为：

以n节点分布式电源网络为例，假设电力系统的任意节点m上的负荷功率为Pm+j Qm，则节点m到根节点的电压降落计算式为：

式中，PGN,i为节点i并入的分布式电源输出的有功功率；QGN,i为节点i并入的分布式电源输出的无功功率。

故当所求节点至末端节点的所有分布式光伏电源并网的总功率小于对应的负荷等效有功功率时，各节点电压依然是逐渐降低的，但是电压降落值减小，有利于减小末端节点的电压偏差。当所求节点至末端节点的所有分布式光伏电源并网功率高于对应的负荷消耗时，随着并网功率的提高，线路的电压降落值会出现负值，可能出现末端电压高于首端电压的现象，甚至在并网点造成电压偏差超标。目前，大规模分布式光伏电源接入到配电网中，配电网中部分节点电压越限严重。对此，需要解决光伏接入导致节点电压越界的问题，从而进一步促进配电网新能源消纳。

2、基于分布式光伏电源的配电网电压控制策略

2.1分布式光伏电源无功输出

光伏电源在白天可向配电系统输出有功功率与无功功率，当太阳辐照度较高时，光伏电源可通过有功削减来提高其无功输出能力；在夜晚，光伏电源不输出有功功率，其可工作在静止无功补偿器状态，向配电网输入充足的无功功率。

光伏电源无功与有功输出之间的关系可表示为：

式中，PPV为光伏逆变器输出的有功功率；SPV为光伏逆变器视在功率；QPV为此时光伏电源可以输出的最大无功功率。

2.2基于分布式光伏的配电网无功优化

基于分布式光伏电源的配电网无功优化模型优化目标为配电网网损，约束条件为光伏电源输出有功、无功约束，配电网潮流约束等，决策变量为光伏电源输出无功功率[3]。

2.2.1目标函数

以配电网网损最小为配电网优化目标函数：

式中，rjk为母线j到母线k的线路电阻；Ijk(t)分别为t时刻母线j到母线k的线路电流。

2.2.2约束条件

约束条件包括等式约束和不等式约束，分别对安全运行、决策变量、状态变量进行相关约束。

各节点有功、无功功率约束：

式中，Pi为节点有功功率；Qi为节点无功功率；Bij为节点电纳：Gij为支路电导；Ui,j为节点电压值；θij为电压相角；Un为节点电压额定值；ΔUimax为节点允许的最大电压偏移量。

节点电压、线路电流平衡约束：

式中，Pjk(t),Qjk(t)和Ijk(t)分别为t时刻母线j到母线k的有功功率、无功功率与线路电流。

节点电压约束：

式中，Uimin,Uimax分别为节点电压最小、最大值。

光伏功率输出约束：

式中，Pt为光伏有功出力；PMPPTt为光伏最大跟踪点功率；S为光伏容量；Q为光伏无功出力。

2.3基于差分进化算法的无功优化模型求解

对于配电网无功电压优化模型，差分进化算法等启发式算法可以求解此类优化问题。差分进化算法是基于群体智能理论的优化算法，通过群体内个体间的合作与竞争而产生的智能优化搜索算法[4-5]。采用差分进化算法求解基于光伏电源的配电网无功电压优化模型，基本步骤：

(1）种群初始化

生成NP个维数为D实数参数向量，作为初始种群，初始种群符合均匀概率分布：

第i个个体第j维取值方式如下：

式中，Lj＿min,Lj＿max分别为第j维第i个个体的最小值与最大值。

(2）变异操作

变异操作如式（14）所示，为了保证r1,r2,r3,i互不相同，NP须大于4，即：

式中，F为缩放比例因子，一般在 0～1 之间。

(3）交叉操作

为了增加干扰向量的多样性，引入交叉操作：

式中，rand(0,1）∈[0,1]为均匀分布的随机数；CR为交叉概率。

(4）选择操作

根据式（16）对试验向量个体进行选择，如果试验个体对应的适应度小于目标个体对应的适应度，则试验个体替代目标个体并保留到下一代，否则保留目标个体，即：

基于差分进化算法的含光伏配电网无功优化问题流程如图2所示。

图2 基于差分进化算法无功优化流程

3、仿真分析

3.1配电网仿真算例

以IEEE 33节点配电系统为例，分别在节点6、8、10、13、15、17、21、22、25、28、31、33节点接入分布式光伏电源。每个接入点分别接入容量为700k W的分布式光伏电源。该配电系统初始总有功负荷为3715k W，总无功负荷为2300kvar。根据初始有功负荷与无功负荷，仿真中基准功率取10MVA，基准电压取12.66k V，光伏电源有功出力曲线如图3所示。

图3 光伏电源有功出力曲线

3.2分布式光伏接入对配电网电压影响分析

当分布式光伏电源不参与配电网无功电压控制时，配电网运行24h的各节点电压分布图如图4所示。可见，在晚间时段，配电网中部分节点存在电压越下界情况；在中午时段，配电网中部分节点存在电压越上界情况。此时，大规模分布式电源接入配电网影响了配电网电压质量。

图4 优化前配电网运行24h的各节点电压分布图

3.3无功电压优化效果

当分布式光伏电源参与配电网无功电压优化后，配电网运行24h的各节点电压分布图如图5所示。配电网各节点电压均在安全范围内，有效解决了分布式光伏电源接入配电网对配电网电压质量影响的问题。

图5 优化后配电网运行24h的各节点电压分布图

分布式光伏电源参与配电网无功电压优化后，配电网网损情况如图6所示，可见，配电网网损明显降低，本文所提无功电压优化方法可在保证配电网电压安全稳定运行同时有效降低了配电网网损，对于构建绿色、高效、低碳的新型电力系统具有一定的实际意义。

图6 配电网网损情况

4、结束语

对于大规模分布式光伏电源接入配电网对配电网电压质量影响的问题，本文提出分布式光伏电源参与的配电网无功电压优化方法。以配电网网损为目标，配电网安全稳定运行为约束，光伏逆变器输出无功为决策变量建立配电网无功优化模型，并采用启发式算法求解。经算例分析，所提方法有效解决了配电网电压越界问题，提升了配电网中分布式光伏电源的消纳比例。

参考文献:

[1]张波,高远,李铁成,等.计及IGBT结温约束的光伏高渗透配电网无功电压优化控制策略[J].电工技术学报,2024,39(5):1313-1326.

[2]袁昌昊,朱金大,倪建富.含分布式光伏的配电网双层协调电压优化方法[J].电力工程技术,2023,42(6):74-82.

[3]蔡昌春,程增茂,张关应,等.基于数据驱动的配电网无功优化[J].电网技术,2024,48(1):373-382.

[4]许乾隆,丁宜海,白练,等.基于差分进化算法的分布式电源DG规划设计[J].电力大数据,2023,26(6):36-48.

[5]刘杨.基于多目标差分进化算法的含分布式电源配电网无功优化方法[J].自动化应用,2023,64(20):53-55.

文章来源:张婧叶,朱伟星,黄佳,等.基于分布式光伏电源的配电网电压控制策略[J].电器工业,2025,(01):11-14+43.