3.5 多种设备综合协调的控制方法
对于光伏并网比例较高、线路r/x偏高及线路较长的低压配电网,往往需要同时采用光伏逆变器、储能、OLTC以及DSTATCOM等多种设备抑制电压越限和电压波动。对于光伏逆变器、储能以及DSTATCOM,由于其基于电力电子技术则可以频繁调节;对于OLTC,考虑到设备磨损程度较大则不适宜频繁动作,应尽可能降低其动作次数。通过对对国内外相关文献的分析,各种设备间的协调控制策略可分为以下3类：
1)按不同设备的控制目标进行划分。
通过对控制目标进行划分,可以减弱设备的控制压力。文献[64]提出了分区控制策略以减轻OLTC的控制压力,指出OLTC对电压的灵敏度随线路长度的增加而降低,末端光伏电压-无功(电压-有功)的灵敏度随线路长度的增加而增加,如图7所示,将灵敏度相等的节点作为分区节点,提高网络电压控制效果的同时降低OLTC控制压力。文献[65]给出了OLTC和储能的协调控制方式,指出对于OLTC,无反向潮流情况下控制目标应为远端电压,潮流反向情况下控制目标应为变压器出口电压;对于储能设备,无反向潮流情况下应提供功率支持,潮流反向情况下应通过吸收功率减弱反向潮流。
图7 控制区域确定原理图
2)按不同设备的调节顺序进行划分。
通过对控制顺序进行划分,也可以实现有效的协调控制。文献[35]提出了基于规则的分布式电压控制策略,指出网络电压出现越限时,首先应调节光伏逆变器无功功率,通过光伏逆变器吸收或发出无功来抑制电压越上限或下限;其次,再考虑进行光伏有功削减。类似地,文献[66]对储能和光伏逆变器调节的先后次序进行了优化,当网络出现电压越限时,优先采用光伏逆变器无功进行就地电压调节,控制无效的情况下再调节储能并网有功。
3)按不同设备的调节经济性进行划分。
调节经济性也是制定控制方案需要考虑的重要因素。OLTC的调节造成设备磨损程度比较明显,并且不能频繁调节,因此单次调节的经济代价较高。光伏、储能以及DSTATCOM本身具备频繁的动作特性,但是设备投资和维护成本之间的差异也会造成调节经济性的不同。文献[40]考虑设备投资和运行维护成本,基于电压-有功/无功/分接头灵敏度矩阵获得电压-价格灵敏度矩阵,当电压越限时根据电压-价格灵敏度矩阵对各种调节设备进行排序,选择出最经济的控制方案。但是目前考虑经济性因素的控制模型研究还相对较少。
4 低压配电网电压控制新技术展望
从以上的控制综述可以看出,当前已经存在一些针对低压配电网电压控制的研究成果,但是这些研究仍有一些不足和分析不充分的情形。在系统层面上,还鲜有文献研究网络运行的评估和预警模型,也鲜有文献从源-网-荷协调的角度探讨控制模型的建立;在控制方法上,现有文献对于光伏并网场景和网络运行指标的考虑还不充分,也少有文献将辅助服务的定价问题纳入到控制模型中;在设备层面上,当前文献多关注光伏逆变器、分布式储能和OLTC等设备,对于诸如虚拟同步机和固态分接头变压器等新型设备在含高比例户用光伏低压配电网中应用和控制的研究还有所不足。因此,从系统、控制方法和控制设备3个层面对低压配电网电压控制新技术进行展望。
4.1 低压配电网电压越限评估与风险预警研究
当前户用光伏较多的接入农村低压配电网,其可控设备较少、通信条件较差,导致对光伏消纳能力较弱,常常需要削减光伏并网功率才能避免电压越限,造成了资源浪费和经济损失。因此,应根据负荷水平、光伏接入比例、网络参数、拓扑结构及控制设备条件,对低压配电网光伏消纳能力和电压越限风险进行评估,帮助有关部门制定合理的户用光伏并网计划。此外,结合区域负荷变化特征和周期性气候变化等因素建立风险预警系统则可以进一步为有关部门的管理提供依据和参考,避免网络出现严重的电压越限。
4.2 源-网-荷协调的电压控制研究
电压问题出现的根本原因是网络对于光伏发电消纳能力不足,即源网荷的协调程度还有待提高。首先,并网光伏电源端需要具备一定的有功和无功可控能力,降低对网络的影响;其次,网络中的负荷应当具备一定的弹性可调能力,减小负荷峰值与光伏发电峰值的不匹配程度;不仅如此,低压网络中的通信和量测条件应当不断完善以提高网络自身的协调控制能力。当前相关的研究还有待补充。从更宏观的角度看,户用光伏的消纳问题不仅需要做到局部就地平衡,还应当考虑区域间互供和整体消纳协调,如一些学者已经提出在低压配电网中建立微型能源互联网的设想[67],通过多能互补和区域互联提高对光伏的消纳能力,从而化解网络电压越限风险。
4.3 交直流混合配电网的电压控制研究
相比于低压交流配电网,低压直流配电网具有线路损耗小、节约成本等特点,且户用光伏及储能也更易于接入,同时具有更好的供电可靠性和电能质量[68],一些文献对于直流配电网的拓扑结构,规划以及控制问题进行了相关的讨论[69-71]。但是,将当前的交流网络直接转换成直流网络尚存在巨大的政策、资金以及技术挑战,因此,低压交流配网向低压交直流混合配网过渡成为当前网络发展的趋势之一,并且有可能在未来长期保持下去。文献[72]提出一种基于交直流互联的低压配网转供模型,如图8所示,利用AC/DC换流器将不同负荷特性的馈线末端连接起来,并且通过变下垂系数策略调节换流器流过功率的大小和方向,使得负荷特性不同的馈线功率均衡,可以有效化解电压风险。
文献[73]则提出了交直流线路并行架设的网络结构,如图9所示,交直流接口同时入户,传统交流网络的并网负荷、控制设备和控制方式不变,户用光伏以及电动汽车则通过直流馈线并网;直流馈线通过首端的储能控制,还可以稳定首端交流母线的电压,极大的降低了网络运行风险和设备投资。
图8 基于交直流混合低压配电网转供模型
图9 交直流线路并行架设结构
