考慮并網(wǎng)光伏電源出力時序特性的配電網(wǎng)無功規(guī)劃

河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院、華北電力大學電氣與電子工程學院的研究人員陳麗、張晉國等，在2014年第12期《電工技術(shù)學報》上撰文，提高分布式電源的接納能力，使配電網(wǎng)設備經(jīng)濟高效地運行是智能配電網(wǎng)的基本要求之一。論文分析了并網(wǎng)光伏電源有功出力和無功出力的概率分布，在保證并網(wǎng)光伏電源最大有功輸出，并充分利用其無功出力的基礎上，建立了以無功補償方案全壽命周期凈收益現(xiàn)值為目標函數(shù)的配電網(wǎng)無功規(guī)劃模型，實現(xiàn)了用較少無功補償投資滿足配電網(wǎng)的無功需求。提出了一種混沌多粒子群算法對上述模型進行求解，該算法克服了基本粒子群算法早熟問題。通過含并網(wǎng)光伏電源的配電網(wǎng)無功規(guī)劃實例，驗證了上述無功規(guī)劃模型和算法的正確性和有效性。

近年來，分布式發(fā)電（DistributedGeneration，DG）技術(shù)以其獨有的環(huán)保性和經(jīng)濟性引起人們越來越多的關(guān)注。經(jīng)過多年的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為一種較成熟的新能源發(fā)電技術(shù)[1]。2012 年10月27 日，國家電網(wǎng)公司正式發(fā)布《關(guān)于做好分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務工作的意見》，明確規(guī)定了對分布式發(fā)電富余電力的全額收購。

分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后，使傳統(tǒng)的單電源輻射配電網(wǎng)變成多電源結(jié)構(gòu)，這對配電網(wǎng)的節(jié)點電壓、支路潮流和網(wǎng)絡損耗等都帶來了影響。本文在對并網(wǎng)光伏電源的有功出力、無功出力時序特性分析的基礎上，研究了含并網(wǎng)光伏電源的配電網(wǎng)無功規(guī)劃問題。

已有文獻對含分布式電源的配電網(wǎng)無功規(guī)劃進行了研究。文獻[2,3]分析了分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)無功功率的輸出特性，提出在進行無功規(guī)劃時要充分發(fā)揮DG的無功補償能力。文獻[4]在考慮分布式電源無功功率輸出特性的基礎上進行了分布式電源接入規(guī)劃。文獻[5]研究了DG以不同容量和不同位置接入配電網(wǎng)后，對配電網(wǎng)電壓和網(wǎng)損的影響，建立了配電網(wǎng)無功規(guī)劃模型。

文獻[6]研究了包含多種分布式電源的配電網(wǎng)無功規(guī)劃問題。文獻[7]在考慮了分布式電源有功、無功出力獨立調(diào)節(jié)能力的基礎上，研究了含分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)無功規(guī)劃問題。

上述文獻對各種分布式電源的有功、無功出力進行了分析，其中文獻[4-7]以分布式電源恒定有功、無功出力為前提條件，對配電網(wǎng)無功規(guī)劃問題進行了研究，由于未考慮分布式電源出力的間歇性和時序性，規(guī)劃結(jié)果準確性較差。

并網(wǎng)光伏逆變器將光伏電池輸出的直流電變換成交流電輸送到電網(wǎng)，同時有選擇地對電網(wǎng)補償一定的無功電流。其主電路一般采用電壓型全橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與常規(guī)的靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）主電路完全一致。通常，光伏逆變器有一個最低工作電壓（常規(guī)逆變器為450V），當光照度不夠（比如，陰天、晚上等），輸入電壓低于其最低工作電壓時，進入休眠或離網(wǎng)模式。

此時，若改變其控制策略，可實現(xiàn)同時具有并網(wǎng)發(fā)電與無功補償功能或只具有無功補償功能的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。充分利用光伏逆變器的無功出力，不僅可以節(jié)省傳統(tǒng)無功補償設備投資，并且具有良好的無功補償快速響應特性，對提高配電網(wǎng)末梢的供電能力和電能質(zhì)量具有重要作用。

近幾年，已有文獻研究了利用光伏并網(wǎng)逆變器富余容量來進行無功補償[3,8-11]和有源濾波[12,13]。文獻[3]對光伏并網(wǎng)發(fā)電及無功補償?shù)慕y(tǒng)一控制進行了仿真和試驗樣機研制。文獻[8]提出了一種將無功補償、電壓波動補償與光伏并網(wǎng)發(fā)電相結(jié)合的、具有較強低電壓穿越能力的兩級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。文獻[9]提出了一種具有無功補償功能的單級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實現(xiàn)太陽能電池最大功率點跟蹤的同時，還能夠?qū)崟r補償本地負載的無功電流。

文獻[10]提出了一種單相光伏結(jié)合分段能量存儲系統(tǒng)的級聯(lián)多電平逆變器，實現(xiàn)了對電網(wǎng)的無功補償。文獻[11]提出了將光伏并網(wǎng)發(fā)電與無功補償、有源濾波相統(tǒng)一的思想，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電與無功、諧波的補償。

上述文獻的仿真結(jié)果和實際應用證明，通過合理的控制策略，光伏并網(wǎng)逆變器可以在保證最大有功輸出的同時，同步實現(xiàn)對電網(wǎng)的無功補償。因此研究并網(wǎng)光伏電源有功功率和無功功率輸出的間歇性和時序性，在充分利用并網(wǎng)光伏電源有功、無功出力的基礎上進行配電網(wǎng)無功規(guī)劃，可以用較少的無功補償投資實現(xiàn)配電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟且高效地運行。

結(jié)論

本文考慮并網(wǎng)光伏電源的間歇性建立了其出力時序模型，在充分利用并網(wǎng)光伏電源有功、無功出力的基礎上，提出了配電網(wǎng)無功規(guī)劃模型和求解方法，通過無功規(guī)劃實例分析，得出如下結(jié)論：

（1）并網(wǎng)光伏電源具有較強的無功輸出特性，配電網(wǎng)無功規(guī)劃時應合理利用。

（2）考慮并網(wǎng)光伏電源出力間歇性和時序性的出力模型將使配電網(wǎng)無功規(guī)劃結(jié)果更接近實際，更真實地反映出配電網(wǎng)規(guī)劃方案的各項經(jīng)濟技術(shù)指標。

（3）利用混沌運動的遍歷性、隨機性和規(guī)律性的特點，結(jié)合配電網(wǎng)無功規(guī)劃問題的求解特點，對多種群粒子群算法進行改進，在不過多增加計算量的同時，可以幫助局部最優(yōu)粒子逃離局部極值點，并快速搜尋到最優(yōu)解。

配電網(wǎng)負荷出力也具有明顯的時序特性，同時考慮負荷和并網(wǎng)光伏電源出力時序特性的配電網(wǎng)無功規(guī)劃能更好地提高無功規(guī)劃結(jié)果的合理性。本文只考慮了并網(wǎng)光伏電源，其模型和方法也可借鑒性地應用于含其他分布式電源或多種分布式電源的配電網(wǎng)無功規(guī)劃研究。