基于分布式光伏的低壓配網(wǎng)“低電壓”治理

劉旭鵬，邱 爽，李海波，王甲龍，秦 榛，馬 楠，王 俊

（1.內(nèi)蒙古龍源蒙東新能源有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110000；3.赤峰市供電公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

鑒于農(nóng)村用電戶數(shù)多而分散，負(fù)荷密度小，因地理約束，農(nóng)網(wǎng)輸配電線路十分長[1]。受輸電線路和變壓器容量的限制，負(fù)荷高峰時，線路末端有可能因為功率不足而使電壓降低，影響家電的正常運行。隨著農(nóng)村居住點的不斷延伸，負(fù)荷中心的不斷偏移，農(nóng)村電網(wǎng)“低電壓”的現(xiàn)象將進(jìn)一步加重，使農(nóng)村電網(wǎng)日顯薄弱。此外，農(nóng)村生產(chǎn)的季節(jié)性導(dǎo)致了農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷季節(jié)性很強。夏季是干旱季，須要大量使用水泵。冬季尤其在春節(jié)期間，民工返鄉(xiāng)會出現(xiàn)用電高峰。隨著農(nóng)村居民生活水平的提高，諸如空調(diào)之類強季節(jié)性的負(fù)荷占農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷比例逐年增加，加劇了農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷季節(jié)性變動程度，嚴(yán)重降低了線路、配電設(shè)備的有效利用率，并影響用戶端的電能質(zhì)量，因此解決農(nóng)村配電網(wǎng)“低電壓”問題非常迫切。文獻(xiàn)[2-3]提出了改造電網(wǎng)的治理方法及改造或新增變壓器和輸電線路的方法，但考慮到農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布的特點，從經(jīng)濟(jì)效益的角度來看，農(nóng)村電網(wǎng)的改造不僅周期長，工程量浩大，而且資金需求大，尤其是對一些山區(qū)的電網(wǎng)改造，在實際操作上有較大的難度。文獻(xiàn)[4]提出了針對無功補償裝置的應(yīng)用，主要是對無功控制策略的研究，但這種控制方法會頻繁地進(jìn)行設(shè)備調(diào)節(jié)，且產(chǎn)生的控制決策存在不確定性和盲目性。隨著分布式能源技術(shù)的不斷發(fā)展，利用接入分布式能源以解決配電網(wǎng)的有功及無功優(yōu)化問題越來越廣泛，分布式能源的接入使配電網(wǎng)更加復(fù)雜，對配電網(wǎng)中的潮流分布、電壓分布和網(wǎng)損等產(chǎn)生重要影響[5-6]，分布式能源的合理配置能夠提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及提高配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性[7]。本文提出了基于光伏低壓配網(wǎng)的優(yōu)化配置方法，通過試驗驗證了所提方法可以有效治理用戶端“低電壓”問題。

1 農(nóng)村電網(wǎng)“低電壓”成因分析

一般情況下造成“低電壓”的原因主要分為電源、電網(wǎng)和負(fù)荷3個方面。電源方面：無功功率不足、配電設(shè)備重載甚至過載、配變的分接頭位置不當(dāng)。電網(wǎng)方面：臺區(qū)布點不合理，供電半徑過長、輸電線路截面積太小、有功功率損耗過大，另外，接戶線及進(jìn)戶線等低壓線路普遍存在配置不合理的現(xiàn)象，導(dǎo)致用戶末端“低電壓”。負(fù)荷方面：三相負(fù)荷不平衡、用戶超容用電?！暗碗妷骸爆F(xiàn)象主要包括長期和季節(jié)性“低電壓”。長期“低電壓”指用戶全天候“低電壓”持續(xù)三個月或日負(fù)荷高峰“低電壓”持續(xù)六個月以上的“低電壓”現(xiàn)象；季節(jié)性“低電壓”是指度夏度冬、春灌秋收、逢年過節(jié)、烤茶制煙等時段出現(xiàn)具有周期規(guī)律的“低電壓”現(xiàn)象[8]。對農(nóng)村配電網(wǎng)而言，更容易發(fā)生季節(jié)性“低電壓”問題，由于農(nóng)村地域廣闊，居民居住分散，農(nóng)村電網(wǎng)供電線路長、負(fù)荷分散等特點，導(dǎo)致輸電線路損耗大，更容易引起末端“低電壓”。在分析農(nóng)村電網(wǎng)電壓降落時，不能像主網(wǎng)一樣僅僅從負(fù)荷或線路單方面考慮，必須結(jié)合農(nóng)村電網(wǎng)自身特點，將農(nóng)村電網(wǎng)的負(fù)荷和線路結(jié)合起來考慮。農(nóng)村配電網(wǎng)線路損耗中的有功損耗引起的電壓降落縱分量較大，而線路無功損耗較小，其引發(fā)的電壓降落橫分量也較小。

2 “低電壓”治理方案

本文針對開環(huán)運行的輻射式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建立以總電壓偏差最小為目標(biāo)（總電壓偏差即每個節(jié)點電壓與理想電壓之差的絕對值的總和），采用粒子群優(yōu)化算法，調(diào)用潮流計算程序，逐次迭代，進(jìn)行單點和多點配置光伏系統(tǒng)以提高配電網(wǎng)各節(jié)點電壓。

2.1 配電網(wǎng)潮流計算方法

目前在配電網(wǎng)各種潮流計算方法中，前推回代法對初值要求不高，迭代過程中不須計算雅可比矩陣，基本能夠保證線性收斂，計算速度較快，效率最高。所以本文根據(jù)采集到的線路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（包括各線路長度、導(dǎo)線型號、電阻）、負(fù)荷數(shù)據(jù)（包括各節(jié)點負(fù)荷類型和負(fù)荷功率）采用前推回代法進(jìn)行潮流計算，光伏發(fā)電系統(tǒng)按節(jié)點處理，作為負(fù)的負(fù)荷接入。

2.2 粒子群優(yōu)化算法

粒子群（PSO）優(yōu)化算法，是一種操作簡便、易于理解、應(yīng)用廣泛的優(yōu)化算法。首先根據(jù)需求在人為限定的范圍內(nèi)或者不限范圍隨機(jī)給出一組解，然后計算每組解的適應(yīng)度，在不斷的迭代計算過程中，選擇具有更優(yōu)適應(yīng)度的解，直到得到最優(yōu)結(jié)果。具體來說，對于一個須進(jìn)行優(yōu)化的問題，它每一個可能的解都可以稱為搜索區(qū)域內(nèi)的一個粒子，每個粒子有它的位置變量不同位置對應(yīng)不同的適應(yīng)值，可以是目標(biāo)函數(shù)的函數(shù)值，然后粒子按照一定的搜索方式在搜索區(qū)域內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)解的搜索，正如小鳥飛行一樣，每一個粒子都具有自己的一個速度，然后在自身的最優(yōu)解和整個粒子群的最優(yōu)解的影響下不斷更新自己的速度和位置。

應(yīng)用粒子群算法進(jìn)行風(fēng)機(jī)或光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置的求解步驟如下：

第一步，讀入數(shù)據(jù)并初始化算法參數(shù)。讀入待優(yōu)化配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)。給定初始化條件，確定粒子總數(shù)、粒子維度和最大迭代次數(shù)及參數(shù)的大小等。

第二步，初始化粒子。在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)約束范圍內(nèi)隨機(jī)生成粒子位置和速度，粒子位置對應(yīng)風(fēng)機(jī)或光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的位置變量和出力變量。為系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)或光伏接入點個數(shù)，為粒子位置中對應(yīng)風(fēng)機(jī)或光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的位置變量，為粒子位置中對應(yīng)風(fēng)機(jī)或光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的出力變量。

第三步，調(diào)用潮流計算程序，計算每個粒子初始適應(yīng)度，即目標(biāo)函數(shù)值，該值即為該粒子當(dāng)前最優(yōu)值，將每個粒子當(dāng)前最優(yōu)值進(jìn)行排序比較，得到當(dāng)前全局最優(yōu)值，使目標(biāo)函數(shù)等于全局最優(yōu)值的粒子即為全局最優(yōu)粒子；置迭代次數(shù)。

第四步，進(jìn)入主循環(huán)。計算每次迭代的粒子位置和速度變量，調(diào)用潮流計算程序，計算和比較，更新每個粒子最優(yōu)適應(yīng)值和全局最優(yōu)適應(yīng)值，并記錄粒子對應(yīng)的位置。

第五步，判斷是否收斂。若迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)定的最大迭代次數(shù)，則迭代結(jié)束，輸出最優(yōu)解，否則，并轉(zhuǎn)到第四步繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)命令。

3 光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置分析

以赤峰市翁牛特旗低壓配電網(wǎng)中某一低壓臺區(qū)為例，尋找光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的最優(yōu)接入位置和最優(yōu)出力，以達(dá)到提升各節(jié)點電壓的目的。由于此臺區(qū)三相負(fù)荷不平衡，須按每相單獨進(jìn)行潮流計算和光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置。本文以A相為例，以總電壓偏差最小為優(yōu)化目標(biāo)，對臺區(qū)A相進(jìn)行單點和多點光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置。此臺區(qū)A相共34個節(jié)點，33條支路，估計總有功負(fù)荷28.5 kW，節(jié)點1電壓設(shè)為0.22 kV。未配置光伏系統(tǒng)時，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點總電壓偏差為1.306 kV，總有功損耗為5.9 kW。

單點光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置，以總電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群優(yōu)化算法，得到光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的最優(yōu)位置為節(jié)點22，最優(yōu)出力為20.462 kW，總電壓偏差為0.088 kV，總有功損耗為0.661 kW。粒子群優(yōu)化算法收斂曲線如圖1所示。

圖1 單點光伏并網(wǎng)粒子群優(yōu)化算法收斂曲線

采用不同目標(biāo)函數(shù)的各節(jié)點電壓對比如圖2所示。

圖2 不同目標(biāo)函數(shù)的各節(jié)點電壓對比

多點光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置，以總電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群優(yōu)化算法，得到光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的最優(yōu)位置為節(jié)點3和節(jié)點23，最優(yōu)出力分別為10.481 kW和16.988 kW，總電壓偏差為0.035 kV，總有功損耗為0.418 kW。粒子群優(yōu)化算法收斂曲線如圖3所示。

圖3 多點光伏并網(wǎng)粒子群優(yōu)化算法收斂曲線

采用不同目標(biāo)函數(shù)的各節(jié)點電壓對比如圖4所示。

圖4 不同目標(biāo)函數(shù)的各節(jié)點電壓對比

由此可見，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)能夠提高各節(jié)點電壓使其基本達(dá)到額定電壓，降低網(wǎng)損，可以較好地起到“低電壓”治理效果，如表1所示。

表1 此臺區(qū)A相光伏并網(wǎng)優(yōu)化配置結(jié)果對比

4 結(jié)束語

針對農(nóng)村低壓配電網(wǎng)的“低電壓”治理，本文提出了一種基于光伏并網(wǎng)低壓配網(wǎng)的優(yōu)化配置的“低電壓”治理措施。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)能夠提高各節(jié)點電壓使其基本達(dá)到額定電壓，降低網(wǎng)損，對治理配電網(wǎng)“低電壓”現(xiàn)象能起到較好的效果。光伏作為有功補償設(shè)備是目前使用最多的清潔能源之一，對農(nóng)村配網(wǎng)而言，分布式光伏的接入可以解決用戶端“低電壓”問題。