低压配电网高比例户用光伏消纳技术研究综述

摘要为了适应能源转型需求和缓解环境危机，实现光伏资源分散开发及就地利用，低压配电网中高比例户用光伏发电的消纳技术正在成为研究趋势和应用方向。高比例户用光伏并网导致低压配电网运行风险和管控难度增大。文章分析了户用光伏并网对低压配电网带来的影响；对低压配电网中主要电压控制设备的调节特性进行了梳理；在此基础上，综述了基于电压控制、谐波抑制和三相不平衡控制的低压配电网光伏消纳技术；总结了当前研究存在的不足，并展望了高比例户用光伏发电消纳技术的发展趋势。0

引言全球经济的加速发展使得能源短缺和环境污染成为当前面临的严峻问题。风、光、潮汐以及生物质等清洁能源的广泛应用将推动全球能源利用从化石能源向可再生能源过渡。预计到2040年光伏发电在所有可再生能源发电中的比重将达到最大，而且以接入中低压配电网居多。根据欧洲光伏产业协会的报告，2012年欧盟的光伏装机总量为70GW，其中超过70%为屋顶光伏项目。从国内情况来看，根据《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，光伏并网发电应当遵循分散开发、就近消纳为主的原则，目前低压配电网户用光伏并网数量已经呈现出快速增长的趋势。传统低压配电网将电能从主网输送到用户，潮流单向流动。当户用光伏并网容量情况维持在较低水平时，对低压配电网的影响不显著；随着光伏渗透率逐渐升高，剩余光伏发电功率将返送主网，造成潮流双向流动。加之光照强度的不确定性以及光伏逆变器大规模接入，导致网络中出现电压越限、电压波动、三相不平衡加剧、谐波以及继电保护等问题，高比例户用光伏并网将会显著影响低压配电网的正常运行，低压户用光伏消纳问题应得到充分重视。本文对低压配电网高比例户用光伏并网带来的影响、低压配电网典型控制设备进行归纳和梳理，重点分析低压配电网户用光伏消纳电压控制技术、谐波抑制技术和三相不平衡控制技术，对低压户用光伏消纳的新思路进行了展望。1

高比例户用光伏发电并网带来的影响1.1 电压越限和波动光伏并网后，若光伏功率不能被完全本地利用会导致剩余功率注入电网形成逆向潮流，造成馈线电压从配变母线开始逐渐抬高；光伏发电渗透率越高，则逆向功率越显著，导致馈线电压出现越上限，与此同时网络损耗也会急剧增加。值得注意的是，典型居民负荷特性与光伏出力特性存在差异，负荷和光伏出力高峰时段往往无法重叠，使得节点电压分布在一天中明显变化，白天光伏发电功率剩余导致过电压风险，而夜间重负荷导致欠电压风险。此外，光伏并网有功会随着太阳辐照强度、云层以及温度等的变化发生变化，导致配电网电压发生明显波动。1.2 电压三相不平衡三相负荷不平衡、三相线路参数不对称是导致低压三相不平衡的主要原因。户用光伏单相并网后将进一步加剧低压配电网三相不平衡。户用光伏不同的接入容量和接入位置对三相不平衡存在不同的影响。从接入容量上看，户用光伏并网容量越大对网络影响越大。从接入位置上看，若光伏发电集中接入馈线首端，引起的不平衡程度较弱；若光伏发电集中接入馈线末端，导致的不平衡程度则明显加剧。在三相不平衡低压网络中，除正序电流产生的损耗外，还有负序电流及零序电流产生的损耗，总网络损耗也因此加大，降低了电网运行的经济性。1.3 谐波非线性负荷数量多且分布零散是网络谐波含量较高的主要原因。由于光伏电池板需要通过逆变器并网，其非线性工作使得谐波问题更加严重。与电压三相不平衡类似，光伏的接入容量和接入位置对谐波畸变水平也有影响。接入位置不变时，接入的容量越大，配电网的谐波畸变水平越高；接入容量不变时，接入位置越靠近线路末端，配电网的谐波畸变水平越高。谐波的存在将导致变压器、发电机以及一些用电设备的非正常发热；谐波电流同时会对电量计量造成一定的影响，引起量测误差。1.4 配电网保护传统低压配电网大多是单侧电源、辐射状网络结构，主馈线常配置基于断路器的三段式电流保护，且不具有方向性。户用光伏电源接入低压配电网后，将改变原有低压配电网单电源辐射型结构，引起电压和潮流分布的改变。当光伏渗透率超过一定规模，将明显改变网络的短路电流水平，光伏电源对故障电流具有助增或分流作用，从而改变保护的灵敏度，使保护出现拒动或误动现象，甚至失去选择性，还会影响重合闸装置的动作。1.5 对配电网管理的挑战户用光伏为用户所有，数量多且分散，不能完全由电网公司控制，用户随机接入或退出都会加剧网络运行的不确定性；用户是光伏并网发电的直接受益者，但是当前用户配备的控制设备较少，导致电网公司需要投入大量的资金对配电网进行升级和改造；先并网的用户可能会限制后并网用户的光伏容量，很难兼顾公平，增加了电网公司的管理难度；目前，光伏发电的并网电价政策性成分较多，随着户用光伏并网比例的增加，还需要逐步建立市场化的价格形成机制。2低压配电网运行控制设备影响户用光伏消纳的最重要原因是电压越限和电压波动。低压配电网的调压设备分为功率控制型以及变比控制型，功率控制型设备包括光伏逆变器、储能、配电网静止同步补偿器（distributionstaticsynchronouscompensators，DSTATCOM）以及并联电容器（shuntcapacitor，SC）等；变比控制型设备包括带有载调压分接头（on-loadtapchanger，OLTC）的变压器以及调压器等。2.1 OLTC、调压器和并联电容器OLTC是传统低压配电网中常见的电压控制设备，分接头控制器通过判断二次侧电压以及负载电流对网络远端的电压进行估计，进而对分接头的档位进行选择。调压器的控制原理也类似。SC也是传统低压配电网中常见的电压控制设备，可以向网络提供无功支持，防止馈线电压出现越下限风险，一些SC可以进行分组投切以控制网络中注入的无功容量。户用光伏接入后使得低压配电网在一天运行过程中电压变化加剧，网络电压波动也更为显著，对于设备的响应速度和动作频繁程度要求更高。然而，传统的OLTC、调压器和SC由于复位时间限制，无法实现快速响应，设备频繁调整也会导致设备寿命缩短、维护成本上升。2.2 配电网静止同步补偿器DSTATCOM能够连续发出或者吸收无功，为网络提供无功支持，快速地响应网络电压波动，因此可以比较有效地对网络电压越限、电压三相平衡及谐波进行控制。但是DSTATCOM造价较高，在低压配电网中的应用比较有限。2.3 光伏逆变器近年来，越来越多的低压户用光伏发电通过具备无功调节能力的逆变器进行并网。例如，额定逆变器容量为5.5kVA的光伏发电，当并网有功输出为5kW时，逆变器可调无功容量为2.29kvar，该数值约为额定有功容量的46%，可见仅通过适当增加逆变器容量就可以使逆变器获得很强的无功调节能力。2.4 储能与光伏类似，蓄电池也经逆变器并网，逆变器的容量通常也略大于电池容量。可以近似看成一个有功电源与FACTS设备的并联模型。由于电池本身具有充放电功能，相比于光伏逆变器的二象限调节能力，储能可以吸收或者发出有功，具备四象限的调节能力。储能分为功率型和能量型2类。3基于电压控制的光伏消纳技术3.1 光伏有功削减策略低压线路r/x较大，电压–有功的耦合作用强于电压–无功，因此切除一部分光伏有功是一种简单有效的限制电压越上限的方式。控制需要预先设定电压–有功下垂系数，节点电压越限时据此确定光伏并网有功削减量。在控制参数设计时对电压灵敏度矩阵加以考虑，对全网下垂控制参数进行统一整定和优化，加强了控制的协同性。然而，通过削减光伏有功进行电压控制的策略是以减少清洁能源发电为代价的，实质上很难提高对光伏发电的消纳能力。3.2 逆变器无功调节策略电压–无功下垂控制是一种经典的电压控制手段，在低压配电网中仍然具有一定的实用性。若光伏并网点电压高于预先制定的目标电压，光伏逆变器吸收无功功率以延缓节点电压的上升；反之，光伏逆变器注入无功功率以延缓节点电压的降低；若并网点电压达到网络电压上限（下限）时，光伏逆变器按最大的无功容量吸收（注入）无功。3.3 分接头调节策略OLTC的控制对象是配电变压器出口母线，将母线的参考电压设定为恒定值。在高比例户用光伏并网的条件下，采用恒定的电压值作为OLTC调节依据大大增加了OLTC的动作次数，OLTC的频繁动作加剧了网络电压的波动情况，也不能有效地避免电压越限情况。根据网络的功率分布与时间的关系，OLTC在不同时间段跟踪不同的电压参考值，这种策略能一定程度降低电压越限程度以及OLTC的动作次数。3.4 储能控制策略电网公司除了利用自有的储能设备外，通过与用户签订协议，将用户的储能调节纳入辅助服务也是增加网络控制能力的有效手段。通过功率的注入与吸收，储能可以有效实现“削峰填谷”，优化并网节点功率，抑制网络电压越限，电压–有功下垂控制是一种常见的储能就地控制策略。云层穿越会造成光伏并网功率的快速变动，引起网络电压波动，恒定下垂系数的方法在该场景下的适应性降低，通过判断光伏并网功率的波动率，实时对储能系统的下垂控制参数进行调节以减缓网络电压波动程度。但是，储能的功率输出还要受到储能自身SOC的限制，因此以上策略均需要建立在储能容量比较充裕的基础上。3.5 多类型设备协调控制策略在一些电阻明显偏高，光伏并网比例较大的低压配电网中，仅采用单一设备对网络进行控制效果有限，因此有时需要在网络控制时考虑多种设备。为了延缓网络的升级改造，一般的思路是对传统设备（如OLTC等）与新型设备（如光伏逆变器、储能与DSTATCOM等）进行协调控制。光伏逆变器、储能以及DSTATCOM本身具备频繁动作特性，OLTC的电压调节效果明显，但是调节所造成的设备磨损程度较大。因此，含OLTC的控制需要尽可能降低OLTC的动作次数。通过对控制目标进行划分，可以减弱设备的控制压力。对网络控制场景进行区分，指出网络无反向潮流情况下，OLTC以控制远端电压为目标保证全网电压安全，储能则在重负荷时段提供功率支持；网络潮流反向的情况下，OLTC以控制变压器出口电压为目标，维持馈线首端电压稳定，同时储能通过吸收功率以减弱潮流反向的程度。通过对控制顺序进行划分，也可以实现有效的协调控制。指出网络电压出现越限风险时，应当按照光伏逆变器无功，光伏有功削减的顺序优先对网络电压进行控制，OLTC则通过增加判断节点数或者增加延迟环节（2min）降低动作次数，兼顾了控制的经济性和有效性。通过考虑不同设备调节的经济性也能制定出合理的控制方案。根据不同设备的投资和维护成本将网络电压–有功、电压–无功以及电压–分接头灵敏度矩阵转化为电压–价格灵敏度矩阵，在网络出现电压越限或者明显的电压不平衡时，通过电压–价格灵敏度矩阵对网络调节设备加以排序、选择，制定出经济性最优的控制方案。4 基于谐波抑制的光伏消纳技术通过在PCC点或线路末端安装有源滤波器（activepowerfilter，APF）等装置对电网进行集中式谐波治理是当今较为常用的手段，但是该方法对配电网的谐波治理效果并不理想，某些线路节点的特定频次谐波反而会被放大，这主要是因为谐波的抑制效果会受到系统参数和谐波传播特性的影响。提出一种具有有源滤波功能的三相四桥臂光伏并网逆变器，它可实现向电网注入有功的同时治理谐波。提出了一种单相光伏并网与有源滤波器的统一控制策略，可将光伏系统剩余容量用于电网的谐波抑制和无功补偿。然而由于逆变器的自身容量有限，当其无法同时满足多种功能的容量需求时，如何对逆变器的输出控制进行优化，该文未进行详细探讨。提出了一种基于负载辨识的多功能光伏逆变器，能够根据负载的轻重与类型来优化谐波抑制和无功补偿效果。提出了一种基于多功能光伏逆变器的配电网谐波补偿系统，并分析了线路参数变化对谐波补偿效果的影响，但未考虑谐波补偿系统的协调优化问题。5 基于三相不平衡控制的光伏消纳技术目前国内外学者已经开展了三相不平衡配电网无功优化相关领域的研究。提出了一种直角坐标系下基于电流注入法的三相不平衡优化模型，以分布式光伏无功及连续可调的无功补偿设备为控制变量，来减小系统负序电压。但其仅考虑了减小三相电压不平衡问题，没有对网络损耗进行优化。提出了包含离散无功补偿装置约束和连续无功补偿装置约束、逆变器并网的光伏无功运行约束等的配电网三相无功优化模型。但其构造的模型中仅考虑网络损耗最小，未考虑三相电压不平衡的减小问题。建立了以减小网络损耗和三相电流不平衡为目标的配电网三相不平衡无功优化模型，但仅考虑了并联电容器接入与否（取0或1）、变压器分接头位置等离散控制变量，未考虑多种无功补偿装置与分布式电源间的协调优化。提出一种三相不平衡配电网无功优化模型，考虑多种无功补偿装置与分布式电源之间的协调优化来降低网络损耗和减小系统电压负序分量。利用分支定界法处理混合整数规划问题，通过分支定界技术将含离散变量的原问题转化为多个连续松弛子问题。6 未来发展方向6.1 考虑电能质量的含户用光伏低压配电网规划研究合理的规划可以极大提高网络的运行效率、节省控制成本并且减轻运行控制压力。当前的研究较多关注通过控制手段来解决户用光伏的消纳问题，而针对含高比例户用光伏的低压配电网规划问题进行的研究较少，特别是考虑谐波、三相不平衡等电能质量的规划问题，亟需增加这一领域的研究为未来低压配电网的建设和改造提供宝贵的方法和经验参考。6.2 低压配电网户用光伏消纳能力评估研究由于当前低压配电网通信基础设施建设不足且可靠性较差，可控设备的种类和数量都相对较少，这将制约户用光伏的并网，盲目并网所导致的直接后果是并网功率削减，造成不必要的资源浪费和经济损失，并且会限制后并网光伏的容量。因此，根据网络拓扑、参数以及控制设备情况，对低压配电网的光伏消纳能力进行评估是制定合理的户用光伏并网计划的基础。6.3 自适应多目标控制方法研究当前多数户用光伏控制方法的控制目标、应用场景比较单一，只能解决光伏并网后所引起的电压越限、电压波动或电压三相不平衡中的某一个问题。考虑光伏并网后所引起的电压越限风险的居多，缺少对于网络损耗及功率因数指标的优化。因此，有必要建立多场景、多模式的户用光伏控制模型，兼顾低压配电网电压、网损和功率因数的多指标优化，并能实现控制目标随场景变化的自适应切换。6.4 固态配电变压器及电压源变换器的研制固态配电变压器通过对晶闸管的开合操作即可调整变压器的变比，改变分接头