赵伟博 李琳杰 齐锴亮

摘 要：可再生能源具有随机性和间歇性的特点，然而随着分布式电网的渗透率不断提高，其并网也给传统电网带来了可靠性降低、双向潮流、电能质量恶化等问题，传统电网的被动调压策略已难以为继。主动配电网能支撑分布式电源的消纳，通过有载分接开关（OLTC）协调可实现电压控制。本文旨在阐述基于OLTC协调的主动配电网控制研究，先说明OLTC调压对功率的影响，介绍各传统电网调压方法，并指出了各方法的弊端。再阐述基于OLTC调压的主动配电网电压控制方案，最后对该领域进行了展望和总结。

关键词：有载分接开关;OLTC;主动配电网;分布式电源（DG）;电力系统

中图分类号：TP271      文献标识码：A

能源短缺和气候变化是目前全球都需要面对的严峻问题，大力发展可再生能源是目前解决气候变化和“减碳”最有前景的手段之一[1]。在第七十五届联合国大会上，中国指出，将提高国家自主贡献力度 ，采取更有利的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，为应对能源结构变化，配电网改革也亟待进行[2]。

近年来，分布式电源（ DG）的渗透率不断提高，传统电网被动控制方式已难以为继，为解决这些问题，传统电网正在向主动配电网转变。由于DG电能输出具有随机性和波动性，直接并入电网会造成配电网电压波动和潮流分布不均，使用户用电质量受影响[3]。對配电网电压控制问题，通常都是通过调节有载分接开关（OLTC）或投切电容器实现电压调节，而增加静止无功发生器（SVG）等设备又将给电网带来较大经济负担[4]。因此，主动配电网的电压调节成了亟待解决的问题。目前研究策略主要有DG不参与调压和DG主动参与调压两大类，无DG参与时主要通过OLTC与并联电容器协同进行调压，有DG参与时，则通过改变有功与无功输出完成调压。

1 OLTC调压对功率的影响

OLTC因调压范围范围较大、操作灵活、可随时调节，还兼具经济性等优点，在电力系统得到广泛应用[5]。OLTC是变压器内唯一需要机械动作的机构，其承担着变压器的调压功能。含OLTC的变压器线路等效电路图可用图1说明，图1（a）是OLTC连接两级电压网络示意图，图1（b）为图1（a）的网络等值回路图。

由式（1）、（2）、（3）可知，当k>1，Y1为感性、Y2为容性;k=1， Y1=Y2=0;k<1，Y1为容性、Y2为感性。可见，OLTC调压对功率的影响，其实相当于在空载电压高的一次侧加了并联电容器，另一侧则加了并联电抗器，两侧分别吸收或产生无功功率。无功功率的性质由变比k决定，k若改变，变压器两侧Y1、Y2也随之改变，进而引起两侧网络无功潮流分布，最终影响两侧电压。由上述分析可知，OLTC调压并不会产生无功功率，而是对变压器两侧无功功率进行再分配。通常，变压器一次侧系统短路容量较大，Z1较小，二次侧为负荷阻抗，Z2较大，若OLTC切换不当，在系统电压因无功功率缺失而下降时，OLTC调压错误不仅没能补充缺额无功功率，反将无功缺额量转移至高压侧，这将使得电网电压严重下降，产生电压崩溃。

2 传统电网的调压方式

2.1 发电机调压

发电机调压是为了满足就近调压的需求，通过改变励磁电流来调节机端电压UG，UG偏离额定值不超过±5%。一般适用供电线路短、线路电压损耗小的电厂。但对于长线路的多级供电网而言，线路经过多级变换，且峰谷负荷变化较大，线路电压损失较大，因此，仅靠发电机调压无法满足需求。此外，需要注意的是调节远处负荷电压时，机端电压不能调的过高，需要外部调压措施配合。

2.2 变压器调压

变压器调压是目前电力系统中使用最广泛的调压方式，可分无载调压和有载调压。无载调压需要停电操作，步骤繁琐，调压范围一般在10%内，周期长，经济性较差。有载调压是变压器调压的主要方法，通过OLTC切换分接头完成调压，其调压速度快，操作简单，调压范围较大，能带载调压[6]。典型含OLTC调压方式电网如图2所示，该网络由配电系统、二次传输系统、主传输系统及发电机构成。直接向负荷中心供电的供电变压器大多采用OLTC，OLTC所处系统必须是一个无功功率充足又相对比较平衡的系统才能起到灵活有效的调压效果。在无功功率不足的系统中，仅OLTC调节无功不能满足需求，还需要无功补偿设备。

2.3 通过补偿设备调压

常见的补偿设备有静止无功补偿器（SVC）、同步调相机、固定并联电容器等[7]。SVC中晶闸管控制型应用较为广泛，由电抗器、电容器和两组反并联的晶闸管构成，具有快速平滑调节的特点，但因其响应速度较快，当稳态负荷增加或系统波动等因素达到输出极限值时，不能对电压进行动态控制。并且，SVC控制难度大，成本过高，运维繁琐。同步调相机能够自动根据系统需求来吸收或产生无功功率，通过过励磁或欠励磁的不同运行方式，发出容性或感性功率，但因其常处于过励状态，损耗和噪声大、响应慢、发热严重。随着SVC的发展，同步调相机使用也逐渐减少。并联电容器和电抗器的结构简单，且具备经济性，但无法根据负荷需求动态补偿。

根据系统中OLTC分接头的档位以及电容器组无功出力变化对各节点电压的影响程度，划分OLTC以及电容器组的调压区域。当系统中某些节点出现过电压或欠电压时，优先调节该节点所在区域的调压装置。因此，对配电网进行分区时，应合理规划OLTC及协调补偿设备的调压区域，再安排各调压设备启动次序，防止多装置启动产生冲突，充分利用各调节装置的补偿功能，以达到各设备的效益最大化。

3.2 基于离散变比OLTC的电压调节

DG具有很强的间歇性和随机性，考虑OLTC变比的离散性，或可有效解决这类问题，OLTC的变比一般档位有1.25%、1.5%、2.5%，并非连续调节，其电压控制算法是一研究热点，OLTC变比是步长均匀的离散量，常见OLTC变比的控制算法有优化算法、灵敏度算法，前者计算得到OLTC调节的最优解，后者通过灵敏度指标来控制OLTC调压[10]。但这两者在时效性都有明显缺陷，靠拢法则选不考虑离散变量取值约束，将所有变量视为连续变量求最优解，取与最优解最近的离散变量为最优解，但在长补偿时准确度低，甚至不收敛。近年来研究的算法有连续化算法、内嵌罚函数法、互补方法、确定性算法、现代智能算法[11]等，以上算法仍不够满足实际应用要求，寻求更加高效高精度的算法也该领域的一研究趋势。

3.3 OLTC和DSTATCOM协调配合的有源配电网调压

静止同步补偿器（STATCOM）是并联型无功补偿装置，利用GTO构成可控电压源或电流源，本质是自换相的电压源型三相全桥逆变器，通过变压器将其输出电压变换成系统电压，图5为主电路采用电压源型桥式电路的STATCOM示意图，其中直流侧储能电容对电压起到支撑作用。直流电压经STATCOM输出为与电网电压s幅值、频率、相位均相等的交流电。

OLTC和无功补偿装置相配合进行调压是含DG配电网较有效的调压手段之一。配电网静止同步补偿器（DSTATCOM）双向调节无功输出的功能，无功调节能力增强，输出的无功功率受电压变化的影响小。对于DG接在线路末端的辐射型配电馈线，线路末端的电压偏移最大，因此将DSTATCOM装在馈线末端的DG并网点。当长馈线末端电压严重越限时，仅靠OLTC调节电压已不足以让末端电压回到安全范围内，严重者可能导致二次侧电压越限。因此，需适当设定OLTC与DSTATCOM的电压动作范围，共同发挥OLTC和DSTATCOM的调压功能，使变电站二次侧维持在合理电压范围内。

3.4 基于模型预测的OLTC电压控制

模型预测控制（MPC）根据当前测量信息，在线求解有闲时间开环优化，并将解得的控制序列首个元素作用于被控对象，以此往复。模型预测控制具有建模简单、精度要求低、鲁棒性好等优点，在许多工程中得到应用。将模型预测控制作为主动配电网的电压控制策略也渐渐得到重视。文献[12]基于MPC对含DG配电网的能量管理系统进行了研究。文献[13]将MPC应用于电力系统，研究了输电网长期电压稳定控制问题。文献[14]则提出了一种主动配电网电压控制策略，该策略通过建立灵敏度矩阵，构建了配电网电压和储能充放电状态的预测模型，并针对OLTC调节进行了检测控制策略，基于多步滚动优化平滑地实现了配电网母线电压调节，使得母线电网均控制在有效范围内。

3.5 多时间尺度规划

多时间尺度规划基于“多级协调、逐级细化”的思路，利用相对细化的下一级时间尺度来修正相对粗放的上一级时间尺度调控策略的错误。该策略基于两点提出：（1）不同设备动作时间尺度各有差别，如并联电容器组、OLTC为小时级尺度，需要在日前或滚动优化中确定其动作策略，DG、SVG则为适时调控设备，在秒级尺度;（2）可在生能源具有随机性，因此预测时间越短则精度越高，若在小时级尺度上进行较为精准的预测，则可极大解决可再生能源随机性和间歇性带来的问题。当前已有不少研究基于随机规划或鲁棒优化的多时间尺度方法，基于确定性优化的多时间尺度方法已取得了良好的应用效果。文献[15]中将有功调度时间尺度分为日级、30-60分钟级、5～15分钟级、秒级四个类别，并构建对应的日前计划、滚动计划、实时调度计划以及AGC的四个控制阶段，结果显示有效提升电力系统对风电的消化和吸收。

4 基于OLTC协调的主动配电网电压控制

发展趋势

计及DG入网的数量不断增加，主动配电网是传统电网的发展趋势，未来基于OLTC协调的主动配电网电压控制研究趋势有以下三个热点：

（1）无功优化技术。主动配电网涉及多种类无功调节设备的控制，如何协调各类无功可控资源是近年来的研究热点，即无功优化技术，旨在提高主动配电网消纳可再生能源的能力，通过调控各类无功设备，达到改善电能质量的目的。

（2）OLTC调压对电力系统的影响。电力系统中的电压崩溃往往不止是电压稳定性单方面的问题，而是电压失稳和功角失稳共同作用的结果。OLTC动作将改变系统潮流分布，OLTC变比不仅与电压幅值有关，与电压相角也有关。因此OLCT调压对电力系统的影响还需要更进一步的分析。

（3）智能电网。随着电力系统使用智能设备和数字通信升级，电网的智能化也是传统电网必经的道路。新的电压调节控制方案，可将含OLTC的变压器控制为中心，旨在满足现有电力系统的需求和未来智能电网的发展，以提高输电和配电网的性能。

5 结 论

研究了现阶段基于OLTC协调的主动配电网电压控制策略。首先阐述了大量DG网并网造成电力系统可靠性降低、电能质量下降等问题。再列举了传统电网调压方案，并指出各方案的局限性，已不足以应对大量DG并网带来的电压波动问题。进而，提出基于OLTC协调的主动配电网调压方案，并总结了目前研究的热点方案。最后，展望了该领域研究的发展趋势。

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