基于光伏发电及储能系统的配电网运行电压优化控制的研究

基于光伏发电及储能系统的配电网运行电压优化控制的研究

赵　华

国电投重庆新能源科技有限公司  重庆市 401120

摘要：随着我国新能源技术的快速发展，在电力系统配电网运行过程中，对电压的稳定性不足，造成负面影响。在分析光伏发电系统、储能设备以及用电负荷的运行特性基础上，提出通过安装SVG装置和储能设备来平衡电压偏差的方案。对于多变量多目标寻优问题，引入改进的文化算法进行分析求解，得到最优容量组合，进而在某配电变压器台区进行实际应用。统计数据表明，经过优化后，各节点电压的稳定性得到较大幅度的提升，台区10个节点的电压偏差由原来的20%下降至8%以内，电能质量达标，优化方案切实有效。

关键词：光伏发电；储能系统；配电网；电压优化

引言

电力需求的增加、可再生能源的整合以及对电网弹性的需求导致了发电和储能技术的出现。嵌入式发电是指在消费点或消费点附近分散发电，而储能系统能够存储和随后释放电能。发电和储能具有重要意义。通过分散发电，可以缓解集中电网的中断，特别是在自然灾害或电网故障期间可确保可靠的电力供应。发电有助于减少输电损失，并支持清洁、可持续的能源系统的接入。通过在接近负荷的地方发电，发电可减少电能损失。

1光伏发电并网要求

（1）接入方式。光伏发电不同于低电压、大规模电力系统，其接入的第一要务是安全。要防止大电流、高压对电源的影响、损坏。这个时候就需要用到变压器了。要保证电网接入后，能够将电力平稳地传输到电力网。当电网电压差异较大时，要做好对太阳能电池板的容量的管理，在低压配电网络中，变压器的比例大约为25%。此外，并联接线的短路电流不能大于整个系统的10%。参照国内某地的实际情况，确定了安装容量及电压级别：当安装容量大于或等于5kW时，安装电压为220V；在8～400kW的容量范围内，电压是380V；在400～6000kW的容量范围内，电压为10kV；功率为6000kW，额定电压为10kV。在假定高、低电压均能满足接入需求的情况下，为了降低并网的不利影响，一般都会优先采用低电压。（2）光伏发电系统电能质量和其他要求。目前，我国的光伏发电还处在起步阶段，所产生的电力质量良莠不齐，因此，对其接入电网之前，必须对其进行全面的评估。对电力系统进行评价时，需要考虑的因素比较多，例如：供电能力、并联机模式、换流机种类等。光伏发电系统并网后，所发出的电能以及向周边地区交流电网提供的电能，其电压偏差、谐波、闪变、电压波动、谐波等各个方面都要满足国家标准。另外，对光伏发电的电源控制也有一定的需求。在未接入高压电力系统之前，高压电力系统一端的电流、电压总体上保持相对较高的恒定水平，但其运行过程中的功率波动也呈现出一定的规律性。光伏系统在接入电网后，需要具备一定的调节能力，才能保证系统的运行。根据国家电力行业标准，光伏发电接入电网时，其公用接触点的电压偏差必须符合《GB/T12325-2008，电能质量供电电压偏差》的要求。若电网接入点电压为20kV，则接入点电压波动不超过1.4kV；在电网接入点电压低于20kV的情况下，接入点电压变化不能超过1.2kV。

2储能系统

主流储能技术电池储能、飞轮储能、压缩空气储能、抽水蓄能等技术在嵌入式发电和储能中发挥着重要作用。电池储能系统能够实现能源生产和消耗的时移。在为嵌入式发电和存储选择电池储能时，应考虑容量和额定功率、循环和放电深度、电池系统效率、响应时间和功率输送等因素。飞轮储能具有很多优势，例如高功率密度、快速响应时间、长运行寿命和几乎无限的循环能力。然而，与电池等其他技术相比，其储能能力有限。压缩空气储能是一种利用压缩空气储存和释放能量的技术。虽然其支持大规模的储能容量并具有较长的使用寿命，但与其他储存技术相比，能源效率相对较低，需要合适的地质构造进行地下储存，以及需要更高的建设和维护成本。抽水蓄能是一种广泛应用于嵌入式发电和储能的技术，在电力低需求时期使用多余的电力将水从较低的水库运送到较高的水库。然后，在电力高峰需求期，通过涡轮机将高水位中储存的势能用于发电。

3配电网运行电压优化

3.1优化方案

在实际的配电网中，某一辖区的节点数量通常较多，光伏发电系统一般就近接入某个节点。为了优化运行电压，每个接入光伏发电系统的节点，均接入储能系统，容量按照组合寻优策略计算。同时，辖区内的所有节点都接入SVG装置，通过SVG对电压偏差进行最终的治理，SVG容量同样按照组合寻优策略计算。SVG通常由晶闸管电抗器TCR和三相电容器FC组成。TCR通过改变触发角大小，可实现无功功率的动态补偿，抑制电压波动，实现阻抗分相调整，平衡不对称负荷。FC通过三相调谐滤波器，可过滤3次～7次谐波，补偿功率因数，保持节点电压的稳定。

3.2优化策略

在追求电压偏差和网络损耗最低的情况下，对储能设备容量和SVG容量的组合优化，成为典型的非线性、多目标求解问题。对运行电压优化控制的问题转化为求解目标函数的最小值问题。为求解多目标的多变量问题，引入基于惩罚机制的改进文化算法ICA，可解决变量数目繁多的寻优问题。IGA算法可以模拟种群传承机制，实现基于规则制度的筛选最优个体，对于表现较差的个体给予惩罚或者淘汰，加快迭代速度。IGA算法由种群空间和信仰空间构成双层进化机制，种群空间从微观的角度模拟种群传承，信仰空间从宏观角度模拟文化传递。信仰空间与种群空间互相独立，各自进化；但是进化过程互相影响，信仰空间对种群空间的进化具有指导作用。

3.3优化算法详细设计

（1）适应度函数通常，适应度函数用于评价种群空间的个体对于解决目标问题的优劣，适应度越大，表示该个体的性能越优。因此，以目标函数的倒数作为适应度函数，并确定两个目标的权重分别为0.6、0.4。（2）交叉操作交叉操作采用两点交叉算法，设定交叉概率为0.91。满足交叉条件时，随机选取两个交叉点，交换交叉点之间的编码。（3）变异操作变异操作是产生新个体的有效方法，算法设置变异概率为0.25。满足变异条件时，系统随机产生2个变异点，将变异点之间的浮点数编码逆向转换，成为一个新个体。（4）选择操作选择操作可以将群体中适应度高的个体保留下来，进而进行下一代的遗传。对于适应度值较低的个体，能够被选中的概率相对较小。利用轮盘赌算法，设置选择概率为0.82。个体被选中的概率与自身适应度值相关。

3.4电压优化效果分析

SVG容量序列和储能设备容量序列，安装SVG装置和储能设备。投入运行后，节点1、节点4和节点7的运行，可以看出，对系统安装SVG装置和储能设备后，各节点电压的稳定性得到较大幅度的提升。SVG装置和储能设备投入运行后，配电网的电压偏差得到有效控制，电压偏差均小于10%，符合电能质量规范要求，验证了优化运行方案的有效性。

结束语

光伏发电系统的输出功率和用电负荷的需求功率具有典型的时间特性，但二者的峰值和低谷期并不匹配。供求不匹配，容易引起电能质量超标。在分析光伏发电系统、储能设备以及用电负荷运行特性的基础上，提出通过增设SVG装置和储能设备来优化运行电压的方案。

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