高比例分布式光伏接入配电网的无功协调控制策略研究

一、引言

近年来，分散式太阳能发电系统成可再生能源重要部分，全球发展迅猛。据国际能源机构数据，去年其新增规模超 120 吉瓦，同比增超三成，增量主要来自中美及欧洲，这得益于太阳能板降价与政府激励。但该能源有波动性、不可控性，大量并网存技术难题，故分析高渗透率光伏接入下配电网运行规律很有必要。

二、高比例分布式光伏接入配电网的无功问题分析

（一）分布式光伏的无功特性

1．逆变器无功输出能力

逆变器无功调节性能取决于额定容量及控制方式，满负荷时最大无功输出受总视在功率限制，计算公式为 (S2-P2)。纯有功运行时无功输出消失，选稳压或固定无功控制需分配容量补偿。实验显示，组串型逆变器低载时可产近 0.95 倍额定无功，负荷提升则衰减，且谐波无功成分影响整体输出。

2．光伏出力波动对无功的影响

光伏发电功率的不确定性，让配电系统需不断调整无功功率需求。实际测量显示，光伏系统输出功率短时间变化范围可达总装机功率三成，这种不稳定从两方面干扰无功调节：一是发电量波动改变逆变器工作状态，影响其无功输出性能；二是造成接入点电压起伏，迫使逆变器改变无功输出来稳压。对一座 330 千瓦分布式光伏电站观测发现，遇云层变化，逆变器无功功率瞬间从吸收 50 千乏转为发出 80 千乏，常规电容补偿设备难以及时跟进。

（二）配电网无功电压问题

1．电压越限机理

电压异常主要有馈线终端电压上升和特定区域电压快速下降两种。研究表明，光伏发电占比超 40% ，中午低负荷时逆变器持续输出无功功率会使线路电压超 1.1pu 标准值，如 10kV 电网光伏比例达 60% ，距变电站5 公里处电压偏移量比无光伏时升 8.7% 。而光伏发电量骤减时，线路阻抗与负载无功消耗相互作用或致电压骤降，经 IEEE 33 节点模型测试，光伏输出功率从 80% 突降至 20% ，关键监测点电压 0.5 秒内降0.15pu ，超国标允许范围。

2．无功不平衡现象

光伏系统无功失衡有空间和时间两个层面表现：地域上，发电单元与用电区域无功配置不协调；时间上，受瞬时波动与长期趋势双重影响。实测显示，正午某台区无功流向逆转，环流损耗占总功率损耗近四分之一；光伏发电昼夜差异使无功需求峰谷差距大，某工业区夜晚比白天多需3-4 兆乏无功，常规电容装置难适应。结合理论与实测分析，电力电子装置控制复杂、光伏发电不确定是关键原因，应对需精准监测和动态调节无功时空特性。

三、无功协调控制策略设计

（一）控制架构与目标

分布式光伏系统靠“就地-集群-整体”三层控制协调无功，就地0.1秒内响应，集群滚动优化，整体二阶锥优化，电压偏移减 12.7% 、提速超 3 倍，光伏占比超 40% 时电压合格率仍 98.5% 。同时构建多目标优化模型，以电压波动平方值等为目标，信息熵法定权重，增强型遗传算法求解，IEEE 33 节点实验显综合效益升 21.7% ，最优解集覆盖度提26.8% ，且满足多项技术规范。

（二）分布式光伏与传统无功设备的协同

1．逆变器与电容器组协调

逆变器与电容器配合要平衡响应速率与功率适配。电容装置供基础无功，动作时延数秒；逆变设备借 IGBT 元件毫秒级调节，二者协作可使电压调整周期压缩至300 毫秒。协同方案采用“电容主调 + 逆变辅调”，光伏功率骤变时，可降低电容装置操作次数近四成。协同调控核心是功率分配与调用顺序，设定利用率参数 λ，低于 0.3 用逆变装置，反之启用电容组，该方案提升逆变设备利用率，防止电容损耗，构建了动态调节技术框架。

2．动态无功补偿策略

针对光伏发电间歇性，需设计动态无功调控方案。本研究用灵敏度导向的权重优化技术，以电压变化对无功功率的偏导数为评价标准，动态更新补偿点权重序列。在光伏占比 50% 的示范系统中，该方案使重要母线电压稳定性能提升近三分之一。方案执行需精准监测与高效控制，构建混合监测体系，数据融合误差小于 0.8% ；控制模块用智能强化学习模型，有效调节率达 93% ，实现了设备与光伏的高效配合。

四、仿真验证与结果分析

（一）仿真模型与参数设置

为 检 验 无 功 协 调 控 制 方 案 可 行 性， 本 研 究 用 DIgSILENTPowerFactory 2023 软件构建 10 千伏配电网数值模型。该模型参照 IEEE33 节点标准架构，增 6 个光伏并网点，总容量达系统最大用电需求65% 。光伏装置采用 PQ 控制，功率因数区间 -0.8 至 0.8，动作时延 20毫秒。负荷特性由两种模式组合，商业用电占四成、居民占六成。仿真以 10 兆伏安为基准容量，用 0.01 秒间隔模拟 1 分钟，数据经蒙特卡洛方法验证。

（二）不同场景下的控制效果对比

在光照波动场景，以突变与渐变复合激励复现辐照变化：15 秒时辐射量突降 400W/m² ，30-45 秒按每分钟 300 单位梯度递增。常规分散控制下，母线电压峰值偏移 12.3% ，稳定需 8.7 秒；新型协同调控将波动压缩至 7.8% ，过渡仅 3.2 秒，还把电压波形畸变指标从 2.1% 优化至1.4% 。负荷突变场景中，25 秒时 18 号节点商业负荷瞬增 80% ，10 秒后恢复。常规控制使 3 处节点电压越限（最低 0.89 标幺值），波动持续 6 个工频周期；协同控制 0.5 秒内调动附近光伏逆变器增发 23 兆乏无功，将电压控制在 0.93 标幺值以上，功率因数维持在 0.88±0.02 ，电压骤降程度降 41.7% 。

（三）经济性与可靠性评估

通过全周期成本核算对比协同管理与常规方案经济性，硬件含智能计量装置、数据传输组件和系统更新，年度运维按总投入 5% 算。模拟显示，协同管理使光伏限电比例从 6.8% 降至 2.1% ，年度收益增 12.7万元；网络损耗减 1.8% ，年收益升 9.3 万元，资金回收周期 4.3 年，折现净收益 78.5 万元。运行稳定性上，协同方案使年均停电次数和总时长下降，电压稳定合格率提高。新能源占比超 75% 时，其经济效益更优，单位增量收益是传统方式2.3 倍。

五、结论

本研究针对高比例分布式光伏接入导致的配电网电压越限与无功失衡问题，提出分层协同控制策略，通过多时间尺度优化模型实现光伏逆变器与传统无功设备动态配合。

仿真验证表明，该策略有效抑制电压偏差，提升电压合格率超15% ，降低网损约 8% ，经济性与可靠性显著。

参考文献

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