日本配电网为适应分布式光伏所使用的电压管理技术

日本政府制定了2020年实现可再生能源28GW，2030年可再生能源53GW的目标。2030年的数字相当于当前高峰需求的30％。2010年推出的上网电价，促进了大规模的工业和住宅光伏（PV）系统投入使用。

由于2011年东日本大地震之后，所有的核电厂都退出运行，可再生能源现在被认为是可以接受的替代能源。2014年9月，日本光伏装机总容量达到18GW，包括接受的和规划的光伏在内，总容量为69GW，远远超过政府制定的2030年目标。因此，日本第二大电力公司关西电力有限公司（KEPCO）一直在研究：快速发展的光伏系统给电网带来的挑战。

配电系统管理

日本的电力公司在20世纪90年代开始引入配电自动化系统（DAS），以远程控制分段开关设备。最初的配电自动化系统的主要功能是自动检测故障，并远程恢复配网的健全部分。配电自动化系统利用每个分段开关的分步和闸操作来识别故障部分，并且通过远程开关设备的控制使配电网络的重新配置，使用其他馈线实现转移供电。

通过使用这些功能，配电自动化系统控制上述开关设备，将日本的年平均停电时间缩短至仅14分钟。

如图所示，光伏接入配电网多种多样，电网电压控制也有多种选择

电能质量维护

在日本，低压电网的电压为100/200 V。根据“电力业务法”，电压必须保持在101±6 V或202±20 V的范围内，这高于IEC标准要求的±10％的余量。另外，日本的中压配电网络主要是6.6kV，比其他国家的电压要低。较低的电压等级对电压波动更敏感。

为了将电压波形保持在规定的范围内，关西电力公司在中压配电线路上安装了步进电压调节器（SVR）。他们根据时间表或电流和控制参数计算自主地控制次级电压。操作时间表或控制参数根据电压分布分析和配电自动化系统中记录的负载测量数据来确定。

在这些新的电压控制装置中，包含左侧所示的静态无功补偿器，并联在配电线路上；而右侧的晶闸管式步进电压调节器，它串联在配电线路中。

光伏影响

光伏渗透对电力系统管理带来各种影响，如电压和频率波动以及轻负载时的剩余功率。由于配电网中中等规模光伏通常装机容量大于500kW，天气条件波动引起的反向潮流导致线路电压升高。这种现象需要改变配电网电压管理策略。

针对这些问题，近年来，日本的公用事业和制造商开发了先进的配网管理系统。传统的开关设备正在被带有三相内部传感器（3S-SW）的新开关设备取代，该设备可以测量配电线路上的三相电压，电流和相角。这些测量通过专用通信网络上传到控制中心。它们被广泛用于记录配电线路中的总体功率流量和电压曲线。

一些制造商和研究机构已经建立了测试设施，以模拟电网的运行特性，并与大量分散的能源相连接。这些方法可以对电压和电流进行准确估计，以加强电压管理技术的进步。

示范区试点项目的配电网络

电压控制的进展

根据消费者的电力使用/电压分布数据确定的自主控制参数，每一步骤调压器控制其次级电压以吸收电压波动，时间间隔从约50秒到几分钟。这种控制策略对于配电系统中由PV引起的复杂而动态的电压波动是不够的。对于低压屋顶光伏发电设备，输出波动在一定程度上可以平滑，因为它们是分布式的。

相反，工业光伏装置的产量比典型的住宅装置大得多，因为产量大而集中，所以不能被平滑。因此，配电线电压可能迅速波动并超过传统调节器的性能范围。

作为解决这一问题的第一步，关西电力公司利用3S-SW的线电流，电流方向和各相电压幅值的测量数据，利用遥控SVR来设定最佳变压器分接头位置或控制参数根据测量的数据。关西电力公司的下一个步骤是改善电压控制，以应对由PV引起的快速电压波动。

电力电子技术

关西电力公司正在开发和测试两种基于电力电子的控制设备。一个是在配电线路中并联的静态无功补偿器（SVC）。半导体器件将瞬时向连接的线提供无功功率以补偿快速的电压波动。

进一步的发展是在配电线路中串联连接的晶闸管式步进电压调节器（TVR）。它控制分接头位置以保持二次电压与SVR同相，但是其控制是电子的，而不是非机械SVR控制。TVR的显着优点是具有快速响应和无磨损分接头，完全消除了机械接触。

示范项目

关西电力公司构建了一个光伏示范项目，以测量中型光伏发电的影响，并评估新设备在投入使用前的性能。这个试验环境有两个500千瓦的光伏系统连接到位于关西地区以北Wakasa地区的6.6千伏架空配电线。

该项目的一个特点是在各种实时条件下监测配电线路，如日负荷变化和高压输电影响。由于实际网络拓扑结构和光伏互连点的种类繁多，因此测试设施可以灵活地考虑各种条件。示范点有两个配电线由相邻的变电站供电，所以网络拓扑结构可以通过切换操作轻松改变。因此，示范点允许中等规模的光伏电站在两个变电站之间的配电线上的不同位置上进行电路布线。

通过安装在主供电变电站，光伏互联点和配电线路上其他特殊位置的一些3S-SW的测量数据，评估光伏和电压控制性能的影响。3S-SW在某些时期以负载曲线，光伏输出和天气为特征，每秒测量电流，电压和相角。

关西电力公司已经开发了仿真软件来估计和评估每秒的电压波动和负载曲线，可以将所有变量的实际测量值与仿真结果进行比较，为改善软件的准确性提供了机会。试验的第一步，是测量和分析三个不同的PV安装位置（相对电源点）的电流和电压波动：

• 配电线路源端的一个500千瓦光伏连接。

• 配电线路远端的一个500千瓦光伏连接。

• 配电线路远端的两个500千瓦光伏连接。

所测量的特性包括在常规电压调节器的正常操作下的各种PV输出和负载曲线。结果证实，即使在最坏的情况下，电压调节器操作令人满意并且最大电压波动在分配操作的可接受范围内。关西电力公司还测量和分析了一个进一步的测试，两个500千瓦的PV连接到同一配电线的中间部分。

由于仿真软件的准确性得到持续监测，关西电力公司能够确认网络电压可以准确地与配电线馈电点处的网络功率因数以及3S-SW测得的PV输出相关联。

关西电力公司通过使用软件，配置不同光伏数量的配电网状况，可以确定电压波动的变化与连接配电线路的光伏电站的千瓦容量成正比。此外，公司确认，电压波动根据源变电站与光伏电站之间的距离而增加。

该示范项目通过运行方式变化来模拟馈线上不同位置的光伏装置，评估了网络拓扑结构中可能的变化。

新的电压控制装置

关西电力公司根据配电自动华中以前的年度负载测量数据的电压分布分析来设置常规SVR的控制参数，以便将线路电压的最大值和最小值调整到适当的范围内。虽然这些参数优化了SVR的年度性能，但是它们并不总是准确的，因为在相同的短时间内不能观测年最大电压和最小电压。

远程控制的SVR为这个问题提供了一个解决方案，它允许配电自动化系统从远程频繁地调整参数。关西电力公司根据过去的负荷曲线对年度，季节，月度和日常参数进行了调整，在确认每月参数调整最准确之前，模拟遥控SVR与各个参数的运行情况。模拟软件对远程控制的SVR的操作将继续，以便实际分配网络上的应用程序。

SVC是一种类似于SVR的系统电压调节器，但SVC通过快速无功功率调节来补偿配电线路中的快速电压波动。关西电力公司在配电网上已经安装了大量的SVR装置，但这些装置不能补偿快速的电压波动。然而，组合控制可以由SVR和SVC提供，由此SVR通过负载补偿长周期波动，并且SVC补偿短周期波动PV输出。

为了研究光伏发电产生的快速波动的影响，关西电力公司分析了电压波动的变化。得出的结论是，电压波动在大约5分钟内稳定下来，所以这个时间段被用作SVC的参数以补偿较短的周期电压波动，也在5分钟内。

TVR单元主要安装在配电线路中的分支点/节点处，为住宅客户提供补偿，以补偿该地区大量住宅光伏装置引起的当地电压波动。在示范项目中，住宅光伏连接点安装了TVR。通过实际测量和仿真软件对控制效果进行了评估，结果表明对快速电压波动有良好的补偿。

用各种光伏连接参数进行电路电压仿真的结果。顶部是连接到示范网络的PV从1000kW到2000kW变化的结果。底部的模拟显示了变电站与光伏设备之间的距离变化的结果。 电路电压仿真与实际电压测量的比较显示出非常一致的一致性。 仅使用步进电压调节器（SVR）或通过使用静态无功补偿器（SVC）和SVR的组合来实现电压控制的差异。只有SVR（红线）的电压波动很好地被SVC（黑线）的吸收。

增强型电压控制

示范工程的目标是推进配电网的电压控制，以应对日益增长的光伏发电系统的普及。在Wakasa地区的实际配电网络上，已经对配电线路的PV影响进行充分考虑，并改善了电压控制方法。

这个示范项目有三个关键结果：

证实了由电压波动等因素导致的PV对配电网络的影响。

• 关西电力公司开发了仿真软件，可以在改变光伏或电压调节器的容量或位置的同时精确地模拟配电网状况。

• 关西电力公司能够确认，新型电压调节器，如遥控SVR，SVC和TVR对光伏发电是有效的，并且可以实现组合控制。

关西电力公司计划继续进行试点，改变配电网络拓扑结构，以实现电压调节器的最佳组合，并根据光伏的容量和位置实现控制方法的进步。

此外，关西电力公司正在考虑采用其他方法来应对分散能源的渗透，如智能电表，光纤网络和基于卫星照片的天气预报等等。

致谢

作者要感谢三菱电机株式会社，日立株式会社，大亨株式会社以及所有在Wakasa示范工程的测试环境建设和控制开发方面做出了贡献的人。

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伊藤高桥（Takaharu Ito） 1992年加入关西电力公司，从事配电网规划工作。伊藤现在是电力系统分公司（智能电网）的高级经理，负责监督智能电网，特别是智能电表和配电自动化系统的发展。

井内纯一郎（Manabu Inai）于2004年加入关西电力公司，负责配电网络的规划和发展，之后被任命为配电集团（智能电网）的副经理。他现在负责调查智能电网技术和开发使用智能电表数据的方法。

藤本健太郎（Kentaro Fujimoto）于2001年加入关西电力公司，并致力于开发与配电网相关的设备。藤本目前负责开发配电自动化系统的先进设备，包括带传感器和电压调节器的开关设备。

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