一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法与流程

1.本发明涉及电压控制技术领域，具体为一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法。


背景技术：

2.传统的电压优化方法大多采用集中式控制对配电网内所有可调度的分布式光伏进行控制，这种方法存在调度周期长、控制过程复杂等缺点。随着未来高渗透率、分散化光伏的接入，配电网控制变量将大幅度增加，集中式控制方式将不再适用。而电压分区控制，在分区的基础上通过区内优化和区间协调将更适合控制含高渗透率分布式光伏配电网的电压。
3.值得注意的是，以往大多文献所提出分区电压控制算法实现难度较大，而且在求解过程中易出现迭代次数过多、计算速度慢等问题，并且有的方法只调节光伏的无功功率，忽略有功功率的调节，各分区间的交互协调也未予考虑。所以，很有必要对适用于含高渗透率分布式光伏配电网的分区算法方法进行研究。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明解决的技术问题是：如何不经过中央控制器的参与即可完成电压协调控制，满足控制短时间尺度的要求。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法，包括：
8.进行区内无功调压能力计算；
9.将计算后的边界条件发送给相邻上一分区；
10.子分区控制器分配控制信息，各分区在子区域控制器的控制下并行开展区内优化控制过程。
11.作为本发明所述的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法的一种优选方案，其中，所述进行区内无功调压能力计算包括：各分区在控制器的控制下基于区内数据采集和区间信息交互，进行区内无功调压能力计算，然后将计算后的边界条件发送给相邻上一分区。
12.作为本发明所述的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法的一种优选方案，其中，所述边界条件包括：
13.加入分布式光伏后，在未进行控制时测量节点电压，与基准电压做比值，选取10kv作为基准电压，定义电压合理范围为0.95pu至1.05pu；
14.若比值大于1.05pu说明电压越上限，若小于0.95pu说明越下限；
15.若越限，调节区内无功资源可使该分区电压不越限，则将该分区划为调节无功使电压不越限分区；
16.若调节区内所有无功资源不能够解决该分区电压越限问题，将则将该分区划为电压越限分区。
17.作为本发明所述的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法的一种优选方案，其中，所述划为电压越限分区包括：
18.将边界条件发送给子分区控制器；
19.所述边界条件表示为
[0020][0021]
其中，分别为分区后子分区a中节点i、j的电压幅值，和分别表示分区后子分区a中由节点i流向支路ij的有功、无功功率和电流。
[0022]
作为本发明所述的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法的一种优选方案，其中，所述子分区控制器分配控制信息包括：对于电压不越限分区和调节无功使电压不越限分区，子分区控制器控制该分区在安全运行约束下以区内网损最小为目标运行；对于电压越限分区，为了消除相邻分区之间相互作用产生的影响，避免某一光伏出力被过多地削减，子分区控制器基于区间边界条件和状态变量的频繁交互，在保证对相邻分区电压影响较小的前提下给本分区发送优化控制信息，实现相邻子分区间的协调控制。
[0023]
作为本发明所述的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法的一种优选方案，其中，所述区内电压优化控制包括：各分区在子区域控制器的控制下并行开展区内优化控制过程，优化控制模型，优化控制结束后对整条馈线进行一次潮流计算。
[0024]
作为本发明所述的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法的一种优选方案，其中，所述电压优化控制还包括：采用同步admm，将整个配电网的原问题分解为各个子分区内具有边界耦合约束的子问题，可被多个分区同时并行求解。
[0025]
作为本发明所述的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法的一种优选方案，其中，所述优化控制模型，表示为：
[0026][0027]
其中，为第k+1迭代分区a中子问题的解，为第k+1迭代分区b中子问题的解，μ
k+1
为第k+1迭代分区a、b间对偶变量的更新值。
[0028]
作为本发明所述的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法的一种优选方案，其中，所述，潮流计算包括：
[0029]
当所有节点电压均不越限，则优化控制过程结束；
[0030]
当节点电压越限时，则继续进行优化；
[0031]
所述优化控制过程结束包括当满足收敛判据时认为本文算法的迭代过程结束。
[0032]
作为本发明所述的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法的一种优
选方案，其中，所述收敛判据，表示为：
[0033][0034][0035]
其中，表示原始残差，表示对偶残差，ε表示收敛标准。
[0036]
本发明的有益效果：本发明提供的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法减少控制过程中不必要的计算量和通信数据，提高区内无功对电压的支撑能力，加快电压优化控制速度，减少光伏有功功率的总削减量和系统网络有功损耗，可以加快迭代速度，加快电压控制过程。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1为本发明一个实施例提供的一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法的整体流程图；图2为本发明第一个实施例提供的一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法中区间解耦示意图；图3为本发明第一个实施例提供的一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法中相邻量测节点之间网络简化的示意图；图4为本发明第二个实施例提供的一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法中省某地区10kv线路拓扑图；图5为本发明第二个实施例提供的一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法中光伏安装容量分布图；
[0038]
图6为本发明第二个实施例提供的一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法中光伏与负荷总功率曲线图；
[0039]
图7为本发明第二个实施例提供的一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法中光伏与负荷总功率曲线图；
[0040]
图8为本发明第二个实施例提供的一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法中分区优化控制前、后整条馈线节点电压分布图。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0042]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的
情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0043]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0044]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0045]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0046]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0047]
实施例1
[0048]
参照图1-2，为本发明的一个实施例，提供了一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法，包括：
[0049]
步骤一：区内无功调压能力计算。各分区在控制器的控制下基于区内数据采集和区间信息交互，进行区内无功调压能力计算，然后将计算后的边界条件发送给相邻上一分区；加入分布式光伏后，在未进行控制时测量节点电压，与基准电压做比值，本文选取10kv作为基准电压，定义电压合理范围为0.95pu-1.05pu，若比值大于1.05pu说明电压越上限，若小于0.95pu说明越下限。
[0050]
检测区内节点电压是否越限，若不越限，则将该分区划为电压不越限分区；若越限，调节区内无功资源可使该分区电压不越限，则将该分区划为调节无功使电压不越限分区；若调节区内所有无功资源不能够解决该分区电压越限问题，将则将该分区划为电压越限分区。
[0051]
然后子分区控制器2将边界条件发送给子分区控制器1；
[0052]
所述边界条件包括选取子分区a与它相邻子分区b中的一条联络线ij作为边界，i和j分别为子分区a和子分区b中的边界节点，将该联络线和两端节点一同复制到两个分区内，各子分区的约束条件还需要满足边界耦合条件；对于子分区a，定义它与相邻子分区b的边界耦合条件为：
[0053][0054]
其中，分别为分区后子分区a中节点i、j的电压幅值，和分别表示分区后子分区a中由节点i流向支路ij的有功、无功功率和电流；同理可得子分区b与子分区a的边界耦合条件
[0055]
步骤二：子分区控制器分配控制信息。对于电压不越限分区和调节无功使电压不
越限分区，子分区控制器控制该分区在安全运行约束下以区内网损最小为目标运行；对于电压越限分区，为了消除相邻分区之间相互作用产生的影响，避免某一光伏出力被过多地削减，子分区控制器基于区间边界条件和状态变量的频繁交互，在保证对相邻分区电压影响较小的前提下给本分区发送优化控制信息，实现相邻子分区间的协调控制。
[0056]
步骤三：区内电压优化控制。各分区在子区域控制器的控制下并行开展区内优化控制过程，优化控制模型，优化控制结束后对整条馈线进行一次潮流计算，若所有节点电压均不越限，则优化控制过程结束，否则继续进行优化。
[0057]
利用“分解-协调”原理，将整个配电网的原问题分解为各个子分区内具有边界耦合约束的子问题，可被多个分区同时并行求解。定义子分区a中节点i处子问题的解为：xa＝{p
a,i
,q
a,i
,p
a,ij
,q
a,ij
,v
a,i
,i
a,ij
,p
dec,i
}，
[0058]
如果节点i处未接光伏，那么p
dec,i
＝0。
[0059]
因此，构建的基于admm优化方法的控制模型为：
[0060][0061]
其中，fa(xa)表示分区a中子问题的目标函数，为凸函数，ha(xa)表示分区a中子问题的等式约束，为线性函数，ga(xa)表示分区a中子问题的不等式约束。
[0062]
对控制模型进行拉格朗日变换得：
[0063][0064]
其中，ρ＞0为惩罚系数，λ
a,b,ij
表示对偶变量，将λ
a,b,ij
伸缩为μ＝(1/ρ)λ
a,b,ij
，并省略常数项则可被转化为：
[0065][0066]
综上，两子分区a、b的admm迭代求解过程为：
[0067][0068]
其中，为第k+1迭代分区a中子问题的解，为第k+1迭代分区b中子问题的解，μ
k+1
为第k+1迭代分区a、b间对偶变量的更新值
[0069]
为了加快收敛速度，本算法选取本分区和相邻分区上一次计算结果之和的平均值作为下一次迭代计算的边界条件。
[0070]
因此，在进行第k次迭代时，边界条件和对偶变量的更新规则如下：
[0071]
[0072][0073]
其中表示边界条件，表示对偶变量。
[0074]
当满足下式时认为本文算法的迭代过程结束：
[0075][0076][0077]
其中，表示原始残差，表示对偶残差，ε表示收敛标准。
[0078]
实施例2
[0079]
参照图3，为本发明的一个实施例，提供了一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法，本文将集群电压协调控制方法、全局集中式优化控制方法作为对比对象。3种控制方法的对比参数包括网络有功损耗、光伏有功削减量、系统总无功补偿量、系统总目标函数值和优化时间。其中，集群电压协调控制和全局集中式优化控制都基于distflow潮流等式方程建立优化模型，采用admm和cplex12.10.0算法包求解。某地区案例下3种方法的计算结果如表4所示。
[0080]
表4贵州案例下不同控制方法的计算结果
[0081][0082]
从表4中3种方法计算结果的对比来看，在网络有功损耗和系统总目标函数值方面，三者存在较小偏差。在光伏有功削减量方面，本方法与集群电压协调控制相近，比全局集中式优化控制多削减31kw，产生这种差异的主要原因是全局集中式优化控制是对整条馈线内所有光伏的无功、有功功率进行调节，能全局优化所有光伏的功率输出，最大可能地利用整条馈线内所有光伏逆变器的剩余无功容量；而本方法则是在每个分区内独立地对光伏进行优化，无法调节其余分区的无功容量，因此在本分区内进行控制时，若光伏可调无功容量不足，则只能对本分区内光伏的出力进行削减，因此本方法的无功总补偿量比全局集中式优化控制少，而有功削减总量则多。在系统总目标函数值，三者总体差异不大，需要指出的是，本方法在对3个分区进行并行优化时，由于相邻分区间的子分区控制器频繁地交流边界信息和状态变量，以保证在对本分区电压进行优化控制时对相邻分区的影响较小，同时还能兼顾相邻分区的运行状况，因此能极大缩小本方法与全局集中式优化控制方法间的差
异，体现出本文方法的经济性。在优化时间方面，全局集中式优化控制需要8.4s，集群电压协调控制需要4.2s，本所提分区电压协调控制仅需要3.9s，与全局集中式优化控制相比缩短了近53.5％，优化计算时间大大缩短。主要原因是全局集中式优化控制需要对整条馈线中所有光伏逆变器进行调节，变量维度在调节过程中增大，整个求解过程变得复杂缓慢。而本方法则是利用“分解-协调”原则将整条馈线进行解耦分区，将整条馈线复杂的电压控制问题划分为各分区内电压控制的子问题，各子分区只需要独立地对本分区内的光伏进行控制，且采用同步admm算法对模型求解，简化了控制过程，加快了收敛速度，同时能够对各子分区进行并行控制，大大缩短了控制时间。
[0083]
图3为无控制和采用3种电压控制方法时整条馈线节点电压分布曲线。可以看出，3种方法都可以解决馈线的电压越限问题，且本方法与全局集中式优化基本相同，体现了本方法的有效性。
[0084]
通过以上案例分析可知，3种方法均能将馈线电压调节到1.05pu以内。与集群电压协调控制相比，所提方法在优化时间上较优。与全局集中式优化控制相比，所提方法可以有效缩小分区控制器对分区内可调光伏的搜索，简化控制过程，在控制时间尺度上具有很大优势。随着越来越多分散化光伏接入配电网，配电网中变量维度剧增，全局集中式优化控制方法会因为控制时间过长而不能满足控制短时间尺度的要求，本所提方法的优势更加明显，将更适合对未来配电网的电压优化控制。
[0085]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种含高渗透率分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于，包括：根据改进的模块度函数分区算法将配电网划分为若干分区；再以光伏有功削减量、节点电压偏差和网损之和最小为目标构建各分区子优化控制模型；根据区内信息采集和区间信息交互，采用同步交替方向乘子法协调求解各分区的子模型，经过多次迭代后将最优解输出，实现各分区分布式并行控制。2.如权利要求1所述的含高渗透率分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于，所述，包括：根据基于无功、有功电压灵敏度矩阵的节点间的电气距离；将电气距离和系统的等值阻抗相结合构造出基于电压灵敏度矩阵和系统等值阻抗的节点间的改进电气距离。3.如权利要求1或2所述的含高渗透率分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于，所述改进电气距离，表示为：其中，e(i,j)表示节点i、j间的改进电气距离，z
ij,equ
表示传统阻抗，表示基于电压灵敏度矩阵定义的电气距离。4.如权利要求1所述的含高渗透率分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于，所述优化控制模型，包括：首先将改进电气距离引入模块度函数；然后结合区内耦合度指标与区间耦合度指标构造出改进模块度函数；最后利用改进模块度函数对目标配电网进行分区，选取模块度函数值达到最大时对应的分区作为最佳分区结果。5.如权利要求4所述的含高渗透率分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于，所述模块度函数，表示为：其中，ρ
g
为改进的模块度函数，mv为为整个网络中所有节点边的权重之和，a
v,j
为连接节点i和j之间边的权重，k
v,i
为节点i与其余所有节点j相连的边的权重之和，δ(i,j)为0-1变量函数，γ表示无功补偿和有功功率削减导致的电压越限的恢复率和的平均值。6.如权利要求4所述的含高渗透率分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于，所述优化控制，包括：将区内灵敏度指标与区间耦合度指标引入模块度函数。7.如权利要求4所述的含高渗透率分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于，所述灵敏度指标及区间耦合度指标，表示为：
其中，α表示区内灵敏度指标，β表示区间耦合度指标，t表示分区数目；c
k
表示第k个分区；n表示配电网节点数目；n
k
表示c
k
中节点数目。8.如权利要求1所述的含高渗透率分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于，所述，包括：首先以光伏有功削减量、节点电压偏差和网损之和最小构造目标函数，并在分区结果上利用所提策略对目标配电网进行优化控制。9.如权利要求8所述的含高渗透率分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于，所述目标函数，表示为：其中，p
dec,j
表示c
k
中节点j光伏的有功功率削减量；u
j
表示节点j的电压幅值，u
ref
表示基准电压；i：i
→
j表示以i、j为上游、下游节点的支路；ω1,ω2,ω3表示权重系数，均大于等于0且ω1+ω2+ω3＝1；ξ1表示光伏的发电收益，ξ2表示电压偏差惩罚系数，ξ3表示有功功率上网电价。10.如权利要求8所述的含高渗透率分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于，所述优化控制，表示为：在进行分区时，以分解，协调的原理为前提，将上游子分区的边界节点复制到下游子分区内组成新的分区以实现相邻分区之间的解耦。

技术总结
本发明公开了一种含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法包括：进行区内无功调压能力计算；将计算后的边界条件发送给相邻上一分区；子分区控制器分配控制信息，各分区在子区域控制器的控制下并行开展区内优化控制过程。本发明提供的含高渗透率分布式光伏配电网的电压控制策略方法可以根据区内信息采集和区间信息交互，采用同步ADMM算法协调求解各个分区的子模型，经多次迭代后得到最优解，实现配电网电压的分布式优化控制可以有效提高含高渗透率分布式光伏配电网的电压质量，防止电压越限，减少功率倒送。减少功率倒送。减少功率倒送。


技术研发人员：李庆生 张裕 陈巨龙 龙家焕 张兆丰 廖泽伟 张彦 刘金森 李震 杨婕睿 王卓月 薛毅 范俊秋 罗重科 朱永清
受保护的技术使用者：贵州电网有限责任公司
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/8/14