CN107248752B - 一种基于网络拓扑识别的高渗透光伏分布式电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于场景分析法和考虑电压调节策略的分布式光伏优化规划方法，包括：步骤一：利用场景分析法进行场景分析，采用高维向量表征分布式电源和负荷的真实运行状态，通过聚类方法实现场景的压缩；步骤二：建立配电网分布式电源双层优化规划方法，步骤如下:(1)上层规划以最小化配电网的网损、最大化分布式电源运营商的收益等构建多目标，规划分布式电源的接入容量。(2)下层调度模型中采取不同的调度策略，把不采用调压策略、采用调压策略以及带有无功补偿的调压策略进行对比，对分布式电源进行规划。

Description

一种基于网络拓扑识别的高渗透光伏分布式电压控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于网络拓扑识别的高渗透光伏分布式电压控制方法。

背景技术

能源需求的不断增长和日益严峻的环境问题推动了光伏发电技术的规模化发展和应用。然而随着分布式光伏渗透率的提高，电力系统的运行与控制也面临诸多挑战，其中电压控制问题尤为显著。

根据目前的研究成果，解决分布式电源接入引起的电压问题的方法有两大类。一类是集中控制，以系统全局优化为目标，统一调配可控资源，但存在诸多不足：量测数据量大、决策时间长、通讯负担重且投资成本高。对于大量光伏分布式接入的中压配电网，集中控制方式受量测、通讯和投资的限制更甚，操作难度大，可行性低。另外一类是分布式控制策略，具有良好的自治性和适应性，能够充分利用分布式电源的无功调节能力，并结合其他调压设备使电压处于安全区间，保证供电质量，且相比集中控制，系统投资减少，对于通讯的依赖程度也降低。分布式电压控制利用分布式通信和本地计算，能够充分发掘分布式光伏的调节能力，保证供电质量，更符合中压配电网的调压需求。

近年来，利用分布式光伏进行电压控制成为研究热点，主要调压手段包括无功补偿和有功缩减。但现有分布式电压控制策略均存在着一定的缺陷和不足：

(1)在光伏的无功补偿方面，部分分布式电压控制策略没有考虑光伏节点间的无功协调补偿。光伏的无功补偿量往往利用其并网点电压、光伏输出有功功率或电压无功灵敏度矩阵计算得到。这类分布式电压控制策略忽略了光伏节点间的无功协调潜力，使得光伏调压能力有限且易造成光伏发电资源的浪费。

(2)在光伏的无功协调补偿和有功缩减方面，绝大多数分布式控制策略的优化性较弱。无论是基于一致性理论，在保证系统的平均电压等于额定值的同时，确保无功功率按容量比分摊；还是所有光伏按容量大小进行无功均匀补偿和有功功率均匀缩减；抑或是，过电压节点、下游节点和上游节点依次按光伏容量大小调整光伏的功率因数。光伏节点间无功协调补偿和有功缩减的优化性都不强，造成光伏无功补偿量过高而增大线路损耗和光伏有功缩减量过高而大幅降低光伏发电效益。

(3)基于电压灵敏度理论的分布式电压控制策略虽然能够提高光伏无功补偿和有功缩减的优化性，但这类控制方式需要集中控制系统实时计算各节点注入功率的电压灵敏度矩阵，存在量测数据多、计算量大、通信负担重和系统投资高等不足，且控制速度甚至低于集中控制方式。

(4)现有分布式电压控制策略没有考虑网络拓扑动态变化下控制策略的适用性。分布式控制策略的决策需要相邻节点间的通信数据，依赖于稳固的分布式通信网络。但配电网络的结构会由于故障或负荷转移操作中开关的开合而发生变化，当网络拓扑动态变化时分布式电压控制策略的适用性是不可忽视的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是克服现有分布式控制的不足，提供一种高渗透光伏分布式电压控制方法。本发明深入挖掘分布式光伏的调压能力，基于多代理技术提出一种高渗透光伏配电网的分布式电压控制方法，利用光伏间的分布式无功协调补偿和有功优化缩减来解决线路过电压。本发明能够利用配电自动化系统发送的配网联络开关状态，自组织分布式通信网络，具备系统拓扑动态变化下的自适应性。技术方案如下：

一种基于网络拓扑识别的高渗透光伏分布式电压控制方法，包括下列步骤：

步骤一：各节点代理基于配电自动化系统发送的联络线开关状态确定自身的上、下游代理和本节点至供电线路首节点的电阻电抗值，进而形成分布式自组织通信网络，步骤如下：

1)系统中的所有光伏并网节点和重要分支节点上均配置节点代理，且节点代理预存节点代理的关联矩阵Q和节点代理间线路的电阻电抗值。

2)各节点代理接收配电自动化系统发送的联络线开关状态，并删除关联矩阵Q断开线路所在列和供电节点所在行求得降维关联矩阵Q_n，对降维关联矩阵Q_n取逆得到各节点的供电路径矩阵P；

3)基于供电路径矩阵和节点代理间线路的电阻电抗值，各代理计算本节点至供电线路首节点的电阻和电抗值；

4)各代理结合关联矩阵和供电路径矩阵确定自身的上、下游代理，利用各节点代理与其上游代理间的线路必定是其供电路径且与本节点相关联，故各代理搜寻与自身相关联的供电路径，并确定该线路的另一关联节点即为上游代理，各节点代理的下游代理可通过上游代理矩阵进一步确定；

步骤二：当线路电压处于正常运行范围时，分布式电压控制处于就地预防控制模式以预防电压越限，步骤如下：

1)各节点代理测量本节点的电压和光伏输出有功功率；

2)各节点代理根据光伏输出有功功率和光伏容量、功率因数限制，计算光伏无功容量上限Q_max；

3)各代理控制本地光伏的有功功率跟随最大功率点，同时基于本地电压量测量u调节光伏输出的无功功率。设U₄、U₁为线路电压的正常运行上、下限，U₃、U₂为光伏节点代理开始进行就地无功功率补偿的临界电压值，则当节点电压在理想运行范围[U₂，U₃]内时，本地光伏的无功补偿量为零；而当节点电压过高但未越限时U₃<u≤U₄，节点代理控制本地光伏吸收感性无功，以抑制并网点电压越上限；而当节点电压大于正常运行上限u>U₄时，光伏吸收的无功功率为无功容量上限；

步骤三：当线路出现过电压时，分布式电压控制进入分布式无功协调控制，步骤如下：

1)出现过电压的节点代理N首先向下游发送无功补偿信号、本节点电压幅值和本节点至线路首端的电抗值，请求无功补偿；

2)过电压节点的下游代理j接收到过电压信息后，计算本节点光伏所需的无功补偿增量ΔQ_Gj

式中，V_N为节点N的电压值；X_n表示节点n-1与节点n间的支路电抗值；

3)若下游代理j的光伏无功补偿量已达上限，节点j的代理继续向下游节点发送无功补偿信号、过电压节点电压幅值和其至线路首端的电抗值，请求无功补偿；

4)若下游所有节点的光伏无功补偿量均达上限，过电压的节点代理N向上游发送无功补偿信号和本节点电压幅值，请求无功补偿；若线路过电压恢复，则跳转至步骤五；

5)过电压节点的上游代理i接收到过电压信息后，计算本节点光伏所需的无功补偿增量ΔQ_Gi

6)若上游代理i的光伏无功补偿量已达上限，节点i的代理继续向上游节点发送无功补偿信号和过电压节点电压幅值，请求无功补偿；

7)若线路上所有光伏的无功补偿量均达上限，但节点N依旧过电压，则分布式电压控制转入有功优化缩减控制模式，否则跳转至步骤五；

步骤四：若分布式无功协调无法解决线路过电压，分布式电压控制转入有功优化缩减控制模式，步骤如下：

1)过电压节点代理发送有功缩减信号和本地电压阻抗信息给上下游代理，请求光伏有功优化缩减；

2)电压正常节点代理接收上、下游传来的有功缩减信号和电压阻抗信息，并转发过电压节点的信息；

3)过电压节点N及其下游节点代理j，基于本地数据和分布式通信数据，计算电压调节指标，即缩减本地光伏的有功功率ΔP_G对N节点电压的调节能力；

4)过电压节点的上游节点代理i，基于本地数据和分布式通信数据，计算电压调节指标，即缩减本地光伏的有功功率ΔP_G对N节点电压的调节能力；

5)首端节点代理将本地计算的电压调节指标传送给下游节点代理；末端节点代理将本地计算的指标传送给上游节点代理；

6)中间节点代理比较上游传来的电压调节指标与本地计算值，后将较大者传送给下游节点，并比较下游传来的电压调节指标与本地计算值，再将较大者传送给上游节点；

7)各节点代理比较上游和下游传来的电压调节指标与本地计算值，若本地计算的电压调节指标最大，则缩减本节点光伏的有功输出功率ΔP_G；

8)若线路电压恢复正常，则各节点代理退出有功缩减阶段，转入步骤五；若线路依旧过电压，则重复步骤三和步骤四；

步骤五：当线路电压恢复正常时，分布式电压控制进入功率恢复控制模式，以保证电压合格前提下光伏发电效益的最大化，步骤如下：

1)首节点代理基于线路最高电压幅值逐步降低本地光伏的有功缩减量至零，若线路过电压不再出现，则通知下游相邻节点进行有功功率恢复，反之再次转入步骤二；

2)下游节点代理收到上游节点的有功功率恢复信号后，若线路不出现过电压，则逐步降低本地光伏的有功缩减量至零，依次类推；

3)若线路上所有光伏的有功功率均恢复至最大值，首节点代理再启动无功功率恢复，逐步降低本地光伏的无功补偿量至就地预防控制的无功参考，若线路过电压不再出现，则通知下游相邻节点进行无功功率恢复，反之再次转入步骤二；

4)下游节点代理收到上游节点的无功功率恢复信号后，若线路不出现过电压，则逐步降低本地光伏的无功补偿量至就地预防控制的无功参考，依次类推。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明针对高渗透光伏配电网的分布式电压控制，与现有技术相比具有以下优点：

(1)分布式电压控制包含三种模式：就地预防控制、分布式紧急控制和功率恢复控制。就地预防控制基于并网点电压水平进行光伏就地无功补偿，能够预防过电压的发生；分布式紧急控制通过无功协调补偿和有功优化缩减两个阶段来解决线路过电压，实现过电压的低成本快速控制；功率恢复控制用于在过电压解决后恢复光伏的有功和无功输出功率，以保证光伏的发电效益。

(2)光伏无功协调补偿的过程简单且优化性有所提升：本发明通过理论分析推导出光伏输出功率与并网点电压的关系，发现过电压点及其下游的无功功率对过电压的改善能力强于上游节点的；分布式无功协调补偿采用先过电压点、再下游节点、最后上游节点的顺序，且无功补偿量通过简单计算求得，协调过程简单且控制效果优于现有技术。

(3)光伏有功优化缩减考虑无功容量的变化且优化效果接近集中优化控制：光伏有功功率的缩减通过多步实现，在每步缩减有功之前，各代理基于分布式有功优化算法确定最优的有功缩减节点和缩减方式，这样提高了光伏有功缩减的优化效果；在计算光伏缩减有功的调压能力时，本发明同时考虑了缩减有功对光伏无功补偿容量的影响。

(4)分布式电压控制策略能够适应于网络拓扑的动态变化：基于配电自动化系统发送的联络开关状态，电压控制代理能够确定自身的上下游代理，自组织分布式通信网络，具备网络拓扑动态变化下的适应性。

附图说明

图1是本发明的简化配电网馈线案例。

图2是本发明的就地预防控制中无功补偿量与电压关系。

图3是本发明的分布式无功协调控制过程。

图4是本发明的光伏逆变器输出无功和有功功率的关系。

图5是本发明的分布式紧急控制的有功优化控制算法。

图6是本发明的分布式电压控制的三种模式。

图7是本发明的改进IEEE33节点配电系统和分布式通信网络。

图8是本发明实施例的系统内总光伏和负荷日运行曲线。

图9是本发明实施例的开关动作后的系统拓扑及相应的分布式通信网络。

图10是本发明实施例的无控制时系统关键节点电压变化曲线。

图11是本发明实施例的采用所提出控制策略时系统关键节点电压变化曲线。

表1是本发明的分布式有功优化缩减中各代理所需数据。

表2是本发明的某一开关状态下简化网络的供电路径矩阵。

表3是本发明的某一开关状态下各节点代理的上游代理。

表4是本发明实施例的不同控制方案的调压效果对比。

具体实施方式

本发明的基于网络拓扑识别的高渗透光伏分布式电压控制方法，具体下列步骤：

步骤一：各节点代理基于配电自动化系统发送的联络线开关状态确定自身的上、下游代理和本节点至供电线路首节点的电阻电抗值，进而形成分布式自组织通信网络，步骤如下：

1)系统中的所有光伏并网节点和重要分支节点上均配置节点代理，且节点代理预存节点代理的关联矩阵Q和节点代理间线路的电阻电抗值。

2)各节点代理接收配电自动化系统发送的联络线开关状态，并删除关联矩阵Q断开线路所在列和供电节点所在行求得降维关联矩阵Q_n，对降维关联矩阵Q_n取逆得到各节点的供电路径矩阵P；

3)基于供电路径矩阵和节点代理间线路的电阻电抗值，各代理计算本节点至供电线路首节点的电阻和电抗值，电阻计算式为

其中，R_0-j为节点j至供电首节点的电阻值；R_l为线路l的电阻值；P_j为路径矩阵P的第j列各元素取绝对值。

4)各代理结合关联矩阵和供电路径矩阵确定自身的上、下游代理，利用各节点代理与其上游代理间的线路必定是其供电路径且与本节点相关联，故各代理搜寻与自身相关联的供电路径，并确定该线路的另一关联节点即为上游代理，各节点代理的下游代理可通过上游代理矩阵进一步确定；

步骤二：当线路电压处于正常运行范围时，分布式电压控制处于就地预防控制模式以预防电压越限，步骤如下：

1)各节点代理测量本节点的电压和光伏输出有功功率；

2)各节点代理根据光伏输出有功功率和光伏容量、功率因数限制，计算光伏无功容量上限Q_max

式中，P_MPP为某时刻光伏输出有功功率值；PF_min为光伏输出功率的最小功率因数限值；S_PV为光伏逆变器的安装容量；

3)各代理控制本地光伏的有功功率跟随最大功率点，同时基于本地电压量测量u调节光伏输出的无功功率。假定U₄、U₁为线路电压的正常运行上、下限，U₃、U₂为光伏节点代理开始进行就地无功功率补偿的临界电压值，则当节点电压在理想运行范围[U₂，U₃]内时，本地光伏的无功补偿量为零；而当节点电压过高但未越限时U₃<u≤U₄，节点代理控制本地光伏吸收感性无功，以抑制并网点电压越上限；而当节点电压大于正常运行上限u>U₄时，光伏吸收的无功功率为无功容量上限；

步骤三：当线路出现过电压时，分布式电压控制进入分布式无功协调控制，步骤如下：

1)出现过电压的节点代理N首先向下游发送无功补偿信号、本节点电压幅值和本节点至线路首端的电抗值，请求无功补偿；

2)过电压节点的下游代理j接收到过电压信息后，计算本节点光伏所需的无功补偿增量ΔQ_Gj

式中，V_N为节点N的电压值；X_n表示节点n-1与节点n间的支路电抗值；

3)若下游代理j的光伏无功补偿量已达上限，节点j的代理继续向下游节点发送无功补偿信号、过电压节点电压幅值和其至线路首端的电抗值，请求无功补偿；

4)若下游所有节点的光伏无功补偿量均达上限，过电压的节点代理N向上游发送无功补偿信号和本节点电压幅值，请求无功补偿；若线路过电压恢复。则跳转至步骤五；

5)过电压节点的上游代理i接收到过电压信息后，计算本节点光伏所需的无功补偿增量ΔQ_Gi

6)若上游代理i的光伏无功补偿量已达上限，节点i的代理继续向上游节点发送无功补偿信号和过电压节点电压幅值，请求无功补偿；

7)若线路上所有光伏的无功补偿量均达上限，但节点N依旧过电压，则分布式电压控制转入有功优化缩减控制模式，否则跳转至步骤五；

步骤四：若分布式无功协调无法解决线路过电压，分布式电压控制转入有功优化缩减控制模式，步骤如下：

1)过电压节点代理发送有功缩减信号和本地电压阻抗信息给上下游代理，请求光伏有功优化缩减；

2)电压正常节点代理接收上、下游传来的有功缩减信号和电压阻抗信息，并转发过电压节点的信息；

3)过电压节点N及其下游节点代理j，基于本地数据和分布式通信数据，计算缩减本地光伏的有功功率ΔP_G对N节点电压的调节能力C_j

式中，R_n表示节点n-1与节点n间的支路电阻值；ΔQ_G为缩减光伏有功功率ΔP_G对应的光伏无功容量增量；S_G为光伏容量；P_G为光伏输出有功功率；PF_min为光伏输出功率因数下限；P_min＝0.95S_G为输出功率因数下限时光伏的有功输出功率；

4)过电压节点的上游节点代理i，基于本地数据和分布式通信数据，计算缩减本地光伏的有功功率ΔP_G对N节点电压的调节能力C_i

5)首端节点代理将本地计算的指标C传送给下游节点代理；末端节点代理将本地计算的指标C传送给上游节点代理；

6)中间节点代理比较上游传来的指标C与本地计算值，后将较大者传送给下游节点，并比较下游传来的指标C与本地计算值，再将较大者传送给上游节点；

7)各节点代理比较上游和下游传来的指标C与本地计算值，若本地计算的指标C最大，则缩减本节点光伏的有功输出功率ΔP_G；

8)若线路电压恢复正常，则各节点代理退出有功缩减阶段，转入步骤五；若线路依旧过电压，则重复步骤三和步骤四；

步骤五：当线路电压恢复正常时，分布式电压控制进入功率恢复控制模式，以保证电压合格前提下光伏发电效益的最大化，步骤如下：

1)首节点代理基于线路最高电压幅值逐步降低本地光伏的有功缩减量至零，若线路过电压不再出现，则通知下游相邻节点进行有功功率恢复，反之再次转入步骤二；

2)下游节点代理收到上游节点的有功功率恢复信号后，若线路不出现过电压，则逐步降低本地光伏的有功缩减量至零，依次类推；

3)若线路上所有光伏的有功功率均恢复至最大值，首节点代理再启动无功功率恢复，逐步降低本地光伏的无功补偿量至就地预防控制的无功参考，若线路过电压不再出现，则通知下游相邻节点进行无功功率恢复，反之再次转入步骤二；

4)下游节点代理收到上游节点的无功功率恢复信号后，若线路不出现过电压，则逐步降低本地光伏的无功补偿量至就地预防控制的无功参考，依次类推。

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

本发明以图1为例，对光伏调压原理进行说明。图1所示为一条简化的配电网馈线。图中：V_N为节点N的电压值；P_N、Q_N表示从上游支路流入节点N的有功功率和无功功率；P_GN、Q_GN为节点N光伏输出的有功功率和无功功率；P_LN、Q_LN为节点N负荷的有功功率和无功功率；R_N、X_N表示节点N-1与节点N间的支路电阻值和电抗值。根据DistFlow潮流算法，节点N与节点N-1的电压关系可表示为：

若忽略两节点间线路的功率损耗，上式可简化为：

对上游所有节点对应的公式进行叠加，可得：

假设线路首端节点电压V₀恒定不变，由上式可知，节点N的电压与该节点所有供电路径上流动的功率有关。当分布式光伏发电功率大于负荷需求时，供电线路上将出现功率倒送。倒送有功功率足够大时，会抬升光伏并网节点的电压，甚至引起线路过电压。针对高渗透光伏发电造成的线路过电压，光伏调节电压的方式主要有减小有功功率倒送量和增大感性无功功率流动量两种，即缩减有功功率输出和进行无功功率补偿。

若保持N节点上游用户注入功率不变而改变节点N及其下游节点注入功率，忽略损耗的微小变化则有ΔP₁＝ΔP₂＝…＝ΔP_N和ΔQ₁＝ΔQ₂＝…＝ΔQ_N，节点N的电压由变为

若保持N节点下游用户注入功率不变而改变上游节点i的注入功率，则有ΔP₁＝ΔP₂＝…＝ΔP_i和ΔQ₁＝ΔQ₂＝…＝ΔQ_i，节点N的电压由变为

结合以上两式可知，当节点N下游和上游注入功率变化量相同时，即ΔP_N＝ΔP_i且ΔQ_N＝ΔQ_i，节点N及其下游节点的功率变化对N节点电压的改变量大于上游节点，且离节点N越远的上游节点对节点N电压的影响越小。另外，有功功率和无功功率增量对节点电压的调节能力与线路电阻和电抗值有关，单位长度的电阻越大有功功率对电压调节能力越强，电抗越大无功功率的调压能力越强。因为缩减光伏逆变器有功输出会影响光伏的发电效益，所以本发明采用先无功后有功的控制顺序进行分布式电压控制。

本发明结合图2至图6对分布式电压控制策略进行详细说明。所提出的分布式电压控制主要分为三种模式：就地预防控制、分布式紧急控制和功率恢复控制。当线路电压处于正常运行范围时，光伏代理采用就地无功补偿的方式以预防电压越限；当线路出现过电压时，各代理采用分布式紧急控制通过分布式无功协调和有功优化缩减来解决过电压；当线路电压恢复正常后，各代理启动功率恢复控制以保证光伏的发电效益。

当线路电压处于正常运行范围时，分布式电压控制处于就地预防控制模式以预防电压越限。各代理控制本地光伏的有功功率跟随最大功率点，同时基于本地电压量测量调节光伏输出的无功功率。光伏输出无功功率与并网点电压的关系如图2所示。图中，U_n为额定电压；U₄、U₁为线路电压的正常运行上、下限；U₃、U₂为光伏节点代理开始进行就地无功功率补偿的临界电压值。即当节点电压在理想运行范围[U₂，U₃]内时，本地光伏的无功补偿量为零；而当节点电压过高但未越限时U₃<u≤U₄，节点代理控制本地光伏吸收感性无功，以抑制并网点电压越上限；而当节点电压大于正常运行上限u>U₄时，光伏吸收的无功功率为无功容量上限。

光伏的无功容量上限Q_max由光伏输出的有功功率决定，并受光伏容量限制和功率因数限制。

式中，P_MPP为某时刻光伏输出有功功率的MPPT值；PF_min为光伏输出功率的最小功率因数限值；S_PV为光伏逆变器的安装容量。

当线路出现过电压时，分布式电压控制进入分布式紧急控制模式。线路上各代理基于分布式通信数据和本地计算结果控制本地光伏进行无功补偿和有功缩减。基于经济性的考虑，当线路电压越上限时，光伏逆变器应首先进行无功补偿，无功容量用尽时再缩减有功功率。

当线路上某节点电压越上限时，因为就地预防控制的存在，该节点的光伏无功容量必然用尽。因为过电压点下游光伏的单位无功功率调压效果优于上游光伏的。故本发明采用的分布式无功协调控制策略为过电压点的节点代理先向下游代理请求无功补偿，下游光伏无功容量用尽后若过电压依旧存在再向上游代理请求无功补偿。图3所示为以节点N电压越上限为例分布式紧急控制的无功补偿过程。

上游节点i和下游节点j在利用光伏补偿无功降低N节点的电压时，光伏需要输出的无功功率增量分别由下两式计算。

若在上述无功协调过程中线路电压恢复正常，则各节点光伏的无功补偿量保持恒定不变。若在相当长的时间内，线路电压始终处于正常运行范围，则分布式电压控制转入功率恢复模式。另外，若某节点尤其是线路末端节点电压接近电压下限时，则其不响应上游节点的无功补偿请求。所提分布式无功协调控制方法同样适用于线路上多个节点过电压的情况。

当线路上所有光伏的无功补偿量都达到容量上限而线路过电压依旧存在时，分布式紧急控制转入有功优化缩减阶段。对光伏进行有功功率的缩减，不仅能够有效缓解过电压，还能增大光伏逆变器的无功容量，进一步促进电压的恢复。分布式电压紧急控制的有功优化缩减策略为，各代理基于本地量测和分布式通信，通过简单计算求得同样的光伏有功缩减量下，解决线路过电压的最优有功缩减节点和缩减方式。

图4所示为光伏逆变器输出无功与有功功率的关系。图中，ab段对应无功补偿阶段，bc段对应有功功率缩减且受逆变器容量限制，cO段对应有功功率缩减但受功率因数限制。很显然，bc段的有功缩减，对于过电压的恢复是绝对有益的，而cO段有功功率的减少使逆变器的无功容量降低，对过电压的改善效果与线路电阻电抗的比值有关。因此，对光伏有功输出功率的缩减量并非越大越好，要同时考虑其对光伏无功容量的影响。

当对某节点光伏的有功输出功率缩减ΔP_G时，光伏无功容量的增量大小ΔQ_G与用户的光伏逆变器参数和缩减方式有关。若某节点只含一台光伏逆变器，其容量为S_G，输出有功功率为P_G。设功率因数下限PF_min＝0.95，对应有功功率P_min＝0.95S_G，则无功容量的增量为：

若某节点含有两台以上的光伏逆变器，有功功率的缩减可按两种方式进行。

1)从最大容量的逆变器开始缩减有功功率，当有功缩减至该逆变器的功率因数下限PF_min时，再对次大容量的光伏逆变器进行有功缩减，以此类推，缩减的有功功率总量为ΔP_G。

2)对该用户内的所有光伏逆变器按容量大小的比例共同缩减有功功率，缩减的有功功率总量为ΔP_G。

每台光伏无功容量增量的计算方法同上式，再加和为总的无功容量增量。利用以上两种方法分别求得固定有功缩减量ΔP_G下逆变器无功容量的增量，将较大者作为最终的ΔQ_G，并参与后续电压调节能力指标的计算。

对于过电压节点N及其下游节点，缩减本地光伏的有功功率ΔP_G对N节点电压的调节能力可由下式表征，其值越大表明该节点单位光伏有功缩减量的调压能力越强。

类似地，过电压点的上游节点i缩减本地光伏有功功率ΔP_G对N节点电压的调节能力可由下式表示。

以节点N过电压为例，分布式有功优化缩减控制中各节点代理所需数据如表1所示。线路上各节点代理基于本地量测信息和过电压点的电压和阻抗信息，可计算出本地光伏缩减有功ΔP_G对过电压节点的电压调节能力。各节点代理通过分布式通信可确定电压调节能力最强的节点，其所对应的光伏有功缩减方式即为最优的光伏有功缩减方案。图5所示为分布式紧急控制的有功优化缩减算法。

(1)过电压节点代理发送有功缩减信号和本地电压阻抗信息给上下游代理。若接收到上、下游发来的过电压信息，该节点代理将其与本节点电压进行比较，找出最大过电压，并保存其对应的电压阻抗信息进行后续计算；若电压最高点为其他节点，区域代理还需转发该节点的电压阻抗信息。

(2)电压正常节点代理接收上游或下游传来的有功缩减信号和电压阻抗信息，并转发过电压节点的信息。若同时接受到上下游传来的过电压信息，节点代理先比较两电压大小，再转发和保存较大者的电压阻抗信息。

(3)各节点代理基于本地数据和分布式通信数据，计算光伏有功缩减P_dec时，本地光伏无功容量的增量和对过电压点的电压调节能力指标C。

(4)首端节点代理将本地计算的指标C传送给下游节点；末端节点代理将本地计算的指标C传送给上游节点；中间节点代理比较上游传来的指标C与本地计算值，后将较大者传送给下游节点，并比较下游传来的指标C与本地计算值，再将较大者传送给上游节点。

(5)各区域代理比较上游和下游传来的指标C与本地计算值，若本地计算的指标C最大，则按最大无功增量的方式缩减本节点光伏的有功输出功率P_dec。

(6)若线路电压恢复正常，则各节点代理退出有功缩减阶段，转入功率恢复控制；若线路依旧过电压，则节点代理依旧处于分布式紧急控制。

在分布式紧急控制过程中，光伏有功输出功率的缩减通过多步实现，在每步光伏有功缩减之前，各节点代理都需要基于分布式有功优化算法确定本节点是否是最优的有功缩减节点，才进行本地光伏有功功率的缩减。这是为了提高光伏缩减有功功率的优化效果。

图6所示为分布式电压控制中功率恢复控制与就地预防控制、分布式紧急控制的关系。功率恢复控制是分布式电压控制的最后阶段，用于在过电压问题解决后，恢复各节点光伏的有功和无功功率以保证电压合格前提下光伏发电效益的最大化。

当分布式电压控制处于功率恢复模式，各区域代理基于本地量测和分布式通信数据，依次恢复光伏有功缩减量至零和无功补偿量至就地预防控制的无功参考。功率恢复控制的顺序为先有功功率后无功功率，先上游节点后下游节点，与分布式紧急控制的顺序相反。具体过程为：上游节点代理基于线路电压最高点数据逐步降低本地光伏的有功缩减量至零，若线路过电压不再出现，则通知下游节点进行有功功率恢复，反之再次进入分布式紧急控制阶段。下游区域代理收到上游节点的有功功率恢复信号且线路不出现过电压，逐步降低本地光伏的有功缩减量至零，依次类推。当线路上所有光伏的有功功率均恢复至MPPT值后，上游区域代理再启动无功功率恢复，恢复过程同理。

本发明结合图7和表2、表3对分布式通信网络的原理进行说明。分布式通信网络是分布式电压控制的基础，用于协调线路上各节点光伏的无功补偿和有功缩减过程。该分布式通信网络可以采用无线通讯方式，并通过加密的方式增强通信网络的安全性。对于高渗透分布式光伏接入的中压配电网，电压最高点一定位于线路首节点或分布式光伏并网点，所以光伏并网节点均存在节点代理。图7所示为改进的IEEE 33节点配电系统及其分布式通信网络。

分布式通信网络的建立基于两个前提：配电系统不环网运行且系统中任意节点不脱网运行。以改进的IEEE 33节点配电系统为例，对分布式通信网络结构进行说明。图7所示的配电系统由两个变电站供电，节点0和33分别为两个变电站的出口母线节点；9个联络线开关S0-S8的状态由配电自动化系统控制；系统中的所有光伏并网节点和重要分支节点上均配有节点代理，各节点代理具备计算、决策、无线通信和控制光伏输出功率的能力。

各节点代理能够在网络拓扑动态变化条件下，基于配电自动化系统发送的联络线开关状态和预存的关联矩阵确定自身的上、下游代理和本节点至供电线路首节点的电阻电抗值，进而形成分布式自组织通信网络。分布式自组织通信网络的形成基于路径矩阵原理。

路径矩阵定理1设G为一个具有顶点集的树，且Q为G的关联矩阵。设矩阵Q_n为删除了Q矩阵第n行的降维关联矩阵，则有Q_n ^-1＝P_n，其中P_n的第j列是从顶点j到顶点n这个唯一路径所对应的关联向量。

选取图7所示配电系统中的节点代理，并对各代理节点间的线路进行编号，如图7所示。定义向量S表征各联络开关状态，其中1表示开关闭合，0表示开关断开，则简化后网络的关联矩阵G为向量S的函数。在某一开关状态下，删除断开开关对应线路的列和供电节点0、33对应行，并取逆可得到各节点的供电路径矩阵P。供电节点33可作为节点0的虚拟节点，故多供电点情况下，上述定理同样适用。表2所示为S＝[1 1 0 1 0 1 0 0 1]时，各代理节点的供电路径矩阵。

基于供电路径矩阵和各段线路的电阻电抗值，各代理可计算本节点至供电线路首节点的电阻和电抗值。下式为各节点代理至供电线路首节点0或33的电阻计算式，电抗同理。

式中，R_0-j为节点j至至供电首节点0或33的电阻值；R_l为线路l的电阻值；P_j为路径矩阵P的第j列各元素取绝对值。

各代理结合关联矩阵和供电路径矩阵可确定自身的上游代理。各节点代理与其上游代理间的线路必定是其供电路径且与本节点相关联，故各区域代理搜寻与自身相关联的供电路径，并确定该线路的另一关联节点即为上游代理。S＝[1 1 0 1 0 1 0 0 1]时，各区域代理的上游节点如表3所示。各节点代理的下游代理可通过表3进一步确定。各节点代理的下游代理可通过上游代理矩阵进一步确定。若某节点的上游代理节点为0，表明该节点的上游节点为变电站出口母线，则该节点代理无上游代理。

本发明结合图7至图11和表4对所提分布式电压控制策略的实施例进行介绍。本发明以图7所示的改进的IEEE 33节点配网算例系统为例，对所提出的分布式电压控制策略的有效性和实用性进行验证。该系统的基准电压和基准容量分别为V_Base＝12.66kV，S_Base＝10MVA。系统中含有34个节点，9个联络开关，可由两个变电站联合供电但不环网运行。系统中的所有光伏并网节点和重要分支节点都有对应的节点代理，具有计算、决策、无线通信和控制光伏输出功率的能力，安装位置如图7所示。节点0和33为两个变电站的出口母线节点，光伏安装点有节点5、15、18、23、26和31，各节点光伏安装容量分别为1.2、1.6、1.2、0.8、1.3和1.5MVA。系统总负荷和光伏总有功输出功率一天24小时的变化情况如图8所示。为验证所提控制策略在不同线路拓扑下的自适应性，本发明假设中午11点30分之后节点0对应变电站进行检修，配电自动化系统通过联络开关动作将系统所有负荷由如图7所示供电方式转换为由节点33对应的变电站供电，并于四小时后的15点30分再次将负荷转移回来。11点30分至15点30分期间的系统拓扑图及对应的分布式通信网络如图9所示。通过仿真计算，在不采用任何控制手段的情况下，系统关键节点24小时的电压变化曲线如图10所示。

设定分布式电压控制范围为[0.93,1.07]，就地预防控制的临界电压U₃＝1.06，单次光伏有功缩减量P_dec＝0.001MW。采用所提出的分布式电压控制策略后，系统关键节点24小时的电压变化曲线如图11所示。对比图10和11可以看出，所提出的分布式电压控制策略能够有效解决高比例光伏接入造成的线路过电压，且能够在线路拓扑动态变化的情况下实现自适应。

本发明进一步选取12点30分和13点两个场景，对比所提分布式电压控制策略与集中优化控制、分散就地控制和另一分布式电压控制的调压效果，仿真结果如表4所示。调压效果的优劣主要体现在采用四种控制策略后的系统最高电压幅值、光伏有功总缩减量、光伏无功总补偿量和线路总损耗。

集中优化控制的目标函数是光伏缩减有功和线路有功损耗的总成本最小，如下式所示。

式中，C_PV为光伏缩减单位有功的发电效益损失(含政府补贴)，设为820元/MWh；C_P为线路损耗单位有功的成本，设为420元/MWh；B为网络中所有节点的集合；为i节点光伏的有功功率缩减量。约束条件包括DistFlow潮流等式约束、节点电压安全运行约束[0.93,1.07]、光伏的有功和无功功率约束、光伏输出功率因数约束。优化变量为各节点的光伏有功缩减量和无功补偿量。

分散就地控制的思路为：当本地电压处于电压期望限值范围[0.934,1.066]内，光伏输出功率不变；当本地电压位于期望限值以外，则控制光伏吸收/发出无功功率来降低/提高电压，使得电压维持在期望的最高/最低限值；当光伏无功容量用尽而电压超出电网可接受的最大运行范围[0.93,1.07]，则缩减本地光伏的有功输出直至电压恢复到最大运行范围内。

另一分布式电压控制策略为：当电压正常时，各光伏同样采用Q-U就地预防控制；当线路某节点出现过电压时，线路上的其他光伏按无功容量比例同时增大无功补偿量，直至消除过电压；当所有光伏的无功容量用尽而过电压依旧存在时，所有光伏按有功功率比例共同缩减有功输出功率直至电压恢复正常。

对比四种控制策略的调压效果可以看出：(1)相较于分散就地控制，分布式电压控制策略利用光伏节点间的无功协调，能够显著降低光伏的有功总缩减量和调压成本，但因为增大了线路上传输的无功功率而使线路总损耗有所增大；(2)相较于其他分布式电压控制策略，本方法所提分布式控制策略下光伏的有功总缩减量、无功总补偿量都更小，说明本方法对光伏无功补偿和有功缩减的优化性更强，此外本方法能够自适应网络拓扑的动态变化；(3)相较于集中优化控制策略，本发明所提方法的光伏有功总缩减量稍小，无功总补偿量和线路有功损耗较大，造成调压成本稍高于集中优化控制策略，但从计算量、通信量和系统投资成本角度综合考虑，本方法所提分布式控制策略具有更大优势。

表1

表2

表3

表4

Claims (1)

1.一种基于网络拓扑识别的高渗透光伏分布式电压控制方法，包括下列步骤：

步骤一：各节点代理基于配电自动化系统发送的联络线开关状态确定自身的上、下游代理和本节点至供电线路首节点的电阻电抗值，进而形成分布式自组织通信网络，步骤如下：

1)系统中的所有光伏并网节点和重要分支节点上均配置节点代理，且节点代理预存节点代理的关联矩阵Q和节点代理间线路的电阻电抗值；

2)各节点代理接收配电自动化系统发送的联络线开关状态，并删除关联矩阵Q断开线路所在列和供电节点所在行求得降维关联矩阵Q_n，对降维关联矩阵Q_n取逆得到各节点的供电路径矩阵P；

3)基于供电路径矩阵和节点代理间线路的电阻电抗值，各代理计算本节点至供电线路首节点的电阻和电抗值；

4)各代理结合关联矩阵和供电路径矩阵确定自身的上、下游代理，利用各节点代理与其上游代理间的线路必定是其供电路径且与本节点相关联，故各代理搜寻与自身相关联的供电路径，并确定该线路的另一关联节点即为上游代理，各节点代理的下游代理可通过上游代理矩阵进一步确定；

步骤二：当线路电压处于正常运行范围时，分布式电压控制处于就地预防控制模式以预防电压越限，步骤如下：

1)各节点代理测量本节点的电压和光伏输出有功功率；

2)各节点代理根据光伏输出有功功率和光伏容量、功率因数限制，计算光伏无功容量上限Q_max；

3)各代理控制本地光伏的有功功率跟随最大功率点，同时基于本地电压量测量值u调节光伏输出的无功功率：设U₄、U₁为线路电压的正常运行上、下限，U₃、U₂为光伏节点代理开始进行就地无功功率补偿的临界电压值，则当节点电压在理想运行范围[U₂，U₃]内时，本地光伏的无功补偿量为零；而当节点电压过高但未越限时U₃<u≤U₄，节点代理控制本地光伏吸收感性无功，以抑制并网点电压越上限；而当节点电压大于正常运行上限u>U₄时，光伏吸收的无功功率为无功容量上限；

步骤三：当线路出现过电压时，分布式电压控制进入分布式无功协调控制，步骤如下：

1)出现过电压的节点代理N首先向下游发送无功补偿信号、本节点电压幅值和本节点至线路首端的电抗值，请求无功补偿；

2)过电压节点的下游代理j接收到过电压信息后，计算本节点光伏所需的无功补偿增量ΔQ_Gj

式中，V_N为节点N的电压值；X_n表示节点n-1与节点n间的支路电抗值；

3)若下游代理j的光伏无功补偿量已达上限，节点j的代理继续向下游节点发送无功补偿信号、过电压节点电压幅值和其至线路首端的电抗值，请求无功补偿；

4)若下游所有节点的光伏无功补偿量均达上限，过电压的节点代理N向上游发送无功补偿信号和本节点电压幅值，请求无功补偿；若线路过电压恢复，则跳转至步骤五；

5)过电压节点的上游代理i接收到过电压信息后，计算本节点光伏所需的无功补偿增量ΔQ_Gi

6)若上游代理i的光伏无功补偿量已达上限，节点i的代理继续向上游节点发送无功补偿信号和过电压节点电压幅值，请求无功补偿；

7)若线路上所有光伏的无功补偿量均达上限，但节点N依旧过电压，则分布式电压控制转入有功优化缩减控制模式，否则跳转至步骤五；

步骤四：若分布式无功协调无法解决线路过电压，分布式电压控制转入有功优化缩减控制模式，步骤如下：

1)过电压节点代理发送有功缩减信号和本地电压阻抗信息给上下游代理，请求光伏有功优化缩减；

2)电压正常节点代理接收上、下游传来的有功缩减信号和电压阻抗信息，并转发过电压节点的信息；

3)过电压节点N及其下游节点代理j，基于本地数据和分布式通信数据，计算电压调节指标，即缩减本地光伏的有功功率ΔP_G对N节点电压的调节能力；

4)过电压节点的上游节点代理i，基于本地数据和分布式通信数据，计算电压调节指标，即缩减本地光伏的有功功率ΔP_G对N节点电压的调节能力；

5)首端节点代理将本地计算的电压调节指标传送给下游节点代理；末端节点代理将本地计算的指标传送给上游节点代理；

6)中间节点代理比较上游传来的电压调节指标与本地计算值，后将较大者传送给下游节点，并比较下游传来的电压调节指标与本地计算值，再将较大者传送给上游节点；

7)各节点代理比较上游和下游传来的电压调节指标与本地计算值，若本地计算的电压调节指标最大，则缩减本节点光伏的有功输出功率ΔP_G；

8)若线路电压恢复正常，则各节点代理退出有功缩减阶段，转入步骤五；若线路依旧过电压，则重复步骤三和步骤四；

步骤五：当线路电压恢复正常时，分布式电压控制进入功率恢复控制模式，以保证电压合格前提下光伏发电效益的最大化，步骤如下：

1)首节点代理基于线路最高电压幅值逐步降低本地光伏的有功缩减量至零，若线路过电压不再出现，则通知下游相邻节点进行有功功率恢复，反之再次转入步骤二；

2)下游节点代理收到上游节点的有功功率恢复信号后，若线路不出现过电压，则逐步降低本地光伏的有功缩减量至零，依次类推；

3)若线路上所有光伏的有功功率均恢复至最大值，首节点代理再启动无功功率恢复，逐步降低本地光伏的无功补偿量至就地预防控制的无功参考，若线路过电压不再出现，则通知下游相邻节点进行无功功率恢复，反之再次转入步骤二；

4)下游节点代理收到上游节点的无功功率恢复信号后，若线路不出现过电压，则逐步降低本地光伏的无功补偿量至就地预防控制的无功参考，依次类推。