CN112583020B - 低压配电网的两阶段式电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压配电网的两阶段式电压控制方法，包括以下步骤：步骤1：选定低压配电网的主导节点并对其电压进行监控；步骤2：判断主导节点的电压是否越限，若是，则基于主导节点上的光伏逆变器的容量利用率更新低压配电网中其余光伏逆变器的容量利用率，从而通过调节其余光伏逆变器的无功功率而控制低压配电网的电压；步骤3：判断主导节点的电压是否越限，若是，则基于主导节点上的储能系统的利用率并结合局部控制更新其余储能系统的可用率，从而通过调节其余储能系统的有功输出而控制低压配电网的电压。本发明利用各设备公平的参与调节电压，同时可有效保证电压在安全阈值内，提高了薄弱低压配电系统的安全性和经济性。

Description

低压配电网的两阶段式电压控制方法

技术领域

本发明属于低压配电网电压控制技术领域，具体涉及一种针对低压配电网的两阶段式电压控制方法。

背景技术

光伏发电不依靠劳动力，并且可以通过售电上网获得稳定的收益，作为一种清洁环保的可再生能源被大力发展，同时光伏发电技术也不断取得突破。但是，对于某些地区架构相对薄弱的低压配电网而言，地区的负荷水平与光伏出力的时序性存在差异，大量分布式光伏的接入会使得配电网电压越限，不利于该地区低压配电网的稳定运行。

目前针对低压配电网电压控制，主要的技术方案有三种：光伏有功削减，光伏逆变器无功补偿和储能有功功率调节。但是存在以下问题：1)削减光伏功率降低了光伏发电的效率，减少了光伏发电用户的收入；2)由于逆变器容量限制，单纯依靠无功控制电压的效果有限；3)储能容量有限，且单独依靠储能调节的成本较大。

因此，低压配电网的电压问题除了稳定性，也需要考虑经济性，而目前的技术尚未完全考虑到电压控制方法的优先级带来的调度成本影响，因此难以针对低压配电网实现较好的电压调控。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够使设备有序、公平地参与电压控制，保证电压安全性的同时提高经济性的低压配电网的两阶段式电压控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低压配电网的两阶段式电压控制方法，用于控制低压配电网的电压，所述低压配电网的两阶段式电压控制方法包括以下步骤：

步骤1：选定所述低压配电网的主导节点，并对所述主导节点的电压进行监控；

步骤2：判断所述主导节点的电压是否越限，若是，则对所述低压配电网的电压实施第一阶段控制，基于所述主导节点上的光伏逆变器的容量利用率更新所述低压配电网中其余光伏逆变器的容量利用率，从而通过调节其余所述光伏逆变器的无功功率而控制所述低压配电网的电压，若否，则不进行调节；

步骤3：判断所述主导节点的电压是否越限，若是，则对所述低压配电网的电压实施第二阶段控制，基于所述主导节点上的储能系统的利用率并结合局部控制更新其余储能系统的可用率，从而通过调节其余所述储能系统的有功输出而控制所述低压配电网的电压，若否，则不进行调节。

所述步骤1中，所述主导节点为所述低压配电网中馈电线路最末端的节点N。

所述步骤2中，对所述低压配电网的电压实施第一阶段控制包括以下步骤：

步骤2.1：计算所述主导节点上的光伏逆变器的容量利用率；

步骤2.2：利用一致性算法将其余所述光伏逆变器的利用率更新为所述主导节点上的光伏逆变器的容量利用率；

步骤2.3：基于更新后的其余所述光伏逆变器的利用率调节其余所述光伏逆变器的无功功率。

所述步骤2.1中，所述主导节点上的光伏逆变器的容量利用率计算方法为：

其中：u_PV,N为所述主导节点上的光伏逆变器的容量利用率，Q_PV,N为所述主导节点上的光伏逆变器无功输出功率，Q_PV,N,max为所述主导节点上的光伏逆变器的最大无功可用功率；

所述主导节点上的光伏逆变器的无功输出功率在时段t的计算方法为：

其中：T_s为控制时间间隔；V_N(t)为所述主导节点在时段t的电压；V_min和V_max为设定的电压安全阈值；a₁和a₂是影响分布式控制的收敛速度和控制精度的控制增益。

所述步骤2.3中，节点i上的所述光伏逆变器调节无功功率后在时段t的无功输出Q_PV,i(t)为：

Q_PV,i(t)＝u_PV,i(t)×Q_PV,i,max(t)

其中：u_PV,i(t)为节点i上的所述光伏逆变器更新后的容量利用率，u_PV,i(t)＝u_PV,N(t)，Q_PV,i,max(t)为节点i上的所述光伏逆变器在时段t的最大无功可用功率。

步骤2.3中，在其余所述光伏逆变器的无功功率可调范围内调节其余所述光伏逆变器的无功功率；

当节点i上的所述光伏逆变器工作在最大功率点跟踪模式时，所述光伏逆变器的无功功率可调范围为：

其中：S_pv为所述光伏逆变器的视在功率，P_a为光伏的有功输出功率；

当节点i上的所述光伏逆变器工作在STATCOM模式时，是光伏逆变器的无功功率可调范围由其额定容量限定。

所述步骤3中，对所述低压配电网的电压实施第二阶段控制包括以下步骤：

步骤3.1：计算所述主导节点上的储能系统的利用率；

步骤3.2：利用一致性算法将其余所述储能系统的利用率更新为所述主导节点上的储能系统的利用率；

步骤3.3：基于其余所述储能系统自身的荷电状态计算其余所述储能系统的可用率；

步骤3.4：基于更新后的其余所述储能系统的利用率，结合其余所述储能系统的可用率调节其余所述储能系统的有功输出。

所述步骤3.1中，所述主导节点上的储能系统的利用率在时段t的计算方法为：

其中：u_ESS,N(t)为所述主导节点上的储能系统在时段t的利用率，V_N(t)为所述主导节点在时段t的电压；V_min和V_max为设定的电压安全阈值；b₁和b₂是控制增益。

所述步骤3.3中，节点i上的所述储能系统的可用率在时段t的计算方法为：

其中：ε_i(t)为节点i上的所述储能系统在时段t的可用率，SoC_i(t)为节点i上的所述储能系统在时段t的荷电状态，SoC_i,ref(t)为节点i上的所述储能系统在时段t对应的日常运行中ESS的预期荷电状态，k₁和k₂是用于定义荷电状态与参考荷电状态所允许偏差范围的控制阈值，b₃＝1/(k₂-k₁)。

所述步骤3.4中，节点i上的所述储能系统调节有功输出后在时段t的有功输出P_ESS,i(t)为：

P_ESS,i(t)＝u_ESS,i(t)×ε_i(t)×P_ESS,i,rated

其中：u_ESS,i(t)为节点i上的所述储能系统更新后的利用率，u_ESS,i(t)＝u_ESS,N(t)，P_ESS,i,rated为节点i的所述储能系统的有功功率限值。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明采用光伏逆变器无功控制和储能系统有功控制相结合，利用各设备公平的参与调节电压，同时可有效保证电压在安全阈值内，提高了薄弱低压配电系统的安全性和经济性。

附图说明

附图1为本发明涉及的含多户用光储系统低压配电架构示意图。

附图2为本发明中无功功率和有功功率协调控制原理。

附图3为本发明的基本流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：图1所示为本发明一个实施例的含多户用光储系统的低压配电架构。如图所示的典型径向分布馈线包含多条母线，每条母线都包含了一个户用光伏，一个储能系统和一个本地负载(视作一个用户)，其中：

(1)户用光伏发出的功率和负荷需求之间的不平衡使得电力沿馈电线路流动，功率流的方向和大小使得线路电压沿着馈电线路上升或下降，电压偏移最大的节点位于馈电线路末端；

(2)光伏逆变器可控制无功功率调节电压。当光照充足时，光伏逆变器利用逆变器剩余的无功容量调节。当夜间时，逆变器可将光伏电池切除，作为STATCOM运行。此时逆变器的有功功率输出接近0，可将光伏逆变器的额定容量用于无功补偿；

(3)储能系统可发出/吸收有功功率调节电压。

图2所示为本发明中无功功率和有功功率协调控制原理。在以电压不越限为基础的前提下，经济性是首要考虑的问题。一般地，逆变器和储能的调度成本都与各自的投资成本、设备寿命有关，但储能系统的寿命与循环次数有关，逆变器则一般没有次数限制。因此本发明提供一种两阶段式的电压控制方法，首先利用逆变器无功功率调节控制电压，若电压仍未在安全范围内则再利用储能的有功功率调节电压。

低压配电系统额定电压为V_N，设定的安全电压范围为[V_min，V_max]。首先利用逆变器的无功容量[-Q_PV,max，Q_PV,max]调节系统电压，若在最大无功容量调节范围下电压仍然越限，则此时配电系统电压不属于[V_PV,min，V_PV,max]。那么，开始使用储能的有功功率[-P_ESS,rated，P_ESS,rated]调节配电系统电压。在光伏逆变器和储能的协调控制下能够调节的电压范围为[V_PV,min，V_PV,max]。

具体的，如附图3所示，一种低压配电网的两阶段式电压控制方法，包括以下步骤：

步骤1：选定低压配电网的主导节点，并对主导节点的电压进行监控。主导节点为低压配电网中馈电线路最末端的节点N。

步骤2：判断主导节点N的电压是否越限，若是，则对低压配电网的电压实施第一阶段控制，若否，则不进行调节。

对低压配电网的电压实施第一阶段控制的方式为：基于主导节点N上的光伏逆变器的容量利用率更新低压配电网中其余光伏逆变器的容量利用率，从而通过调节其余光伏逆变器的无功功率而控制低压配电网的电压。具体过程如下：

步骤2.1：计算主导节点N上的光伏逆变器的容量利用率。

光伏逆变器的容量利用率等于逆变器无功功率输出与逆变器容量之比，其值介于0～1之间，即主导节点N上的光伏逆变器的容量利用率的计算方法为：

其中：u_PV,N为主导节点N上的光伏逆变器的容量利用率，Q_PV,N为主导节点N上的光伏逆变器无功输出功率，Q_PV,N,max为主导节点N上的光伏逆变器的最大无功可用功率。

主导节点N上的光伏逆变器的无功输出功率在时段t的计算方法为：

其中：T_s为控制时间间隔；V_N(t)为主导节点N在时段t的电压；V_min和V_max为设定的电压安全阈值；a₁和a₂是控制增益，影响分布式控制的收敛速度和控制精度。

步骤2.2：利用一致性算法将其余光伏逆变器的利用率更新为主导节点N上的光伏逆变器的容量利用率，即更新后节点i(i≠N)上的光伏逆变器的利用率u_PV,i(t)为：

步骤2.3：基于更新后的其余光伏逆变器的利用率，调节其余光伏逆变器的无功功率，即输出无功功率控制电压。节点i上的光伏逆变器调节无功功率后在时段t的无功输出Q_PV,i(t)为：

Q_PV,i(t)＝u_PV,i(t)×Q_PV,i,max(t)

其中：u_PV,i(t)为节点i上的光伏逆变器更新后的容量利用率，Q_PV,i,max(t)为节点i上的光伏逆变器在时段t的最大无功可用功率。

该步骤2.3中，在其余光伏逆变器的无功功率可调范围内调节其余光伏逆变器的无功功率。节点i上光伏逆变器白天工作在最大功率点跟踪模式，节点i上光伏逆变器的无功功率可调范围Q_pv为：

其中：S_pv为光伏逆变器的视在功率，P_a为光伏的有功输出功率。节点i上的光伏逆变器夜间将光伏电池切除，工作在STATCOM模式，节点i上光伏逆变器的无功功率可调范围由其额定容量限定。

步骤3：判断主导节点的电压是否越限，若是，则对低压配电网的电压实施第二阶段控制，若否，则不进行调节。

对低压配电网的电压实施第二阶段控制的方式为：基于主导节点上的储能系统的利用率并结合局部控制更新其余储能系统的可用率，从而通过调节其余储能系统的有功输出而控制低压配电网的电压。具体过程如下：

步骤3.1：计算主导节点上的储能系统的利用率，即u_ESS,N，等于储能荷电状态与总容量之比，其值介于0～1之间。主导节点上的储能系统的利用率在时段t的计算方法为：

其中：u_ESS,N(t)为主导节点上的储能系统在时段t的利用率，V_N(t)为主导节点在时段t的电压；V_min和V_max为设定的电压安全阈值；b₁和b₂是控制增益。

步骤3.2：利用一致性算法将其余储能系统的利用率更新为主导节点上的储能系统的利用率，即更新后其余储能系统的利用率u_ESS,i(t)为：

u_ESS,i(t)＝u_ESS,N(t)

步骤3.3：基于其余储能系统自身的荷电状态计算其余储能系统的可用率，控制实际充放电的速度。节点i上的储能系统的可用率在时段t的计算方法为：

其中：ε_i(t)为节点i上的储能系统在时段t的可用率，SoC_i(t)为节点i上的储能系统在时段t的荷电状态(单位为％)，SoC_i,ref(t)为节点i上的储能系统在时段t对应的日常运行中ESS的预期荷电状态(单位为％)，k₁和k₂是用于定义荷电状态与参考荷电状态所允许偏差范围的控制阈值，b₃＝1/(k₂-k₁)。

步骤3.4：基于更新后的其余储能系统的利用率，结合其余储能系统的可用率调节其余储能系统的有功输出，即输出有功功率控制电压。节点i上的储能系统调节有功输出后在时段t的有功输出P_ESS,i(t)为：

P_ESS,i(t)＝u_ESS,i(t)×ε_i(t)×P_ESS,i,rated

其中：u_ESS,i(t)为节点i上的储能系统更新后的利用率，u_ESS,i(t)＝u_ESS,N(t)，P_ESS,i,rated为节点i的储能系统的有功功率限值。

上述控制过程中，若监控到主导节点N的电压未越限，则待控制时间t达到控制时间限制时t_max时，结束本周期调控，再经过延时T_s后，进行下一周期监控和调节。

上述方案在光伏逆变器控制阶段，采用了基于一致性算法的分布式控制，使光伏逆变器公平的输出功率；在储能控制阶段，采用了基于一致性算法的分布式-局部协调控制，使储能结合自身SoC状态合理的输出有功功率。该方法采用光伏逆变器无功控制和储能系统有功控制相结合，利用各设备公平的参与调节电压，同时可有效保证电压在安全阈值内，提高了薄弱低压配电系统的安全性和经济性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低压配电网的两阶段式电压控制方法，用于控制低压配电网的电压，其特征在于：所述低压配电网的两阶段式电压控制方法包括以下步骤：

步骤1：选定所述低压配电网的主导节点，并对所述主导节点的电压进行监控；

步骤2：判断所述主导节点的电压是否越限，若是，则对所述低压配电网的电压实施第一阶段控制，基于所述主导节点上的光伏逆变器的容量利用率更新所述低压配电网中其余光伏逆变器的容量利用率，从而通过调节其余所述光伏逆变器的无功功率而控制所述低压配电网的电压，若否，则不进行调节；

步骤3：判断所述主导节点的电压是否越限，若是，则对所述低压配电网的电压实施第二阶段控制，基于所述主导节点上的储能系统的利用率并结合局部控制更新其余储能系统的可用率，从而通过调节其余所述储能系统的有功输出而控制所述低压配电网的电压，若否，则不进行调节；

所述步骤1中，所述主导节点为所述低压配电网中馈电线路最末端的节点N；

所述步骤2中，对所述低压配电网的电压实施第一阶段控制包括以下步骤：

步骤2.1：计算所述主导节点上的光伏逆变器的容量利用率；

步骤2.2：利用一致性算法将其余所述光伏逆变器的利用率更新为所述主导节点上的光伏逆变器的容量利用率；

步骤2.3：基于更新后的其余所述光伏逆变器的利用率调节其余所述光伏逆变器的无功功率；

所述步骤3中，对所述低压配电网的电压实施第二阶段控制包括以下步骤：

步骤3.1：计算所述主导节点上的储能系统的利用率；

步骤3.2：利用一致性算法将其余所述储能系统的利用率更新为所述主导节点上的储能系统的利用率；

步骤3.3：基于其余所述储能系统自身的荷电状态计算其余所述储能系统的可用率；

步骤3.4：基于更新后的其余所述储能系统的利用率，结合其余所述储能系统的可用率调节其余所述储能系统的有功输出。

2.根据权利要求1所述的低压配电网的两阶段式电压控制方法，其特征在于：所述步骤2.1中，所述主导节点上的光伏逆变器的容量利用率计算方法为：

，

其中：

为所述主导节点上的光伏逆变器的容量利用率，

为所述主导节点上的光伏逆变器无功输出功率，

为所述主导节点上的光伏逆变器的最大无功可用功率；

所述主导节点上的光伏逆变器的无功输出功率在时段t的计算方法为：

，

其中：

为控制时间间隔；

为所述主导节点在时段t的电压；

和

为设定的电压安全阈值；

和

是影响分布式控制的收敛速度和控制精度的控制增益。

3.根据权利要求2所述的低压配电网的两阶段式电压控制方法，其特征在于：所述步骤2.3中，节点i上的所述光伏逆变器调节无功功率后在时段t的无功输出

为：

,

其中：

为节点i上的所述光伏逆变器更新后的容量利用率，

，

为节点i上的所述光伏逆变器在时段t的最大无功可用功率。

4.根据权利要求3所述的低压配电网的两阶段式电压控制方法，其特征在于：步骤2.3中，在其余所述光伏逆变器的无功功率可调范围内调节其余所述光伏逆变器的无功功率；

当节点i上的所述光伏逆变器工作在最大功率点跟踪模式时，所述光伏逆变器的无功功率可调范围为：

，

其中：

为所述光伏逆变器的视在功率，

为光伏的有功输出功率；

当节点i上的所述光伏逆变器工作在STATCOM模式时，是光伏逆变器的无功功率可调范围由其额定容量限定。

5.根据权利要求1所述的低压配电网的两阶段式电压控制方法，其特征在于：所述步骤3.1中，所述主导节点上的储能系统的利用率在时段t的计算方法为：

，

其中：

为所述主导节点上的储能系统在时段t的利用率，

为所述主导节点在时段t的电压；

和

为设定的电压安全阈值；

和

是控制增益。

6.根据权利要求5所述的低压配电网的两阶段式电压控制方法，其特征在于：所述步骤3.3中，节点i上的所述储能系统的可用率在时段t的计算方法为：

，

其中：

为节点i上的所述储能系统在时段t的可用率，

为节点i上的所述储能系统在时段t的荷电状态，

为节点i上的所述储能系统在时段t对应的日常运行中ESS的预期荷电状态，

和

是用于定义荷电状态与参考荷电状态所允许偏差范围的控制阈值，

。

7.根据权利要求6所述的低压配电网的两阶段式电压控制方法，其特征在于：所述步骤3.4中，节点i上的所述储能系统调节有功输出后在时段t的有功输出

为：

，

其中：

为节点i上的所述储能系统更新后的利用率，

，

为节点i的所述储能系统的有功功率限值。

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