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计及时延的智能配电网光储就地分布电压优化控制方法

1、研究意义

在“双碳”目标驱动下，光伏因具有就地消纳、运行灵活、低碳环保等优点，近年来并网规模显著扩大。然而，高比例光伏并入配电网，会引发潮流单向流动变为双向流动，进而导致功率倒送和电压越限问题，严重限制了分布式光伏的发展。若不采取电压优化控制措施，光伏发电系统可能面临脱网的风险，甚至发生电压崩溃事故。传统调压设备如SVG、有载调压变压器、电力电容器组等难以频繁动作来响应电压的快速变化。新型调压设备如光伏逆变器具备无功调压能力，成本低且能快速响应；储能系统调压具有平滑、迅速等特性。因此，光伏逆变器和储能系统协同控制已经成为电压优化领域的研究热点。

2、研究现状

目前，基于光伏逆变器和储能系统的电压控制方法主要分为就地控制、集中控制和分布控制3种类型。①就地控制：文献[5]利用了就地控制响应速度快、无需通信的优点，提出了一种针对通信设备随机故障的失联分布式发电（DG）单元差异化就地控制方法。然而，就地控制缺乏全局协调能力，可能导致线路末端的逆变器几乎不参与无功补偿，从而造成系统中各光伏参与无功补偿程度的不均衡。②集中控制：文献[6-7]通过集中控制方法调节光伏逆变器的无功功率。然而，集中控制依赖于健全的网络通信条件，使用中央控制器与所有光伏电站通信，无法形成环网，通信故障可能导致所有子站的通信信息丢失甚至停机[8]。③分布控制：文献[9]基于不依赖于电网物理模型的一致性算法，提出适用于高渗透率光伏配电网的实时电压协同控制策略。文献[10]提出一种面向含ZIP负载的直流微电网电压调节的分布式一致性控制策略。分布控制通过各子站完成数据通信和逻辑控制，能够形成环网，因此在通信故障时仍保持较高的可靠性，且其通信量和计算量较小，近年来已被广泛应用于配电网电压控制领域[11]。

上述电压控制方法都是基于无时延的理想通信系统。然而，当高比例光伏接入配电网，设备间的通信时延可能导致控制策略无法满足运行需求。由于分布式光伏在空间上分散无序，电压优化控制过程中的数据采集和指令传输等环节往往存在时延，导致信息发送和接收不同步，从而降低系统的动态性能和快速响应能力[12]。因此，在设计电压分布式一致性控制算法时，需要建立时延模型，以加强算法在时延环境下的实时响应性能。文献[13]设计了考虑通信时延的一致性控制律，补偿时延引起的荷电状态偏差，并实现储能单元快速协调控制。文献[14]在电压内环中设计了具有通信输入时延的H∞跟踪控制器，实现DG间的电压同步。文献[15]考虑通信时延建立了主动配电网分布式经济调度控制模型，提高了系统稳定性。尽管上述研究在配电网时延控制方面取得了一定成果，但尚未从分布式光伏和储能系统协调电压控制的角度来分析时延影响。

3、主要贡献

为解决在实际时延通信环境中高比例光伏配电网分布式电压优化控制问题，本文提出一种时延条件下高比例光伏储能协调的就地-分布电压优化控制方法。本文以光伏无功功率利用率和储能荷电状态（Stateofcharge，SOC）变化量为一致性变量，引入一致性因子，建立了分布式一致性电压优化控制无时延模型；然后，计及通信时延影响，构建了基于一致性算法的配电网电压优化控制时延模型，通过积分二次型和LMI（LinearMatrixInequality，线性矩阵不等式）计算得到的时延裕度，为时延补偿优化控制提供数值依据。最后，通过IEEE33节点系统验证本文方法的正确性和有效性。

4、研究内容

1无时延的光储就地-分布电压优化模型

1.1光伏逆变器无功调节

光伏逆变器在提供有功功率的同时，还具备无功电压支撑能力，能够主动参与电压调节[16]。图1为光伏逆变器有功/无功容量变化曲线。

图1光伏逆变器容量变化曲线

Fig.1Capacitychangecurveofsolarinverter

如图1所示：在光伏逆变器无功补偿阶段，逆变器有功功率保持不变。随着逆变器功率因数角增加，其无功功率也随之增大，直至在某一特定点（即a点）达到最大功率，记此时的功率因数角为逆变器的容量约束角。

1.2储能系统有功调节

储能系统有功调节不仅要考虑本身的容量限制，还要考虑储能荷电状态（SOC）。储能装置可调有功与储能SOC的关系如下所示：

1.3分布式一致性优化算法

在双向通信链路的电力系统中，通信网络的拓扑结构可以用无向图G=(V,E,A)表示。其中，V=[v1,v2,…,vn]为拓扑图顶点的集合，在本文代表配电网中n个调压设备的集合；E=[eij]?V×V为边集合，在本文中代表各调压设备间的通信链路；A=[aij]为图的加权邻接矩阵，定义元素aij：如果节点i与节点j之间存在通信关系，则aij=1，反之aij=0，同时定义aii=0。

1.4光储就地-分布电压优化模型

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