基于智能軟開關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓模型預(yù)測控制優(yōu)化方法

高聰哲 黃文燾 余墨多 陳 旸 邰能靈

基于智能軟開關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓模型預(yù)測控制優(yōu)化方法

高聰哲1黃文燾1余墨多1陳 旸2邰能靈1

（1.電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)） 上海 200240 2. 國網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司 上海 201600）

配電網(wǎng)分布式電源出力與負(fù)荷功率具有強(qiáng)波動(dòng)性與隨機(jī)性，使得電壓越限與異常問題頻發(fā)且越發(fā)嚴(yán)重。該文提出一種基于智能軟開關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓模型預(yù)測控制優(yōu)化方法，僅利用智能軟開關(guān)兩端節(jié)點(diǎn)電氣信息，以長時(shí)間尺度優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)，建立基于靈敏度的配電網(wǎng)電壓與線損預(yù)測模型，以節(jié)點(diǎn)電壓偏差與配電網(wǎng)損耗最小為目標(biāo)，通過滾動(dòng)優(yōu)化超前調(diào)控節(jié)點(diǎn)間的交換功率，并根據(jù)控制誤差對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行反饋校正，完成對(duì)配電網(wǎng)電壓的快速、實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，有效解決了已有電壓調(diào)控方式依賴全局信息且難以應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)功率快速波動(dòng)的難題。分別以IEEE 33節(jié)點(diǎn)與實(shí)際配電網(wǎng)為算例，驗(yàn)證了該文所提方法的有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，可為構(gòu)建新能源為主體的新型配電網(wǎng)提供技術(shù)參考。

模型預(yù)測控制 電壓優(yōu)化 主動(dòng)配電網(wǎng) 靈敏度 智能軟開關(guān)

0 引言

隨著清潔能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，配電網(wǎng)中光伏（Photovoltaic, PV）等可再生能源滲透率不斷提高。分布式電源出力因可再生能源的間歇性與波動(dòng)性不斷變化，難以與負(fù)荷功率匹配，造成了配電網(wǎng)電壓波動(dòng)、越限等問題，影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。因此，亟須對(duì)配電網(wǎng)電壓進(jìn)行優(yōu)化控制，進(jìn)一步提升配電網(wǎng)安全、高效消納高滲透率新能源的能力。

針對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定與潮流控制問題，主動(dòng)配電網(wǎng)（Active Distribution Network, ADN）對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能裝置以及有載調(diào)壓器（On-Load Tap Changer, OLTC）和可投切電容器組（Capacitor Banks, CBs）等一次設(shè)備進(jìn)行控制，提高了配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性[5-7]。然而這些一次設(shè)備響應(yīng)速度慢，無法連續(xù)調(diào)節(jié)輸出，難以應(yīng)對(duì)分布式電源的快速出力變化[8]。近年來，智能軟開關(guān)（Soft Open Point, SOP）憑借功率連續(xù)可控、控制方式靈活的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到主動(dòng)配電網(wǎng)中。作為一種全控型電力電子裝置，SOP可以替代配電網(wǎng)中部分傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，對(duì)所連饋線的有功和無功功率進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、靈活的控制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化主動(dòng)配電網(wǎng)電壓的功能[9-12]。然而基于SOP的電壓優(yōu)化過程存在外部條件不確定、控制結(jié)果非線性等問題，現(xiàn)有優(yōu)化方法難以在秒級(jí)時(shí)間尺度上根據(jù)新能源出力變化主動(dòng)調(diào)節(jié)SOP傳輸功率，若新能源出力出現(xiàn)短時(shí)大幅度波動(dòng)，將引起電壓越限?；赟OP的ADN電壓優(yōu)化控制方法，是提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量、促進(jìn)新能源消納的重要需求，有待進(jìn)一步研究。

目前針對(duì)SOP參與配電網(wǎng)電壓優(yōu)化方法根據(jù)時(shí)間尺度劃分，主要分為小時(shí)級(jí)、分鐘級(jí)和實(shí)時(shí)優(yōu)化三種。小時(shí)級(jí)及分鐘級(jí)的優(yōu)化方法是長時(shí)間尺度優(yōu)化方法，基于全局系統(tǒng)信息進(jìn)行建模計(jì)算，然后對(duì)各個(gè)終端設(shè)備統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化結(jié)果接近理論上的全局最優(yōu)。文獻(xiàn)[12]提出了以最小化配電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)損與保持電壓期望水平為目標(biāo)，通過二階錐規(guī)劃方法求解SOP傳輸功率值優(yōu)化配電網(wǎng)電壓的方法，簡化了全局優(yōu)化的求解模型。文獻(xiàn)[13]提出了一種考慮電壓變化量的電壓波動(dòng)指標(biāo)，通過粒子群算法求解SOP的傳輸功率優(yōu)化配電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化問題的快速求解。上述文獻(xiàn)從長時(shí)間優(yōu)化角度進(jìn)行研究，提出了有效的全局尺度優(yōu)化方法。但這類優(yōu)化方法通常具有復(fù)雜的建模過程，優(yōu)化效果依賴建模與求解的精細(xì)程度，求解效率不高，優(yōu)化間隔較長且每輪優(yōu)化都需要通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。而配電網(wǎng)中分布式電源、負(fù)荷的波動(dòng)性與隨機(jī)性強(qiáng)，分鐘級(jí)調(diào)控難以有效保證電壓在優(yōu)化區(qū)間內(nèi)。

實(shí)時(shí)優(yōu)化方法通常僅需要本地的量測信息就可以完成控制，能迅速地響應(yīng)分布式電源和負(fù)荷的頻繁波動(dòng)，在新能源出力波動(dòng)的情況下能更好地保證配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。文獻(xiàn)[14]基于短期預(yù)測數(shù)據(jù)建立SOP的電壓-無功下垂模型，通過本地量測電壓實(shí)時(shí)確定SOP的無功輸出值，控制效果高度依賴預(yù)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于多層感知機(jī)的SOP就地控制方法，但模型訓(xùn)練完全基于歷史數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)行情況超出樣本集時(shí)無法進(jìn)行有效優(yōu)化。上述文獻(xiàn)通過電壓-無功下垂曲線進(jìn)行被動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍有限。

模型預(yù)測控制（Model Predictive Control，MPC）作為一種主動(dòng)優(yōu)化方法，在發(fā)生電壓波動(dòng)時(shí)能主動(dòng)改變控制策略，保證優(yōu)化效果。同時(shí)MPC能有效克服系統(tǒng)的非線性、時(shí)變性、不確定性以及干擾等因素的影響，在優(yōu)化過程中可以通過反饋校正糾正模型偏差，適用于模型不確定性大的問題，在ADN的電壓優(yōu)化中被廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[16]提出了一種兩階段智能軟開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，基于短期預(yù)測數(shù)據(jù)優(yōu)化控制SOP傳輸功率和可再生能源，增強(qiáng)了配電網(wǎng)對(duì)可再生能源的消納能力。文獻(xiàn)[17]提出了一種應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的有功分層模型預(yù)測控制方法，有效地減小了棄風(fēng)量。文獻(xiàn)[17]建立基于模型預(yù)測控制的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓優(yōu)化模型，但是在全局尺度進(jìn)行優(yōu)化，需要通信系統(tǒng)配合，且沒有考慮配電網(wǎng)中SOP等新型電力電子器件。文獻(xiàn)[18]提出基于模型預(yù)測控制的多時(shí)間尺度主動(dòng)配電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度策略，對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能以及柔性負(fù)荷做出協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[19]在含柔性直流裝置主動(dòng)配電網(wǎng)中應(yīng)用兩階段優(yōu)化策略，在全局優(yōu)化的基礎(chǔ)上基于MPC進(jìn)行電壓滾動(dòng)優(yōu)化控制，進(jìn)行分鐘級(jí)優(yōu)化。上述文獻(xiàn)提出了MPC在電力系統(tǒng)優(yōu)化的應(yīng)用，驗(yàn)證了MPC在應(yīng)對(duì)擾動(dòng)和不確定因素時(shí)具有較好的魯棒性，但優(yōu)化過程依賴通信網(wǎng)絡(luò)，無法實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。SOP作為一種新型電力電子器件，實(shí)時(shí)傳輸功率高度可控，采用MPC進(jìn)行控制能取得較好的優(yōu)化效果。

本文充分考慮配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況的不確定性，提出了一種不依賴通信網(wǎng)絡(luò)的基于MPC的SOP實(shí)時(shí)電壓優(yōu)化方法，降低新能源出力不確定性與負(fù)荷波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響。結(jié)合配電網(wǎng)拓?fù)渑c長時(shí)間尺度量測數(shù)據(jù)得到配電網(wǎng)電壓與線損靈敏度，建立配電網(wǎng)電壓、線損的預(yù)測模型。在實(shí)時(shí)優(yōu)化階段采用MPC方法，通過調(diào)控SOP的有功、無功傳輸功率，對(duì)配電網(wǎng)的電壓與線損進(jìn)行優(yōu)化。最后通過仿真對(duì)比測試，驗(yàn)證了所提方法能夠通過調(diào)節(jié)SOP傳輸功率，實(shí)現(xiàn)降低配電網(wǎng)損耗、平抑電壓波動(dòng)的目標(biāo)。

1 含SOP的主動(dòng)配電網(wǎng)拓?fù)渑c運(yùn)行特點(diǎn)

1.1 SOP結(jié)構(gòu)與控制

SOP是一種全控型電力電子裝置，通常為背靠背電壓源型換流器（Voltage Source Converter, VSC）結(jié)構(gòu)，兩個(gè)換流器均擁有四象限功率控制能力，能在毫秒級(jí)時(shí)間尺度下響應(yīng)操作指令。智能軟開關(guān)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能軟開關(guān)典型結(jié)構(gòu)

在接入配電網(wǎng)時(shí)，SOP控制模式一般設(shè)置為一側(cè)采用定直流電壓控制方式，同時(shí)控制換流器的無功功率交換；另一側(cè)采用定交流側(cè)電壓控制方式，同時(shí)控制換流器的無功功率[20-22]。在引入SOP后，兩端的饋線之間柔性互聯(lián)，傳輸?shù)挠泄?、無功功率完全可控，配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行”狀態(tài)變?yōu)槿嵝蚤]環(huán)運(yùn)行。SOP傳輸?shù)墓β手噶羁梢酝ㄟ^配電網(wǎng)控制中心統(tǒng)一下達(dá)，也可通過就地控制方法確認(rèn)[23]。

1.2 含SOP的主動(dòng)配電網(wǎng)拓?fù)渑c特點(diǎn)

ADN是具備調(diào)控能力的配電網(wǎng)絡(luò)，其目的是加大配電網(wǎng)對(duì)于可再生能源的接納能力，提高用戶的用電質(zhì)量和供電可靠性。隨著配電自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，ADN內(nèi)的有源設(shè)備與可控元件越來越多，借助二次智能設(shè)備以及可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，ADN可以在全局尺度下對(duì)CBs、SOP、儲(chǔ)能元件以及分布式電源等設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行過程的總成本最小等優(yōu)化目標(biāo)[24]。

主動(dòng)配電網(wǎng)通過接入SOP可以在不同饋線之間進(jìn)行功率傳輸，實(shí)現(xiàn)在饋線之間進(jìn)行快速、動(dòng)態(tài)和持續(xù)的有功、無功潮流控制，起到平衡負(fù)荷潮流、優(yōu)化系統(tǒng)電壓分布的作用。但隨著各種新能源發(fā)電設(shè)備的接入，由于新能源發(fā)電出力受氣象影響很大，具有強(qiáng)不確定性，對(duì)新能源出力的預(yù)測也有很大誤差，只采用基于預(yù)測數(shù)據(jù)的SOP長時(shí)間尺度的優(yōu)化方法難以保證優(yōu)化效果，需要本地化的實(shí)時(shí)控制方法作為補(bǔ)充。含SOP的主動(dòng)配電網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 含智能軟開關(guān)的典型主動(dòng)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 電壓與線損靈敏度矩陣及預(yù)測模型

根據(jù)配電網(wǎng)拓?fù)渑c參數(shù)及配電網(wǎng)運(yùn)行情況，可以得到節(jié)點(diǎn)電壓與配電網(wǎng)線損對(duì)節(jié)點(diǎn)注入功率的靈敏度矩陣，構(gòu)建配電網(wǎng)電壓與損耗的預(yù)測控制模型。

2.1 電壓與線損靈敏度矩陣

配電網(wǎng)電力線路上的有功功率損耗為

靈敏度矩陣的生成依賴于配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，且在局部擾動(dòng)下變化不明顯，不需要頻繁更新。以某一時(shí)間斷面的配電網(wǎng)電氣量計(jì)算得到靈敏度矩陣，建立電壓、線損預(yù)測模型，作為實(shí)時(shí)模型預(yù)測控制的基礎(chǔ)。

2.2 電壓與線損預(yù)測模型

3 配電網(wǎng)電壓MPC優(yōu)化方法

隨著新能源滲透率的不斷增加，由于新能源出力的不確定性，靜態(tài)的長時(shí)間尺度優(yōu)化方法難以保證控制結(jié)果的優(yōu)越性，因此需要基于模型預(yù)測控制的短時(shí)間尺度優(yōu)化方法進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

本文提出的實(shí)時(shí)電壓控制方法為就地控制方法，根據(jù)SOP兩端節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)電壓與SOP工作狀態(tài)進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為電壓符合要求且損耗最小。優(yōu)化過程中同時(shí)控制SOP傳輸?shù)挠泄β逝c無功功率，對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓與損耗變化進(jìn)行預(yù)測，并通過反饋校正對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行修正，保證預(yù)測的準(zhǔn)確性。配電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)優(yōu)化過程如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)優(yōu)化

3.1 MPC滾動(dòng)優(yōu)化模型

滾動(dòng)優(yōu)化過程中，在保證兩端節(jié)點(diǎn)電壓滿足運(yùn)行要求的前提下，使SOP操作成本與配電網(wǎng)損耗最小。以長時(shí)間尺度優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)，建立基于模型預(yù)測控制的實(shí)時(shí)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

其中，滾動(dòng)電壓預(yù)測值(+1)為

當(dāng)電壓波動(dòng)較大時(shí)，難以在一個(gè)控制周期內(nèi)將電壓調(diào)整到目標(biāo)范圍，為了保證優(yōu)化模型有解，引入如式（19）所示的電壓漸近約束。

3.2 MPC校正模型

由于靈敏度矩陣基于長時(shí)間尺度的量測結(jié)果生成，在進(jìn)行新一輪預(yù)測控制時(shí)，需要根據(jù)SOP工作狀態(tài)改變更新靈敏度矩陣中SOP兩端節(jié)點(diǎn)的注入功率項(xiàng)，得到新的損耗和電壓靈敏度矩陣。而且配電網(wǎng)運(yùn)行情況在不斷改變，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)需要根據(jù)上一輪預(yù)測控制偏差對(duì)新一輪預(yù)測模型進(jìn)行修正，提高電網(wǎng)電壓與線損預(yù)測模型的預(yù)測精度。

若配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，忽略配電網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)變化造成的偏差，根據(jù)SOP工作狀態(tài)改變對(duì)線損靈敏度進(jìn)行校正，如式（22）、式（23）所示。

在實(shí)際控制過程中，在電壓預(yù)測控制環(huán)節(jié)引入反饋校正環(huán)節(jié)，同時(shí)以配電網(wǎng)實(shí)際電壓作為新一輪滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度的初始值，構(gòu)成電壓閉環(huán)控制。為了使預(yù)測控制結(jié)果盡可能接近實(shí)際控制結(jié)果，根據(jù)上一輪控制偏差對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行校正，提高電壓預(yù)測模型的預(yù)測精度，如式（24）、式（25）所示。

4 多時(shí)間尺度電壓優(yōu)化流程

本文針對(duì)現(xiàn)有基于SOP的配電網(wǎng)優(yōu)化方法難以應(yīng)對(duì)新能源出力不確定性大的問題，提出了使用MPC的電壓實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方法。實(shí)時(shí)優(yōu)化過程針對(duì)電壓偏差與線損，持續(xù)對(duì)SOP傳輸功率進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，并在優(yōu)化過程中對(duì)靈敏度矩陣參數(shù)修正。實(shí)時(shí)優(yōu)化結(jié)合長時(shí)間尺度的多時(shí)間尺度優(yōu)化過程如圖4所示。

圖4 多時(shí)間尺度電壓優(yōu)化流程

2）建立電壓與損耗預(yù)測模型，以SOP有無功出力增量為控制變量。

5 算例驗(yàn)證

5.1 算例與參數(shù)

本文采用如圖5所示的IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)算例對(duì)提出的配電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓優(yōu)化方法進(jìn)行分析驗(yàn)證。該系統(tǒng)含有5個(gè)光伏電站，在18節(jié)點(diǎn)與33節(jié)點(diǎn)之間安設(shè)一臺(tái)容量為0.5MW的SOP替代原有的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，光伏機(jī)組接入的位置及容量見表1。

圖5 含SOP的IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

表1 光伏電站接入位置及容量

設(shè)定SOP的損耗系數(shù)為0.02，電壓理想運(yùn)行范圍為[0.98pu,1.02pu][27]，電壓安全運(yùn)行范圍為[0.90pu, 1.10pu]。整個(gè)配電網(wǎng)的光伏出力和負(fù)荷功率變化如圖6所示，負(fù)荷類型為春季居民區(qū)負(fù)荷。本文在Matlab R2019b軟件中進(jìn)行仿真，使用YALMIP+Gurobi進(jìn)行優(yōu)化求解。

圖6 光伏發(fā)電和負(fù)荷功率的日變化曲線

5.2 仿真結(jié)果分析

本文提出的電壓優(yōu)化方法控制前后的配電網(wǎng)電壓分布、配電網(wǎng)損耗與電壓偏差指標(biāo)如圖7、圖8及表2所示。無優(yōu)化時(shí)配電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)最低電壓低于0.91(pu)，而優(yōu)化后的SOP連接節(jié)點(diǎn)電壓基本保持在[0.98pu,1.02pu]的范圍內(nèi)，滿足給定的電壓理想運(yùn)行范圍指標(biāo)，配電網(wǎng)電壓偏差指標(biāo)大幅減少84.79%。此外在采用SOP進(jìn)行優(yōu)化后，配電網(wǎng)損耗降低了8.02%，顯著提高了配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，驗(yàn)證了所提方法能有效應(yīng)對(duì)ADN電壓越限與異常。

圖7 優(yōu)化前配電網(wǎng)電壓分布

圖8 優(yōu)化后配電網(wǎng)電壓分布

表2 優(yōu)化前后配電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比

Tab.2 Optimization results before and after optimization

從控制時(shí)間上看，在Matlab R2019b仿真平臺(tái)中，實(shí)時(shí)控制階段單次計(jì)算耗時(shí)為0.22s，且就地控制方法中通信及其他環(huán)節(jié)的時(shí)間開銷很小。因此極短的控制間隔能夠保證在實(shí)時(shí)控制階段有充裕的時(shí)間計(jì)算出SOP的控制指令，完成優(yōu)化控制。

5.3 優(yōu)化方法對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，另用兩種控制方法與本文方法進(jìn)行比較，分別如下。

方法1：單時(shí)間尺度優(yōu)化控制。長時(shí)間尺度以配電網(wǎng)電壓偏差與線損最小為目標(biāo)，采用集中控制方式對(duì)配電網(wǎng)內(nèi)的無功補(bǔ)償設(shè)備與SOP進(jìn)行優(yōu)化控制，實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)在長時(shí)間尺度優(yōu)化指令之間平滑過渡。

方法2：傳統(tǒng)多時(shí)間尺度優(yōu)化控制。長時(shí)間尺度以配電網(wǎng)電壓偏差與線損最小為目標(biāo)，采用集中控制方式對(duì)配電網(wǎng)內(nèi)的所有無功補(bǔ)償設(shè)備與SOP進(jìn)行優(yōu)化控制有功功率，實(shí)時(shí)采用下垂控制方式對(duì)SOP的無功功率進(jìn)行優(yōu)化。

本文方法：基于MPC的多時(shí)間尺度優(yōu)化控制。長時(shí)間尺度控制同方法1、2；實(shí)時(shí)采用基于MPC的滾動(dòng)優(yōu)化方法控制SOP有功與無功傳輸功率。

5.3.1 PV非計(jì)劃離網(wǎng)

本算例中，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)14接入的PV出現(xiàn)非計(jì)劃離線，一段時(shí)間后重新并網(wǎng)。對(duì)算例分別執(zhí)行不同的電壓控制方法后，SOP兩端節(jié)點(diǎn)電壓、本文方法優(yōu)化過程SOP傳輸功率、配電網(wǎng)損耗以及電壓偏差指標(biāo)如圖9、圖10及表3、表4所示。

圖9 優(yōu)化過程SOP兩端節(jié)點(diǎn)電壓變化

圖10 本文方法優(yōu)化過程SOP傳輸功率

表3 PV非計(jì)劃離網(wǎng)過程不同方法的電壓優(yōu)化結(jié)果

表4 PV非計(jì)劃離網(wǎng)場景下不同方法的優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

根據(jù)圖9及表4，對(duì)比無優(yōu)化與方法1的優(yōu)化結(jié)果可以看出，進(jìn)行集中優(yōu)化后，在正常運(yùn)行時(shí)能夠降低配電網(wǎng)運(yùn)行的有功損耗和電壓偏差，但在故障發(fā)生時(shí)不能減少電壓偏移時(shí)間。對(duì)比方法1與方法2的優(yōu)化結(jié)果，可以看出方法2在線路故障發(fā)生時(shí)具有一定的保持節(jié)點(diǎn)電壓的能力，但無法保證電壓維持在理想運(yùn)行范圍附近。

根據(jù)圖9及表3、表4，對(duì)比方法2和本文方法的優(yōu)化結(jié)果可以看出，引入基于模型預(yù)測控制的實(shí)時(shí)優(yōu)化后，在故障發(fā)生時(shí)能迅速做出響應(yīng)，支撐節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)正常水平。采用本文方法優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)18電壓在PV離網(wǎng)后迅速回升，在離網(wǎng)過程中更接近理想電壓運(yùn)行范圍[0.98, 1.02pu]。采用下垂控制SOP進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓偏差較大，超出理想范圍。節(jié)點(diǎn)33電壓變化也呈現(xiàn)類似的規(guī)律。方法2控制下電壓偏差指標(biāo)為0.21，本文所提方法的電壓偏差指標(biāo)為0.03，下降85.7%。在PV重新并網(wǎng)后，采用本文方法優(yōu)化的SOP兩端節(jié)點(diǎn)電壓基本運(yùn)行在理想電壓范圍內(nèi)，且在以最小化線損為優(yōu)化目標(biāo)的情況下，節(jié)點(diǎn)電壓迅速恢復(fù)至最優(yōu)水平。

優(yōu)化過程電壓預(yù)測模型偏差如圖11所示，可以看出在優(yōu)化過程中電壓預(yù)測誤差在PV離網(wǎng)和重新并網(wǎng)時(shí)增加，通過反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行修正后迅速下降，預(yù)測模型能夠保持準(zhǔn)確性。

圖11 優(yōu)化過程電壓預(yù)測模型誤差

5.3.2 PV出力波動(dòng)

算例中節(jié)點(diǎn)10與節(jié)點(diǎn)14處PV由于云層遮蔽，出現(xiàn)一段時(shí)間的出力波動(dòng)。對(duì)配電網(wǎng)執(zhí)行不同的電壓控制方法后，SOP損耗、網(wǎng)絡(luò)損耗以及網(wǎng)絡(luò)電壓偏差指標(biāo)見表5。

表5 PV出力波動(dòng)情況下不同方法的優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表5對(duì)比方法1與無優(yōu)化的優(yōu)化結(jié)果可以看出，在進(jìn)行集中優(yōu)化控制后，能有效降低配電網(wǎng)的有功損耗和電壓偏差，保證電壓運(yùn)行在安全范圍內(nèi)。

對(duì)比方法1與方法2的優(yōu)化結(jié)果，可以看出引入日內(nèi)下垂控制后，配電網(wǎng)的電壓偏差減少，配電網(wǎng)的網(wǎng)損并未增加。

對(duì)比本文方法與方法2的優(yōu)化結(jié)果，可以看出本文優(yōu)化方法進(jìn)一步減小配電網(wǎng)的電壓偏差，電壓偏差下降34.7%，但是網(wǎng)絡(luò)損耗略有增加。

5.3.3 SOP安裝位置改變

將上述算例中SOP設(shè)置為取代節(jié)點(diǎn)12與節(jié)點(diǎn)22之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，運(yùn)行過程中節(jié)點(diǎn)10與節(jié)點(diǎn)14處PV由于云層遮蔽，出現(xiàn)一段時(shí)間的出力波動(dòng)。對(duì)配電網(wǎng)執(zhí)行不同的電壓控制方法后，配電網(wǎng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)損耗、SOP損耗以及電壓偏差指標(biāo)見表6。

表6 SOP安裝位置改變后不同方法的優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

由表6可以看出，在同一配電網(wǎng)拓?fù)湎拢淖僑OP安裝位置后，本文提出的優(yōu)化算法相比現(xiàn)有的實(shí)時(shí)優(yōu)化方法，仍能在減少0.78%配電網(wǎng)運(yùn)行損耗的同時(shí)，減小17.9%的配電網(wǎng)電壓偏差。

5.3.4 實(shí)際算例驗(yàn)證

以浙江某地配電網(wǎng)為例，配電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D12所示，該配電網(wǎng)電壓等級(jí)為10kV，所在地區(qū)光照充足，光伏裝機(jī)容量大，配電網(wǎng)存在線路大分支，末端節(jié)點(diǎn)頻繁出現(xiàn)低電壓現(xiàn)象，可以通過安裝智能軟開關(guān)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行電壓優(yōu)化。配電網(wǎng)內(nèi)線路最長長度約為15km，線路阻抗為0.321+j0.093Ω/km。實(shí)際配電網(wǎng)原有聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)置在兩個(gè)地理位置鄰近的節(jié)點(diǎn)之間，在仿真算例中使用容量為0.5MW的SOP對(duì)該聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行替代，光伏電站接入的位置及容量見表7，整個(gè)配電網(wǎng)的光伏出力和負(fù)荷功率變化如圖13所示。通過仿真分析，對(duì)比在出現(xiàn)PV出力波動(dòng)以及晚間PV低出力時(shí)，不同電壓控制方法對(duì)配電網(wǎng)的優(yōu)化控制效果。

圖12 SOP接入浙江某配電網(wǎng)算例

表7 光伏電站接入位置及容量

當(dāng)PV出現(xiàn)出力波動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方法通過SOP同時(shí)改變傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率，保證配電網(wǎng)電壓運(yùn)行在合適范圍內(nèi)。配電網(wǎng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)損耗、SOP損耗及電壓偏差指標(biāo)見表8。

圖13 光伏發(fā)電和負(fù)荷功率的日變化曲線

表8 實(shí)際算例下基于不同方法的優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

由表8可以看出，在實(shí)際配電網(wǎng)算例下，當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)PV出力波動(dòng)時(shí)，本文提出的優(yōu)化算法相比現(xiàn)有的實(shí)時(shí)優(yōu)化方法，能夠減少15.6%的配電網(wǎng)電壓偏差，但配電網(wǎng)損耗略微上升。

在夜間PV出力較低，配電網(wǎng)末端出現(xiàn)低電壓情況時(shí)，本文所提優(yōu)化方法相比不采用SOP優(yōu)化，能夠?yàn)镾OP兩端節(jié)點(diǎn)提供電壓支撐，從而降低配電網(wǎng)損耗，提高配電網(wǎng)電壓水平。配電網(wǎng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)損耗、SOP損耗以及電壓偏差指標(biāo)見表9。由運(yùn)行指標(biāo)可以看出，與不進(jìn)行優(yōu)化相比，本文提出的優(yōu)化算法在夜間能夠減少43.9%的配電網(wǎng)電壓偏差，配電網(wǎng)損耗也下降1.78%。

表9 PV低出力情況優(yōu)化前后配電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比

通過本算例可以看出，在含有大量分支的實(shí)際配電網(wǎng)算例中，本文提出的優(yōu)化算法適用于各種運(yùn)行場景，相比現(xiàn)有的實(shí)時(shí)優(yōu)化方法，能在配電網(wǎng)運(yùn)行損耗基本不增加的前提下，減小配電網(wǎng)的電壓偏差，擁有良好的優(yōu)化效果。

6 結(jié)論

本文針對(duì)配電網(wǎng)分布式電源出力與負(fù)荷功率強(qiáng)波動(dòng)性與隨機(jī)性引起的電壓越限與異常問題，提出了一種基于智能軟開關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓模型預(yù)測控制優(yōu)化方法。首先基于長時(shí)間尺度優(yōu)化結(jié)果以及量測數(shù)據(jù)建立配電網(wǎng)線損與電壓靈敏度矩陣，在實(shí)時(shí)優(yōu)化過程中僅利用智能軟開關(guān)兩端節(jié)點(diǎn)電氣信息，采用基于模型預(yù)測控制的滾動(dòng)優(yōu)化及反饋校正方法，完成對(duì)配電網(wǎng)電壓的快速、實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。

不同的算例結(jié)果表明：本文所提方法在光伏非計(jì)劃離網(wǎng)、光伏出力波動(dòng)以及智能軟開關(guān)在不同位置的情況下，均能迅速對(duì)配電網(wǎng)電壓變化做出響應(yīng)，支撐配電網(wǎng)電壓恢復(fù)，降低配電網(wǎng)運(yùn)行損耗；相較于傳統(tǒng)優(yōu)化方法，能顯著減小配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差，應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)中新能源出力波動(dòng)。

本文所提方法在優(yōu)化過程中只需采集智能軟開關(guān)兩端節(jié)點(diǎn)電氣信息，通過優(yōu)化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)電壓的快速、實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，提升全局電壓質(zhì)量；在發(fā)生電壓波動(dòng)時(shí)能主動(dòng)改變控制策略，對(duì)配電網(wǎng)電壓進(jìn)行超前優(yōu)化，保證優(yōu)化效果；通過反饋校正優(yōu)化模型，保證滾動(dòng)優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性，更有效降低了電壓波動(dòng)的幅度。相比現(xiàn)有采用電壓-無功曲線進(jìn)行下垂控制的實(shí)時(shí)優(yōu)化方法，本文方法同時(shí)調(diào)控智能軟開關(guān)傳輸?shù)挠泄εc無功功率，更充分地發(fā)揮了智能軟開關(guān)的調(diào)控能力，確保了系統(tǒng)電壓運(yùn)行在理想范圍內(nèi)，但智能軟開關(guān)損耗會(huì)略微增加。

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A Model Predictive Control Method to Optimize Voltages for Active Distribution Networks with Soft Open Point

Gao Congzhe1Huang Wentao1Yu Moduo1Chen Yang2Tai Nengling1

（1. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion Ministry of Education Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China 2. Songjiang Power Supply Company State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company Shanghai 201600 China）

The power output of distributed generators and loads in distribution networks has strong volatility and randomness, which makes the voltage overruns and abnormal problems more serious. In this paper, a real-time active distribution network voltage optimization strategy using model predictive control (MPC) based on the soft open point (SOP) has been proposed, which uses only electrical information of both ends of SOP. Firstly, a predictive model of network voltage and power loss sensitivity is established based on the reference values given by the long-term optimization. Then a rolling optimization model with an SOP is established, in which the objective function is to minimize the voltage deviation and power losses. With the rolling-horizon approach, the power exchange between both ends of SOP is optimized and the predictive model is corrected through the voltage deviation feedback. This method effectively solves the problem that existing voltage optimization methods rely on global information are difficult to cope with rapid power fluctuations. Case studies on the IEEE 33-node system and a regional distribution system are carried out to verify the effectiveness of the proposed method. Results show that the voltage of the distribution network is enhanced and the power losses are significantly reduced, which provides a technical reference for operating new distribution networks.

Model predictive control, voltage optimization, active distribution network, sensitivity, soft open point

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210858

TM76

高聰哲 男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)控制。E-mail：czgaosh@163.com

黃文燾 男，1989年生，博士，副教授，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)控制及保護(hù)。E-mail：hwt8989@sjtu.edu.cn（通信作者）

中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)“青年人才托舉工程”（ICB-2020-187）和深藍(lán)計(jì)劃（SL2020MS018）資助項(xiàng)目。

2021-06-14

2021-10-01

（編輯 赫蕾）