一种基于智能配变终端系统的高比例分布式光伏协同控制方法

技术领域

本发明涉及光伏配电网电压控制技术领域，特别是一种基于智能配变终端系统的高比例分布式光伏协同控制方法。

背景技术

随着分布式光伏发电技术快速发展，分布式光伏在配电网中的渗透率不断提高，由于光伏发电受气候、天气、地理等外界环境因素影响较大分布式光伏的出力具有波动性和随机性，导致配电网出现电压波动、电压越限等电能质量问题。

为了解决分布式光伏大规模接入配电网引起的电压越限问题，传统的控制方法主要调节有载调压变压器(OLTC)分接头、限制有功功率、安装无功调节装置如电容器等，但传统的控制方法大多调节能力有限、前期投资较大，经济性不高。随着智能逆变器和智能配变终端的不断发展，可以充分利用分布式光伏的主动调控能力，基于光伏逆变器与智能配变终端的协同控制，克服了单个光伏容量不足，调压能力有限的问题，充分利用了智能配变终端通讯能力，提高智能配变终端对台区的控制能力与控制实时性，有效调节了区域内的电压越限节点。目前，主要的无功分区方法是基于电气距离的专家知识法、现代启发式方法、聚类方法以及复杂网络理论方法将电网分为若干子区域，实现对子区域的分而治之。

郑吉祥,钟俊的《基于节点类型和分区耦合性的复杂网络无功电压快速分区方法》(电网技术,1000-3673(2020)01-0223-07)建立复杂网络无功传输拓扑图时，考虑不同类型节点间的相互影响，以节点间的电气距离结合无功潮流对线路权重赋值。定量地分析分区内与分区间的耦合性，在保证分区过程中出现的子分区质量的前提下使得分区过程快速。但大量的算法会影响响应时间，实时性较差，并且当有新的光伏接入后容易导致系统计算失误。

发明内容

本发明的目的在于利用智能逆变器与智能配变终端的技术，提供一种基于智能配变终端系统的高比例分布式光伏协同控制方法，用来解决光伏节点越限的问题。该方法充分利用智能配变终端的采集与计算能力对电网系统的实时监控与决策，利用智能配变终端与智能逆变器的通讯能力以及调控能力，以智能配变终端台区对电网系统进行无功分层分区，分区简单快速；采用无功-电压灵敏度系数、台区间无功电压电气矩阵以及台区间无功平衡度指标算法，以网损最小化为约束条件，保证在无功调度能量损耗最小条件下达到最优控制效果。

本发明的技术方案如下：

一种基于智能配变终端系统的高比例分布式光伏协同控制方法，所述方法包括：第一阶段和第二阶段；第一阶段中，在台区内部对电压越限节点进行无功补偿，直到台区内部剩余无功容量不足则进入第二阶段；第二阶段中通过台区之间进行无功调度直到不存在电压越限节点和个逆变器无无功容量剩余。

该方法具体包括以下步骤：

S1：智能配变终端采集台区内部每个光伏逆变器输出侧和公共连接点的电压V

S2：将用户侧过电压节点集合中，依据节点电压额定值对各个电压越限节点进行排序，确定电压越限值最大的电压越限节点，记为节点T

计算台区光伏集群内所有节点是否为过电压节点，计算公式为

其中，V

计算台区光伏集群的电压越限值计算公式为，

ΔV

并对ΔV

S3：在台区内部对节点T

其具体过程是：

计算台区光伏集群中所有节点对节点T

其计算公式为，

S

从上面得到的结果中，选取S

其计算公式为，

S＝max{S

其中S为无功-电压灵敏度矩阵中最大的元素；即最大无功-电压灵敏度系数，Q

S4：智能配变终端计算调整过后的用户侧节点电压，若台区内不存在过电压节点，则执行S9；否则返回S2，直至台区内部无过电压节点；若台区内存在过电压节点且无可调光伏逆变器则执行S5；

S5：记台区内无可调光伏节点的台区为D；选择台区D内电压越限值最大的节点T

S6：智能配变终端进行交互式通讯，确定每个台区的状态，建立无功电压电气距离矩阵，确定各台区间的无功平衡度指标；记无功电压电气距离最小且满足无功平衡度指标的台区为台区K；

其具体过程为：

计算台区间无功电压电气矩阵，其计算公式为：

根据

令ΔP＝0，有

ΔQ＝(D-CA

令

(D-CA

其中，ΔP和ΔQ分别为节点注入有功功率和无功功率的变化量；ΔU为台区所有节点越限电压之和，Δδ为电压相角差，M

计算台区间无功平衡度指标，其计算公式为：

其中Q

S7：智能配变终端计算无功补偿量，选取台区K中无功剩余容量最大的光伏逆变器，对该光伏逆变器发送控制指令，对台区D内的节点T

S8：智能配变终端计算调整过后的用户侧节点电压，若台区内不存在过电压节点，则执行S9；否则返回S5。

S9：无功补偿控制电压越限结束。

所述的智能配变终端系统包括：信息采集模块、协调控制模块；二者相连；

所述的信息采集模块包括电压传感器和电流传感器，他们分别和芯片相连；电压传感器与电网中的各个电压节点相连；电流传感器与与电网中的各个电压节点相连；

所述的协调控制模块包括芯片和通讯模块；所述的通讯模块具体为华为5G模块，与光伏逆变器、芯片相连。

本发明的实质性特点为：

郑吉祥,钟俊的文章《基于节点类型和分区耦合性的复杂网络无功电压快速分区方法》上在复杂网络分区的方法上将节点类型与节点间的耦合性作为评判条件将电力系统各个节点进行分区在对其进行控制，分别叙述了各个方法的优势与不足。是利用电气距离和衡量网络中边的重要性或者对整个网络的的贡献度的权重建立无功传输拓扑模型，再利用复杂网络分区的方法对电力系统各个节点进行分区，进行无功补偿。

本发明专利是通过对电力系统网络根据台区进行划分，基于无功-电压灵敏度系数、台区间无功电压电气矩阵以及台区间无功平衡度指标选择最优补偿节点，当存在电压越限节点时先进行台区内协调补偿无功容量，台区内无法补偿时采用台区互补的方法，控制策略的实施需要用到所述系统的各种功能。

本方法总共有九个步骤，步骤一直接采集台区内部的信息，将电力系统节点以台区进行分区，简化了采用复杂网络分区的方法步骤；在步骤三中采用灵敏度矩阵算法，将灵敏度系数进行排序，寻找到台区内部的主导节点；步骤六中基于无功电气距离的原则，利用智能配变终端对无功能量进行调度；在整个方法中充分利用智能配变终端的计算能力和通信能力，加快响应速度。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种基于智能配变终端系统的高比例分布式光伏协同控制方法，该方法充分利用智能配变终端的实时采集与计算能力，实时对电网进行监控与决策，响应速度快；利用智能配变终端与智能逆变器的通讯能力以及调控能力，达到对电网内无功裕量最优分配，对整个配电网按台区进行分区，缩小对可用光伏的搜索范围，以无功-电压灵敏度系数、台区间无功电压电气矩阵以及台区间无功平衡度指标为约束条件，对无功进行最优调度，能快速的将网络中各节点电压调节到安全运行范围之内，本发明可以随着网络中的光伏节点数目增加或者网络拓扑结构的改变，系统可以自动对节点进行分区与控制，克服了传统控制电压越限方法的不足，同时具有控制方法的准确性、快速性和统筹性的优点。

在本方法中无功控制光伏数量为19，光伏控制总数为18，控制时间可以达到0.3723s，集中控制方法控制光伏数量为23，光伏控制总数为23，控制时间为1.1478s。本方法与传统的集中式控制方法相比大大提升了响应速度。

附图说明

图1为本申请中关于分布式光伏配电网电压整体控制方法的流程图。

图2为本申请中关于分布式光伏配电网电压第一阶段控制方法的流程图。

图3为本申请中关于分布式光伏配电网电压第二阶段控制方法的流程图。

图4为本申请中关于分布式光伏配电网电压智能配变终端系统的结构图。

图5为无功分区结构图。

图6为未使用系统与控制策略的电压曲线图。

图7为无功分区控制后的电压曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细介绍。

本发明所述的基于智能配变终端系统的高比例分布式光伏协同控制方法，所述的智能配变终端系统包括：信息采集模块、协调控制模块；所述信息采集模块用于对台区内部以及台区间的信息采集；对用户侧的信息进行实时监控；所述协调控制模块用于存在电压越限节点用户侧参数计算以及对无功调度的决策，精准调度无功容量，抑制用户侧节点电压越限。

系统组成上添加了通讯模块，使每个电压节点不再独立，可以使系统对每个电压节点实时监控；协调控制模块根据电压越限节点的信息实时决策处理。在方法上采用先台区内后台区外的协调控制策略，避免了传统集中控制方法的控制周期长，响应慢的特点。现有的复杂网络分区的方法在新增光伏后需要重新计算会导致分区不准确，实时响应能力较弱。

所述的智能配变终端系统包括：信息采集模块、协调控制模块；二者相连；

所述的信息采集模块包括电压传感器和电流传感器，他们分别和芯片相连；电压传感器与电网中的各个电压节点相连；电流传感器与与电网中的各个电压节点相连；

所述的协调控制模块包括芯片和通讯模块；所述的通讯模块具体为华为5G模块，与光伏逆变器、芯片相连。

信息采集模块利用森社CHV-25P电压传感器、LHB-Y4的电流传感器对节点电压进行信息采集，协调控制模块采用国产芯片GD32F407对采集的信息进行处理，对系统发送控制；通信利用通讯模块的5G的通讯能力，对各个逆变器进行控制。

所述协调控制模块在工作时是通过相关MCU程序计算下的第一子模块和第二子模块实现控制的；

所述第一子模块用于参数计算以及对需进行无功调度的可调光伏逆变器的最优选择。协调控制模块根据信息采集模块采集到的信息以及预先设定的节点额定电压确定电压越限节点，计算无功-电压灵敏度矩阵、无功平衡度指标、无功电压电气距离、所需调度无功补偿容量；以无功-电压灵敏度系数，无功平衡度指标、无功电压电器距离为约束条件，对需进行无功调度的可调光伏逆变器进行最优选择；

所述第二子模块用于指令生成以及发送指令，第二子模块根据第一子模块计算所得对应可调光伏逆变器以及所需调度无功补偿容量生成控制指令，并发送到对应逆变器对逆变器无功进行调度。

本发明提供一种基于智能配变终端系统的高比例分布式光伏协同控制方法，包括：

第一过程和第二过程；第一过程中，在智能配变终端监控周期内采集台区内部每个光伏逆变器输出侧和公共连接点的电压、电流数据信息，获取公共连接点状态、台区状态和光伏逆变器剩余容量，确定台区内部电压越限节点和可参与电压调节的光伏逆变器，计算可参与电压调节的光伏逆变器与电压越限节点的无功灵敏度矩阵，确定参与调压设备优先级和无功补偿量，智能配变终端发送控制指令实现台区内部协同控制；第二过程中，智能配变终端之间进行交互式通讯，确定每个台区状态，计算含电压越限点台区的智能配变终端与可参与电压调节台区的智能配变终端之间的无功灵敏度方程，确定参与调压台区优先级和无功补偿量，智能配变终端发送控制指令实现台区之间协同控制；

如图1所示，本发明提供一种基于智能配变终端系统的高比例分布式光伏协同控制方法，

其特征是所述方法包括：第一阶段和第二阶段；第一阶段中，在台区内部对电压越限节点进行无功补偿，直到台区内部剩余无功容量不足则进入第二阶段；第二阶段中通过台区之间进行无功调度直到不存在电压越限节点和个逆变器无无功容量剩余。

所述的台区指一台智能配变终端所控制区域内所有逆变器与节点的集合。

如图2所示，本发明提供一种基于智能配变终端系统的高比例分布式光伏协同控制方法，其第一过程台区内无功补偿步骤为：

S1：智能配变终端采集台区内部每个光伏逆变器输出侧和公共连接点的电压V

其意义为：采集各个节点的信息用作步骤2中对各个节点进行排序，判断出电压越限值最大的节点，并将其作为关键负荷节点，计算公共连接点状态、台区状态和光伏逆变器无功剩余容量以及电流数据信息是为了判断最优补偿无功的光伏逆变器；

S2：将用户侧过电压节点集合中，依据节点电压额定值对各个电压越限节点进行排序，确定电压越限值最大的电压越限节点，记为节点T

其具体过程是：

计算台区光伏集群内所有节点是否为过电压节点，计算公式为

其中，V

计算台区光伏集群的电压越限值计算公式为，

ΔV

并对ΔV

S3：在台区内部对节点T

其具体过程是：

计算台区光伏集群中所有节点对节点T

其计算公式为，

S

从上面得到的结果中，选取S

其计算公式为，

S＝max{S

其中S为无功-电压灵敏度矩阵中最大的元素；即最大无功-电压灵敏度系数，Q

S4：智能配变终端计算调整过后的用户侧节点电压，若台区内不存在过电压节点，则执行S9；否则返回S2，直至台区内部无过电压节点；若台区内存在过电压节点且无可调光伏逆变器则执行S5；

如图3所示，本发明提供一种基于智能配变终端的高比例分布式光伏协同控制方法，其第二过程台区间无功补偿步骤为：

S5：记台区内无可调光伏节点的台区为D；选择台区D内电压越限值最大的节点T

S6：智能配变终端进行交互式通讯，确定每个台区的状态，建立无功电压电气距离矩阵，确定各台区间的无功平衡度指标；记无功电压电气距离最小且满足无功平衡度指标的台区为台区K；

其具体过程为：

计算台区间无功电压电气矩阵，其计算公式为：

根据

令ΔP＝0，有

ΔQ＝(D-CA

令

(D-CA

其中ΔP和ΔQ分别为节点注入有功功率和无功功率的变化量；ΔU为台区所有节点越限电压之和，Δδ为电压相角差，M

计算台区间无功平衡度指标，其计算公式为：

其中Q

S7：智能配变终端计算无功补偿量，选取台区K中无功剩余容量最大的光伏逆变器，对该光伏逆变器发送控制指令，对台区D内的节点T

S8：智能配变终端计算调整过后的用户侧节点电压，若台区内不存在过电压节点，则执行S9；否则返回S5。

S9：无功补偿控制电压越限结束。

如图4所示，本发明提供一种基于智能配变终端系统的高比例分布式光伏协同控制方法，其智能配变终端系统包括：

信息采集模块、协调控制模块；所述信息采集模块用于对台区内部以及台区间的信息采集；对用户侧的信息进行实时监控；所述协调控制模块用于存在电压越限节点用户侧参数计算以及对无功调度的决策，精准调度无功容量，抑制用户侧节点电压越限。

信息采集模块的作用在于：根据预设的电压额定值采集台区每个光伏逆变器输出侧和公共连接点的电压、电流数据信息，获取公共连接点状态、台区状态和光伏逆变器剩余容量；不同智能配变终端的信息采集模块可以进行通讯，向服务器传送和接受台区信息。

协调控制模块包括第一子模块：

所述第一子模块用于参数计算以及对需进行无功调度的可调光伏逆变器的最优选择。协调控制模块根据信息采集模块采集到的信息以及预先设定的节点额定电压确定电压越限节点，计算无功-电压灵敏度矩阵、无功平衡度指标、无功电压电气距离、所需调度无功补偿容量；以无功-电压灵敏度系数最大，无功平衡度指标满足条件、最大无功电压电器距离为约束条件，对需进行无功调度的可调光伏逆变器进行最优选择。

协调控制模块包括第二子模块：

所述第二子模块用于指令生成以及发送指令，第二子模块根据第一子模块计算所得对应可调光伏逆变器以及所需调度无功补偿容量生成控制指令，并发送到对应逆变器对逆变器无功进行调度。

第一子模块与第二子模块是采用国产芯片GD32F407为MCU，对信息采集模块所采集的信息进行参数计算和对系统决策判断，第二子模块根据决策结果通过MCU对系统发送控制指令。

实施例1，

采用某一实际馈线作为分析对象，验证所提方法的有效性。该馈线是10kV辐射型的三相平衡系统，一共有30个节点，线路接入总负荷为14.53MVA，线路中的光伏系统通过升压变压器接入馈线中。

对本分析对象以台区进行分区。

分区结果如图5无功分区结构图。按照台区所控制的节点对分析对象进行分区处理，可对分析对象30个节点分为6个区域。

S1：智能配变终端采集台区内部每个光伏逆变器输出侧和公共连接点的电压V

基准电压与基准功率分别设为10KV和100MVA，母线0作为参考节点，其电压值设为1.04(标幺值)。

S2：将用户侧过电压节点集合中，依据节点电压额定值对各个电压越限节点进行排序，确定电压越限值最大的电压越限节点，记为节点T

经智能配电终端检测某一时刻节点电压幅值曲线如图6所示，取节点30为节点T

S3：在台区内部对节点T

在台区C6中计算出节点28灵敏度系数为最高且无功平衡度指标大于1，智能配变终端向节点28的光伏逆变器发送控制指令，调度无功容量，为节点30进行无功补偿。

S4：智能配变终端计算调整过后的用户侧节点电压，若台区内不存在过电压节点，则执行S9；否则返回S2，直至台区内部无过电压节点。若台区内无可调光伏节点则执行S5；

S5：记台区内无可调光伏节点的台区为D；选择台区D内电压越限值最大的节点T

台区C4内无可调光伏节点，台区内电压越限值最大节点为节点22。

S6：智能配变终端进行交互式通讯，确定每个台区的状态，建立无功电压电气距离矩阵，确定各台区间的无功平衡度指标；记无功电压电气距离最小且满足无功平衡度指标的台区为台区K；

经计算筛选出符合要求的台区为C5。

S7：智能配变终端计算无功补偿量，对逆变器发送控制指令，选取台区K中无功剩余容量最大的光伏逆变器对台区D内的节点T

无功剩余容量最大的为节点24，智能配变终端对逆变器发送控制指令，对台区C4中节点22进行无功补偿。

S8：智能配变终端计算调整过后的用户侧节点电压，若台区内不存在过电压节点，则执行S9；否则返回S5。

S9：无功补偿控制电压越限结束。

采用以台区为分区方法，简化了控制算法的计算量，缩短了控制计算时间，间接提升了响应速度。通过利用智能配变终端加快了系统对灵敏度系数、无功电气距离、无功平衡度指标的计算，通信能力的提升使系统响应迅速，对电力系统各节点信息采集的及时反馈增加了对系统的监控程度。

传统的采用集中式控制方式响应时间较长，而采用分区控制方式在仿真中比集中式控制方式用时缩短近68％，分区控制方式速度更快。控制时间在MATLAB环境中获得的数据如下：

采用所述系统与控制策略对比未使用所述系统与控制策略的效果。

各节点电压全天均运行在(0.95,1.05)(标幺值)之内认为电压节点不越线，如图6所示为未使用本控制策略的电压曲线，从图中可以看出系统电压越限节点较多，在使用本控制策略后效果如图7所示，采用控制策略后虽然还存在部分电压越限节点，但对电压节点越限情况有明显抑制作用。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

本发明未尽事宜为公知技术。