- 頭條上海交大學者提出一種新的主動配電網電壓模型預測控制優化方法2023-01-05 作者：高聰哲、黃文燾 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室（上海交通大學）、國網上海市電力公司松江供電公司的研究人員高聰哲、黃文燾、余墨多、陳旸、邰能靈，針對配電網分布式電源出力與負荷功率強波動性與隨機性引起的電壓越限與異常問題，在2022年第13期《電工技術學報》上撰文，提出了一種基于智能軟開關的主動配電網電壓模型預測控制優化方法，可有效解決已有電壓調控方式依賴全局信息且難以應對節點功率快速波動的難題。
隨著清潔能源發電技術的快速發展，配電網中光伏（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性不斷變化，難以與負荷功率匹配，造成了配電網電壓波動、越限等問題，影響配電網的安全穩定運行。因此，亟須對配電網電壓進行優化控制，進一步提升配電網安全、高效消納高滲透率新能源的能力。
針對配電網電壓穩定與潮流控制問題，主動配電網（Active Distribution Network, ADN）對分布式電源、儲能裝置以及有載調壓器（On-Load Tap Changer, OLTC）和可投切電容器組（Capacitor Banks, CBs）等一次設備進行控制，提高了配電網運行的可靠性與經濟性。然而這些一次設備響應速度慢，無法連續調節輸出，難以應對分布式電源的快速出力變化。
近年來，智能軟開關（Soft Open Point, SOP）憑借功率連續可控、控制方式靈活的特點被廣泛應用到主動配電網中。作為一種全控型電力電子裝置，智能軟開關可以替代配電網中部分傳統聯絡開關，對所連饋線的有功和無功功率進行準確、快速、靈活的控制，實現優化主動配電網電壓的功能。
然而基于智能軟開關的電壓優化過程存在外部條件不確定、控制結果非線性等問題，現有優化方法難以在秒級時間尺度上，根據新能源出力變化主動調節智能軟開關傳輸功率，若新能源出力出現短時大幅度波動，將引起電壓越限。基于智能軟開關的主動配電網電壓優化控制方法，是提高配電網電能質量、促進新能源消納的重要需求，有待進一步研究。
目前針對智能軟開關參與配電網電壓優化方法根據時間尺度劃分，主要分為小時級、分鐘級和實時優化三種。小時級及分鐘級的優化方法是長時間尺度優化方法，基于全局系統信息進行建模計算，然后對各個終端設備統一調度，優化結果接近理論上的全局最優。
有研究文獻從長時間優化角度進行研究，提出了有效的全局尺度優化方法。但這類優化方法通常具有復雜的建模過程，優化效果依賴建模與求解的精細程度，求解效率不高，優化間隔較長且每輪優化都需要通信網絡進行信息交換。而配電網中分布式電源、負荷的波動性與隨機性強，分鐘級調控難以有效保證電壓在優化區間內。
實時優化方法通常僅需要本地的量測信息就可以完成控制，能迅速地響應分布式電源和負荷的頻繁波動，在新能源出力波動的情況下能更好地保證配電網電壓穩定。相關文獻通過電壓-無功下垂曲線進行被動調節，調節范圍有限。
模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）作為一種主動優化方法，在發生電壓波動時能主動改變控制策略，保證優化效果。同時模型預測控制方法能有效克服系統的非線性、時變性、不確定性以及干擾等因素的影響，在優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，在主動配電網的電壓優化中被廣泛應用。
相關研究文獻提出了模型預測控制方法在電力系統優化的應用，驗證了模型預測控制方法在應對擾動和不確定因素時具有較好的魯棒性，但優化過程依賴通信網絡，無法實現電網的實時優化控制。智能軟開關作為一種新型電力電子器件，實時傳輸功率高度可控，采用模型預測控制方法進行控制能取得較好的優化效果。
電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室（上海交通大學）、國網上海市電力公司松江供電公司的研究人員高聰哲、黃文燾、余墨多、陳旸、邰能靈，針對配電網分布式電源出力與負荷功率強波動性與隨機性引起的電壓越限與異常問題，在2022年第13期《電工技術學報》上撰文，提出了一種基于智能軟開關的主動配電網電壓模型預測控制優化方法，可有效解決已有電壓調控方式依賴全局信息且難以應對節點功率快速波動的難題。
圖1 含SOP的典型主動配電網拓撲結構
他們首先基于長時間尺度優化結果以及量測數據建立配電網線損與電壓靈敏度矩陣，在實時優化過程中僅利用智能軟開關兩端節點電氣信息，采用基于模型預測控制的滾動優化及反饋校正方法，完成對配電網電壓的快速、實時優化控制。
圖2 配電網電壓實時優化
不同的算例結果表明：該方法在光伏非計劃離網、光伏出力波動以及智能軟開關在不同位置的情況下，均能迅速對配電網電壓變化做出響應，支撐配電網電壓恢復，降低配電網運行損耗；相較于傳統優化方法，能顯著減小配電網節點電壓偏差，應對配電網中新能源出力波動。
圖3 多時間尺度電壓優化流程
研究人員指出，該方法在優化過程中只需采集智能軟開關兩端節點電氣信息，通過優化關鍵節點電壓，實現對配電網電壓的快速、實時優化控制，提升全局電壓質量；在發生電壓波動時能主動改變控制策略，對配電網電壓進行超前優化，保證優化效果；通過反饋校正優化模型，保證滾動優化模型的準確性，更有效降低了電壓波動的幅度。
他們表示，相比現有采用電壓-無功曲線進行下垂控制的實時優化方法，該方法同時調控智能軟開關傳輸的有功與無功功率，更充分地發揮了智能軟開關的調控能力，確保了系統電壓運行在理想范圍內，但智能軟開關損耗會略微增加。
本文編自2022年第13期《電工技術學報》，論文標題為“基于智能軟開關的主動配電網電壓模型預測控制優化方法”。本課題得到了中國電機工程學會“青年人才托舉工程”和深藍計劃的支持。
