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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(wèn)題，影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。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(wèn)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。然而這些一次設(shè)備響應(yīng)速度慢，無(wú)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。

近年來(lái)，智能軟開(kāi)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，智能軟開(kāi)關(guān)可以替代配電網(wǎng)中部分傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，對(duì)所連饋線的有功和無(wú)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。

然而基于智能軟開(kāi)關(guān)的電壓優(yōu)化過(guò)程存在外部條件不確定、控制結(jié)果非線性等問(wèn)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)智能軟開(kāi)關(guān)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?；谥悄苘涢_(kāi)關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)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)智能軟開(kāi)關(guān)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(zhǎng)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)。

有研究文獻(xiàn)從長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(cè)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。相關(guān)文獻(xiàn)通過(guò)電壓-無(wú)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(cè)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)模型預(yù)測(cè)控制方法能有效克服系統(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(guò)程中可以通過(guò)反饋校正糾正模型偏差，適用于模型不確定性大的問(wèn)題，在主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓優(yōu)化中被廣泛應(yīng)用。

相關(guān)研究文獻(xiàn)提出了模型預(yù)測(cè)控制方法在電力系統(tǒng)優(yōu)化的應(yīng)用，驗(yàn)證了模型預(yù)測(cè)控制方法在應(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(guò)程依賴通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。智能軟開(kāi)關(guān)作為一種新型電力電子器件，實(shí)時(shí)傳輸功率高度可控，采用模型預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行控制能取得較好的優(yōu)化效果。

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)）、國(guó)網(wǎng)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(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(wèn)題，在2022年第13期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出了一種基于智能軟開(kāi)關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓模型預(yù)測(cè)控制優(yōu)化方法，可有效解決已有電壓調(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。

圖1 含SOP的典型主動(dòng)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

他們首先基于長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化結(jié)果以及量測(cè)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(guò)程中僅利用智能軟開(kāi)關(guān)兩端節(jié)點(diǎn)電氣信息，采用基于模型預(yù)測(cè)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。

圖2 配電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)優(yōu)化

不同的算例結(jié)果表明：該方法在光伏非計(jì)劃離網(wǎng)、光伏出力波動(dòng)以及智能軟開(kāi)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)。

圖3 多時(shí)間尺度電壓優(yōu)化流程

研究人員指出，該方法在優(yōu)化過(guò)程中只需采集智能軟開(kāi)關(guān)兩端節(jié)點(diǎn)電氣信息，通過(guò)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(guò)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。

他們表示，相比現(xiàn)有采用電壓-無(wú)功曲線進(jìn)行下垂控制的實(shí)時(shí)優(yōu)化方法，該方法同時(shí)調(diào)控智能軟開(kāi)關(guān)傳輸?shù)挠泄εc無(wú)功功率，更充分地發(fā)揮了智能軟開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗會(huì)略微增加。

本文編自2022年第13期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于智能軟開(kāi)關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓模型預(yù)測(cè)控制優(yōu)化方法”。本課題得到了中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)“青年人才托舉工程”和深藍(lán)計(jì)劃的支持。