基于逆变器剩余容量的有源光伏配电网光储电压两阶段协调优化控制

《Energies》：Research on Two-Stage Coordinated Optimal Control of PV-ESS Voltage in Active PV Distribution Network Based on Inverter Residual Capacity

　　

在高渗透光伏接入条件下，有源配电网在午间轻载时段因有功功率反送而频繁出现节点电压越上限，而在夜间或光伏出力骤降时又面临电压跌落风险，电压波动呈现双向越限特征。现有对策趋于两极分化：依赖本地测量的快速控制虽然响应及时，但因缺乏全局协调而易于导致电压偏差累积和区域环流；基于迭代通信的全局优化虽然经济性优越，却受制于收敛速度难以匹配光伏出力的秒级波动。此外，上述两类方法均无法根据逆变器实时运行状态动态调用其有功与无功剩余容量，因而难以化解电压调节速度、精度与经济性之间的矛盾。为此，该文提出一种基于逆变器剩余容量的有源配电网光储电压两阶段协同控制优化方法。通过分析光储有功出力对节点电压与网损的耦合影响，揭示有功调节在配电网降损中的主导作用。引入动态安全因子与谐波修正因子以实时量化逆变器的有效剩余容量，使调节边界随运行状态自适应更新。基于本地测量实施动态下垂控制，实现电压越限的毫秒级自治抑制。进而构建以网损与电压偏差最小为目标的区域协调优化模型，通过相邻区域间有限信息交换修正本地指令，从而以极低的通信代价消除电压偏差累积与区域环流。测试结果表明，该方法能够确定不同越限深度下实际的有功功率指令修正量与无功功率指令修正量。控制后光伏逆变器无功出力波动较小，降低网损超过40%。全天全局电压稳定在0.95–1.01 p.u.的窄范围内，验证了该方法在快慢时间尺度协调与动态容量利用方面的综合优势。

研究背景方面，在双碳目标驱动下，分布式光伏（PV）大规模并网使配电网呈现高渗透与有源化特征，传统无源配电网的电压调控模式已难以适应新型电网运行要求。高比例光伏出力的随机性与波动性易引发配电网节点电压越限与快速电压波动，严重降低供电质量与电网运行稳定性，尤其在轻载时段馈线末端电压升高可能超过1.07 p.u.。储能系统（ESS）虽被公认为平抑光伏波动与提供电压支撑的关键资源，但如何协调海量分布式光伏逆变器与储能变流器的调节能力，在无通信快速响应与全局最优经济运行之间取得平衡，仍是当前研究的核心挑战。现有光储电压控制研究多局限于本地快速电压调节或全局优化调度，存在本地控制缺乏全局约束、全局调度响应滞后、光储容量利用率低等缺陷，难以解决电压偏差累积与区域环流等衍生问题。

针对上述问题，研究人员开展了基于逆变器剩余容量的光储电压两阶段协调优化控制研究。在机理分析方面，系统分析光伏与储能有功出力对节点电压与网损的耦合影响，阐明有功调节在配电网降损中的主导作用，突破传统以无功为主的调压逻辑局限。在调节边界刻画方面，引入动态安全因子与谐波修正因子，实现逆变器有效剩余容量的实时量化，使控制边界随运行状态自适应更新。在快速响应方面，提出基于本地测量的动态下垂控制策略，在毫秒级内自治抑制电压越限。在协调优化层面，构建以网损与电压偏差最小为目标的两阶段区域协调模型，仅通过相邻区域间有限信息交互修正本地指令，以极低通信开销消除电压偏差累积与区域环流。研究得出，该方法能够确定不同越限深度下的有功与无功指令修正量，控制后光伏逆变器无功出力波动较小，降低网损超过40%，全天全局电压稳定在0.95–1.01 p.u.窄范围内，验证了该方法在快慢时间尺度协调与动态容量利用方面的综合优势。其重要意义在于为高渗透有源配电网提供了一种兼顾本地自治快速性与全局协调经济性的电压调控新途径。

关键技术方法方面（不超过250字）：研究人员构建了含光伏阵列、储能装置、交直流逆变器与负荷的光储混合系统有源配电网结构及馈线等效简化模型，用于机理分析；提出考虑动态安全因子与谐波修正因子的逆变器有效剩余容量实时量化模型；设计基于本地测量的自适应有功-无功联合下垂控制作为第一阶段；构建以网损与电压偏差最小为目标的区域协调优化模型，采用分布式交替方向乘子法（ADMM）求解作为第二阶段。测试基于某地区10 kV城市有源光伏配电网，光伏总装机2.64 MW，峰值负荷3.2 MW，渗透率约124%。

研究结果方面：第一，光伏-储能混合发电系统对配电网的影响机理分析表明，光伏与储能有功出力直接改变馈线有功潮流分布，从而调节并网点及下游节点电压；在中低压配电网中电阻电抗比较大，有功潮流对电压调节作用显著，且储能可连续双向调节有功出力，故应将储能有功与逆变器剩余无功同时纳入优化控制变量。第二，考虑动态约束的逆变器剩余容量计算表明，引入动态安全因子与谐波修正因子后，可更准确刻画逆变器实际运行的有效调节边界；不同光伏渗透率下主动调节裕度、静态剩余容量与有效剩余容量均随光伏出力增长而持续下降，渗透率超过90%时有功裕度迅速收缩，120%时逆变器接近无功饱和。第三，测量驱动的自适应无功-电压下垂控制表明，下垂系数随越限深度增大或剩余容量充裕而增大，可实现控制力度随运行状态自适应调整。第四，基于有限邻域信息交换的光储电压偏差修正优化表明，该模型可归结为凸二次规划问题并采用分布式ADMM求解，通常3至5次迭代即可收敛，通信中断时系统可平滑回退至本地控制模式。测试结果表明，随归一化越限深度上升，有功与无功指令修正值均逐渐增大，且无功修正值始终高于有功修正值，有功修正值在越限深度小于0.3或大于0.8时上升较快、在0.4至0.7区间变化平缓，体现逆变器剩余容量约束、光储调节能力与越限严重程度之间的耦合效应。控制后光伏逆变器无功出力由控制前均值0.32 kvar、标准差4.1 kvar提升至22–44 kvar范围、均值35.6 kvar、标准差3.2 kvar，前后置信区间不重叠，控制效果具有统计显著性。在逆变器额定容量200 kVA下，多区域功率失配环流、逆变器无功饱和限值、光伏骤降与负荷骤增导致的欠压扰动三种工况下，所提方法网损分别为84.8 kW、89.1 kW、69.7 kW，较方法A降低约17.4%–17.9%，较方法B降低约9.9%–10.5%；且在各越限深度下电压偏差均保持最低。电压协调控制优化结果表明，控制前系统电压呈现严重双向越限，午间高渗透时段馈线末端暂态电压膨胀峰值达1.08 p.u.，夜间低渗透或光伏骤降时暂态电压跌落至0.91 p.u.；控制后全天全区域电压严格约束在0.95–1.01 p.u.窄范围内，本地下垂控制响应时间小于30 ms，光伏爬坡时快速输出感性无功降低电压，光伏骤降时输出容性无功提升电压。

讨论部分总结：该方法通过引入动态安全因子与谐波修正因子给出逆变器有效剩余容量的显式计算，实现下垂系数自适应调整，相比固定分段阈值方法可在无功储备接近耗尽时依据实时运行状态连续调整无功支撑与有功削减的分配比例，为固定阈值方法在无功储备耗尽时的失效模式提供了改进途径；采用相邻区域有限边界信息交换在线修正本地控制指令，在测试的三种典型工况下可有效抑制电压偏差累积与区域间环流，实现通信开销与控制最优性的平衡；在三种典型工况下网损分别降至84.8 kW、89.1 kW、69.7 kW，全局电压稳定在0.95–1.01 p.u.窄范围内，有效消除午间过电压与夜间欠电压的双向越限现象，验证了该方法在快慢时间尺度协调、动态容量利用与多工况适应性方面的有效性。研究结论翻译如下：为解决高光伏渗透有源配电网中本地快速电压调节与全局经济优化难以协调的瓶颈，该文提出一种基于逆变器剩余容量的光储电压两阶段协调控制优化方法，主要结论为：（1）引入动态安全因子与谐波修正因子，给出逆变器有效剩余容量的显式计算方法和下垂系数自适应调整方法，相比固定分段阈值方法，可在无功储备接近耗尽时依据实时运行状态连续调整无功支撑与有功削减的分配比例，为固定阈值方法在无功储备耗尽时的失效模式提供改进途径；（2）采用相邻区域间有限边界信息交换在线修正本地控制指令，在本文测试的三种典型工况下可有效抑制电压偏差累积与区域间环流，实现通信开销与控制最优性的平衡；（3）在多区域功率失配环流、逆变器无功饱和限值、光伏骤降与负荷骤增导致的欠压扰动三种典型工况下，逆变器额定容量为200 kVA时，所提方法网损分别降至84.8 kW、89.1 kW、69.7 kW，在本文测试工况范围内可将全局电压稳定在0.95–1.01 p.u.窄范围内，有效消除午间过电压与夜间欠电压的双向越限现象，上述结果验证了该方法在快慢时间尺度协调、动态容量利用与多工况适应性方面的有效性。未来研究将进一步探索通信退化条件下的降阶控制策略与逆变器剩余容量的数据驱动超短期预测方法，以提升控制系统在极端工况下的适应性与鲁棒性。