基于分布式平均一致性控制的低压配电网光伏-储能系统电压调节方法

《Electronics》：Research on Intelligent Load Optimization Technology for Distribution Networks Based on Distributed Collaborative Control Yu Liu, Zhe Zheng, Mingxuan Li, Wenpeng Cui, Ming Li, Junxiang Bu, Hao Men, Qingchen Yang and Yuzhe Chen

　　

研究人员提出了一种基于分布式平均一致性（Distributed Average Consensus, DAC）算法的低压（Low Voltage, LV）配电网光伏-储能系统（Photovoltaic–Energy Storage System, PV-ESS）电压调节方法。该方法通过定义融合光伏注网功率PPV,i、并网换流器功率PPCC,i及储能充放电功率PESS,i（PESS,i>0表示充电）的节点共识变量ui(t)，同时计入光伏装机容量SPV,i与储能额定容量SESS,i，使各节点仅需与邻居节点交换标量共识变量即可感知全局功率缺额。研究人员选取靠近配电变压器的节点作为主节点（Master Node），接收中压侧下发的有功调整指令ΔPAj并更新参考共识值utref，其余节点执行标准一致性迭代xi(k+1)=Σj∈??PVdijxj(k)，权重系数dij由通信拓扑度计算。仿真结果表明，该DAC控制策略能使含PV-ESS的LV馈线在通信链路部分失效情况下仍维持电压在规定范围内，电压violation index（VVI）仅从0%增至0.3%，验证了方法对单点故障的鲁棒性及减少通信数据量的有效性。

论文解读：

【研究背景与意义】

随着分布式光伏（Photovoltaic, PV）在低压（Low Voltage, LV）配电网中的高比例接入，光伏出力波动及负荷变化引起馈线电压越限问题日益突出。传统集中式电压控制依赖上层集中控制器与全网点对点通信，存在单点故障风险高、通信带宽需求大等缺陷；现有分散式控制多仅利用本地量测，难以实现全局功率平衡协调。储能系统（Energy Storage System, ESS）具备有功/无功调节能力，可与PV协同参与电压支撑，但多单元协同需高效、鲁棒的分布式控制架构。为此，研究人员开展了基于分布式平均一致性（Distributed Average Consensus, DAC）算法的LV配电网PV-ESS协同电压调节研究，成果发表于《Electronics》。

【主要关键技术方法】

研究人员以配备PV-ESS及并网换流器的LV配电网节点为研究对象，定义节点共识变量u_i(t)= (P_PCC,i/S_PV,i) ? (P_ESS,i·Δt / S_ESS,i)，其中第一项表征PV容量用于电网支撑的利用率，第二项表征ESS单控制周期归一化能量交换，使变量线性于P_ESS,i便于反推。选取距配电变压器最近的PV-ESS节点为主节点，接收中压网络下发的全局有功调整量ΔP^A_j，按分段规则更新参考值u_t^ref(k)=u_t^ref(k?1)·(κ?1)+α·ΔP^A_j（ΔP^A_j≠0时）或u_t^ref(k?1)·(κ?1)（ΔP^A_j=0时），α为收敛步长参数。所有节点（含主节点初始化为u_t^ref）执行加权一致性更新x_i(k+1)=Σ_j∈??PVd_ij·x_j(k)，邻接权重d_ij=1/(max(deg(i),deg(j))+1)（j为邻居），d_ii=1?Σ_j≠id_ij。各节点依收敛后的共识值反算ESS功率指令参与电压调节，主节点失效时通过相邻节点心跳（heartbeat）机制重选并沿用末次一致值重启算法。

【研究结果】

2.2 共识变量（Consensus Variable）定义

研究人员构造了同时包含瞬时功率与周期内储能能量的归一化共识变量u_i(t)，证明该形式既反映单元对电压调节与功率平衡的贡献能力，又保持对P_ESS,i的线性关系，利于后续由共识结果解算ESS指令，且仅需广播标量值降低通信负担。

2.3 主节点选择与更新（Master Node Selection and Update）

研究人员阐明主节点应选在距配电变压器最近或通信链路最强的PV-ESS节点，负责接收中压侧ΔP^A_j并按含比例反馈的分段规则更新u_t^ref。增大参数α加速收敛但可能引发振荡，减小α则调节平滑但响应变慢。主节点故障时通过心跳检测在邻节点中自动选举备主节点并以最后一致值重新初始化，仿真显示20%链路断开时VVI仅增0.3%，证明主从架构具工程可行性及单点容错能力。

2.4 基于一致性的信息交互（Consensus-Based Information Exchange）

研究人员给出标准平均一致性迭代式及权重矩阵构造法，证明在连通通信拓扑下各节点状态将指数收敛至全局平均值——即反映全网需分担的功率调节量。节点只需获知邻居度信息计算d_ij，无需全局拓扑知识，适合即插即用（Plug-and-Play）场景。

【讨论与结论】

研究人员指出，所提DAC架构将全局电压调节目标分解为各PV-ESS单元的局部一致性迭代，避免了集中控制器的单点瓶颈。定义的双归一化共识变量兼顾了PV瞬时功率支撑能力与ESS能量状态，使异构资源可在同一标量尺度下参与共识。权重量化方法仅需局部度信息，适应LV配电网动态组网需求。仿真验证表明方法在常态及部分通信中断下均可有效抑制电压越限，VVI近乎为零（故障工况≤0.3%），主节点冗余切换平滑。该研究表明分布式一致性控制可作为LV配电网高比例PV接入场景下经济、可靠、低通信开销的电压管理方案，为后续考虑无功调节、通信延时及三相不平衡的扩展研究奠定理论基础。