本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于分布式通信的分布式光伏集群動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制方法。

背景技術(shù)：

隨著環(huán)境污染關(guān)注度的逐漸升溫和智能電網(wǎng)建設(shè)的全面推進(jìn)，可再生能源發(fā)電的裝機(jī)容量和并網(wǎng)發(fā)電量持續(xù)增加，電網(wǎng)運(yùn)行方式的時(shí)變性和復(fù)雜性問(wèn)題日益凸顯，極大地增加了電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和控制難度。近年來(lái)，國(guó)家針對(duì)大力支持分布式資源的推廣與應(yīng)用出臺(tái)了一系列政策文件，國(guó)家電網(wǎng)公司也出臺(tái)了“關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見(jiàn)”。以分布式光伏為代表的分布式電源大規(guī)模接入中低壓配電網(wǎng)，一方面減少了電能的遠(yuǎn)距離輸送，降低了化石能源使用比例，有助于提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，減少污染氣體排放，另一方面也使得配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)由單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡(luò)，對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)造成了明顯的沖擊，增加了配電網(wǎng)調(diào)控的難度。由于其量大分散、波動(dòng)性強(qiáng)、投退頻繁、容易脫網(wǎng)的特性，大規(guī)模高滲透率的分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)形成了分布式光伏發(fā)電集群，使得在系統(tǒng)輕載時(shí)容易發(fā)生潮流逆流，導(dǎo)致配電網(wǎng)過(guò)電壓，并可能由于光伏出力的波動(dòng)造成電壓波動(dòng)等問(wèn)題。傳統(tǒng)調(diào)壓方式如電力電容器、調(diào)壓變壓器等，由于響應(yīng)過(guò)慢，無(wú)法解決分布式光伏接入帶來(lái)的調(diào)壓?jiǎn)栴}。愈發(fā)復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和愈加嚴(yán)格的電能質(zhì)量要求，迫使分布式光伏必須主動(dòng)參與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓控制，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

目前，日益成熟的光伏并網(wǎng)逆變器的靈活調(diào)節(jié)能力為分布式光伏參與動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制提供了可能。通過(guò)控制并網(wǎng)逆變器的有功輸出與無(wú)功輸出，可以使分布式光伏發(fā)電集群參與到配電網(wǎng)的潮流優(yōu)化中。配電網(wǎng)通過(guò)對(duì)接有分布式光伏節(jié)點(diǎn)的無(wú)功進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以充分利用分布式光伏發(fā)電的調(diào)壓潛力，為配電網(wǎng)提供新的電壓調(diào)節(jié)手段。然而，目前大部分的分布式光伏電壓控制策略均需要調(diào)控中心進(jìn)行全局控制，這意味著每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率、光照、電壓、電流等信息均需要傳遞到調(diào)控中心。由于分布式光伏發(fā)電集群的發(fā)電節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，地理分布較遠(yuǎn)，集中式控制需要建設(shè)復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)，且嚴(yán)重依賴于集中控制器。一方面，若光伏發(fā)電系統(tǒng)集中控制器發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)壓將無(wú)法工作，因此可靠性很低。另一方面由于傳輸信息量很大，導(dǎo)致很長(zhǎng)的通信延時(shí)，集中模型的維護(hù)和優(yōu)化計(jì)算也將耗費(fèi)大量的時(shí)間，控制速度很難達(dá)到要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于分布式通信的分布式光伏集群動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制方法。本發(fā)明方法能夠協(xié)調(diào)大規(guī)模的分布式光伏發(fā)電，降低分布式光伏發(fā)電對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定帶來(lái)的負(fù)面影響，優(yōu)化集群電壓分布，實(shí)現(xiàn)光伏友好并網(wǎng)；本方法無(wú)需依賴于中央控制器，僅要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)通信，通信成本低，速度快，適用于快速的動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制，成本低廉，適合大規(guī)模應(yīng)用。

本發(fā)明提出的基于分布式通信的分布式光伏集群動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

1)建立分布式光伏集群電壓優(yōu)化模型，表達(dá)式如下：

其中v為分布式光伏集群中除根節(jié)點(diǎn)外各節(jié)點(diǎn)電壓幅值構(gòu)成的向量；μ為除根節(jié)點(diǎn)外各節(jié)點(diǎn)理想電壓幅值構(gòu)成的向量；q^g為分布式光伏集群中各節(jié)點(diǎn)光伏無(wú)功功率注入值構(gòu)成的向量，c為權(quán)重ci構(gòu)成的對(duì)角陣，ci為節(jié)點(diǎn)i的分布式光伏無(wú)功調(diào)節(jié)成本系數(shù)，qi^g為節(jié)點(diǎn)i的光伏無(wú)功功率注入值，qi，為節(jié)點(diǎn)i的光伏無(wú)功功率注入值的上下限，v0為根節(jié)點(diǎn)的電壓幅值；

2)建立分布式光伏集群的支路潮流方程，表達(dá)式如下：

其中pij,qij分別為流過(guò)分布式光伏集群中支路ij的有功功率和無(wú)功功率，rij,xij分別為支路ij的電阻和電抗，vi為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值，pj,qj分別為節(jié)點(diǎn)j有功功率注入值和無(wú)功功率值注入值，nj為節(jié)點(diǎn)j的所有下游節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合；

3)將式(2)-式(4)的支路潮流方程線性化，忽略二次項(xiàng)，并近似認(rèn)為vi+vj≈2，得到分布式光伏集群線性化的支路潮流方程：

vi-vj＝rijpij+xijqij(7)

4)將式(5)-式(7)的線性化的支路潮流方程轉(zhuǎn)化成矩陣形式，得到矩陣化的支路潮流方程：

-mp＝-p(8)

-mq＝-q(9)

m0^t[v0v^t]^t＝m0+m^tv＝drp+dxq(10)

其中m為除去根節(jié)點(diǎn)后的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣，m0為包括根節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣，m0為m0中對(duì)應(yīng)根節(jié)點(diǎn)的那一行的轉(zhuǎn)置，p,q分別為由pij,qij構(gòu)成的列向量，p,q分別為由pj,qj構(gòu)成的列向量，dr,dx分別為由rij和xij構(gòu)成的對(duì)角矩陣；

5)求解步驟4)的矩陣化的支路潮流方程，得到：

其中r＝m^-tdrm^-1，x＝m^-tdxm^-1，q^c為分布式光伏集群中各節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率注入值中不可調(diào)節(jié)的部分，其中m^-t表示m的逆的轉(zhuǎn)置。

6)定義并將步驟1)的優(yōu)化模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到轉(zhuǎn)化后的優(yōu)化模型，表達(dá)式如下：

其中為優(yōu)化模型的最優(yōu)解，argminf(q^g)表示f(q^g)取得最小值時(shí)優(yōu)化變量的取值，q和分別為由qi和構(gòu)成的向量；

7)利用分布式擬牛頓法對(duì)式(12)的轉(zhuǎn)化后的優(yōu)化模型進(jìn)行求解；具體步驟如下：

7-1)令初始迭代步數(shù)t＝1；

7-2)在第t步迭代時(shí)，對(duì)于分布式光伏集群中所有的節(jié)點(diǎn)，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)梯度，對(duì)節(jié)點(diǎn)i，計(jì)算公式如下：

其中g(shù)i(t)為節(jié)點(diǎn)i在第t步迭代時(shí)的目標(biāo)函數(shù)梯度，xij為矩陣x中第i行第j列的元素，vi(t)為節(jié)點(diǎn)i在第t步迭代時(shí)的電壓幅值，μi為各節(jié)點(diǎn)理想電壓幅值構(gòu)成的向量中的第i個(gè)元素，為節(jié)點(diǎn)i的光伏在第t步迭代時(shí)的無(wú)功功率注入值；ni表示分布式光伏集群中與節(jié)點(diǎn)i直接相連的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合；

7-3)所有節(jié)點(diǎn)與相鄰的節(jié)點(diǎn)交換gi(t)的信息，即節(jié)點(diǎn)i獲取相鄰節(jié)點(diǎn)j的gj(t)，并將本地的gi(t)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)j；

7-4)所有節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算與節(jié)點(diǎn)i相鄰的節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率注入值變化向量：

其中為與節(jié)點(diǎn)i相鄰的節(jié)點(diǎn)在第t步迭代時(shí)無(wú)功功率注入值變化向量，矩陣為對(duì)角矩陣，其對(duì)角元素為與節(jié)點(diǎn)i直接相連節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的倒數(shù)；

7-5)所有節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算與節(jié)點(diǎn)i相鄰的節(jié)點(diǎn)在第t步迭代時(shí)的目標(biāo)函數(shù)梯度修正后的變化量：

其中為與節(jié)點(diǎn)i相鄰的節(jié)點(diǎn)在第t步迭代時(shí)的目標(biāo)函數(shù)梯度修正后的變化量，γ為修正系數(shù)；

7-6)所有節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算海森矩陣的近似值：

其中bⁱ(t)為第t步迭代時(shí)近似海森矩陣中對(duì)應(yīng)集合ni中節(jié)點(diǎn)的部分，i為單位矩陣；

7-7)所有節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算擬牛頓方向：

其中為由節(jié)點(diǎn)i得到的原始擬牛頓方向，γ為海森矩陣修正系數(shù)；

7-8)相鄰節(jié)點(diǎn)之間交換原始擬牛頓方向，對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，從所有相鄰節(jié)點(diǎn)j獲取并向相鄰節(jié)點(diǎn)j發(fā)送

7-9)所有節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算本地加權(quán)擬牛頓方向，表達(dá)式如下：

其中di(t)為節(jié)點(diǎn)i在第t步迭代時(shí)的本地加權(quán)擬牛頓方向；

7-10)所有節(jié)點(diǎn)按下式執(zhí)行牛頓迭代：

其中，為節(jié)點(diǎn)i的光伏在第t+1步迭代時(shí)的無(wú)功功率注入值，ε為迭代步長(zhǎng)；

7-11)所有節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)交換梯度和電壓信息，對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，將和vi(t+1)發(fā)送給所有相鄰節(jié)點(diǎn)j，并獲取相鄰節(jié)點(diǎn)j的和vj(t+1)；

7-12)根據(jù)式(19)的計(jì)算結(jié)果對(duì)分布式光伏集群中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功功率控制，并判斷迭代是否收斂：對(duì)于所有節(jié)點(diǎn)i，若則迭代收斂，分布式光伏集群的電壓控制結(jié)束；若否，則迭代尚未收斂，令t＝t+1，重新返回步驟7-2)。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果在于：

1.本發(fā)明建立了分布式光伏發(fā)電集群參與調(diào)壓控制的框架，在光伏發(fā)電節(jié)點(diǎn)側(cè)基于稀疏通信網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，開(kāi)發(fā)了分布式光伏參與電壓調(diào)節(jié)的潛力，從光伏電源自身入手，解決其波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)，降低光伏脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。本發(fā)明充分利用分布式發(fā)電集群中分布式光伏接入節(jié)點(diǎn)的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，控制分布式光伏的無(wú)功輸出，使得集群各節(jié)點(diǎn)的電壓分布最接近預(yù)設(shè)值。

2.本發(fā)明無(wú)需依賴于中央控制器，不需要調(diào)控中心進(jìn)行集中的數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化模型求解，不需要進(jìn)行復(fù)雜的模型維護(hù)和集中優(yōu)化計(jì)算，而只需要各節(jié)點(diǎn)通過(guò)與通信拓?fù)渖舷噜徆?jié)點(diǎn)的通信和數(shù)據(jù)交互，最終通過(guò)迭代控制收斂到全局最優(yōu)解；運(yùn)算成本與通信成本大大降低，可靠性大大提升。本發(fā)明的動(dòng)態(tài)調(diào)壓方法僅要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)通信，通信成本低，速度快，適用于快速的動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制。

3.本發(fā)明提出的基于分布式通信的分布式光伏集群中動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制方法，在每個(gè)光伏發(fā)電節(jié)點(diǎn)僅需測(cè)量無(wú)功功率與電壓信息，可直接在原有光伏逆變器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展改造，建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)的成本低，適合大規(guī)模應(yīng)用。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的基于分布式通信的分布式光伏集群動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制方法，包括以下步驟：

1)建立分布式光伏集群電壓優(yōu)化模型，表達(dá)式如下：

其中v為分布式光伏集群中除根節(jié)點(diǎn)外各節(jié)點(diǎn)電壓幅值構(gòu)成的向量；μ為除根節(jié)點(diǎn)外各節(jié)點(diǎn)理想電壓幅值構(gòu)成的向量，一般取為全部由1構(gòu)成的向量；q^g為分布式光伏集群中各節(jié)點(diǎn)光伏無(wú)功功率注入值構(gòu)成的向量，c為權(quán)重ci構(gòu)成的對(duì)角陣，ci為節(jié)點(diǎn)i的分布式光伏無(wú)功調(diào)節(jié)成本系數(shù)，由分布式光伏設(shè)備自身的建設(shè)和運(yùn)行成本決定，一般情況下，可均取為1，qi^g為節(jié)點(diǎn)i的光伏無(wú)功功率注入值，qi，為節(jié)點(diǎn)i的光伏無(wú)功功率注入值的上下限，v0為根節(jié)點(diǎn)(0號(hào)節(jié)點(diǎn))的電壓幅值。

2)建立分布式光伏集群的支路潮流方程，表達(dá)式如下：

其中pij,qij分別為流過(guò)分布式光伏集群中支路ij(連接節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的支路)的有功功率和無(wú)功功率，rij,xij分別為支路ij的電阻和電抗，vi為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值，pj,qj分別為節(jié)點(diǎn)j有功功率注入值和無(wú)功功率注入值，nj為節(jié)點(diǎn)j的所有下游節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合(所謂節(jié)點(diǎn)j的下游節(jié)點(diǎn)，指與節(jié)點(diǎn)j由一條支路直接相連并遠(yuǎn)離根節(jié)點(diǎn)的那些節(jié)點(diǎn))。

3)將式(2)-式(4)的支路潮流方程線性化，忽略二次項(xiàng)，并近似認(rèn)為vi+vj≈2，得到分布式光伏集群線性化的支路潮流方程：

vi-vj＝rijpij+xijqij(7)

4)將式(5)-式(7)的線性化的支路潮流方程轉(zhuǎn)化成矩陣形式，得到矩陣化的支路潮流方程：

-mp＝-p(8)

-mq＝-q(9)

m0^t[v0v^t]^t＝m0+m^tv＝drp+dxq(10)

其中m為除去根節(jié)點(diǎn)后的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣，m0為包括根節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣，m0為m0中對(duì)應(yīng)根節(jié)點(diǎn)的那一行的轉(zhuǎn)置，p,q分別為由pij,qij構(gòu)成的列向量，p,q分別為由pj,qj構(gòu)成的列向量，dr,dx分別為由rij和xij構(gòu)成的對(duì)角矩陣。

5)求解步驟4)的矩陣化的支路潮流方程，得到：

其中r＝m^-tdrm^-1，x＝m^-tdxm^-1，q^c為分布式光伏集群中各節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率中不可調(diào)節(jié)的部分，其中m^-t表示m的逆的轉(zhuǎn)置。

6)定義并將步驟1)的優(yōu)化模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到轉(zhuǎn)化后的優(yōu)化模型，表達(dá)式如下：

其中為優(yōu)化模型的最優(yōu)解，argminf(q^g)表示f(q^g)取得最小值時(shí)優(yōu)化變量的取值，q和分別為由qi和構(gòu)成的向量。

7)利用分布式擬牛頓法對(duì)式(12)的轉(zhuǎn)化后的優(yōu)化模型進(jìn)行求解；具體步驟如下：

7-1)令初始迭代步數(shù)t＝1；

7-2)在第t步迭代時(shí)，對(duì)于分布式光伏集群中所有的節(jié)點(diǎn)，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)梯度，例如對(duì)節(jié)點(diǎn)i，計(jì)算公式如下：

其中g(shù)i(t)為節(jié)點(diǎn)i在第t步迭代時(shí)的目標(biāo)函數(shù)梯度，xij為矩陣x中第i行第j列的元素，vi(t)為節(jié)點(diǎn)i在第t步迭代時(shí)的電壓幅值，μi為各節(jié)點(diǎn)理想電壓幅值構(gòu)成的向量中的第i個(gè)元素，為節(jié)點(diǎn)i的光伏在第t步迭代時(shí)的無(wú)功功率注入值；ni表示分布式光伏集群中與節(jié)點(diǎn)i直接相連的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合。

7-3)所有節(jié)點(diǎn)與相鄰的節(jié)點(diǎn)交換gi(t)的信息，即節(jié)點(diǎn)i獲取相鄰節(jié)點(diǎn)j的gj(t)，并將本地的gi(t)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)j；

7-4)所有節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算與節(jié)點(diǎn)i相鄰的節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率注入值變化向量：

其中為與節(jié)點(diǎn)i相鄰的節(jié)點(diǎn)在第t步迭代時(shí)無(wú)功功率注入值變化向量，節(jié)點(diǎn)i的相鄰節(jié)點(diǎn)表示那些與節(jié)點(diǎn)i直接相連的節(jié)點(diǎn)，下角標(biāo)ni表示向量或矩陣中對(duì)應(yīng)那些與節(jié)點(diǎn)i相鄰節(jié)點(diǎn)的元素構(gòu)成的向量或矩陣，矩陣為對(duì)角矩陣，其對(duì)角元素為與節(jié)點(diǎn)i直接相連節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的倒數(shù)；

7-5)所有節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算與節(jié)點(diǎn)i相鄰的節(jié)點(diǎn)在第t步迭代時(shí)的目標(biāo)函數(shù)梯度修正后的變化量：

其中為與節(jié)點(diǎn)i相鄰的節(jié)點(diǎn)在第t步迭代時(shí)的目標(biāo)函數(shù)梯度修正后的變化量，γ為修正系數(shù)，取值范圍為0.001～0.1；

7-6)所有節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算海森矩陣的近似值：

其中bⁱ(t)為第t步迭代時(shí)近似海森矩陣中對(duì)應(yīng)集合ni中節(jié)點(diǎn)的部分，i為單位矩陣；

7-7)所有節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算擬牛頓方向：

其中為由節(jié)點(diǎn)i得到的原始擬牛頓方向，γ為海森矩陣修正系數(shù)，取值范圍為0.001～0.1；

7-8)相鄰節(jié)點(diǎn)之間交換原始擬牛頓方向，例如對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，從所有相鄰節(jié)點(diǎn)j獲取并向相鄰節(jié)點(diǎn)j發(fā)送

7-9)所有節(jié)點(diǎn)按下式計(jì)算本地加權(quán)擬牛頓方向，表達(dá)式如下：

其中di(t)為節(jié)點(diǎn)i在第t步迭代時(shí)的本地加權(quán)擬牛頓方向；

7-10)所有節(jié)點(diǎn)按下式執(zhí)行牛頓迭代：

其中，為節(jié)點(diǎn)i的光伏在第t+1步迭代時(shí)的無(wú)功功率注入值，ε為迭代步長(zhǎng)，取值范圍為0.01～1；

7-11)所有節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)交換梯度和電壓信息，例如對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，將和vi(t+1)信息發(fā)送給所有相鄰節(jié)點(diǎn)j，并獲取相鄰節(jié)點(diǎn)j的和vj(t+1)；

7-12)根據(jù)式(19)的計(jì)算結(jié)果對(duì)分布式光伏集群中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功功率控制，并判斷迭代是否收斂：對(duì)于所有節(jié)點(diǎn)i，若則迭代收斂，分布式光伏集群的電壓控制結(jié)束；若否，則迭代尚未收斂，令t＝t+1，重新返回步驟7-2)。