本發(fā)明涉及一種大規(guī)模分布式光伏電壓-頻率協(xié)調(diào)支撐控制方法，屬于電力系統(tǒng)運行控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、隨著分布式光伏在配電網(wǎng)中的海量接入，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行面臨巨大的挑戰(zhàn)。其中分布式光伏大規(guī)模接入最突出的影響為：一是分布式光伏在配網(wǎng)中大規(guī)模接入，其出力時序特性與負荷特性失配，極易造成配網(wǎng)潮流反向和局部電壓越限，威脅配電網(wǎng)電壓安全；二是分布式光伏經(jīng)逆變器接入電網(wǎng)，無法提供慣量支撐，其大規(guī)模接入極大削減了系統(tǒng)中同步發(fā)電機等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的占比，造成系統(tǒng)慣性降低，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定面臨較大風(fēng)險。通過大規(guī)模分布式光伏的協(xié)調(diào)控制，充分發(fā)掘和利用其靈活的有功和無功調(diào)節(jié)能力以同時調(diào)節(jié)配網(wǎng)電壓和參與系統(tǒng)頻率控制，對于提升電力系統(tǒng)運行安全性和效率具有深遠意義。

2、分布式光伏參與配網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)與系統(tǒng)頻率控制，目前最為成熟方案是采用參數(shù)固定的有功/頻率和無功/電壓下垂控制，但其難以適應(yīng)復(fù)雜多變的系統(tǒng)運行條件，無法保證電壓和頻率控制的效果。雖然通過定期（15分鐘、1小時等）更新分布式光伏有功和無功參考值的控制方案可以同時實現(xiàn)電壓和頻率的支撐，但這種控制方式無法實現(xiàn)功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，分布式光伏響應(yīng)速度受限于功率參考值更新頻率，且該方式?jīng)]有考慮電壓調(diào)控與頻率控制間客觀存在的耦合關(guān)系，導(dǎo)致控制效果較差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對相關(guān)背景技術(shù)的局限性，本發(fā)明提供了一種大規(guī)模分布式光伏電壓-頻率協(xié)調(diào)支撐控制方法，該方法優(yōu)化設(shè)計分布式光伏本地有功/頻率和無功/電壓下垂控制曲線，且考慮電壓與頻率控制這兩個任務(wù)間的耦合關(guān)系，能夠以最小化分布式光伏有功備用與無功出力為目標，定期更新和設(shè)置分布式光伏的本地下垂控制參數(shù)，以綜合平衡大規(guī)模分布式光伏電壓和頻率支撐控制的最優(yōu)性和快速性。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)控制方法響應(yīng)速度慢、無法提供連續(xù)功率調(diào)節(jié)、電壓和頻率控制任務(wù)相互干擾等問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

3、一種大規(guī)模分布式光伏電壓-頻率協(xié)調(diào)支撐控制方法，包括以下步驟：

4、1）通過分析有功/頻率和無功/電壓下垂控制回路間的耦合關(guān)系，推導(dǎo)表征分布式光伏最大調(diào)壓能力的臨界電壓邊界；

5、2）基于模型預(yù)測控制理論，考慮分布式光伏無功/電壓和有功/頻率下垂控制函數(shù)，以最小化分布式光伏有功備用與無功出力為目標，構(gòu)建分布式光伏本地下垂控制參數(shù)優(yōu)化模型；

6、3）通過對所述分布式光伏本地下垂控制參數(shù)優(yōu)化模型進行線性化，獲得分布式光伏本地下垂控制參數(shù)混合整數(shù)線性優(yōu)化模型，所述分布式光伏本地下垂控制參數(shù)混合整數(shù)線性優(yōu)化模型具體包括線性化后的配電網(wǎng)潮流模型、線性化后的分布式光伏無功/電壓下垂控制函數(shù)、線性化后的逆變器容量約束以及線性化后的目標函數(shù)；

7、4）基于臨界電壓邊界重構(gòu)所述分布式光伏本地下垂控制參數(shù)混合整數(shù)線性優(yōu)化模型的電壓約束，利用求解器求解分布式光伏本地下垂控制參數(shù)混合整數(shù)線性優(yōu)化模型并結(jié)合求解結(jié)果配置分布式光伏本地下垂控制參數(shù)，分布式光伏根據(jù)本地量測和下垂控制快速改變其輸出功率，實現(xiàn)電壓和頻率協(xié)調(diào)支撐。

8、上述技術(shù)方案中，進一步地，步驟1）中，通過分析有功/頻率和無功/電壓下垂控制回路間的耦合關(guān)系，推導(dǎo)出分布式光伏參與頻率控制時維持配網(wǎng)電壓安全的臨界電壓邊界。具體推導(dǎo)過程為：

9、無功/電壓下垂控制函數(shù)是一個典型的分段函數(shù)，表示為：

10、

11、

12、式中：i表示第i個分布式光伏；，，以及分別為無功/電壓下垂控制函數(shù)的飽和閾值下限、死區(qū)下限、死區(qū)上限、飽和閾值上限；表示分布式光伏i所連節(jié)點上的電壓；和分別表示向上、向下無功/電壓下垂控制增益；和分別為對應(yīng)于電壓死區(qū)的無功功率參考值和最大可用無功功率；表示無功電壓下垂控制輸出的無功控制指令。

13、為防止電壓振蕩，將向上、向下無功/電壓下垂控制增益和設(shè)置為：

14、

15、式中：為一縮放因子；表示配電網(wǎng)無功-電壓靈敏度矩陣中的第i個對角元。

16、假設(shè)所有分布式光伏的無功/電壓下垂控制參數(shù)和均滿足（和分別表示最大、最小允許電壓限值），則對于任意一個初始電壓，當分布式光伏所有向上備用均用于調(diào)頻時,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓可通過求解下述方程得到：

17、

18、式中：表示所有分布式光伏的無功/電壓下垂控制函數(shù)元組向量；表示所有分布式光伏向上備用構(gòu)成的向量；為配電網(wǎng)的有功-電壓靈敏度矩陣。

19、上述方程難以直接求解。不失一般性地，可以強制所有分布式光伏的無功/電壓下垂控制器在穩(wěn)態(tài)時運行于線性段，以實現(xiàn)有效的電壓調(diào)節(jié)。如此，上述方程可簡化為：

20、

21、式中：為臨界電壓上界的輔助矩陣；表示對角元為的對角矩陣；表示單位矩陣；為由下垂增益組成的向量。

22、根據(jù)蓋爾圓盤定理，只要縮放因子滿足，則矩陣可逆。其中，表示配電網(wǎng)絡(luò)電壓-無功靈敏度矩陣的第i行第j列元素，表示配電網(wǎng)無功-電壓靈敏度矩陣中的第j個對角元。如此，穩(wěn)態(tài)電壓可以解析表達為：

23、

24、為保證分布式光伏參與調(diào)頻后配網(wǎng)電壓不越限，則穩(wěn)態(tài)電壓必須滿足（表示所有元素為最大允許電壓上限的列向量），由此可得臨界電壓上界：

25、

26、同理，當分布式光伏所有向下備用被用于調(diào)頻時，維持配網(wǎng)電壓不越限的臨界電壓下界可表示為：

27、

28、式中：為臨界電壓下界的輔助矩陣；表示對角元為的對角矩陣；為由下垂增益組成的向量；表示所有元素為最小允許電壓的列向量。

29、基于上述推導(dǎo)，通過將配電網(wǎng)初始電壓調(diào)節(jié)到臨界電壓上、下界構(gòu)成的范圍內(nèi)，即，可保證分布式光伏參與系統(tǒng)調(diào)頻時不會造成電壓越限。

30、進一步地，步驟2）中，所述分布式光伏本地下垂控制參數(shù)優(yōu)化模型可表示為：

31、

32、

33、

34、

35、

36、

37、

38、

39、

40、

41、

42、

43、式中：為第個優(yōu)化時間段的目標函數(shù)；表示范數(shù)；，，以及均為向量，分別表示分布式光伏在時刻的向上備用、向下備用、輸出有功功率以及無功功率輸出；和分別表示在時刻預(yù)測得到的時刻有功和無功負荷；，和分別表示時刻配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點注入的視在功率、有功功率和無功功率；表示時刻節(jié)點電壓量測值；表示在時刻預(yù)測得到的時刻節(jié)點電壓；表示對角元為的對角矩陣；表示導(dǎo)納矩陣中除去參考節(jié)點相關(guān)的行和列后剩余的矩陣；表示導(dǎo)納矩陣中對應(yīng)于參考節(jié)點且不包含第一個元素的列構(gòu)成的向量；表示時刻的參考電壓；表示取共軛運算；和分別為電壓上、下限；和分別表示時刻分布式光伏i的有功和無功功率調(diào)整量；和分別表示分布式光伏i的本地有功/頻率與無功/電壓下垂控制函數(shù)；表示時刻測量得到的第i個分布式光伏所連節(jié)點上的電壓；和分別表示分布式光伏i的向上、向下頻率下垂控制增益；，，以及分別為有功/頻率下垂控制函數(shù)的飽和閾值下限、死區(qū)下限、死區(qū)上限、飽和閾值上限；和分別表示分布式光伏i的向上、向下備用功率；，，以及分別為無功/電壓下垂控制函數(shù)的飽和閾值下限、死區(qū)下限、死區(qū)上限、飽和閾值上限；和分別為對應(yīng)于電壓死區(qū)的無功功率參考值和最大可用無功功率；為時刻本地頻率；表示分布式光伏i在時刻的有功功率輸出，是的第i個元素；表示分布式光伏i在時刻的最大可用有功功率預(yù)測值；和分別表示分布式光伏所允許的最大向上、向下有功備用系數(shù)；?和分別為輸電系統(tǒng)運營商規(guī)定的向上、向下聚合有功/頻率下垂控制增益；，，和分別表示輸電系統(tǒng)運營商給定的有功/頻率下垂控制函數(shù)的飽和閾值下限、死區(qū)下限、死區(qū)上限、飽和閾值上限；表示分布式光伏i的安裝容量；表示分布式光伏實際輸出無功功率，是的第i個元素；為線性化系數(shù)，用于表示配網(wǎng)各節(jié)點注入功率變化與變電站出口功率調(diào)整量間的關(guān)系；表示分布式光伏數(shù)量；表示分布式光伏所在節(jié)點索引的集合；表示控制時域。

44、進一步地，步驟3）中，所述線性化后的配電網(wǎng)潮流模型，具體是對配電網(wǎng)潮流模型進行線性化得到的，具體過程如下：

45、非線性配網(wǎng)潮流模型表示為：

46、

47、式中：表示配電網(wǎng)各節(jié)點注入功率；和分別表示節(jié)點有功和無功功率注入；表示對角元為配網(wǎng)節(jié)點電壓的對角矩陣；表示參考電壓，取1.0?p.u.。

48、假設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行點對應(yīng)的電壓為，并且存在一個小的電壓擾動，則將代入上式，展開該公式并忽略二階項，同時將實部和虛部重新排列可得線性化潮流模型，具體表示為：

49、

50、式中：和分別表示取的實部和虛部；，，，，和均為常系數(shù)矩陣或向量，分別定義為：

51、

52、式中：表示構(gòu)造對角矩陣。

53、此外，由于配電網(wǎng)中節(jié)點電壓相角變化不大，電壓縱分量遠小于橫分量。因此，可進一步忽略電壓縱分量，利用下式計算配網(wǎng)電壓變化：

54、

55、式中：和分別表示配網(wǎng)節(jié)點注入有功和無功變化量；和表示時刻配電網(wǎng)節(jié)點注入的有功和無功功率。

56、在此基礎(chǔ)上，配網(wǎng)節(jié)點注入有功變化量與變電站出口功率變化量可近似表示為如下線性關(guān)系：

57、

58、

59、式中：為常系數(shù)矩陣；表示參考電壓幅值；表示參考電壓相角；和分別為與變電站相連線路的電導(dǎo)和電納；和分別為矩陣和中的第一行。

60、進一步地，步驟3）中，所述線性化后的分布式光伏無功/電壓下垂控制函數(shù)的獲取方式為，是對分布式光伏無功/電壓下垂控制函數(shù)進行線性化后得到的。所述線性化后的分布式光伏無功/電壓下垂控制函數(shù)為：

61、

62、

63、

64、

65、

66、

67、

68、

69、式中：i表示第i個分布式光伏；，，以及分別為無功/電壓下垂控制函數(shù)的飽和閾值下限、死區(qū)下限、死區(qū)上限、飽和閾值上限；為表示無功/電壓下垂控制的第n個區(qū)域是否被激活的0-1變量，取1時表示無功/電壓下垂控制的第n個區(qū)域被激活；表示測量得到的第i個分布式光伏所連節(jié)點上的電壓；是一個較大的常數(shù)（）；為一非常小的常數(shù)（），以防止出現(xiàn)數(shù)值問題；為一個輔助向量，表示當無功/電壓下垂控制的不同區(qū)域被激活時對應(yīng)的無功參考指令；和分別為對應(yīng)于電壓死區(qū)的無功功率參考值和最大可用無功功率；定義為，表示無功/電壓下垂控制器實際輸出的無功參考指令，表示哈達瑪積；表示與無功/電壓下垂控制5個線性區(qū)域相關(guān)的0-1變量構(gòu)成的向量；和分別表示向量和中的第n個元素；和表示電壓飽和閾值參數(shù)對應(yīng)的上、下限。如前所述，為防止電壓振蕩，將無功/電壓下垂控制增益和均設(shè)置為，故和均為線性項。

70、進一步地，步驟3）中，所述線性化后的逆變器容量約束具體是對分布式光伏逆變器二次容量約束進行線性化后得到的，具體方法為：

71、引入輔助角度，將逆變器容量約束表示為，并對逆變器容量約束進行線性化：

72、

73、

74、

75、式中：表示線性化分段數(shù)；0-1變量用于指示被激活的區(qū)域；表示??，其中?為。

76、進一步地，步驟3）中，所述線性化后的目標函數(shù)具體是對目標函數(shù)進行線性化后得到的，線性化后的目標函數(shù)為：

77、

78、

79、式中：表示單位向量；向量；表示用于目標函數(shù)轉(zhuǎn)化的輔助向量；為轉(zhuǎn)化后的目標函數(shù)。

80、進一步地，步驟4）中，基于推導(dǎo)的臨界電壓邊界，重構(gòu)所述分布式光伏本地下垂控制參數(shù)混合整數(shù)線性優(yōu)化模型的電壓約束，具體為：

81、

82、式中：表示在時刻預(yù)測得到的時刻節(jié)點電壓，和表示時刻基于時刻預(yù)測值計算得到的上、下臨界電壓邊界。

83、通過在下垂控制參數(shù)優(yōu)化階段，將配網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)到區(qū)間內(nèi)，以防止因分布式光伏參與頻率而控制造成配網(wǎng)電壓越限。

84、進一步地，步驟4）中，利用求解器對分布式光伏本地下垂控制參數(shù)優(yōu)化模型進行求解，基于求解結(jié)果配置分布式光伏本地下垂控制參數(shù)，分布式光伏根據(jù)本地量測和下垂控制快速改變其輸出功率，實現(xiàn)分布式光伏的電壓和頻率協(xié)調(diào)支撐，具體為：

85、采用gurobi等求解器，求解電壓約束緊縮的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，得到優(yōu)化后的分布式光伏有功/頻率和無功/電壓下垂控制參數(shù)，并將其發(fā)送給各個分布式光伏。各分布式光伏基于本地電壓和頻率量測值，根據(jù)配置好的有功/頻率和無功/電壓下垂控制參數(shù)，實時調(diào)節(jié)其有功和無功功率輸出，以同時參與配網(wǎng)本地電壓調(diào)節(jié)和系統(tǒng)全局頻率控制。

86、本發(fā)明的有益成果在于：針對大規(guī)模分布式光伏同時參與配網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)與系統(tǒng)頻率控制的問題，提出了基于模型預(yù)測控制的分布式光伏有功/頻率和無功/電壓下垂控制參數(shù)優(yōu)化模型，該模型考慮分布式光伏本地下垂控制邏輯和運行約束，以最小化分布式光伏有功備用與無功出力為目標，對分布式光伏本地電壓和頻率下垂控制參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計；通過線性化配電網(wǎng)潮流約束，利用大m法對無功/電壓下垂控制函數(shù)進行建模，結(jié)合分段線性化技術(shù)線性化逆變器二次容量約束，并將絕對值型目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為線性目標函數(shù)，極大提升模型求解效率，使其可在線應(yīng)用；通過分析有功/頻率和無功/電壓下垂控制回路間的耦合關(guān)系，推導(dǎo)出臨界電壓邊界，準確表征分布式光伏參與頻率控制時的最大電壓調(diào)節(jié)能力；基于所推導(dǎo)的臨界電壓邊界重構(gòu)下垂控制參數(shù)優(yōu)化模型電壓約束，將配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)到合理范圍內(nèi)，有效規(guī)避分布式光伏參與頻率控制時造成的配網(wǎng)電壓越限問題；通過求解下垂控制參數(shù)優(yōu)化模型并配置分布式光伏下垂控制參數(shù)，分布式光伏實時響應(yīng)系統(tǒng)電壓和頻率偏差，在保證配網(wǎng)電壓安全性的同時改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性，并綜合平衡分布式光伏電壓和頻率支撐控制的最優(yōu)性和響應(yīng)速度。