基于集群划分的含高比例户用光伏的配电网电压控制方法与流程

本发明涉及光伏配电网电压控制，具体为基于集群划分的含高比例户用光伏的配电网电压控制方法。

背景技术：

1、随着光伏发电补贴力度的加大及建设成本的降低，农村配电网正面临一个显著变化：即大量分散布局、小容量的户用光伏系统被接入电网，这一现象已在部分地区形成较高比例，预示着农村能源结构转型的新趋势。但是，由于户用光伏出力具有随机性及间歇性，且与用户使用规律存在一定的差异，并不能及时就地消纳，导致配电网存在大量的高/低电压共存问题，甚至引发电压越限，严重影响配电网的安全稳定运行。目前，在不改变配电网网架结构的基础上，为解决配电网过电压问题，国内外研究主要以传统的就地式控制和集中控制为主。然而，随着高比例、分散式的分布式光伏系统接入农村配电网，传统的就地式控制难以解决由此产生的复杂配电网过电压问题。集中控制对系统通信水平依赖较高，存在管理难度大，响应速度过慢等问题。对配电网进行集群划分，通过改善分布式电源对外整体的集群控制技术为解决上述问题提供了参考。

2、在含高比例户用光伏的配电网中，集群控制与优化通过集群划分将复杂的集中式问题分为多个简化的子问题进行求解，加速了求解过程，优化了整体控制策略。集群控制技术主要涉及集群划分指标的选取及电压控制。针对指标的选取，现有技术从结构性角度出发，通过计算节点间的欧式距离表征电气距离建立模块度函数来进行集群数量的划分。现有技术考虑节点间的电气耦合关系，以节点电压灵敏度表征电气距离进行集群划分。现有技术基于所有节点之间无功-电压关系定义空间电气距离，并根据空间电气距离进行集群划分。上述集群的划分，主要基于系统网架结构和网络参数进行电气距离的建立，着重考虑集群划分的规模，对于集群内部可调功率缺乏考虑。若系统内光伏出力与负荷差异较大，容易出现可调功率不足或过剩的情况。为此，部分学者从功率供需关系角度进行集群指标的构建。现有技术对含高比例分布式光伏的配电网中提出“先无功，后有功”的集群控制，基于有功/无功平衡度指标进行集群的划分。现有技术提出综合考虑结构性与功率供需关系角度进行集群划分，包含模块度函数、有功/无功平衡度指标。但是，仅仅从结构性或功能性角度考虑实现集群的划分存在一定的局限性，不能保证集群划分后的精度，容易造成各集群间相互影响，导致整个配电网的电压控制效果差。针对集群划分后电压的控制，调控手段一般有无功补偿、减少有功输出和有功-无功综合调节3种方式。现有技术提出一种集群电压协调控制策略，能够在不完全量测数据的环境下有效减少集群间的发电损失。现有技术通过配电网的集群划分，结合牛顿法优化无功出力，实现了对配电网电压的精准控制。现有技术以最小化光伏功率损失和网络损耗为目标，设计了一种双层电压控制策略，有效调节了电压水平。然而，当前主流的电压控制方法面临适应性和资源利用效率方面的挑战，它们高度依赖于系统的无功调节能力，这不仅可能引发光伏发电功率的不必要浪费，而且在系统遭遇扰动时，常规的调压资源难以满足快速响应的需求。储能是未来解决新能源消纳的重要手段，考虑以储能作为调压手段，通过管理储能实现电网的电压、有功无功控制为集群划分后电压控制提供新思路。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供了基于集群划分的含高比例户用光伏的配电网电压控制方法。

2、为了实现上述目的，提供的技术方案如下：

3、基于集群划分的含高比例户用光伏的配电网电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、步骤一、集群划分及关键控制节点的选取，具体包括集群综合划分指标、集群划分步骤和关键控制节点选取；

5、步骤二、基于集群划分的电压控制模型，具体包括目标函数、约束条件和模型求解；

6、步骤三、基于集群划分的电压控制方法。

7、优选的，在步骤一中，所述集群综合划分指标包括电气模块度指标、耦合度指标、功率平衡度指标和综合划分指标；

8、所述电气模块度指标的定义如下：

9、首先，为解决复杂网络集群划分的方法，对于网络的规模和结构引入模块度函数的方法；模块度函数定义方法如下：

10、

11、式中：aij表示网络中连接节点i和节点j的边的权重；若节点i和节点j相连，则aij＝1；若不相连，则aij＝0；表示网络中所有与节点i相连的边的权重之和，即节点i的度加权；表示网络中所有边的权重之和；δ(i,j)为指示函数，当网络中的节点i和节点j属于同一个集群时，δ(i,j)＝1；否则，δ(i,j)＝0；

12、然后，引入配电网络中节点间的电气距离来构建模块度指标，由于用储能系统进行调压，通过调整配电网的有功功率来实现电压控制，因此，在构建该指标时其具体表达式为：

13、δv＝svpδp (2)

14、

15、式中，δp表示节点间注入的有功功率变化量，svp,ij表示节点j注入有功功率对节点i电压幅值变化的灵敏度，δv为电压变化量，dij为节点j有功功率变化时，节点j电压变化与节点i变化之比的相关项；

16、鉴于节点间的电气距离不仅取决于直接相连的节点，还受到配电网中所有其他节点的影响，假设配电网中共有n个节点，则网络中节点i和节点j之间的电气距离可考虑上述因素进行计算，具体表达式如下：

17、

18、式中：lij表示节点i和节点j间的电气距离，其值越大，表明两节点间的电气联系越弱，即电气距离越远；在构建模块度函数时，这一电气距离被用作衡量节点间紧密程度的依据，其值越大则相应的边权值在模块度函数中越小；

19、据此，为了量化两节点间的耦合紧密程度，采用电气距离作为依据来定义分区权重av,ij；这一权重反映了节点间电气联系的强弱，其表达式如下所示：

20、

21、式中：l为电气距离矩阵，由此得到基于电气距离的模块度指标；

22、所述耦合度指标的定义为：

23、耦合度指标是衡量集群间及集群内部节点间电气联系紧密程度的一个重要参数，它能够在传统模块度函数的基础上，进一步提升集群划分的准确性和精度，该指标值越大，表示集群内部各节点之间的电气耦合程度越高，为便于集群的运行调控，应保证集群划分后各集群间的耦合度较小，集群内部的耦合度较大，在配电网中，节点间的电气距离可表示节点间的电气耦合程度，用电气距离来表示分区权重，因此可用分区权重来表示耦合度指标，其表达式如下所示：

24、

25、式中：avg()表示求均值函；

26、所述功率平衡度指标的定义为：

27、在配电网中，随着高比例户用光伏的接入，功率流动模式变得复杂，可能出现显著的功率反向流动现象，并伴随电压越限等问题，为确保电网的稳定运行，集群划分过程中必须考虑各集群内部的功率平衡问题，力求减少不必要的功率反向流动；为此，引入功率平衡度指标反映了集群内部功率平衡的状态，数值越大，表示集群内的功率平衡程度越高；其表达公式如下所示：

28、β＝(βp+βq)/2 (7)

29、式中：β表示配电网功率平衡度指标；βp表示配电网系统中总有功平衡度指标；βq表示配电网系统总无功平衡度指标；

30、在电力系统中，有功功率平衡是确保系统稳定运行和电能质量的关键，有功功率平衡度指标直观地反映了集群内有功功率需求与负荷之间的平衡程度，其计算表达式如下所示：

31、

32、式中：pclu(t)i为集群i的净功率特征，t为典型时变场景的时长，c表示集群划分个数；

33、无功功率平衡对于维持系统电压稳定、减少线路损耗以及提高电能质量至关重要。无功功率平衡度指标揭示了集群内无功功率需求与负荷之间的平衡程度，其表达公式如下所示：

34、

35、式中：qs,i与qn,i表示第i个集群无功功率输出的最大值与集群内无功功率的需求值，qi为集群i的无功平衡度；

36、所述综合划分指标的定义为：

37、在高比例户用光伏接入配电网中，结合电气模块度指标、耦合度指标与功率平衡度指标提出一种综合性划分指标，该指标在确保集群规模合理及集群划分精度的基础上，兼顾集群的结构性和功能性，实现结构上的灵活性与功能上的协同性；综合划分指标如下公式所示：

38、

39、式中：c表示集群划分的个数。

40、优选地，在步骤一中，所述集群划分步骤为：

41、步骤1、初始化含高比例户用光伏的配电网集群，获取目标配电网的各项数据；

42、步骤2、将配电网中每个节点作为一个独立的初始集群，利用式(11)计算节点i初始的综合划分指标ρim；

43、步骤3、对于每一个节点i，选取邻居节点j，组合成新的集群(i,j)，随后重新计算集群的综合划分指标ρ'im，通过遍历所有可能的节点组合，计算每种组合情况下的δρ＝ρ′im-ρim，当δρ达到最大的正值时，表明节点i和j之间的组合最优，划分到同一个集群内，据此更新配电网的集群划分状态及相应的综合划分指标；

44、步骤4、将新形成的集群看作一个独立的节点，重复步骤3的集群划分过程；

45、步骤5、重复步骤3和步骤4，直至配电网中不再存在能够通过合并而提升综合划分指标值的节点组合，此时，综合划分指标ρ′im达到最大值时，集群划分过程结束。

46、优选地，在步骤一中，所述关键控制节点选取为针对每个集群内部配置有储能系统的节点，某节点上的储能系统能够在满足集群整体运行需求的前提下，以最优的方式响应系统变化，实现电压控制，该节点定义为关键控制节点；关键控制节点主要是对配电网节点的有功功率进行调节，实现配电网电压控制，反映有功功率与电压的关系，而电压-功率灵敏度表征当前位置节点电压随功率注入的变化情况，因此各集群内部的关键控制节点可通过电压-功率灵敏度大小来选取；

47、电压-功率灵敏度的计算方法主要为潮流计算求逆，在含有n个节点的配电网中，基于潮流方程等式约束，通过对雅可比矩阵进行求逆变换，得到相应的电压-功率灵敏度矩阵，其表达式如下所示：

48、

49、式中：θ、v分别为节点电压相角与电压幅值；p、q分别为节点注入的有功功率、无功功率；sen、j分别为电压-功率灵敏度矩阵和雅可比矩阵；svp、svq、sθp、sθq分别为电压-有功、电压-无功、相角-有功、相角-无功灵敏度子矩阵；

50、在含高比例户用光伏的配电网中，若集群划分后某电压越限集群共含n个节点，其中有m(m≤n)个节点配置储能系统；根据公式(12)分别计算该集群内每个储能节点的电压-有功灵敏度，记为{svp,1,svp,2,…,svp,m}，并对所有储能节点的电压-有功灵敏度进行从大到小排序；此时，将电压-有功灵敏度最大处的节点确定为该越限集群的关键控制节点；在后续的集群电压控制中，优先选择关键控制节点处的储能系统进行充放电。

51、优选地，在步骤二中，以整个配电网内节点电压偏差和网损最小为目标函数，其目标函数可表示为：

52、

53、式中：ui和uj表示节点i与j处的电压；u0表示节点电压基准值，在本发明中为方便计算，采用标幺值表示，u0＝1p.u.；gij和θij分别为节点i与j间的电导和相差角；

54、对两个目标函数进行加权结合，构建综合目标函数如下：

55、f＝αf1+βf2(15)

56、式中：α和β分别代表两个目标函数所代表的权重，本发明按照两目标函数的重要程度分别规定α＝0.7与β＝0.3。

57、优选的，在步骤二中，对目标函数的约束条件如下所示：

58、(1)潮流约束

59、

60、式中：pi和qi分别表示节点i处的有功功率和无功功率；gij和bij分别表示节点i与节点j之间的电导和电纳，θij表示节点i和节点j之间的相差角；

61、(2)节点电压上下限约束

62、umin≤u≤umax (17)

63、式中：umax和umin分别为系统中允许的最大、最小电压，umax＝1.07p.u.与umin＝0.93p.u.；

64、(3)支路电流约束

65、

66、式中：表示节点n与节点l相连的支路电流最大值；

67、(4)储能充放电功率运行约束

68、

69、式中：pmax和pmin分别为储能出力的最大值与最小值；soct为t时刻储能的荷电状态，η为储能的充放电效率，eess为储能能量上限，δt为时间间隔；socmax和socmin分别为保证储能使用寿命下对于储能荷电状态下的最大值与最小值。

70、优选地，在步骤二中，采用粒子群优化算法pso对基于集群划分的电压控制模型进行求解，得到各集群储能节点最优动作功率，实现配电网的电压控制；所述模型求解的步骤为：

71、步骤1、设置粒子的初始位置和速度；

72、步骤2、根据集群综合划分指标进行集群划分，依据有功电压灵敏度选取各集群内关键控制节点，由此设置pso中各个参数；

73、步骤3、设置系统中的粒子搜索范围及约束条件；

74、步骤4、计算适应度函数f＝αf1+βf2，判断相邻15次迭代后适应度是否变化，若变化，则跳到步骤5，否则，跳到步骤8；

75、步骤5、根据约束条件和适应度分别寻找个体和群体适应值；

76、步骤6、更新粒子的位置和速度，更新个体和群体适应值；

77、步骤7、对迭代次数进行判断，如果没有达到最大迭代次数，则返回步骤4；

78、步骤8、得到集群内储能最优动作的功率，满足配电网需求。

79、优选地，在步骤三中，所述基于集群划分的电压控制方法主要分为以下两个部分：

80、(1)配电网集群划分部分：根据上述综合划分指标及划分方法实现对高比例户用光伏的配电网集群划分，此外，设定电压越限的边界值为0.93p.u.～1.07p.u.，将实时负荷和光伏出力数据输入到集群划分后的配电网中，通过潮流计算获取各节点的电压值；若存在节点的电压越限，找到电压越限的节点所属的集群，记为可调集群，此部分结果作为基于集群划分的电压控制的基础；

81、(2)电压控制部分：对配电网中电压越限的集群，计算各集群中储能节点的电压-有功灵敏度，选择各集群的关键控制节点；依据粒子群算法求解集群内所有节点电压恢复至正常范围内的最小必要功率需求。在得到各集群所需功率之后，依据上述基于集群划分的电压控制模型，计及关键控制节点处储能系统的荷电状态，在需要集群内储能充放电的情况下，集群内关键控制节点处的储能系统优先动作；若集群内关键控制节点处储能系统容量不足，则由集群内其他控制节点处的储能系统承担剩余所需功率；

82、若在单个集群内部出现电压正负越限并存的情况下，通过潮流计算确定集群整体的充放电需求净值，首先通过集群内部储能系统的协同调度实现功率平衡；若内部储能容量不足以满足需求，则将剩余功率需求由相邻且耦合紧密的集群进行协同处理；每次储能动作后，均需重新进行潮流计算以验证节点电压是否已回归至允许范围内。

83、本发明的有益效果在于：

84、1、本发明提出的基于集群划分的电压控制方法，利用综合划分指标将配电网划分为多个独立集群，以各集群关键控制节点处储能优先动作实现电压控制，降低了配电网系统整体电压控制的复杂程度，能够快速解决电压越限等问题。

85、2、针对含高比例户用光伏的配电网集群划分问题，本发明提出了综合划分指标。相较于单一的模块度指标，该综合指标在划分效果上提升了22.2％，群内耦合度指标提升了12.66％，功率平衡度指标提升了26.56％。采用此综合划分指标进行配电网集群划分后，所得集群规模合理，且集群内功率分配趋于平衡。

86、3、通过对比未进行集群划分下的电压控制方法，本发明所提方法在整体电压偏差、系统网损以及系统优化调控时间方面具有明显成效。具体表现为整体电压偏差降低了41.47％，系统网损减少了13.76％，系统优化调控时间提升了42.22％，验证了所提方法的有效性。