基于“源-网-荷-储”互动的主动配电网分布式实时电压控制研究

Large scale integration of distributed energy resources (DERs), including distributed renewable generation, electric vehicle (EV), storage systems, etc., introduces great challenges to the operation of distribution networks. One of the key challenges is the over-voltage or under-voltage issue. This project will study distributed real-time voltage control in order to ensure secure voltages of distribution networks with large scale DERs integrated. The project will start with analyzing the coordination mechanism of var and voltage control devices with different characteristics, and follow the steps of “the coordination mechanism analysis - distributed real-time voltage control”. The research work consists of the follows: 1) analyze the characteristics of different type of var and voltage control devices，and determine the key coordination mechanism; 2) develop distributed real-time voltage control for active distribution networks in order to mitigate voltage fluctuations, 3) study how to optimally coordinate the var/voltage control devices with different characteristics, and mitigation of fast voltage fluctuation in the distributed real-time voltage control for distribution networks. This project will ensure secure voltages in distribution networks with large scale integration of DERs, and increase the hosting capacity of distribution networks for DERs.

大规模分布式资源并网, 包括可再生能源、电动汽车、储能等，对配电网的运行带来很多挑战，其中很重要的一个挑战是电压越限。本项目从主动配电网电压安全运行角度出发，进行分布式实时电压控制的研究。本课题从分布式实时电压控制多时间尺度无功调压设备及动态无功和校正电压控制协调机理出发，以“机理分析-分布式实时电压控制”为主线开展研究，主要研究内容包括： 1）分析配电网不同无功调压设备的特性，确立不同特性无功调压设备协调机制；2）研究抑制快速波动的主动配电网分布式实时电压控制；3）研究分布式实时电压控制中特性各异无功调压设备的协调优化与抑制电压波动的协调。本课题的研究可以确保大规模分布式资源接入下配电网的电压安全运行，提高配电网分布式资源的接入能力。

随着分布式电源(Distributed Generation， DG)并网规模的不断扩大，新能源固有的不确定性、波动性以及间歇性等问题为配电网的安全运行带来了诸多挑战。主动配电网(Active Distribution Network, ADN)的电压控制不仅是配电网安全运行的核心问题，而且还是限制DG在配网中集成的关键。ADN通过对DG、储能系统（Energy Storage System， ESS）、静止无功补偿器(Static Var Compensator, STATCOM)以及有载调压变压器(On-Load Tap Changer, OLTC)等设备进行主动的优化控制，以达到使整个配电网的电压波动维持在允许范围内的目的。本项目通过分析各调压元件的调压机理，建立了多种调压元件的数学模型，并设计了三种ADN分布式实时电压控制策略：基于梯度投影算法(Gradient Projection， GP)和模型预测控制方法(Model Predictive Control， MPC)的分布式协调电压控制策略(Distributed Coordinated Voltage Control, DCVC)，考虑到DG、STATCOM与OLTC不同的时间特性，对调节速度较快的设备利用GP就地控制，抑制配网快速电压波动，而对调节速度较慢的OLTC采用MPC算法进行控制，保证变压器动作的有效性；基于分布式MPC方法的分布式电压控制策略(Distributed Voltage Control, DVC)，在正常运行情况下仅调节DG无功出力，在紧急情况下同时调节DG的有功和无功，实现快速电压调整；基于交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers， ADMM)和MPC方法的双层分布式电压控制策略，基于MPC方法，在上层协调具有较大时间常数和离散特性的电容器组(Capacitor Banks, CBs)、步进电压调节器(Step Voltage Regulator, SVR)以及OLTC，在下层调整DG的有功和无功出力，并利用ADMM将优化问题解耦成多个子问题进行求解，提高了控制策略的求解效率。本项目的研究为大规模DG接入的ADN在不同工况下的实时电压控制提供了切实可行的解决思路，为充分发挥各调压设备的调节能力提供了有效的协调方法。