[0001] 本发明涉及一种大规模分布式光伏电压‑频率协调支撑控制方法，属于电力系统运行控制领域。

[0002] 随着分布式光伏在配电网中的海量接入，电力系统安全稳定运行面临巨大的挑战。其中分布式光伏大规模接入最突出的影响为：一是分布式光伏在配网中大规模接入，其出力时序特性与负荷特性失配，极易造成配网潮流反向和局部电压越限，威胁配电网电压安全；二是分布式光伏经逆变器接入电网，无法提供惯量支撑，其大规模接入极大削减了系统中同步发电机等旋转设备的占比，造成系统惯性降低，系统频率稳定面临较大风险。通过大规模分布式光伏的协调控制，充分发掘和利用其灵活的有功和无功调节能力以同时调节配网电压和参与系统频率控制，对于提升电力系统运行安全性和效率具有深远意义。

[0003] 分布式光伏参与配网电压调节与系统频率控制，目前最为成熟方案是采用参数固定的有功/频率和无功/电压下垂控制，但其难以适应复杂多变的系统运行条件，无法保证电压和频率控制的效果。虽然通过定期（15分钟、1小时等）更新分布式光伏有功和无功参考值的控制方案可以同时实现电压和频率的支撑，但这种控制方式无法实现功率的连续调节，分布式光伏响应速度受限于功率参考值更新频率，且该方式没有考虑电压调控与频率控制间客观存在的耦合关系，导致控制效果较差。

[0092] 以下结合附图与实施例对本发明做进一步说明。本发明的实施例所提供的一种大规模分布式光伏电压‑频率协调支撑控制方法流程如图1所示。

[0093] （1）首先，初始化网络拓扑、线路阻抗和分布式光伏容量等基本参数，计算配电网络电压灵敏度系数、潮流线性化系数，分析有功/频率和无功/电压下垂控制回路间的耦合关系，推导临界电压边界。

[0094] 临界电压边界具体为：

[0095]

[0096]

[0097]

[0098]

[0099] 式中： 和 表示临界电压上、下界； 和 分别表示所允许的最大、最小电压； 表示配电网络电压‑有功灵敏度矩阵； 和 分别表示分布式光伏向上、向下电压下垂控制增益构成的向量，其元素分别为 和 ； 表示对角元为 的对角矩阵； 表示单位矩阵； 和 分别为临界电压上界和下界的辅助矩阵；参数 必须满足； 和 分别表示配电网络电压‑无功灵敏度矩阵 的第i个和第j个对角元； 表示配电网络电压‑无功灵敏度矩阵 的第i行第j列元素。

[0100] （2）基于模型预测控制理论，分布式光伏根据本地量测和下垂控制快速改变其输出功率，以最小化分布式光伏有功备用与无功出力为目标，构建分布式光伏本地下垂控制参数优化模型。

[0101] （3）通过对配网潮流模型、分布式光伏无功/电压下垂控制函数、逆变器容量约束以及目标函数进行线性化，将分布式光伏本地下垂控制参数优化模型转化为混合整数线性优化模型。

[0102] 线性化后的配电网潮流模型为：

[0103]

[0104]

[0105] 式中： 表示节点注入功率变化引起的电压变化量； 和 分别表示配网节点注入有功和无功变化量； 和 分别表示节点有功和无功功率注入； 和 表示稳态时配电网节点注入的有功和无功功率； 表示配网相连变电站出口功率变化量； 、和 均为常系数矩阵，分别定义为：

[0106]

[0107]

[0108] 式中： 表示构造对角矩阵； 和 分别表示取实部和虚部； 表示导纳矩阵中除去参考节点相关的行和列后剩余的矩阵； 表示导纳矩阵中对应于参考节点且不包含第一个元素的列构成的向量； 表示参考电压； 表示取共轭运算； 表示系统稳态运行点对应的电压； 表示参考电压幅值； 表示参考电压相角； 和 分别为与变电站相连线路的电导和电纳； 和 分别为矩阵 和 中的第一行，其中 为一常系数矩阵，可通过下式计算：

[0109]

[0110] 线性化后的分布式光伏无功/电压下垂控制函数为：

[0111]

[0112]

[0113]

[0114]

[0115]

[0116]

[0117]

[0118]

[0119] 式中：i表示第i个分布式光伏； ， ， 以及 分别为无功/电压下垂控制函数的饱和阈值下限、死区下限、死区上限、饱和阈值上限； 和 分别表示第i个分布式光伏的向上、向下电压下垂控制增益； 为表示无功/电压下垂控制的第n个区域是否被激活的0‑1变量； 表示测量得到的第i个分布式光伏所连节点上的电压； 和 是常数；为辅助向量，表示当无功/电压下垂控制的不同区域被激活时对应的无功参考指令；
和 分别为对应于电压死区的无功功率参考值和最大可用无功功率； 定
义为 ，表示无功/电压下垂控制器实际输出的无功参考指令， 表示哈达玛积；
表示与无功/电压下垂控制5个线性区域相关的0‑1变量构成的向量；
和 分别表示向量 和 中的第n个元素； 和 表示电压饱和阈
值参数对应的上、下限。

[0120] 线性化后的逆变器容量约束的获取方法为：

[0121] 引入辅助角度 ，将逆变器容量约束表示为；并对逆变器容量约束进行线性化：

[0122]

[0123]

[0124]

[0125] 式中： 表示线性化分段数；0‑1变量 用于指示被激活的区域； = ，其中，   ， 为 。

[0126] 线性化后的目标函数具体为：

[0127]

[0128]

[0129] 式中： 表示单 位向量；向量 ；表示用于目标函数转化的辅助向量； 为转化后的目标函数。

[0130] （4）基于临界电压边界重构分布式光伏本地下垂控制参数混合整数线性优化模型的电压约束，采用求解器求解分布式光伏本地下垂控制参数混合整数线性优化模型并结合求解结果配置分布式光伏本地下垂控制参数，分布式光伏根据本地量测和下垂控制快速改变其输出功率，实现电压和频率协调支撑。

[0131] 其中，基于临界电压边界重构所述分布式光伏本地下垂控制参数混合整数线性优化模型的电压约束，具体为：

[0132]

[0133] 式中： 表示在 时刻预测得到的 时刻节点电压， 和表示 时刻基于 时刻预测值计算得到的上、下临界电压边界。

[0134] 选取固定参数下垂控制、未协调的下垂控制以及协同有功和无功控制3种方法作为对比。电压安全范围设置为[0.95, 1.05] p.u.，并定义有功跟踪误差为配网与主网相连变电站上调节功率与输电系统运营商给定有功参考值间的差，以反映不同方法的控制效果。

[0135] 表1比较了本发明方法和固定参数下垂控制、未协调的下垂控制以及协同有功和无功控制3种控制方法的电压与频率控制效果对比。

[0136] 从表中可以看出，相比于其他方法，本发明方法可以完全跟踪给定有功参考值，跟踪误差为0，而且，可以将电压调节到安全范围内。虽然不协调的下垂控制也可以将电压调节到安全范围内，但无功功率补偿量比本发明方法多0.5806 MVar。协同有功和无功控制方案则无法准确跟踪给定有功参考值，跟踪误差高达0.3254 MW。固定参数下垂控制方案则因为无功补偿不足，导致电压越限。综上，本发明方法在电压调控和频率控制两个任务上均表现良好，控制效果优于传统方法。

[0137] 表 1 不同控制方法的电压和频率控制效果对比

[0138] 方法 最大电压(p.u.) 最大无功功率补偿(MVar) 最大有功跟踪误差(MW)固定参数下垂控制 1.0612 0.2964 0.0264协同有功和无功控制 1.0501 1.1809 0.3254
不协调的下垂控制 1.0316 1.1610 0.0242
本发明方法 1.0460 0.6524 0

[0139] 图2展示了不同控制方法的动态性能。通过与固定参数下垂控制、未协调的下垂控制以及协同有功和无功控制3种方法得到的频率（图2中的（a））和电压控制结果（图2中的（b））进行对比，本发明方法拥有更为优良的动态响应特性。尤其是在频率支撑方面，相比于协同有功和无功控制方案，本发明方法将频率最低点提升了0.0469 Hz，平均减少稳态频率偏差0.0123 Hz。

[0140] 以上结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，并非对本发明保护范围的限制，所有利用本发明说明书及附图内容所做的等效模型或等效算法流程，通过直接或间接运用于其他相关技术领域，均属本发明的专利保护范围内。