考慮非完美通訊的高光伏滲透率配電網實時電壓協同控制

　　摘要：逆變器集群的無功協同控制算法具有徹底解決高光伏滲透率配電網實時電壓管理難題的潛力。然而，傳統算法在設計時大多未考慮算法所依賴的實際通訊環境存在著隨機時延、丟包等問題，因而此類算法在實際應用中的控制性能可能遠無法達到其設計時的標準。因此，本文提出了一種基于異步迭代更新規則以及具有信息校驗補償機制的一致性算法，并將其應用于分布式光伏逆變器的無功功率協同控制中。本文通過構建離散化的通訊鏈路信息傳遞數學模型，同時結合所提算法的迭代更新規則，建立了算法與通訊相耦合的系統狀態轉移矩陣，并利用遍歷性理論證明了其在非完美通訊環境下的收斂性。仿真結果驗證了所提算法相較于傳統算法在實際應用場景中的優越性。

　　關鍵詞：高光伏滲透率;電壓管理;非完美通訊;異步迭代;一致性算法

　　0引言根據國家能源局最新發布的數據顯示，2019年全國新增集中式光伏裝機容量1791萬千瓦，同比減少22.9%，而新增分布式光伏裝機容量1220萬千瓦，同比增長41.3%[1]。隨著集中式光伏發電裝機容量的日趨飽和，分布式光伏發電系統作為一種靈活的需求側電源將深度融入到未來的智能配電網中。然而，逐年攀升的需求側光伏滲透率正使得傳統配電系統的電壓控制變得愈來愈脆弱。由光伏功率反送所引起的過電壓危害正逐漸成為制約分布式光伏系統發展的瓶頸問題[23]。

　　為抑制系統過電壓，IEEE1547標準[4]首次允許分布式小容量光伏逆變器通過輸出無功功率的方式參與配電網的電壓管理，并給出了諸如恒定功率因數策略和功率因數下垂控制策略等本地電壓控制方法。此類本地控制方法由于缺乏設備間的協調，可能會導致位于饋線末端的逆變器無功功率輸出過飽和，進而使這些逆變器喪失參與系統電壓調節的能力。文獻[57]通過集中式優化算法來實現光伏逆變器集群的協同控制。在此基礎上，文獻[810]分別采用交替方向乘子法、對偶上升法等技術，實現了對原始問題的分布式求解。然而，基于優化理論的協同控制算法通常需要精確的配電系統參數以及實時負荷數據，而這些數據在配電網中并不總是能夠輕易獲得。

　　文獻[11]基于不依賴于電網物理模型的一致性算法提出了一種將光伏逆變器無功本地控制與分布式協同控制相結合的電壓控制架構。文獻[12]以有功功率一致為目標，提出了考慮電動汽車儲能電池能量管理與光伏削減相結合的配電網電壓控制方法。文獻[13]制定了先調節逆變器無功功率后調節儲能有功功率的兩階段分布式一致性控制策略。以上算法在設計時都是以無延時、無丟包的完美通訊系統為前提的。當其應用于實際通訊系統中，一旦出現時延、丟包、甚至個別通訊鏈路故障的情況，算法的控制性能將嚴重下降[1415]。

　　此外，面對數量龐大、分布式配置的小容量光伏發電系統，現有的分布式協同控制算法由于受到實際通訊環境的影響，大都無法較好地實時追蹤快速波動的光伏功率。因此，在網運行的光伏逆變器集群時至今日仍以非協同的本地控制為主要手段來實時調節自身的運行點[16]。為描述通訊網絡對控制算法的影響，文獻[1718]通過引入一致性增益函數，有效抑制了傳輸噪聲和通訊時延，但并未對異步迭代架構量化建模。

　　文獻[1920]基于交替乘子方向法提出考慮通訊時延的異步迭代算法，但其需要一個控制中心以收集網絡信息，并不是真正意義上的分布式算法。在有效可靠的逆變器集群協同控制算法推廣應用之前，配電公司不得不通過限制光伏滲透率的方式來維持系統的電壓穩定[21]。本文以工業需求為出發點，致力于在理論上 推導和設計分布式逆變器集群在實際非完美通訊環境下的實時電壓協同控制方法。

　　為此，本文以一致性算法為載體，通過設計異步迭代架構與信息校驗補償機制來加強算法在隨機時延、丟包環境下的實時追蹤響應性能以及避免穩態收斂誤差。本文旨在探索實際非完美通訊環境對現有分布式協同控制算法的耦合影響，并對傳統算法的迭代規則進行改造，使其在應對不可避免的隨機時延、丟包問題時保持良好的魯棒性并達到預期的控制效果。本文有助于突破高光伏滲透率配電網實時電壓協同控制這一瓶頸技術，并為未來間歇性可再生能源的大規模并網提供堅實的理論基礎和技術支持。完美通訊假設下的電壓協同控制算法

　　分布式電壓協同控制為避免獨立運行的本地無功電壓控制因缺少協同而導致的分布式逆變器間無功功率分配不均、饋線末端逆變器無功功率過飽和等一系列問題，本文以比例一致性算法作為載體，對分布式安裝的光伏逆變器進行協同控制。首先，所有分布式逆變器均能依照1.1節所述方法，通過調節無功功率輸出，以微小的步長t對本地電壓進行實時控制;此外，基于一致性算法的計算結果，每隔一定的時間間隔(算法迭代收斂所需的時間)所有分布式逆變器都會按一定比例重新分配各自的無功補償負擔以實現電壓協同控制。

　　非完美通訊環境中的挑戰及解決方案

　　2.1隨機通訊時延及異步迭代架構

　　固定路徑上發送端到接收端的通訊延遲主要由三個部分組成[22]：1)固定時延;2)網絡負載率不同造成的隨機時延;3)路由轉發引起的隨機時延。傳統分布式協同算法在設計時大多以無時延的理想通訊系統為前提，然而在光伏功率快速波動的情形下，傳統算法給出的逆變器“最優運行點”總是遠滯后于光伏功率的變化。因此，在實際應用中若采用傳統協同控制算法，不但最優運行無法保證，甚至還可能惡化配電網的電壓現狀，使其控制性能遭受到嚴重的挑戰。

　　2.2隨機數據丟包及信息校驗補償

　　在通訊數據包的傳遞過程中，還會因為轉發路由器存儲溢出，進而導致隨機數據丟包[23]。傳統分布式一致性算法若在一定時間內未收到某一鄰近節點信息，為繼續推進算法迭代，在實際操作中通常會復用上一時刻的信息[22,24]。這一妥協的做法將造成一致性變量的穩態值出現偏差，從而導致各逆變器無功補償量偏離預期的控制目標，削弱算法對過電壓事件的緩解效果。

　　2.3配電網實時電壓協同控制

　　對比了本地控制[25]、傳統一致性算法[11]、異步一致性算法下節點3的無功功率吸收量。由于節點3靠近配電饋線的起始端，本地電壓在有大量光伏功率反流的情況下仍無越限風險[26]。因此，在無協同的本地控制下節點3上的逆變器無功吸收量為零(橙色實線)，即該節點上的逆變器并未承擔電壓調節任務;傳統同步一致性算法由于收斂速度慢以及部分數據丟包的影響，逆變器無功吸收量(黃色實線)顯著滯后于理想情況下的實時追蹤目標值(黑色虛線，即假設通訊系統無任何時延、丟包，且算法無需迭代便可瞬間收斂)。而在本文所提異步一致性算法的控制下，節點3的無功吸收量(藍色實線)能夠較好地實時追蹤控制目標值。

　　為在不同控制策略下節點3在各時段無功吸收量的具體數值。以12:09時刻為例，光伏功率正處于快速爬升階段，傳統算法與理想實時追蹤目標值的追蹤誤差為27.71kVar，而本文所提算法與理想實時追蹤目標值在同一時刻的追蹤誤差僅為5.88kVar(由于實際非完美通訊環境的存在，控制算法永遠無法實現對時變目標的零誤差追蹤)。因此相較于傳統方法，所提算法能夠協同分布式逆變器集群的無功補償量快速響應并追蹤光伏功率的劇烈變化。

　　3結論

　　通訊鏈路中不可避免的隨機時延、丟包問題會對分布式協同控制算法的有效性產生重大影響。為提高算法在非完美通訊環境中的魯棒性，本文提出了異步迭代架構以及信息校驗補償機制，并通過引入虛擬通訊節點的方式，建立了可定量描述隨機通訊時延、丟包的數學模型。基于該信息傳遞模型并結合一致性算法，本文進一步給出了通訊與算法相耦合的系統狀態轉移矩陣。

　　最后，本文證明了算法在非完美通訊環境下的收斂性，并相應地設計了算法控制流程。仿真分析結果表明，與傳統一致性算法相比，本文所提算法的追蹤響應性能在含有隨機時延的通訊鏈路上具有明顯優勢，同時還能消除由隨機數據丟包造成的穩態收斂誤差。因此，所提算法在應用于配電網協同電壓控制時，可以迅速地將無功補償負擔在所有分布式光伏逆變器中按比例重新分配，從而避免了饋線末端逆變器因無功功率過飽和而喪失電壓控制能力，進而成功抑制了由高光伏滲透率導致的系統過電壓。

　　參考文獻：

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　　NationalEnergyAdministration.Gridconnectedoperationofphotovoltaicpowergenerationin2019[EB/OL].[20200228].http://www.nea.gov.cn/202002/28/c_138827923.htm(inChinese).

　　[2]ZhaoB，XuZ，XuC，etal.NetworkpartitionbasedzonalvoltagecontrolfordistributionnetworkswithdistributedPVsystems[J].IEEETransactionsonSmartGrid，2018，9(5)：40874098.

　　[3]WangL，YanR，SahaTK.VoltageregulationchallengeswithunbalancedPVintegrationinlowvoltagedistributionsystemsandthecorrespondingsolution[J].AppliedEnergy，2019，256：113927.

　　作者：王力成1，楊宇1，楊曉東2，張有兵1，柴謙益3，劉主光3

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