上海交大学者提出一种基于智能软开关的主动配电网电压模型预测控制优化方法

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随着清洁能源发电技术的快速发展，配电网中光伏（Photovoltaic, PV）等可再生能源渗透率不断提高。分布式电源出力因可再生能源的间歇性与波动性不断变化，难以与负荷功率匹配，造成了配电网电压波动、越限等问题，影响配电网的安全稳定运行。因此，亟须对配电网电压进行优化控制，进一步提升配电网安全、高效消纳高渗透率新能源的能力。

针对配电网电压稳定与潮流控制问题，主动配电网（Active Distribution Network, ADN）对分布式电源、储能装置以及有载调压器（On-Load Tap Changer, OLTC）和可投切电容器组（Capacitor Banks, CBs）等一次设备进行控制，提高了配电网运行的可靠性与经济性。然而这些一次设备响应速度慢，无法连续调节输出，难以应对分布式电源的快速出力变化。

近年来，智能软开关（Soft Open Point, SOP）凭借功率连续可控、控制方式灵活的特点被广泛应用到主动配电网中。作为一种全控型电力电子装置，智能软开关可以替代配电网中部分传统联络开关，对所连馈线的有功和无功功率进行准确、快速、灵活的控制，实现优化主动配电网电压的功能。

然而基于智能软开关的电压优化过程存在外部条件不确定、控制结果非线性等问题，现有优化方法难以在秒级时间尺度上，根据新能源出力变化主动调节智能软开关传输功率，若新能源出力出现短时大幅度波动，将引起电压越限。基于智能软开关的主动配电网电压优化控制方法，是提高配电网电能质量、促进新能源消纳的重要需求，有待进一步研究。

目前针对智能软开关参与配电网电压优化方法根据时间尺度划分，主要分为小时级、分钟级和实时优化三种。小时级及分钟级的优化方法是长时间尺度优化方法，基于全局系统信息进行建模计算，然后对各个终端设备统一调度，优化结果接近理论上的全局最优。

有研究文献从长时间优化角度进行研究，提出了有效的全局尺度优化方法。但这类优化方法通常具有复杂的建模过程，优化效果依赖建模与求解的精细程度，求解效率不高，优化间隔较长且每轮优化都需要通信网络进行信息交换。而配电网中分布式电源、负荷的波动性与随机性强，分钟级调控难以有效保证电压在优化区间内。

实时优化方法通常仅需要本地的量测信息就可以完成控制，能迅速地响应分布式电源和负荷的频繁波动，在新能源出力波动的情况下能更好地保证配电网电压稳定。相关文献通过电压-无功下垂曲线进行被动调节，调节范围有限。

模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）作为一种主动优化方法，在发生电压波动时能主动改变控制策略，保证优化效果。同时模型预测控制方法能有效克服系统的非线性、时变性、不确定性以及干扰等因素的影响，在优化过程中可以通过反馈校正纠正模型偏差，适用于模型不确定性大的问题，在主动配电网的电压优化中被广泛应用。

相关研究文献提出了模型预测控制方法在电力系统优化的应用，验证了模型预测控制方法在应对扰动和不确定因素时具有较好的鲁棒性，但优化过程依赖通信网络，无法实现电网的实时优化控制。智能软开关作为一种新型电力电子器件，实时传输功率高度可控，采用模型预测控制方法进行控制能取得较好的优化效果。

电力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学）、国网上海市电力公司松江供电公司的研究人员高聪哲、黄文焘、余墨多、陈旸、邰能灵，针对配电网分布式电源出力与负荷功率强波动性与随机性引起的电压越限与异常问题，在2022年第13期《电工技术学报》上撰文，提出了一种基于智能软开关的主动配电网电压模型预测控制优化方法，可有效解决已有电压调控方式依赖全局信息且难以应对节点功率快速波动的难题。

图1 含智能软开关的典型主动配电网拓扑结构

他们首先基于长时间尺度优化结果以及量测数据建立配电网线损与电压灵敏度矩阵，在实时优化过程中仅利用智能软开关两端节点电气信息，采用基于模型预测控制的滚动优化及反馈校正方法，完成对配电网电压的快速、实时优化控制。

图2 配电网电压实时优化

不同的算例结果表明：该方法在光伏非计划离网、光伏出力波动以及智能软开关在不同位置的情况下，均能迅速对配电网电压变化做出响应，支撑配电网电压恢复，降低配电网运行损耗；相较于传统优化方法，能显著减小配电网节点电压偏差，应对配电网中新能源出力波动。

图3 多时间尺度电压优化流程

研究人员指出，该方法在优化过程中只需采集智能软开关两端节点电气信息，通过优化关键节点电压，实现对配电网电压的快速、实时优化控制，提升全局电压质量；在发生电压波动时能主动改变控制策略，对配电网电压进行超前优化，保证优化效果；通过反馈校正优化模型，保证滚动优化模型的准确性，更有效降低了电压波动的幅度。

他们表示，相比现有采用电压-无功曲线进行下垂控制的实时优化方法，该方法同时调控智能软开关传输的有功与无功功率，更充分地发挥了智能软开关的调控能力，确保了系统电压运行在理想范围内，但智能软开关损耗会略微增加。

本文编自2022年第13期《电工技术学报》，论文标题为“基于智能软开关的主动配电网电压模型预测控制优化方法”。本课题得到了中国电机工程学会“青年人才托举工程”和深蓝计划的支持。

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