考慮非完美通訊的高光伏滲透率配電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓協(xié)同控制

　　摘要：逆變器集群的無功協(xié)同控制算法具有徹底解決高光伏滲透率配電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓管理難題的潛力。然而，傳統(tǒng)算法在設(shè)計(jì)時(shí)大多未考慮算法所依賴的實(shí)際通訊環(huán)境存在著隨機(jī)時(shí)延、丟包等問題，因而此類算法在實(shí)際應(yīng)用中的控制性能可能遠(yuǎn)無法達(dá)到其設(shè)計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文提出了一種基于異步迭代更新規(guī)則以及具有信息校驗(yàn)補(bǔ)償機(jī)制的一致性算法，并將其應(yīng)用于分布式光伏逆變器的無功功率協(xié)同控制中。本文通過構(gòu)建離散化的通訊鏈路信息傳遞數(shù)學(xué)模型，同時(shí)結(jié)合所提算法的迭代更新規(guī)則，建立了算法與通訊相耦合的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，并利用遍歷性理論證明了其在非完美通訊環(huán)境下的收斂性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提算法相較于傳統(tǒng)算法在實(shí)際應(yīng)用場景中的優(yōu)越性。

　　關(guān)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(jù)國家能源局最新發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2019年全國新增集中式光伏裝機(jī)容量1791萬千瓦，同比減少22.9%，而新增分布式光伏裝機(jī)容量1220萬千瓦，同比增長41.3%[1]。隨著集中式光伏發(fā)電裝機(jī)容量的日趨飽和，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種靈活的需求側(cè)電源將深度融入到未來的智能配電網(wǎng)中。然而，逐年攀升的需求側(cè)光伏滲透率正使得傳統(tǒng)配電系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)展的瓶頸問題[23]。

　　為抑制系統(tǒng)過電壓，IEEE1547標(biāo)準(zhǔn)[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(wǎng)的電壓管理，并給出了諸如恒定功率因數(shù)策略和功率因數(shù)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(shè)備間的協(xié)調(diào)，可能會(huì)導(dǎo)致位于饋線末端的逆變器無功功率輸出過飽和，進(jìn)而使這些逆變器喪失參與系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的能力。文獻(xiàn)[57]通過集中式優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)光伏逆變器集群的協(xié)同控制。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[810]分別采用交替方向乘子法、對偶上升法等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對原始問題的分布式求解。然而，基于優(yōu)化理論的協(xié)同控制算法通常需要精確的配電系統(tǒng)參數(shù)以及實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在配電網(wǎng)中并不總是能夠輕易獲得。

　　文獻(xiàn)[11]基于不依賴于電網(wǎng)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(xié)同控制相結(jié)合的電壓控制架構(gòu)。文獻(xiàn)[12]以有功功率一致為目標(biāo)，提出了考慮電動(dòng)汽車儲(chǔ)能電池能量管理與光伏削減相結(jié)合的配電網(wǎng)電壓控制方法。文獻(xiàn)[13]制定了先調(diào)節(jié)逆變器無功功率后調(diào)節(jié)儲(chǔ)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(shè)計(jì)時(shí)都是以無延時(shí)、無丟包的完美通訊系統(tǒng)為前提的。當(dāng)其應(yīng)用于實(shí)際通訊系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)時(shí)延、丟包、甚至個(gè)別通訊鏈路故障的情況，算法的控制性能將嚴(yán)重下降[1415]。

　　此外，面對數(shù)量龐大、分布式配置的小容量光伏發(fā)電系統(tǒng)，現(xiàn)有的分布式協(xié)同控制算法由于受到實(shí)際通訊環(huán)境的影響，大都無法較好地實(shí)時(shí)追蹤快速波動(dòng)的光伏功率。因此，在網(wǎng)運(yùn)行的光伏逆變器集群時(shí)至今日仍以非協(xié)同的本地控制為主要手段來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)自身的運(yùn)行點(diǎn)[16]。為描述通訊網(wǎng)絡(luò)對控制算法的影響，文獻(xiàn)[1718]通過引入一致性增益函數(shù)，有效抑制了傳輸噪聲和通訊時(shí)延，但并未對異步迭代架構(gòu)量化建模。

　　文獻(xiàn)[1920]基于交替乘子方向法提出考慮通訊時(shí)延的異步迭代算法，但其需要一個(gè)控制中心以收集網(wǎng)絡(luò)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(xié)同控制算法推廣應(yīng)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(tǒng)的電壓穩(wěn)定[21]。本文以工業(yè)需求為出發(fā)點(diǎn)，致力于在理論上 推導(dǎo)和設(shè)計(jì)分布式逆變器集群在實(shí)際非完美通訊環(huán)境下的實(shí)時(shí)電壓協(xié)同控制方法。

　　為此，本文以一致性算法為載體，通過設(shè)計(jì)異步迭代架構(gòu)與信息校驗(yàn)補(bǔ)償機(jī)制來加強(qiáng)算法在隨機(jī)時(shí)延、丟包環(huán)境下的實(shí)時(shí)追蹤響應(yīng)性能以及避免穩(wěn)態(tài)收斂誤差。本文旨在探索實(shí)際非完美通訊環(huán)境對現(xiàn)有分布式協(xié)同控制算法的耦合影響，并對傳統(tǒng)算法的迭代規(guī)則進(jìn)行改造，使其在應(yīng)對不可避免的隨機(jī)時(shí)延、丟包問題時(shí)保持良好的魯棒性并達(dá)到預(yù)期的控制效果。本文有助于突破高光伏滲透率配電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓協(xié)同控制這一瓶頸技術(shù)，并為未來間歇性可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。完美通訊假設(shè)下的電壓協(xié)同控制算法

　　分布式電壓協(xié)同控制為避免獨(dú)立運(yùn)行的本地?zé)o功電壓控制因缺少協(xié)同而導(dǎo)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(jìn)行協(xié)同控制。首先，所有分布式逆變器均能依照1.1節(jié)所述方法，通過調(diào)節(jié)無功功率輸出，以微小的步長t對本地電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制;此外，基于一致性算法的計(jì)算結(jié)果，每隔一定的時(shí)間間隔(算法迭代收斂所需的時(shí)間)所有分布式逆變器都會(huì)按一定比例重新分配各自的無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)以實(shí)現(xiàn)電壓協(xié)同控制。

　　非完美通訊環(huán)境中的挑戰(zhàn)及解決方案

　　2.1隨機(jī)通訊時(shí)延及異步迭代架構(gòu)

　　固定路徑上發(fā)送端到接收端的通訊延遲主要由三個(gè)部分組成[22]：1)固定時(shí)延;2)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率不同造成的隨機(jī)時(shí)延;3)路由轉(zhuǎn)發(fā)引起的隨機(jī)時(shí)延。傳統(tǒng)分布式協(xié)同算法在設(shè)計(jì)時(shí)大多以無時(shí)延的理想通訊系統(tǒng)為前提，然而在光伏功率快速波動(dòng)的情形下，傳統(tǒng)算法給出的逆變器“最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)”總是遠(yuǎn)滯后于光伏功率的變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用中若采用傳統(tǒng)協(xié)同控制算法，不但最優(yōu)運(yùn)行無法保證，甚至還可能惡化配電網(wǎng)的電壓現(xiàn)狀，使其控制性能遭受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

　　2.2隨機(jī)數(shù)據(jù)丟包及信息校驗(yàn)補(bǔ)償

　　在通訊數(shù)據(jù)包的傳遞過程中，還會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)路由器存儲(chǔ)溢出，進(jìn)而導(dǎo)致隨機(jī)數(shù)據(jù)丟包[23]。傳統(tǒng)分布式一致性算法若在一定時(shí)間內(nèi)未收到某一鄰近節(jié)點(diǎn)信息，為繼續(xù)推進(jìn)算法迭代，在實(shí)際操作中通常會(huì)復(fù)用上一時(shí)刻的信息[22,24]。這一妥協(xié)的做法將造成一致性變量的穩(wěn)態(tài)值出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致各逆變器無功補(bǔ)償量偏離預(yù)期的控制目標(biāo)，削弱算法對過電壓事件的緩解效果。

　　2.3配電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓協(xié)同控制

　　對比了本地控制[25]、傳統(tǒng)一致性算法[11]、異步一致性算法下節(jié)點(diǎn)3的無功功率吸收量。由于節(jié)點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)[26]。因此，在無協(xié)同的本地控制下節(jié)點(diǎn)3上的逆變器無功吸收量為零(橙色實(shí)線)，即該節(jié)點(diǎn)上的逆變器并未承擔(dān)電壓調(diào)節(jié)任務(wù);傳統(tǒng)同步一致性算法由于收斂速度慢以及部分?jǐn)?shù)據(jù)丟包的影響，逆變器無功吸收量(黃色實(shí)線)顯著滯后于理想情況下的實(shí)時(shí)追蹤目標(biāo)值(黑色虛線，即假設(shè)通訊系統(tǒng)無任何時(shí)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(jié)點(diǎn)3的無功吸收量(藍(lán)色實(shí)線)能夠較好地實(shí)時(shí)追蹤控制目標(biāo)值。

　　為在不同控制策略下節(jié)點(diǎn)3在各時(shí)段無功吸收量的具體數(shù)值。以12:09時(shí)刻為例，光伏功率正處于快速爬升階段，傳統(tǒng)算法與理想實(shí)時(shí)追蹤目標(biāo)值的追蹤誤差為27.71kVar，而本文所提算法與理想實(shí)時(shí)追蹤目標(biāo)值在同一時(shí)刻的追蹤誤差僅為5.88kVar(由于實(shí)際非完美通訊環(huán)境的存在，控制算法永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)對時(shí)變目標(biāo)的零誤差追蹤)。因此相較于傳統(tǒng)方法，所提算法能夠協(xié)同分布式逆變器集群的無功補(bǔ)償量快速響應(yīng)并追蹤光伏功率的劇烈變化。

　　3結(jié)論

　　通訊鏈路中不可避免的隨機(jī)時(shí)延、丟包問題會(huì)對分布式協(xié)同控制算法的有效性產(chǎn)生重大影響。為提高算法在非完美通訊環(huán)境中的魯棒性，本文提出了異步迭代架構(gòu)以及信息校驗(yàn)補(bǔ)償機(jī)制，并通過引入虛擬通訊節(jié)點(diǎn)的方式，建立了可定量描述隨機(jī)通訊時(shí)延、丟包的數(shù)學(xué)模型�；�于該信息傳遞模型并結(jié)合一致性算法，本文進(jìn)一步給出了通訊與算法相耦合的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

　　最后，本文證明了算法在非完美通訊環(huán)境下的收斂性，并相應(yīng)地設(shè)計(jì)了算法控制流程。仿真分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)一致性算法相比，本文所提算法的追蹤響應(yīng)性能在含有隨機(jī)時(shí)延的通訊鏈路上具有明顯優(yōu)勢，同時(shí)還能消除由隨機(jī)數(shù)據(jù)丟包造成的穩(wěn)態(tài)收斂誤差。因此，所提算法在應(yīng)用于配電網(wǎng)協(xié)同電壓控制時(shí)，可以迅速地將無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)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(jìn)而成功抑制了由高光伏滲透率導(dǎo)致的系統(tǒng)過電壓。

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　　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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