李恒

（國網(wǎng)寧東供電公司 寧夏回族自治區(qū)靈武市 750411）

1 引言

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展與科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，環(huán)境污染問題開始得到社會各界人士的廣泛關(guān)注，因此現(xiàn)代能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型以及創(chuàng)新開始逐漸提上日程。我國開始逐漸加大對高效可再生能源與穩(wěn)定能源的研究投入，從而達到清潔電力系統(tǒng)的最終目的，替代掉傳統(tǒng)的火力發(fā)電模式。太陽能作為潛力巨大的可再生能源，已經(jīng)成為轉(zhuǎn)型清潔能源過程中的重要能源?，F(xiàn)如今隨著我國分布式光伏發(fā)電的快速發(fā)展與進步，集群化發(fā)展開始凸顯，許多地區(qū)的配電網(wǎng)光伏發(fā)電滲透率快速增長。

2 研究背景概述

由于分布式光伏發(fā)電集群帶有天然的不確定性因素，導(dǎo)致其波動影響十分嚴(yán)重。光伏并網(wǎng)所使用的裝置主要為電力電子裝置，沒有提供相應(yīng)的系統(tǒng)慣性，將導(dǎo)致其對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成較大影響。近年來隨著光伏裝機容量的快速增加，配電網(wǎng)運行控制也受到了較大影響。目前大部分電壓控制方法使用傳統(tǒng)的控制設(shè)備，比如電容器檔位以及載調(diào)壓變壓器等，其光伏出力變化尺度遠遠小于控制時間，所以傳統(tǒng)的控制方式無法對隨機波動進行有效應(yīng)對。同時由于分布式光伏容量較小、動態(tài)特性復(fù)雜以及分布分散的原因，導(dǎo)致大規(guī)?？刂茖ο蟮南鄳?yīng)速度問題需要光伏發(fā)電的電壓控制進行有效解決。對于電壓控制來說，光伏逆變器自身所具有的無功調(diào)節(jié)能力可對其進行有效調(diào)控，從而確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。同時使用對光伏逆變器無功輸出進行調(diào)節(jié)的方式可對其電壓分布方式進行改變。

對于電壓控制來說，分布式光伏發(fā)電機群的使用提高復(fù)雜程度，導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于電壓控制策略對靈活度以及響應(yīng)速度的要求較高。而全局信息可實現(xiàn)集中獲取，最優(yōu)潮流問題便是電壓優(yōu)化控制的最終本質(zhì)。對于集中式控制來說，需要和所有光伏逆變器進行通信，從而對龐大的數(shù)據(jù)信息進行采集并處理，但由于控制時延較長，因此單點故障問題時有發(fā)生。由于系統(tǒng)狀態(tài)經(jīng)常變化，通信時延將對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成較大影響，因此一旦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，需要對控制模型進行維護工作。對于較為偏遠的地區(qū)來說光伏扶貧系統(tǒng)中集群控制器一旦發(fā)生故障，工作人員需要較長時間才能抵達并進行維修，導(dǎo)致恢復(fù)供電速度較慢，對用戶停電時間進行了延長，對其日常生活造成較大影響。

3 基于分布式牛頓法的配電網(wǎng)光伏發(fā)電集群電壓控制方法

分布式控制方式的使用可對集中計算負(fù)擔(dān)進行有效降低，從而對相應(yīng)速度進行提升。在該基礎(chǔ)上部分分布式控制方式使用了多代理系統(tǒng)，并且在相鄰母線中進行信息交互活動。同時文替方向乘子法在大部分研究中得到了使用，并且對次梯度迭代求解器進行了開發(fā)，最終達到最優(yōu)無功調(diào)度的主要目的。

對于多代理系統(tǒng)來說，其優(yōu)化問題主要包含兩類標(biāo)準(zhǔn)算法，一類是使用一致性迭代的方式，一類是使用次梯度迭代以及對偶分解的方放=法。但以上分布式算法同樣具有一些不足之處，一旦光伏數(shù)量較大，將導(dǎo)致線性收斂速度變慢，從而無法達到大規(guī)模光伏發(fā)電協(xié)調(diào)的最終目的。但分布式牛頓法由于收斂速度較快，已經(jīng)得到了社會各界人士的廣泛關(guān)注。但是在使用牛頓法對牛頓方向進行計算的過程中，需要求逆運算海森矩陣，大部分只能使用收集全局信息的方式來進行實現(xiàn)。近些年來，隨著分布式牛頓法的快速發(fā)展，一些問題擁有耦合約束性簡單以及嚴(yán)格凸的相關(guān)特性時，可使用割線近似以及矩陣分裂的方式來進行分布式迭代。目前許多研究根據(jù)并網(wǎng)風(fēng)電場以及孤立微電網(wǎng)的調(diào)頻問題進行轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐恢滦詥栴}，并使用海森矩陣的方式進行求逆，最終實現(xiàn)矩陣分裂的目的，并隨后使用內(nèi)環(huán)遞推來對牛頓方向進行近似求解。同時由于近似牛頓方向使用了內(nèi)環(huán)遞推，可極大提高內(nèi)環(huán)迭代步數(shù)以及通信次數(shù)，但是與一階分布式算法先比，不具備明顯優(yōu)勢。

本文使用了全新的分布式牛頓法，從而對大規(guī)模分布式光伏集群電壓控制進行實現(xiàn)。針對割線方向近似以及矩陣方塊的基本內(nèi)容，對分布式電壓控制目標(biāo)進行設(shè)定，同時對迭代的通信次數(shù)進行降低。并且根據(jù)大部分分布式方法要求通信具有較高可靠性的問題來說，為解決配電網(wǎng)通信中斷的現(xiàn)象，許多研究人員只對使用本地量測開展電壓控制的方式進行了研究，沒有使用科學(xué)合理的方式對其進行協(xié)調(diào)工作，將導(dǎo)致無功控制設(shè)備檔位頻繁變化，對設(shè)備的使用壽命造成了較大影響。與此同時，部分研究對分段線性化的下垂控制方式進行了研究，但由于下垂特性設(shè)計方式較為落后，導(dǎo)致沒有充分使用無功調(diào)節(jié)能力的全部功能。此外一些研究人員研究了光伏發(fā)電的投影次梯度電控控制方式，并使用了線性化DistFlow 潮流模型，對通信故障問題進行了解決。

本文所研究的根據(jù)相鄰信息所進行交互操作的分布式牛頓電壓控制模式擁有較多優(yōu)勢之處，首先擁有超線性收斂速度，與一階分布式算法相比可有效減少迭代次數(shù)。其次，可對一般形式的上下約束凸優(yōu)化問題進行合理解決，不用再將其轉(zhuǎn)化為一致性形式，并且沒經(jīng)過一步迭代只需要進行兩次分布式通信工作。第三，如果有通信故障現(xiàn)象的發(fā)生，本方法可基于本地信息來對電壓偏移現(xiàn)象進行有效應(yīng)對，對于集中式電壓控制相比，其靈活性以及可靠性大大提高。對于傳統(tǒng)的分布式方法來說，牛頓法不僅擁有超線性收斂速度，同時其控制速度十分敏捷，一旦通信故障發(fā)生可有效對其進行解決，因此本方法可合理應(yīng)用至實際工程中。

4 分布式牛頓法

4.1 近似牛頓迭代

對于節(jié)點電壓來說，在受到相鄰節(jié)點的無功注入時將會發(fā)生比其他節(jié)點更為明顯的影響效果，所以可接受其近似值。近似牛頓迭代方式的使用可幫助節(jié)點本地梯度來對相鄰節(jié)點以及本地節(jié)點的電壓量測開展分布式計算，所以在解決電壓優(yōu)化問題的過程中可使用次梯度算法來對其進行解決，但這種方式無法對收斂緩慢的現(xiàn)象進行解決。在求解一般的近似牛頓迭代式中，其難點以及重點之處在于需要矩陣的全局信息來對海森矩陣進行求解，這種情況將導(dǎo)致分布式迭代的難度直線上升，因此可用近似矩陣來替換掉海森矩陣，而為了對近似的要求進行滿足，應(yīng)使用正定對稱矩陣進行計算，同時還應(yīng)對割線條件進行滿足。此外，由于近似矩陣的結(jié)果并不唯一，所以可根據(jù)高思維分熵的基本概念將近似矩陣的解得值為解集中與迭代矩陣結(jié)果最為接近的值。在通過矩陣的跡來對優(yōu)化問題進行解決后，可獲得近似矩陣的唯一值。

4.2 分布式的實現(xiàn)

在經(jīng)過修正后，相關(guān)梯度以及相關(guān)變量的變化量只使用相關(guān)節(jié)點便可對相鄰節(jié)點信息以及本地節(jié)點信息進行獲取，所以使用求解的方式可對相關(guān)優(yōu)化問題進行解決，同時還可對本地維度近似矩陣子塊進行計算，同時規(guī)范化參數(shù)可對保證近似矩陣的所有特征值大于規(guī)范化參數(shù)。在使用規(guī)范化系數(shù)后還可對節(jié)點的相鄰下降方向進行計算，其中擁有相鄰節(jié)點以及近似節(jié)點所對應(yīng)的分量，可有效解決由于矩陣特征值過小所引發(fā)收斂緩慢問題的發(fā)生。所以牛頓迭代可通過分布式來進行實現(xiàn)，而在具體的迭代過程中，梯度在更新過程中所使用的的實時電壓量測不屬于非潮流計算的結(jié)果。這類反饋迭代方式得當(dāng)使用可提高電壓控制的精準(zhǔn)程度，從而降低牛頓方向近似以及潮流方程線性化的影響。

4.3 通信故障下的本地策略

分布式牛頓電壓控制方式可應(yīng)用于電壓控制的過程中，可有效對通信故障問題進行解決。所以即便只擁有本地測量解決，也可確保電壓具備較高的安全性能。但在實際使用的過程中，如果所有光伏都不具備無功調(diào)節(jié)容量限制，則在對其修正后可保證其最優(yōu)解不發(fā)生變化，并且在充裕的無功調(diào)節(jié)空間中各計算式的最優(yōu)解近似相同。因此在發(fā)生通信故障后，所使用的的方法仍然可以確保系統(tǒng)電壓具備較高的安全性能。而當(dāng)無功調(diào)節(jié)的時間十分充裕的情況下，可保證近似誤差值處于較小的狀態(tài)。所以一旦發(fā)生通信故障，基于分布式的牛頓電壓控制方式擁有較高的靈活性能以及可靠性。

4.4 無功電壓與有功電壓控制方式

在開展合理有效的電壓控制策略中，為了最大化的開展光伏消納工作，應(yīng)在無功子分區(qū)中使用光伏的無功調(diào)節(jié)功能來對電壓進行調(diào)節(jié)，一旦無功調(diào)節(jié)能力較低時，可將其轉(zhuǎn)化至有功分區(qū)中，開展光伏有功剪切功能。在子分區(qū)對電壓進行控制的過程中，可使用靈敏度矩陣并使用對關(guān)鍵光伏節(jié)點進行控制的方式來對子分區(qū)內(nèi)負(fù)荷節(jié)點的電壓進行有效控制，可使用少量的光伏有功容量以及光伏務(wù)工容量將過電壓節(jié)點合理有效的調(diào)整至可控范圍中，對于傳統(tǒng)的控制方式相比，對所有光伏節(jié)點進行集中控制的方式具有更高的控制效率。第一在分區(qū)內(nèi)部中，可將所有的光伏節(jié)點進行標(biāo)記，并且在光伏集群內(nèi)部可對無功容量進行調(diào)節(jié)，將剩余的光伏標(biāo)記為可調(diào)光伏集群，并且對不同負(fù)荷節(jié)點進行區(qū)分，可分為正常節(jié)點集合以及過電壓節(jié)點集合兩種。對于過電壓集合來說，可將電壓增幅較大的節(jié)點當(dāng)做關(guān)鍵負(fù)荷節(jié)點，針對無功電壓靈敏度矩陣，可在可調(diào)光伏集群中找到關(guān)鍵光伏節(jié)點，并針對無功電壓靈敏度來調(diào)整相應(yīng)的無功輸出量。在進行更新的過程中，可將所有電壓節(jié)點控制在可控范圍內(nèi)，當(dāng)區(qū)間內(nèi)沒有可調(diào)光伏時，區(qū)內(nèi)電壓控制過程可最終完成。

5 結(jié)語

近些年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷進步，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題開始引發(fā)了社會的廣泛關(guān)注，因此可再生能源的利用開始逐漸提上日程。光伏發(fā)電作為具有廣闊發(fā)展前景的可再生能源之一，擁有不確定性較高的不足之處，可導(dǎo)致隨機電壓在運行的過程中產(chǎn)生較大波動。在配電網(wǎng)中，高滲透率光伏發(fā)電集群的使用嚴(yán)重影響了電壓控制方式以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。此外光伏逆變器的無功調(diào)節(jié)能力在對分布式光伏進行調(diào)節(jié)后可有效提高電壓分布的經(jīng)濟性以及安全性，因此研究基于分布式牛頓法的配電網(wǎng)光伏發(fā)電集群電壓控制方法具有十分重要的現(xiàn)實意義。