配电网络中光伏渗透率应如何解决？高光伏又该如何分层控制？

文|娱栀

编辑|娱栀

介绍

全球太阳能光伏（PV）发电容量接近400GW，高PV水平会导致电能质量问题，包括超过ANSI限制的电压上升，以及由辐照度变化引起的高压变化和闪烁。

高光伏配电网中的电压问题可以通过光伏智能逆变器功能得到缓解，目前的研究重点是使用自主伏特-VAR和伏瓦控制策略。

在这种方法中，将为每个逆变器提供预定义的伏特-VAR（或伏特瓦）曲线，逆变器将测量其本地电压，以根据曲线确定其无功（或有功）功率输出。

自主Volt-VAR控制的一个显著缺点是性能在很大程度上取决于曲线的设计，这些曲线可能不是电网上所有运行条件的最佳选择。

这些策略不适应网络限制，也不允许运营商利用光伏逆变器的灵活性进行实时操作，使用基于反馈的实时优化的聚合电压控制方法克服了这个问题。

现有方法采用电压测量，基于歧管的算法和分布式控制策略来执行配电网络中的电压调节，在线算法可以使用配电网中的时变交流最优潮流（ACOPF）公式对动态操作环境进行建模。

分层控制方法使用小型测试系统，并且不研究与现有企业控制的协调，一些工作报告了管理遗留设备和调度DER的多时间尺度控制方法。

电压调节和拥塞管理的双级协调控制方法，用于光伏和电动汽车的配电网，第一级和第二级分别用于校正长期（使用传统设备）和短期电压波动（使用DER逆变器）。

第三级电平控制策略，通过协调传统设备操作和光伏智能逆变器功能，来最大限度地减少电压问题。

模型预测控制用于多时间尺度控制，其中传统设备在慢时间尺度上运行，DER逆变器在VVO的快速时间尺度上调度。

除了PV还考虑了电池储能，以便在快速时间尺度上调度，所有这些关于多时间尺度控制的最新工作都使用了小型平衡测试系统，如33总线，38总线和119总线进行研究。

鉴于太阳能光伏的渗透率不断提高，将这些聚合电压控制方法与现有企业控制无缝集成的新型电网运营架构至关重要。

DEHC架构旨在通过启用混合控制方法实现配电系统的最佳和可靠运行，在这种方法中，由控制变电站和遗留资产的ADMS组成的集中控制层。

将由（a）分布式光伏智能逆变器控制补充，这些控制是通过实时最优潮流（RTOPF）算法实现的。

这些算法在智能光伏逆变器和协调器上实现可以驻留在ADMS上， 或在独立系统上以及（b）电网边缘设备的自主控制。

在这项工作中，商用ADMS平台用于集中控制层，网络边缘网格优化（ENGO）设备在低压二次网络上用作分布式可控Volt-VAR资源，用于网格边缘设备。

这些设备的控制设定点由网格边缘管理系统（GEMS）前端服务器定期发出，与之前相比，这项工作中使用的RTOPF算法具有确保系统级优化的优势。

同时利用光伏智能逆变器的电力电子接口提供的快速响应，拟议的DEHC使用ADMS，基于RTOPF的分布式能源管理系统（DERMS）和公用事业行业可用的电网边缘技术。

与传统的DMS相比，这些技术在实现改进的可扩展性、可控性，可观察性和托管容量方面具有优势。

数据增强型分层控制的主要功能

DEHC架构通过系统集成三个系统来实现混合控制方法，带有前端服务器的电网边缘设备，光伏智能逆变器和具有RTOPF控制的协调器，表1总结了这些系统的功能。

DEHC的主要特点是：以ADMS为中心的操作、电网边缘电压调节、使用RTOPF的分布式光伏智能逆变器控制、协调控制。

以ADMS为中心的操作

ADMS是DEHC架构的核心，它协同协调传统资产、电网边缘设备和光伏智能逆变器的运行。

本研究使用施耐德电气开发的ADMS系统,ADMS包括一个全尺寸网络模型，由地理信息系统填充，带有变电站的客户信息系统，并添加了SCADA点。

以利用高级应用程序进行网络分析和控制，实时ADMS实例通过SCADA系统接收来自现场各种设备的测量结果。

ADMS使用内置的Volt-VAR优化（VVO）应用程序执行基于模型的高级优化，以找到最佳控制策略，并向传统现场设备（分接开关和电容器）和电网边缘设备发出命令。

VVO是一种基于模型的多目标约束优化过程，具有用户可定义的优化标准和约束，在这项工作中，选择客户电压改进（电压调节）作为控制目标。

传统器件状态（包括LTC抽头位置和电容器开/关状态）由施耐德电气ADMS的VVO模块确定，VVO运行专有的多目标优化，考虑LTC/稳压器抽头运动限制。

电网边缘电压调节

ENGO器件，在本文中称为电网边缘器件，在控制配电馈线中的电压曲线方面提供了更大的灵活性。

这些器件使用基于电力电子的快速动作分散式并联VAR技术进行电压调节，每个设备都连接到杆式或垫式服务变压器的次级侧。

可以注入0至10kvar的无功功率，并且可以严格调节服务变压器的电压（控制范围内为±0.5%）。

当足够数量的这些设备正确放置在馈线上时，可以实现馈线范围的调节，电网边缘器件通过通信链路连接到电网边缘管理系统（GEMS），在本文中称为头端服务器。

GEMS定期与ADMS通信，以接收电网边缘设备的最佳电压设定点更新，尽管一旦调度设定点，电网边缘设备就会自主控制。

基于ACOPF模型开发的RTOPF算法用于实现分布式光伏智能逆变器控制，分布式控制方案利用基于电力电子的光伏智能逆变器的快速反馈和调节能力来实现实时控制并确保系统级最优性。

控制协调

这项工作的新颖之处在于在中间和电网边缘级别无缝集成多种电压调节技术，以实现高光伏渗透水平下的可靠系统运行。

现有方法侧重于使用小型测试系统、有限的控制时间尺度进行概念验证，并忽略了与现有分销管理系统的协调。

为了适用于现场部署，研究了多时间尺度控制的综合操作，包括实际大型配电系统上现有的企业控制。

DEHC架构中的控件在三个时间尺度上运行：慢速、中等和快速。这些时间尺度中不同控件的协调。

配电系统建模和DEHC仿真详细信息

OpenDSS中对一组由30MVA，110kV/13.2kV变电站变压器提供的一组四个配电馈线进行建模。

还有13个开关电容器组，每个电容器组的额定值为1.2MVAR，用于电压调节和无功功率管理。

为了模拟高光伏渗透率场景，模型中增加了3000多个分布式光伏系统，峰值发电容量为24兆瓦，相对于最小负荷而言，渗透水平接近200%。

该领域共有113个光伏项目，渗透率为5%。ZIP荷载模型用于系数为=<0.1，0.8，0.1>的荷载。

除了主馈线上的传统电压调节资产外，低压次级侧还有144个ENGO设备用于执行电压调节。ENGO设备充当低压静态补偿器，以调节其端子上的电压。

OpenDSS模型中包括一组安装在现场的144个网格边缘设备，部署这些器件以使用动态无功补偿来改善电压曲线。

馈线和ENGO设备的OpenDSS仿真使用Python软件开发的协同仿真平台与施耐德电气ADMS接口。

协同仿真平台同步ADMS和OpenDSS仿真（包括电网边缘设备）之间的数据交换，它将电压和功率测量值从OpenDSS流式传输到ADMS，作为模拟SCADA。

并将LTC、电容器组和电网边缘设备的最佳设定点从ADMS传递到OpenDSS模型，这些设定点使用OpenDSS模型的Python接口应用于模拟设备。

DEHC架构的实施和运营

DEHC使用商业ADMS，基于RTOPF的原型DERMS，分配模拟器OpenDSS，实时数字模拟器OPAL-RT，HELICS，网格边缘管理系统（GEMS），网格边缘设备（ENGO），网格模拟器和实时自动化控制器（RTAC）实现。

以电压调节为控制目标，在基线方案中，传统设备（LTC和电容器组）处于本地控制模式，电网边缘设备被禁用，光伏逆变器以单位功率因数注入电力。

所有传统和电网边缘设备的馈线头功率、电压和功率测量值以5秒的间隔从OpenDSS模型流式传输到ADMS，作为模拟SCADA测量值。

ADMS每5分钟运行一次VVO，或者当某些内部参数超过预设阈值时运行一次VVO，以计算传统设备和电网边缘设备的最佳设置点。

传统设定点包括LTC和电容器组开/关状态下的所需电压电平，OpenDSS中的光伏逆变器配置为遵循Volt-VAR控制曲线。

基线情景中的变电站需求和光伏总发电量如图7所示，由于太阳能发电量非常高，超过峰值需求，在第10小时到16小时之间观察到高达10兆瓦的反向潮流。

总线电压显示，由于PV发电量高，观察到高达1.08p.u.的高电压，尽管在高峰发电期间平均电压接近1.05p.u，但没有观察到低电压问题。

在观察到最大电压的时间步长下快照潮流仿真的电压曲线，超过400个客户位置的电压大于1.05p.u。

结论

配电网络中光伏渗透率的不断提高，在确保电网可靠性和电能质量方面带来了运营挑战，电压调节是实现高水平光伏并网需要解决的关键问题。

提供各种先进的控制解决方案，可在配电网络的不同级别执行DER控制，所有这些控制解决方案都必须以协调的方式运行，以便在系统级别实现所需的性能。

DEHC架构通过RTOPF集成了ADMS、电网边缘设备控制和分布式光伏智能逆变器控制，开发的框架在软件仿真和HIL实验中使用的配电馈线进行评估。

结果表明，DEHC框架支持的混合协调控制方法在高光伏渗透水平下能够有效地实现所需的电压调节，相对于最小负载高达200%。

通过对传统资产（如LTC和电容器组）以及电网边缘器件的ADMS中心控制以及使用RTOPF算法对光伏智能逆变器进行分布式控制，实现了卓越的电压调节性能。

作为未来工作的一部分，扩展仿真场景，以考虑季节性负荷和发电变化、各种DER混合，并探索其他控制目标。

参考文献：

高光伏渗透公用事业配电馈线上智能光伏逆变器的电压支持研究”， Proc.IEEE43rd光伏专家会议（PVSC）

“智能逆变器伏特-瓦控制对配电系统保护电压降低和电能质量的光伏影响评估”，2016

“用于配电系统上光伏高渗透率的智能逆变器电压/无功控制功能”，IEEE电力系统会议博览会，第1-6页

如果你也喜欢我的文章，不妨点个“关注”吧！小生在此谢过了！

END