光伏电站集群的无功电压控制方法及装置与流程

本发明涉及电压控制的，具体而言，涉及光伏电站集群的无功电压控制方法及装置。

背景技术：

1、随着我国光伏装机容量的持续快速增长以及整县光伏试点工作的全面开展，分布式光伏并网渗透率日益提高，光伏电站集群化开发与并网已成为新能源电力系统发展的重要趋势，由于光伏发电具有显著的波动性和间歇性，大规模光伏并网后电力系统的无功电压控制面临严峻挑战；目前，针对光伏电站的无功电压控制已有较为丰富的研究成果，现有技术主要分为集中式控制和分散式控制两大类；集中式控制方法通过将各光伏子站的运行数据汇集至统一的控制中心，由控制中心统一求解全局优化问题后下发控制指令，具有全局最优性好的优点；此外，基于集群划分的控制策略也受到广泛关注，其核心思想是根据光伏节点间的电气耦合关系将大规模光伏系统划分为若干控制子区域，在各子区域内分别实施电压控制。

2、然而，现有光伏电站集群无功电压控制技术存有以下技术问题：

3、（1）现有基于模块度指标的集群划分方法主要考虑节点间的电气耦合强度，忽视了各光伏子站无功调节容量的均衡性，容易导致划分后的各控制子区域无功调节能力差异悬殊，部分子区域因调节容量不足而无法有效响应电压调控需求，而另一些子区域则因调节容量过剩造成资源浪费；

4、（2）集中式控制虽然具有全局最优性，但随着光伏电站集群规模的不断扩大，集中式控制需要汇集海量的运行数据，导致通信负担急剧增加、计算复杂度呈指数级上升，且一旦中心控制器发生故障将导致整个集群失去控制能力，而现有的分散式控制虽然通信负担较轻，但各子区域之间缺乏有效的协调性，难以实现集群级的全局优化。

5、基于以上问题，现亟需一种能够兼顾全局优化性与分布式高效求解的光伏电站集群无功电压控制方法及装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供光伏电站集群的无功电压控制方法及装置，通过引入无功调节容量均衡度权重对电气距离进行修正后再进行模块度最优分区，避免因调节能力不足而无法有效响应调控需求、另一些子区域容量过剩却闲置的不均衡现象。

2、本发明是这样实现的，光伏电站集群的无功电压控制方法，应用于集群协调控制器，具体包括以下步骤：

3、s11：获取光伏电站集群的实时运行数据，对光伏电站集群进行动态分区，并确定各控制子区域的主导节点，以最大化集群的模块度指标为目标，将整个集群划分为若干子区域；

4、s12：针对每个控制子区域，构建以子区域主导节点电压偏差最小化和各光伏子站无功出力均衡化为目标的双层优化模型，采用分布式求解算法对双层优化模型进行求解；

5、s13：根据求解结果，生成各光伏子站的电压调节指令和各无功源的无功功率设定值，将设定值按照电压-无功灵敏度矩阵进行校验，若某一无功源的设定值超出其无功调节能力边界，则对该子区域内所有越界的无功源进行统一处理，统一处理后将电压调节指令和无功功率设定值发送至各光伏子站；

6、s14：各光伏子站接收电压调节指令和无功功率设定值后，采用模型预测控制算法执行跟踪控制，同时模型预测控制算法根据各无功源的实际响应速率差异进行协调，各光伏子站在执行完本地控制后，将实际电压和无功出力数据实时反馈给集群协调控制器；

7、s15：集群协调控制器接收各光伏子站反馈的实时数据后，计算集群并网点的实际电压与电网调度下发的电压目标值之间的偏差，若该偏差的绝对值未超过预设的死区阈值，则判断当前电压合格，若偏差超出死区阈值，则触发集群级二次调整。

8、进一步地，在s11中，获取光伏电站集群的实时运行数据，对光伏电站集群进行动态分区，包括：

9、所述实时运行数据包括各光伏子站的并网点电压、各光伏发电单元的输出有功功率与无功功率、动态无功补偿装置的当前无功出力以及电网调度下发的集群并网点电压目标值；

10、对获取的数据进行滤波去噪和坏数据辨识处理，剔除异常数据后形成有效运行数据集，并按照时间戳对各类数据进行对齐和归一化预处理，获得有效运行数据；

11、基于有效运行数据，计算各光伏子站之间的无功电压灵敏度和电气距离，并引入各子站当前可调无功容量占最大调节容量的比值作为均衡度权重，对电气距离进行加权修正。

12、进一步地，以最大化集群的模块度指标为目标，将整个集群划分为若干子区域，包括：

13、所述改进模块度指标综合考虑各光伏子站间的无功-电压灵敏度、电气距离以及无功调节容量均衡度，将光伏电站集群划分为若干个具有强电气耦合关系和相似无功调节特性的控制子区域；

14、利用修正后的电气距离构建邻接矩阵，以最大化集群模块度为目标，将整个光伏电站集群动态划分为若干控制子区域，限定每个控制子区域包含的光伏子站数量为2至5个，同时在每个控制子区域内，根据各子站对区域电压变化的灵敏度大小进行排序，选取灵敏度最高的子站作为该区域的主导节点。

15、进一步地，在s12中，构建以子区域主导节点电压偏差最小化和各光伏子站无功出力均衡化为目标的双层优化模型，包括：

16、针对每个控制子区域，双层优化模型的上层部分以整个控制子区域的全局电压偏差最小化为目标，将各光伏子站的电压设定值作为决策变量，并同时考虑电压幅值的安全上下限约束、相邻周期设定值变化幅度限制以及整个子区域的功率因数约束，以从全局角度优化各子站的电压设定轨迹；

17、双层优化模型的下层部分以各光伏子站内所有无功源的无功出力增量最小化为目标，将各光伏发电单元逆变器和动态无功补偿装置的无功调节量作为决策变量，并考虑各无功源的出力上下限约束、爬坡速率限制以及逆变器的有功无功容量耦合限制，实现主导节点电压偏差最小化和各子站无功出力均衡化。

18、进一步地，采用分布式求解算法对双层优化模型进行求解，包括：

19、将双层优化模型转化为各控制子区域的局部子问题，每个局部子问题包含该子区域内部的决策变量和与相邻子区域相关的边界耦合变量，各控制子区域求解各自的局部子问题，在求解过程中各子区域仅相互交换边界节点的电压幅值和相角信息；

20、在求解各自的局部子问题过程中，根据相邻两次迭代中原始残差与对偶残差的比值动态调整惩罚系数的大小，各子区域独立判断本地的原始残差和对偶残差是否达到收敛条件，待所有子区域均收敛后终止迭代，输出各子区域的最优电压设定值和无功出力增量。

21、进一步地，在s13中，将设定值按照电压-无功灵敏度矩阵进行校验，若某一无功源的设定值超出其无功调节能力边界，则对该子区域内所有越界的无功源进行统一处理，包括：

22、若某一无功源的设定值超出其无功调节能力边界，则统计该子区域内所有越界无功源的总超出量，并按照各无功源剩余可调容量占总剩余可调容量的比例进行等比例缩减，使超额部分被公平分摊至各具有剩余调节容量的无功源；

23、若经过等比例缩减后仍存在个别无功源设定值越界，则将该无功源的设定值强制设为其边界值，并将多出的超额部分按照各无功源对主导节点电压的调节灵敏度由高到低的顺序，依次重新分配给同子区域内尚具有剩余调节能力的其他无功源，直至所有无功源的设定值均满足自身的调节能力约束；

24、若所有无功源均达到调节上限后仍有未分配的超额部分，则将该部分上报给集群协调控制器，根据全局信息启动跨子区域的无功支援。

25、进一步地，在s14中，各光伏子站接收电压调节指令和无功功率设定值后，采用模型预测控制算法执行跟踪控制，包括：

26、各光伏子站以预先设定的预测时域和控制时域为基础，以未来多个控制周期内电压预测轨迹与设定值之间的偏差最小为目标，同时兼顾各无功源的无功出力变化量最小化以及控制输入量的变化平稳性，构建综合性能评价指标；

27、综合性能评价指标中通过不同的权重系数分别调节电压跟踪精度、无功调节代价和动作平滑性的优先级关系，并加入各无功源的实际响应速率约束，以契合不同类型无功源的调节能力差异；

28、在每个控制周期内，所述模型预测控制算法根据当前时刻的实测状态信息更新预测模型的初始状态，在满足各无功源出力上下限、爬坡速率及逆变器容量耦合的条件下，求解使性能评价指标达到最小的控制时域内最优控制序列，待下一控制周期到来时，算法根据最新的实测状态重新进行预测和优化，并执行上一控制周期的最优控制序列。

29、进一步地，在s15中，若偏差超出死区阈值，则触发集群级二次调整，包括：

30、当集群并网点实际电压与电网调度下发的电压目标值之间的偏差超出预设死区阈值时，先计算每个控制子区域对集群并网点电压的调节灵敏度，并结合各子区域在当前周期内实际的无功出力变化量，量化各子区域对当前电压偏差的贡献责任，得到各子区域的偏差贡献度；

31、然后按照各子区域的偏差贡献度大小确定其调整优先级，偏差贡献度越大的子区域获得越高的调整优先级，同时计算整个集群所需的总无功补偿量；

32、结合各子区域当前的可用无功调节裕度，将总补偿量差异化地分配给各子区域，使偏差贡献度越大且当前调节裕度越大的子区域承担越多的补偿任务，将分配后的补偿量下发至相应的控制子区域，触发各子区域重新执行优化与控制流程，直至集群电压偏差收敛至死区阈值以内。

33、进一步地，触发各子区域重新执行优化与控制流程，直至集群电压偏差收敛至死区阈值以内，包括：

34、各控制子区域接收集群协调控制器下发的无功补偿量后，将该补偿量叠加至本区域的总无功需求中，重新启动各自的双层优化求解和模型预测控制跟踪流程；

35、各子区域完成新一轮控制后将实际电压和无功出力数据反馈至集群协调控制器，重新计算集群并网点电压偏差并进行收敛性判断，若偏差仍超出死区阈值则继续迭代调整；

36、若经过预设次数的二次调整后集群并网点电压偏差仍未收敛至死区阈值以内，则判定当前扰动程度已超出集群自身无功调节能力的极限，即判定为集群级电压失控状态，集群协调控制器立即向电网调度中心发出包含偏差量、已调次数和当前无功裕度信息的告警信号，并请求外部调度指令介入，由调度中心根据全网情况决策后续措施。

37、与现有技术相比，本发明提供的光伏电站集群的无功电压控制方法及装置，具备以下有益效果：

38、1、通过引入无功调节容量均衡度权重对电气距离进行修正后再进行模块度最优分区，避免因调节能力不足而无法有效响应调控需求、另一些子区域容量过剩却闲置的不均衡现象；同时在双层优化求解后增加了基于灵敏度优先级的设定值校验与再分配环节，解决了各无功源调节能力利用不充分或过载的问题，使得区域内各无功资源的利用更加合理充分；

39、2、通过在分布式求解过程中仅交换边界节点信息并自适应调整惩罚系数，同时不同子区域可根据自身规模采用差异化收敛容差，提高了大规模集群下的求解效率，模型预测控制根据逆变器与动态补偿装置响应速率的固有差异进行协调配合，使快慢调节资源各尽其能，在集群级二次调整中，通过量化各子区域对电压偏差的贡献责任并按调节裕度差异化分配补偿量，避免分配带来的调节冲突与资源浪费。

40、光伏电站集群的无功电压控制装置，包括存储设备以及处理器，所述存储设备用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述无功电压控制装置执行上述的无功电压控制方法。