高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究.pdf

Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54No.10203CEditorialDertment of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.iWLnetworkJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(10):203-212.CHANG Baozhen,LUO PingpingLINJikeng.Research of voltage coordinated control strategy of high photovoltaic penetration distribution常宝真，罗萍萍，林济铿高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究 J水利水电技术（中英文）2023.54(10):203-212.水利水电技术（中英文）第54卷2023年第10 期高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究常宝真，罗萍萍，林济（1.上海电力大学电气工程学院，上海200090；2.同济大学电子与信息工程学院，上海201804)摘要：【目的】在高比例分布式光伏接入配电网的新型电力系统背景下，光伏出力的波动性、间歇性、随机性易引起电压越限和电压波动问题。为了改善配电网的电压质量，【方法】结合多模式控制的精确性和模糊控制多变量输入的准确性，提出一种基于模糊逻辑的配电网多模式电压控制策略。该方法能适应光伏逆变器所处的不同运行场景，并综合考虑电压变化量、电压变化趋势以及PI参数动态调整等方面，以确保此控制方法的有效性和参数鲁棒性。【结果】结果显示：所提控制策略能够有效将电压维持在0.96 0 1.0 12 范围内；网络电压波动幅度分别降低了17.4%、18.7%、40.0%；电压偏移量分别降低了6 8.50%、6 6.58%、6 5.10%；显著提高了网络的功率因数指标。【结论】结果表明：合理有效的电压控制策略，能够有效缓解电压越限和电压波动问题，优化网络损耗和功率因数，实现配电网整体优化运行。关键词：高光伏渗透率；配电网；模糊控制；多模式控制；PI控制“者互动D0I:10.13928/ki.wrahe.2023.10.018开放科学（资源服务）标志码（OSID）：中图分类号：TM732文献标志码：A文章编号：10 0 0-0 8 6 0(2 0 2 3)10-0 2 0 3-10Research of voltage coordinated control strategy of high photovoltaic penetration distribution networkCHANG Baozhen,LUO Pingping,LIN Jikeng(1.College of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghaii200090,China;2.College of Electronic and Information Engineering,Tongji University,Shanghai201804,China)Abstract:ObjectiveJ Under the background of new power system with high proportion of distributed photovoltaic access to distri-bution network,the fluctuation,intermittence and randomness of photovoltaic output are easy to cause voltage over-limit and volt-age fluctuation.In order to improve the voltage quality of distribution network,Methods Ja multi-mode voltage control strategybased on fuzzy logic is proposed in this paper,which combines the accuracy of multi-mode control and the accuracy of fuzzy con-trol multivariable input.This method can adapt to different operating scenarios of photovoltaic inverters,and comprehensivelyconsider voltage variation,voltage change trend and PI parameter dynamic adjustment to ensure the effectiveness and parameterrobustness of this control method.Results The result shows that the proposed control strategy can effectively maintain the volt-age in the range of 0.9601.012;the network volage fluctuation amplitude is reduced by 17.4%,18.7%and 40.0%respec-收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 1；修回日期：2 0 2 3-0 4-2 3；录用日期：2 0 2 3-0 5-15；网络出版日期：2 0 2 3-0 6-14基金项目：国家自然科学基金项目（5117 7 10 7）作者简介：常宝真（1997 一），女，硕土研究生，研究方向为配电网运行与控制、人工智能技术。E-mail：2 7 2 448 196 9 q q:c o m通信作者：罗萍萍（196 9一），女，硕士研究生导师，副教授，硕士，研究方向为电力系统可靠性分析、电力系统保护与控制等。E-mail：l u-opingping 204第54卷2023年第10 期水利水电技术（中英文）常宝真，等/高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究tively.The voltage offset is reduced by 68.50%,66.58%and 65.10%respectively.The power factor index of the network issignificantly improved.Conclusion J The result show that the reasonable and effective voltage control strategy can effectively alle-viate the problem of voltage over-limit and voltage fluctuation,optimize network loss and power factor,and realize the overall op-timal operation of distribution network.Keywords:high photovoltaic penetration;distribution network;fuzzy control;multi-mode control;PI control0引言大力发展风电、光伏等可再生能源发电是我国落实“双碳”战略的重要途径 。光伏出力的随机性、波动性、间歇性等固有问题以及配电网侧光伏占有率的增加 2 让传统配电网的电压控制变得愈加困难，而光伏功率反送引起的电压越限已成为阻碍光伏发展的重要因素 3。因此，改善配电网的电压质量不仅有利于光伏发展，而且对电网的安全稳定运行有重要意义。在配电网中，大量光伏接人造成的电力反送，导致光伏与负载的时间序列特征出现错峰 4，当白天有日照的时候，光伏会有多余的电力，电力反送到电网中会造成电压越限；而在晚上没有光照时，光伏无出力且负荷较大，导致系统电压降低 5；光伏出力受光照强度的影响，导致并网点电压波动 6 在实际应用中，主要使用变压器分接头（on-loadtapchanger，O L T C）、削减光伏有功、调节光伏无功等手段来对含高比例光伏的配电网进行控制 7 。其中，对光伏的有功进行削减并未提高配电网对光伏的消纳水平，而对OLTC进行调节又会降低设备的使用寿命。光伏逆变器却可以快速频繁的调节无功 8 因此研究人员通过使用光伏逆变器来对电压进行控制，这样既保证了光伏容量，又减少设备投资 9如蔡永翔等 10 提出了一种通过电压估计而对分接头进行控制的算法，虽然实现了较好的电压控制，但受限于OLTC的特性，没能消除无法实时调节电压的弊端。王颖等 提出虚拟注入有功功率的概念，将有功/无功二维变量转化为一维变量，设计了一种多模式的光伏逆变器无功控制策略，并根据虚拟注人有功功率对光伏逆变器进行多模式控制，可实现逆变器多目标控制，且精度较高；WECKX等 8 提出一种通过改变逆变器的功率因数来控制逆变器的无功输出，从而改善配电网电压质量的方法。陶珑 12 提出一种基于光伏逆变器的协调下垂控制策略，该策略能够控制逆变器的无功改善电压越限。综上所述，目前的研究大多采用电压偏差作为下垂控制的单一输人量，只反映当前时刻的电压情况，无法反映电压的变化趋势，更难以根据电压变化趋势进行精确控制，一定程度上难以适应未来大规模分布式光伏并网导致的节点电压频繁波动及越限问题。如姜恩宇等 13 提出采用当前时刻电压和电压变化趋势为输人的模糊控制，能够适应电压越限和电压波动场景，但是由于采用整体控制，缺少多模式控制的精确性，同时也缺少对光伏安装位置以及光伏权重的考虑。针对上述问题，文中结合多模式控制的精确性和模糊控制多变量输人的准确性，提出一种基于模糊逻辑的配电网多模式电压控制策略。通过并网点电压标么值将光伏逆变器的运行状态分为过电压抑制、欠电压抑制、网络损耗和功率因数优化模式三种。分别设计模糊控制器，以并网点电压变化率（标幺值）、虚拟注人有功变化率（标么值）以及光伏节点编号作为模糊控制的输人变量，既能反映电压越限情况，又能反映因各节点有功和无功变化导致的电压波动情况，同时考虑节点位置的影响，从而适应电压越限和电压波动场景，且虚拟注人的有功值可以反映出系统的电压变化趋势，从而降低了系统的无用动作；针对各节点电压灵敏度差异对无功环PI控制器参数进行调整，为确保无功功率超调量和响应时间均在允许范围内，设计随电压灵敏度和电压越限程度变化的PI参数值；最后，以8 节点配电网为实例，通过编程仿真验证所提方法对电压的控制效果1基于电压灵敏度原理的虚拟注人有功功率计算1.1逆变器的无功控制容量光伏逆变器可以快速频繁的调节无功，其可调无功容量与逆变器容量的关系如下QP=入Siv-PPV(1)式中，Qx为逆变器的最大无功输出；Ppv为光伏发电的有功功率；Siv为逆变器容量，一般为其额定有功容量的1.0 1.1倍，文中按1.1倍计算。1.2虚拟注入有功功率的概念使用牛拉法 14 对配网进行潮流计算前需满足以205水利水电技术（中英文）第54 卷2023年第10 期V.=0.即常宝真，等/高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究下条件式中，o和V分别表示电压相角和幅值的变化；P和Q分别表示节点的注人有功和无功功率的变化；H、N、J、L 构成的雅可比矩阵表示（P，Q与(,V)之间的关系根据公式（2）可得AP(3)L4VQ式中，灵敏度因子soP和s分别表示有功和无功功率变化与电压相角变化的关系；SVP和SVQ分别表示有功和无功功率变化与电压幅值变化的关系。在配电网内，所有节点的电压变化量都与其所在网络中的功率变化量有关 15，即AV;=2sT,AP,+Zs,AQ,(4)j=1j=1aV(.R.)(5)aPWhkEri.jaV1SYO(Z.X.)(6)h.hElijAP=APpv.j+APlaPload.j(7)AQ=AQpv.j+Q iload.(8)式中，V,为节点i的电压幅值增量；P和Q为节点功率变化的增量，其中APpvji、A Q p v j、Pl eload.jvQ L o a d,分别为节点j光伏有功/无功、负荷有功/无功增量，网络中共n个节点；Ti，为首节点到节点i与到节点之间的共同路径；V为网络的额定电压；lh.k为两相邻节点间的路径；Rh，和Xh，分别为线路的电阻和电抗。将任意节点电压V分为不可控增量AV和可控增量V两部分，表达式为AV,=AVIC+AV(9)为了保证供电的可靠性，并且不弃光，将由于有功、无功和光伏并网的有功而导致的电压变化量设为AV；光伏无功功率导致的电压变化记为AV。对于单一节点j功率变化对单一节点i电压的影响可表示为AV=ST,APv.j-S,APumdj-S,AQmad.j(10)对上式进行处理，即可得到虚拟注入有功功率APicom,jAPicom,jAPPv.j-APload,j AQ load.(11)JPH(2)LJLAV从而公式（10）可写为AVIC=SSVPXAPi(12)com,j由于光伏逆变器具有调节能力，通过调节逆变器的无功而引起的电压变化量为AV=SYo,XAQpv.(13)为了避免节点电压波动，令SY,XAPiVP+SYoXAQpv.;=0(14)com.从而可以推导得SYAQPv.jAPi(15)com,jSYo由于电压增量是一个二维变量，在实际使用中很难进行控制，借助虚拟注入有功将其变为一维后控制难度大大减小。将其应用到单一节点对整个网络电压的影响可表示如下ni=ilh.kETi.jPpv.j-Pload.j-Q load.nRh.ki=ilh.AEri.j(16)1虚拟注人有功功率通过网络电阻和电抗参数，将某一节点的负荷无功折算为有功功率，将其定义为ni=lh,kEri.j Q load.j(17)PPcom.j=Ppv.j-1load,nRh.ki=1lhh.hEti2基于模糊逻辑的配电网多模式电压控制框架为有效抑制高光伏渗透率配电网所带来的电压问题，根据并网点电压标么值对光伏逆变器进行运行模式划分，无功输出可按照不同节点、不同运行模式进行调整，提高控制精度。同时，采用虚拟注人有功功率标么值的变化率作为模糊控制器的输人，能够更好地反映电压的动态波动。为提高无功控制环的控制效果、保证并网点良好的电压质量，采用文中提出的基于电压偏差的PI控制器参数调整方法通过在不同的运行模式下运用不同的模糊控制器达到电压控制精确性的效果。过电压抑制模式对应模糊控制器1，网络损耗和功率因数优化模式对应模糊控制器2，欠电压抑制模式对应模糊控制器3。其总体控制框架如图1所示206水利水电技术（中英文）第54 卷2023年第10 期常宝真，等/高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究光伏逆变器隔离变压器电池板电DCLink网井网点电压偏移量总的虚拟注入有功变化率应提供无功过电压抑制模式模糊控制器1节点编号控制器：PWM网侧电流一C1井网点电压偏移量井网点电压网络损耗和功率总的虚拟注入有功变化率模糊控制器2应提供无功标么值因数优化模式节点编号PIPWM井网点电压偏移册欠电压抑制模式总的虚拟注入有功变化率模糊控制器3应提供无功节点编号基于电压偏差的PI基于模糊控制的多模式电压控制控制器参数调整电压-有功灵敏度矩阵建立求解隶属度函数配电网参数边界参数获取电压-无功灵敏度求解虚拟注入矩阵建立有功功率图1基于模糊控制的配电网多模式电压控制策略总体框架Fig.1The overall framework of multimode voltage control strategy for distribution network based on fuzzy control2.1多模式分布式光伏逆变器无功控制框架在高比例光伏的配网中，中午光照强，光伏出力大，此时在出现负荷少的情况下，就会造成过电压；而在夜间，由于光伏没有输出功率，而且有大量的用户，这时就存在着欠压的危险；另外，高渗透率的太阳能电池的接人也会引起电力系统的功率因数降低等问题 16 。针对上述问题，提出了一种基于多目标优化的无功优化控制方法。在对各节点电压标么数值分析的基础上，通过对各节点电压的多个目标的有效调控，并在此基础上引人虚拟有功的动态趋势，从而有效地抑制系统电压波动。逆变器的运行模式划分如图2 所示。节点状态控制目标控制算法1抑制网络1模糊控制器1过电压1过电压1(无功吸收）com网损和功率1模糊控制器2安全1因数优化1（无功补偿）Vcom1抑制网络模糊控制器3欠电压1欠电压1(无功注入）1图2不同运行模式划分Fig.2Different operation mode division在当前电压的基础上，并网点处于过电压或欠电压状态主要是由于光伏逆变器吸收或发出的无功多少决定的。因此，要想实现网络电压的稳定，就必须同时考虑并网点的电压以及其注入的有功功率变化，文中采用并网点电压标么值对运行点状态进行划分，设定Vom和Vm分别为节点过电压和欠电压值。（1)过电压抑制模式。当节点电压标幺值大于设定的过电压阈值，则认定网络处于过电压状态，此时使用无功吸收算法来降低电压，这种情形适合于在中午时分，光伏发电具有很高的功率，但负载很低的场合。(2)欠电压抑制模式。当节点电压标幺值小于设定的欠电压阈值，则认定配电网处于欠电压状态，此时使用无功注入算法来提高电压，此情况适用于夜间重负荷场景。(3)网络损耗和功率因数优化模式。若节点电压标幺值在安全范围内（欠电压阈值和过电压阈值内），则认为配电网不存在过电压或欠电压的风险，利用光伏逆变器来对无功功率进行调节，不但能够减少网络中流动的无功，而且还能提高功率因数，从而进行配网的功率因数优化，这种模式分别对应于晴天、雨天以及早晚两种情况。文中提出的控制策略是：当有电压越限的危险时，可以对电压越限进行抑制，而当网络安全时，可以同时兼顾较高的经济性和较高的电能质量。2.2多模式分布式光伏逆变器无功控制框架文中利用Mamdani模糊推理系统来实现对电压的控制，这样就可以计算出当前时刻每个节点上逆变器的无功输出。因为不同节点对电压的敏感程度存在差异，为最大限度地利用逆变器的无功容量，文中采用将节点编号和各节点光伏无功参与电压调节权重的方法，来降低配电网中的无功流动，并对各节点的光207水利水电技术（中英文）第54 卷2023年第10 期常宝真，等/高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究伏无功容量进行充分利用，以及采用虚拟注入有功功率变化率统筹考虑配电网各节点无功，完成各节点之间的无功协调其中节点编号的确定主要是将配电网电压偏差最大的一点设置为中心节点，其两侧节点依次编号，这样节点编号就能表征配电网中各节点距离问题，从而减少配电网中无功功率的流动，减少功率损耗。2.2.1逆变器无功控制模糊逻辑框架为了同时考虑电压越限、电压波动情况、减少无功流动以及充分利用光伏无功功率，需要将电压越限和波动指标以及节点位置同时用作输人量，并考虑光伏参与无功电压调节权重。具体而言，使用并网点电压偏移量V(t)和光伏虚拟注入有功变化率dP。Pcom.j/dt以及节点序号i共同作为逆变器模糊控制的输人量。其中，并网点电压偏移量保证全网电压处在安全范围内；虚拟注人有功变化率感知电压的变化趋势，降低功率波动对电网的不利影响；而节点序号用来减少无功功率在配电网各节点之间流动，降低损耗，同时设置权重值，保证各节点无功充分利用。模糊推理主要包含三个环节（见图3），首先，模糊化将精确的输人量变成特定的模糊输入量，然后使用预先处理的模糊规则对上一环节的模糊输人量进行处理，得到所需的输出量，最后使用去模糊化对输出量进行处理，使其转变为精确的输出量模糊控制的两个输人量V(t）和dP。comj/dt，表示如下V(t)=V(t)-1(18)dPom.()_ Peom.(t)-Peom.(t-1)(19)dtAt式中，V(t）为当前时刻电压测量值的标幺值；Pm(t)和Pcom（t-1)分别为当前时刻和上一时刻的虚拟注入有功功率标么值；t为采样时间间隔；i为节点编号。模糊规则AVt)dPcomy/dt模糊化模糊推理去模糊化图3模糊控制逻辑Fig.3Fuzzy control logic2.2.2模糊推理系统设计在模糊推理系统部分，文中设计不同模糊推理系统以适应不同的运行模式，这样相对于仅使用一个模糊推理系统控制而言，控制更加精确，效果有明显提升，且能够实现不同的控制目标，同时能够考虑各并网点位置，减少无功功率在配电网中流动，降低功率损耗。考虑到光伏用户对于无功参与电压调节的意愿以及光伏本身可参与无功调节量的不同，在模糊控制器中设置权重参数，表示各节点无功电压调节参与情况。因不同运行模式下，模糊控制器仅在各输人、输出变量边界参数、论域方面有所区别，因此以过电压抑制模式下模糊推理系统设计为例进行说明模糊控制器输人变量V(t）、d Pc o mj/d t 以及i均有自已的隶属度函数，为了使控制更加简化，将各输人变量隶属度函数均设置为三角函数。考虑并网点电压偏移程度对控制效果的影响，V(t)选取5个模糊子集：过电压（-2）、超高电压（-1）、高电压（0）、次高电压（1）、略高电压（2），电压依次降低至节点电压标么值1。V(t)的论域为X,，X ，X,为配电网运行的历史数据中各节点中最大过电压偏移量，X为过电压抑制模式下确定的最小电压偏移量，为了使控制有一定裕度，故选择X=0。虚拟注入有功功率变化率dPcomj/dt的隶属度函数，根据功率变化程度对控制结果的影响，同样选取5个模糊子集：剧烈下降（-2）、下降（-1）、正常波动（0）、上升（1）、剧烈上升（2），其论域为-Y，Y，Y是各节点根据其光伏安装容量及实际运行确定的最大虚拟注人有功功率变化率。根据历史数据将吸收/发出无功功率最多的节点设置为中心节点，根据与中心节点位置关系，确定节点编号i，选取5个模糊子集：远离中心节点（-2）、次远离中心节点（-1）、偏远离中心节点（0）、稍远离中心节点（1）、靠近中心节点（2），表示依次接近中心节点。使用模糊规则处理后可得到模糊控制器的输出量，其中模糊指令分为5种：大力吸收无功（-2）、稍多吸收无功（-1）、多吸收无功（0）、次吸收无功（1）、略吸收无功（2），表示吸收无功功率数值依次降低。模糊控制器的3 个输人量均包含5个模糊子集，所以共需建立12 5条模糊控制规则。在建立模糊控制规则时需注意，节点电压偏差很大时，需吸收/发出大量无功，此时应不考虑节点距离关系，全力保证电压在允许范围内。并使用重心法对模糊的输出量进行处理，从而得出不同运行模式下各节点光伏逆变器无功输出量Qin。同时借鉴文献 17 提出的依据电压灵敏度理论，208水利水电技术（中英文）第54 卷2023年第10 期常宝真，等/高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究对电压偏移量和虚拟注人有功功率两输人变量的隶属度函数的边界参数协调设计；而节点编号i则根据位置均分方法确定边界参数。2.3基于电压偏差的PI控制器参数调整由灵敏度参数表达式可以得出，灵敏度最高点位于线路的末端，故末端也最容易发生电压越限。为保证配电网安全稳定运行，依据灵敏度参数进行无功控制环PI参数的调整。在PI控制器中，P控制器的大小与响应速度和力度有关，当其过大时，会产生振荡，过小时又会造成响应速度变慢。而I控制器在系统存在误差和外力作用时起消除误差、提高精确度的作用。在光伏逆变器的无功功率控制环中，在原本整定的PI参数的基础上，根据并网点的位置以及电压越限程度不同，对原本的PI参数进行调整根据分析，越远离大电网的节点灵敏度越高，最末端节点灵敏度最高，所以随着节点靠近大电网，其PI控制器的K，和K,参数值逐渐增大，来弥补其灵敏度的降低。根据多次仿真可以得出nZKg.=1+i=kXK(20)pbaseZi=1ZKi.&=1+i=kK(21)ibaseZ式中，K，和K，为节点k根据电压灵敏度补偿后的PI参数值；Kpbase和Kibase为PI控制器原本的参数值；Z，为i节点处的线路阻抗值。在此基础上，由于参数K，是其它PI参数调整的基础，同时也是控制响应速度和力度的参数，为保证不同节点逆变器在不同电压值时都能够快速且准确的响应，文中引入随并网点电压标么值不断变化的K，值，计算公式如下K=(1-U,)K,+1(22)式中，U.为并网点k的电压标么值，K,为参数调整系数，其取值根据并网点电压标么值所属的范围不同变化，经不断仿真验证，在文中取值如下30 U,0.520.5 U1.0K,=(23)41 U,1.50其它综上所述，在文中k节点处的K,值主要由K，和K两部分组成，即nZK,=i=kXKKkm+(1-U.)K+11+(24)Z1=1最终，K，和K，参数的确定需要在上述公式计算的基础上，根据仿真结果进行简单调整，使控制效果达到最佳，同时无功控制环的输人无功功率参考值和实际值均采用标么值的形式，以避免PI控制器参数的大幅度调整3实验结果与分析文中采用的仿真模型为一个含8 个节点，每个节点相距2 km，架空线路ro=0.1153Q/km、x=0.3297Q/km的2 5kV单馈线配电网，各个节点均有负荷和光伏设备的接入。网络的节点电压运行上下限分别为1.0 2（标么值）和0.94（标么值）。网络中的节点在地理位置上距离比较近，因此其天气和负荷都大致相同，文中假设各节点的光伏容量一致且光照相同，选取光伏波动相对剧烈的一天，光伏的额定出力为12 5kW，采用最大功率点跟踪（M PPT)的控制方式保证光伏出力，不同用户负荷情况有所差异3.1基于模糊逻辑的配电网多模式电压控制仿真验证通过MATLAB/Simulink编程仿真，验证文中提出的基于模糊逻辑的配电网多模式电压控制的有效性，另采用4 种电压控制策略进行比较（见表1）。一种是基于有参数协调的模糊控制，即文献提出的模糊控制器，记为F1；一种是简单的多模式控制，记为F2；一种是电压无功下垂控制，记为F3；文中提出的控制策略记为F4。在中低压配电网中，节点电压允许波动范围为+7%-10%，超出该范围即为电压越限，为了更好地验证控制效果，文中将允许范围设置为+2%-6%。采用不同控制方案情况下2 4 h内各并网点节点电压标么值变化情况如图4 所示。由图4（a）可以看出，并网点电压存在越上限和下限情况，主要是因为模糊控制隶属度函数和论域范围较大，使控制精度降低。从图4(b)中可以看到，白天有着电压越限的可能，晚上虽没有越下限，但存在越下限的风险，可见多模式控制因只考虑电压偏差单一输人，缺少准确性。由图4（c）可以看出，白天存在越上限的情况，且电压偏移量较大，主要是因为下垂控制不能统筹209水利水电技术（中英文）第54 卷2023年第10 期常宝真，等/高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究表17不同控制策略对比Table 1Comparison of different control strategies是否考虑是否考虑是否考虑距考虑影响电压优化目标控制策略控制方法并网点电压光伏权重中心节点距离波动的因素数量F1模糊控制是否否光伏有功1F2多模式控制否否否虚拟注人有功功率3F3下垂控制是否否1F4多模式+模糊控制是是是虚拟注入有功功率31.041.04节点1-节点2节点3 一一节点4节点1节点2-节点31.03节点4节点5节点6节点7-节点8节点5-节点6节点7 一节点81.021.021.011.001.000.990.980.980.970.960.960.950.940.940.930.920.920481216202404812162024时间/h时间/h(a)F1控制模式下并网点电压(b)F2控制模式下并网点电压1.04节点1-节点2.节点3-.-节点41.04节点1-节点2.节点3-一节点4节点5-节点6节点7节点8节点5-节点6节点7-节点81.021.021.001.000.980.980.960.960.940.940.920.920481216202404812162024时间/h时间/h(c)F3控制模式下并网点电压(d)F4控制模式下并网点电压图4 各控制模式下并网点电压波动Fig.4Grid-connected point voltage fluctuation in each control mode考虑多种因素对电压的影响，不能彻底解决电压越限和电压偏移的问题为了进一步量化描述电压控制效果，主要考虑电压越限情况、电压波动情况、电压偏移情况、功率因数分布情况4 种3.1.1电压控制效果为了能够量化电压波动情况和电压偏移情况，计算所有用户电压波动量Vru和所有用户电压偏移量VTVau=Z/V(t)-V(t-1)/(25)i=1t=1TVofe=Z I/V(t)/-1I(26)i=11=1式中，T为总的采样时间；V(t)和V(t-1)分别为当前时刻与上一时刻并网点电压标么值；n为节点数。不同控制方案下所有用户2 4 h电压波动量、偏移量以及功率因数指标如表2 所列。在电压指标中，24h电压波动量表示并网点电压本时刻与上一时刻的波动情况，数值越小表示波动越小，电压变化越平稳。电压偏移量表示并网点电压标么值与1之间的偏差量，数值越大表示越远离基准值1。（1)从电压控制指标上看，在光照强度变化剧烈（光伏出力波动大）的时段，本文提出的基于模糊控制的配电网多模式电压控制策略较其它三种控制策略在抑制过电压场景中没有出现电压越限的情况，最大和最小电压分别为1.0 12（标么值）和0.96 0（标么值），主要是由于：F1为文献 18 提出的基于模糊逻辑的低压配电网高比例户用光伏无功控制策略，其210第54 卷2023年第10 期水利水电技术（中英文）常宝真，等/高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究表2 7不同方案下电压指标和功率因数指标仿真结果Table2Simulation results of voltage index and power factor index under different schemes电压指标功率因数指标/%控制策略VmaxVmin24h电压波动量24h电压偏移量0.850.900.950.99F11.0260.9305.3834.4689.5889.5889.5881.94F21.0260.9403.9635.9496.8889.9388.2187.85F31.0290.9403.9038.4192.3692.3690.9776.38F41.0130.9752.5212.13100.00100.00100.0097.82S11.0120.9603.2212.01100.00100.00100.0095.92以并网点电压偏移量与光伏有功功率变化率作为模糊控制器的输入量，经去模糊化得到光伏逆变器的无功输出。F2为文献 10 提出的基于光伏逆变器无功调节的低压配电网多模式电压控制，根据虚拟注人有功功率将光伏逆变器分为过电压抑制、欠电压抑制、网损和功率因数优化三种模式，根据不同控制目标求解光伏逆变器无功输出。F3为文献19 提出的无功电压下垂控制策略，由给定的无功电压下垂控制曲线，确定光伏逆变器无功输出，理论上，文中所提控制策略是结合F1和F2无功电压控制策略的优势，模式切换策略由F1基于虚拟注人有功功率设计了模式的切换策略简化为根据并网电压水平进行模式切换；在模糊控制器设计方面，F2控制策略仅将光伏有功变化率和并网点电压偏移量作为模糊控制器的输人，而文中所提模糊控制器将虚拟注人有功变化率、并网点电压偏移量以及表征距离中心节点远近的节点编号作为模糊控制器的输人，同时将光伏权重作为参数设置。所以文中所提控制策略考虑更加全面，控制效果更好。而文中提出的F4控制策略综合考虑模糊控制和多模式控制的优势，在不同运行模式下采用不同的模糊控制，将其隶属度函数和论域范围减小，同时考虑节点位置和各光伏权重的影响，使控制更加精确（2)在电压波动方面，由于采用虚拟注人有功功率作为模糊控制器输人、以及考虑节点位置减少无功在配网中流动且设置不同的权重充分利用无功容量，因此文中提出的电压控制策略在电压波动方面较其它控制策略有较大优势（3）就电压偏移情况而言，在考虑电压静态、动态以及对每个节点的协调等因素后，文中提出的控制策略在电压偏移指标上具有突出优势，其电压偏移量为12.0 1，远低于其它控制策略。相比于无功下垂控制、多模式电压控制、有参数协调的模糊控制得到的电压偏移指标3 8.4 1、3 5.94、3 4.4 6，基于模糊控制的多模式电压控制网络电压偏移分别降低了68.50%、6 6.58%、6 5.10%。3.1.2功率因数对不同控制策略并网点处功率因数对比分析的结果如表2 所列，表中统计功率因数0.8 5、0.90、0.95、0.99的采样点占采样点总数的比例。与其他的控制策略相比，文中提出的电压控制策略通过对逆变器的无功功率进行调节，从而使其能够在晚上电压越低限时发出无功功率来改善电压降低的问题，并同时减少了无功功率的流动，提高了功率因数。文中提出的电压控制策略当网络运行在安全的电压范围时，不但能够通过光伏逆变器的无功调节对网损和功率因数进行优化，降低网络损耗；而且能够通过补偿节点的无功功率，从而提高功率因数，因此文中提出的电压控制策略在功率因数方面优于其它控制策略。3.2PI控制器参数调整效果验证根据第2.3 节分析可知，各节点电压灵敏度不同，若采用相同PI参数会导致无功环的超调量增大、跟随性能差，导致并网点电压控制效果不理想，因此文中设计根据电压灵敏度（即逆变器所处位置）和电压越限程度变化而变化的PI参数，保证无功环的超调量、响应时间在允许范围内，并网点电压质量更加优越。为验证PI控制参数对并网点电压影响，各光伏逆变器采用统一PI参数值（最末端节点PI参数值），同时采用文中提出的电压控制策略，记为S1，与采用文中提出的基于电压偏差的PI控制器参数和电压控制策略方案F4进行对比，验证文中提出的PI参数调整方案的有效性。由于最末端节点灵敏度最高，所以K，和K，参数较小，若使用最末端节点的PI参数值，可能会造成无功环超调量增加、响应时间过长等问题，从而影响并网点电压质量采用S1控制策略时，仿真编程得到的各节点电压标幺值如图5所示。具体数据分析，如表2 所列。由表2 数据分析可知，当各节点光伏逆变器PI参数相同时，并网点电压出现电压越限问题，电压波211常宝真，等/高光伏渗透率配电网的电压协调控制策略研究1.02节点！节点2节点3节点1节点5节点6节点7节点81.011.000.990.980.9704812162024时间/h图5采用S1控制策略时各节点电压Fig.5Each node voltage when using S1 control strategy动量、电压偏差量、功率因数等指标均较采用文中提出的PI控制器参数调整方法有较大的差距主要是由于不同节点电压灵敏度不同，采用相同PI参数，导致无功控制环超调量增大、跟随性能降低，实际无功功率不能很好跟随无功功率参考值变化，从而影响电压控制效果，出现电压越限和电压偏移量大以及功率因数降低的问题4结论（1)本文提出的基于模糊逻辑的配电网高比例光伏多模式电压控制策略针对光伏并网的不同运行场景设计了三种模式，模式间的切换充分利用了逆变器的无功控制能力；将并网点电压偏移量、虚拟注人有功变化率以及表征距离中心节点远近的节点编号作为模糊控制器的输入，既反映了电压越限情况，又反映了电压波动情况；设计基于电压偏差的PI控制器参数，以适应不同节点灵敏度的要求，提高控制精度。（2）仿真结果表明：在2 4 h运行过程中，相比于无功