光伏发电出力不确定性的主动配电网鲁棒电压控制方法

  完成单位：国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司

  主要完成人：徐敦彬、袁光伟、郝威、高海龙、王永力

一、研发背景

随着化石能源的枯竭和生态环境的恶化，基于光伏的分布式电源(Distributed Generation, DG)在主动配电网的渗透率迅速增长，配电网将从被动单向的供电网络转变为功率双向流动的有源网络。光伏发电受光照强度影响其出力易于波动，会对主动配电网的安全运行造成威胁，特别是配电网电压安全难以保证，电压偏移成为主动配电网运行的重要约束有载调压变压器和投切电容器等传统电压控制手段可有效调节配电网电压，但是在光伏发电渗透率较高的主动配电网中，这些控制难以灵活地适应由于光伏出力频繁波动带来的电压偏移问题。如果采用控制性能更好的SVG等先进的无功补偿技术，但投资成本往往较大。因此，考虑光伏出力波动性大，基于确定性光伏出力预测值的配电网电压控制可靠性差，提出新的控制方法实现鲁棒电压控制很有必要。

本专利提出了一种考虑光伏发电出力不确定性的主动配电网两层鲁棒电压控制模型，该技术的应用获得了巨大的经济与社会效益。首先，从徐州公司配电网的角度看，该项专利在徐州供电公司配电网的应用，提升了考虑公司配电网管辖范围内光伏电站出力波动的配电网电压安全性，有效地保证了配电网运行的安全性和稳定性，降低了电网安全性事故发生的概率，不仅避免了电网设备的损坏，减少了电网自身的经济损失，同时也降低了向停电用户提供的经济补偿费用，因此该专利的应用增加了徐州供电公司配电网运行的可靠性和经济性。其次，从用户角度来看，电压安全性的提高意味着停电概率的降低，正常的生产生活得到了保证，间接提高了经济效益。最后，对整个社会而言，电网内电压稳定性的提高降低了停电的概率，社会的经济发展得到保证，同时也避免了民众的不安情绪，更好的促进了社会的稳定发展。

另外，所提专利技术的应用也促进了其它相关技术的开发。随着考虑光伏发电出力不确定性的主动配电网两层鲁棒电压控制技术在徐州供电公司配电网的应用，陆续开发了相关配电网电压控制系统装置和软硬件平台，促进配电网电压稳定控制技术的发展，同时也积累了不少实际开发、调试、运行和运维等经验。为之后配电网电压控制技术的深入研发打下深厚的基础。

本专利项目2017年获得省公司科技部立项支持，项目名称《柔直和光储混联系统在城市配网中的应用》

2019年，在本专利技术基础上，江苏省电力有限公司后续又相继立项实施了《含新能源的配电网单相接地电弧自熄灭与保护技术研究》、《交叉供大容量动态电压恢复系统先进控制策略与优化设计方案研究》两个科技项目。

2019年，本专利技术成果《柔直和光储混联系统在城市配网中的应用》获得国网江苏省电力公司科技进步三等奖。

2021年，本专利获得第二十二届中国专利奖优秀奖。

二、发明团队介绍

国网徐州供电公司是国有特大型供电企业，隶属江苏省电力有限公司，担负着国家电网 “西电东送”、华东电网“北电南供”及徐州六县五区的供电重任。公司项目研发团队拥有电力系统优化运行、新型电力系统安全运营等方面丰富的实践经验。团队近年来先后承担二十余项国网公司、省公司级科研项目，团队成员研究经历丰富，相关成果在实际工作中取得良好应用成效。

三、成果(专利)简介

本专利属于基础型专利。当前的主动配电网电压控制方法需要统一处理主动配电网大量设备参数的大量数据，过程复杂且计算量大，或者当分布式电源数量较多时，控制系统网络通信压力大，无法做到实时响应。

而本专利公开了一种光伏发电出力不确定性的主动配电网鲁棒电压控制方法，通过建立主动配电网两层鲁棒电压控制模型，并将两层鲁棒电压控制模型转换为单层鲁棒电压控制模型以便求解，在求解过程中保证目标值在可接受范围内的同时，最大化变量的不利波动，获得一组鲁棒决策解，从而在光伏发电出力波动情况下，增加了光伏出力波动时的电压安全性，解决了基于分布式电源不确定性的主动配电网电压控制中所存在的关键性、共性的问题。

相对于公开的其他技术方案，本专利通过建立主动配电网两层鲁棒电压控制模型，并将两层鲁棒电压控制模型转换为单层鲁棒电压控制模型以便求解，在求解过程中保证目标值在可接受范围内的同时，最大化变量的不利波动，获得一组鲁棒决策解，从而在光伏发电出力波动情况下，增加了光伏出力波动时的电压安全性，并保证了配电网电压控制的可靠性。

四、成果（专利）转化情况介绍

1、本专利已应用的领域和范围

目前本专利已在江苏省徐州市配电网内部实施，主要应用于徐州市配电网的电压稳定、设备保护、系统稳定运行等控制领域。通过建立主动配电网两层鲁棒电压控制模型，并将两层鲁棒电压控制模型转换为单层鲁棒电压控制模型以便求解，在求解过程中保证目标值在可接受范围内的同时，最大化变量的不利波动，获得一组鲁棒决策解，从而在光伏发电出力波动情况下，增加了光伏出力波动时的电压安全性，减少了不必要的经济损失，事故发生概率也大大降低，用户侧的供电稳定也得到了保证，产生了示范和规模效益，取得了良好的经济效益和社会效益。

2、本专利还可以应用的其他领域和范围

本专利还可以应用于大型工业用户、电网末端微网或离网微网的电压控制。首先，本专利及其从属核心专利可应用于大型的工业用户内部以及一些工业园区，比方说煤矿、油田等等。这类厂区占地面积巨大，电力需求也十分惊人，所以这类用户有内部配电网，其也存在电压控制的需求；其次，本专利及其从属核心专利还可应用于电网末端微网或离网微网的电压稳定控制。海岛微电网等离网微网的建设，如浙江南麂岛微电网，由于其都是独立发电运行，因此电网内部也存在电压控制的问题。综上所述，光伏发电作为目前主流的可再生能源发电方式，可能给电网末端微网或离网微网还有大型工业用户内部配电网的电压安全造成威胁，因此该本专利能够很好的应用在这些领域中。

专利权人高度重视知识产权工作，建立了系统的知识产权管理和保护体系，具备了完善的知识产权管理制度，与中国徐州知识产权维权援助中心合作，对企业优质专利实施预警和重点保护，全面推进企业创新成果的专利创造和转化实施。

本专利为光伏发电出力不确定性的主动配电网鲁棒电压控制方法的技术改进型专利。围绕该专利，专利权人通过本专利主要发明人，开发了一系列具有自主知识产权的方法及装置，以完善本专利技术体系、改善本专利技术精度、拓展本专利适用范围、提高本专利实施效果；申请从属发明专利5件，已授权5件，如表1所示。

表1 以本专利为核心形成的从属专利（专利池）

至今，本发明及其布局专利群未被提起无效请求，也未发生权属纠纷。为发挥本本专利及专利群的价值，本专利的团队还采取了以下措施：①不断加强研发投入，根据现有技术继续申请新的专利，避免发生知识产权纠纷，从根本上取得相对于竞争对手的优势地位；②针对光伏发电出力不确定性的主动配电网鲁棒电压控制方法及产品和商业应用中遇到的问题，对技术和产品进行合理布局，保持专利状态的稳定；③与专业知识产权服务公司合作，共同开展专利保护、运营、培育等工作，通过产业化运作、产权保护等法律手段，牢牢把握自主知识产权，避免来自竞争对手的不当竞争。

五、经济效益与社会效益介绍

1.简化电压计算过程并且减少计算量，减少人工管理的投入。

如何保证配电网电压控制的可靠性，如何减少计算过程与计算量以实现实时响应，是保证光伏系统中主动配电网稳定运行的关键。国内外，先后提出了多种配电网综合电压优化方法，尤其以本专利权人发明的主动配电网鲁棒电压控制方法更为优越。本专利及其从属专利开发的主动配电网鲁棒电压控制方法，通过建立主动配电网两层鲁棒电压控制模型，并将两层鲁棒电压控制模型转换为单层鲁棒电压控制模型以便求解，在求解过程中保证目标值在可接受范围内的同时，最大化变量的不利波动，降低了其复杂性，促进了光伏发电行业的技术进步。

2.减少系统运行所需数据与控制设备，降低生产成本。

在传统配电网鲁棒优化建模方法中，需要输入软开关接入位置、容量和损耗系数，并建立有源配电网智能软开关确定性优化模型，最后对模型进行二阶锥模型转化得到考虑不确定性的有源网络智能软开关鲁棒优化模型。与传统的配电网鲁棒优化方法相比，本专利及其从属专利采用单层鲁棒电压控制模型，所需数据减少了60%以上，相应地减少了采集数据时的人工费用和设备费用，使计算效率提高一倍以上，节约装备成本约50%、人工成本约40%。控制过程中，实现对数据的自动跟踪控制，不用人工现场观测与调节，自动化程度高，降低了劳动强度，改善了劳动条件。电压控制器质量好，返修率低，进一步降低了成本；控制器安装后，无需大量人工维护，节约了一部分成本。

3.解决了配电网电压控制可靠性差的难题，提升了光伏发电系统的传输能力。

光伏发电受光照强度影响其出力易于波动，会对主动主动配电网的安全运行造成威胁，特别是配电网电压安全难以保证。目前一般多采用传统的集中-就地综合电压控制方法，存在可靠性和效率两个方面的问题。本专利及其从属专利开发的主动配电网电压控制方法，可在高压配电网（110、63、35KV）与中低压配电网（10，0.38 KV）上，使全线电压的偏移不超过5%。本专利及及其从属专利的实施应用，一方面可实现我国可再生能源技术的自主可控，同时还可开拓我国未来多能互补的前景。