《Electric Power Systems Research》：Stepwise reactive power control for adaptive voltage regulation in high-penetration PV systems
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提出分步无功控制（SRPC）策略，通过离散事件驱动逻辑替代传统连续线性 droop 控制方法，仅在电压或相位不平衡超过阈值时触发预设功率因数调整，有效降低逆变器切换频率并延长设备寿命。仿真表明SRPC在150%光伏渗透率下保持电压±7%、相位不平衡率低于2%，较传统方法提升光伏消纳能力40%，减少年化弃风量64%，显著降低逆变器功率因数切换频率达90%。
黄国凯|傅永路
中国福建传正通信学院
摘要
本文提出了一种逐步式无功功率控制（SRPC）策略，用于具有高光伏（PV）渗透率的低压配电网络中的自适应电压和不平衡管理。其核心创新在于采用离散的、事件驱动的控制逻辑，这与传统的连续线性降压方法有根本不同。SRPC仅在局部电压偏差或相位不平衡超过预设阈值时才触发预定义的功率因数调整，从而将操作模式从连续校正转变为在最小干预下的稳定运行。该设计明确减少了逆变器的切换频率，以降低热循环并提高长期硬件可靠性。作为一种完全本地化且无需通信的方法，SRPC能够同时实现电压幅值和相位平衡控制。在具有真实发电和负载特性的IEEE 37节点测试馈线上进行的综合仿真表明，当光伏渗透率达到150%时，SRPC仍能将电压维持在±7%范围内，相位电压不平衡率低于2%。与标准线性降压控制相比，SRPC使电网的光伏承载能力提高了40%以上，年度有功能量削减减少了64%，并显著降低了逆变器功率因数的变化，为促进更高比例的可再生能源集成提供了可靠的硬件解决方案。
引言
全球向碳中和的能源转型推动了分布式光伏（PV）系统的空前部署，2023年全球光伏容量已超过1太瓦，预计将继续快速增长[1]。虽然这种普及对脱碳至关重要，但将大量间歇性光伏发电集成到原本设计用于单向功率流的配电网络中，却带来了严重的技术挑战，这些挑战威胁到电网的稳定性，并可能阻碍可再生能源的进一步采用[2]。主要的技术障碍是电压升高和三相电压不平衡。在太阳辐射强且本地需求低的时期，反向功率流可能导致母线电压超过法定限制（通常为±5-10%），从而可能损坏设备并违反电能质量标准[3]。同时，单相光伏系统和负载在三个相位上的不均匀分布会导致电压不平衡，这可以通过电压不平衡因子（VUF）等指标来量化。过大的不平衡（>2%）会增加系统损耗，导致变压器和电机过热，并可能引起保护系统故障[4]。为了维持运行限制，配电系统运营商（DSOs）经常被迫削减光伏系统的有功功率，从而导致业主经济损失和清洁能源的浪费[5]。
传统的电网资产，如载流式分接开关（OLTCs）和电容器组，由于其响应时间慢且缺乏粒度，通常不足以管理高渗透率光伏引入的快速双向功率波动[6]。因此，利用光伏逆变器的电力电子接口来提供无功功率支持已成为研究和运营的重点[7]。现有的基于逆变器的控制策略可以分类，每种策略都有其独特的权衡：
•有功功率削减（APC）： 这种直接方法通过减少有功功率注入来降低电压。尽管简单有效，但它浪费了宝贵的太阳能，削弱了光伏投资的经济可行性和环境效益[8]。
•线性降压控制（Volt-Var）： 许多电网规范（例如IEEE 1547-2018 [9]）要求采用这种方法，该方法根据局部电压（V）连续调整无功功率（Q）的注入/吸收。虽然有效于缓解过电压问题，但它有明显的缺点。连续运行迫使逆变器功率因数频繁调整，导致切换损耗增加、热应力增大以及组件加速老化，从而引发对逆变器长期可靠性的担忧[10]。此外，标准线性降压曲线主要用于电压幅值调节，对电压不平衡的缓解效果通常是次要的且往往不够理想[11]。
•高级协调控制： 如分布式模型预测控制（MPC）[12]、基于共识的算法[13]和集中优化[14]等策略旨在协调多个逆变器或电网资产以实现系统范围内的最佳性能。这些方法在管理和平衡电压及不平衡方面可以取得更好的技术效果。然而，它们对可靠、低延迟通信基础设施的依赖性显著增加了实施复杂性、成本以及对网络物理攻击的脆弱性，使其不太适合在住宅配电网络中广泛且成本敏感的应用[15]。
仍存在一个关键的研究和应用空白。迫切需要一种自适应控制策略，该策略：（1）自主且本地化：无需通信即可运行，以确保简单性、可扩展性和可靠性；（2）多目标：能够同时管理电压幅值和相位不平衡，以确保全面的电能质量；（3）对硬件友好：最小化逆变器的运行压力，以保证长期可靠性并降低生命周期成本；（4）在高渗透率下有效：能够在不进行大规模电网加固的情况下显著提高电网的承载能力，从而促进更多的可再生能源集成。
大多数现有方法未能全面满足这四个要求。例如，虽然线性降压方法是本地化和自主的，但它会带来较高的运行压力，并且不平衡缓解能力有限。尽管高级协调方法可能更优，但在住宅规模的应用中牺牲了自主性和实用性[16]。
本文通过提出一种专门为高渗透率光伏系统中的自适应电压调节设计的新型逐步式无功功率控制（SRPC）策略来填补这一空白。其核心创新在于用离散的、事件驱动的控制模式替代了连续的、导致压力的线性降压调整。SRPC仅在必要时才采取行动——当电压偏差或不平衡的预设阈值被突破时——从一组预定义的功率因数设定点中选择适当的值来进行校正。这种从“持续调整”到“通过有意识的、不频繁的步骤实现稳定运行”的根本转变直接解决了逆变器可靠性的问题。该策略的自适应特性使其能够有效应对由光伏输出和负载变化引起的各种网络条件。
这项工作建立在之前会议出版物[17]中提出的初步发现基础上。本研究通过引入一种新型的逐步式无功功率控制算法、结合全面的逆变器能力模型，并在具有真实1分钟数据的IEEE 37节点测试馈线上进行为期一年的扩展仿真，提供了重要的扩展。本文首次报告了承载能力、逆变器切换压力和能量削减的定量评估，并与传统线性降压控制进行了比较分析，还详细讨论了实际限制。本研究的主要贡献和创新点包括：
1)开发了一种自适应本地控制器：SRPC仅使用本地三相电压测量值，无缝集成自适应电压幅值调节和有功相位平衡功能。它填补了简单单目标降压控制和复杂、依赖通信的协调方案之间的功能空白。
2)通过算法最小化切换频率，SRPC直接解决了与连续无功功率控制相关的逆变器硬件压力和寿命退化问题——这在纯粹关注性能的研究中常常被忽视[18]。
3)明确了研究空白并进行了合理说明：我们对现有策略进行了详细的比较分析，明确说明了为什么SRPC是现实世界高渗透率场景中的必要进步，因为在这些场景中，简单性、可靠性和有效性至关重要。
4)通过在对基准不平衡网络进行详细仿真，严格量化了SRPC的优势：与传统的线性降压控制相比，承载能力提高了40%以上，能量削减减少了60%，逆变器切换次数减少了近90%。
通过促进更高比例和更可靠的光伏集成，这项研究直接为全球实现可持续能源（SDG 7）和气候行动（SDG 13）做出了贡献。本文的其余部分结构如下：第2节详细介绍了电压挑战；第3节阐述了所提出的SRPC策略；第4节描述了仿真方法；第5节展示并分析了结果；第6节讨论了影响和限制；第7节总结了本文。
章节片段
电压升高和承载能力的物理原理
配电馈线中任何一点的电压都由网络的功率流解决方案决定。对于光伏系统公共耦合点（PCC）的简化分析，电压升高（ΔV）可以使用馈线的短路阻抗和净注入功率来近似计算：其中R和X是从PCC到变电站的等效电阻和电抗，Pnet和Qnet是净有功和无功功率注入（注入为正值）
设计理念和核心原则
SRPC策略基于两个核心原则：通过简单性实现自适应有效性，通过最小化干预来提高可靠性。与寻求连续最优的优化方法不同，SRPC的目标是达到“足够好”的状态，以最小的干扰满足所有运行约束。这种理念对于在高渗透率住宅光伏集成中的广泛应用至关重要，因为控制解决方案必须具有鲁棒性、低成本且易于
测试系统：改进的IEEE 37节点馈线
仿真平台基于标准的IEEE 37节点测试馈线[33]，这是由IEEE配电系统分析小组开发的用于不平衡配电系统的成熟基准。该馈线的特点是三角形配置、地下电缆和固有的三相不平衡，使其特别适合在具有挑战性的条件下验证所提出的SRPC策略。
虽然我们之前的工作[34]已经使用该系统进行了动态
不同渗透率下的电压调节
图7比较了在85%光伏渗透率下最敏感节点的最坏情况相位电压。结果显示，BL1导致严重的过电压违规。BL2虽然将电压调节在限制范围内，但伴随着持续的小幅振荡，反映了其固有的压力诱导操作模式。所提出的SRPC策略也保持了合规性，但显示出特征性的阶梯状电压曲线，清晰地展示了其离散的、低切换次数的控制行为。
贡献的综合与实际意义
所提出的SRPC策略成功弥合了光伏集成研究和实践中的重要空白。它提供了一种实用的工程解决方案，平衡了电能质量（电压和不平衡控制）、设备可靠性（低逆变器压力）和最大化可再生能源产量（最小化削减）之间常常相互冲突的矛盾。其自适应的、基于阈值的逻辑使其特别适合高渗透率光伏场景下的高度变化条件。
结论
本文提出了一种新型的逐步式无功功率控制（SRPC）策略，旨在解决具有高光伏（PV）渗透率的配电网络中的电压调节和相位不平衡综合挑战。所提出的方法明确旨在满足实际高渗透率集成所需的四个关键要求。首先，SRPC是完全自主和本地的，不需要通信，仅依赖本地电压测量值。
CRediT作者贡献声明
黄国凯：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。傅永路：撰写——初稿、可视化、验证、软件、资源管理、项目管理、调查、资金获取。
