Volt-PF Control Mode for Distribution Feeder Voltage Management Under High Penetration of Distributed Energy Resources

📄 arXiv: 2405.18305v1 📥 PDF

作者: Madhura Sondharangalla, Dan Moldovan, Raja Ayyanar

分类: eess.SY

发布日期: 2024-05-28

💡 一句话要点

提出Volt-PF控制模式，解决高渗透率分布式能源下配电网电压管理难题。

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 分布式能源 电压控制 无功功率 功率因数 配电网

📋 核心要点

  1. 传统Volt-VAr控制仅依赖电压调节无功功率，忽略了有功功率的影响，导致无功功率支持负担不均。
  2. Volt-PF控制方案将无功功率支持与电压和有功功率关联，实现更公平的无功功率分配。
  3. 在包含8000+节点的实际馈线上进行仿真，验证了该方案的有效性，并讨论了在商用逆变器上的实现。

📝 摘要（中文）

在高渗透率分布式能源(DERs)的配电网中，Volt-VAr控制是一种常用的缓解过电压问题的方法。然而，Volt-VAr控制的一个固有局限性在于，DER吸收/注入的无功功率(Q)仅基于终端电压确定，而未考虑DER的有功功率(P)。这导致了Q支持负担的不公平，即产生较低P的DER可能需要提供超过其份额的Q支持，从而导致这些DER的功率因数(PF)需要在很宽的范围内变化，这是许多现有DER不支持的。本文提出了一种新的控制方案，即Volt-PF控制，其中Q支持本质上是电压和DER的P的函数，从而缓解了上述问题，同时将PF变化限制在0.9到1的窄范围内。通过在具有非常高渗透率(>200%)DER的真实大型(8000+节点)馈线上进行广泛的静态和动态仿真，验证了所提出的方案。描述了在新和现有商用硬件逆变器中实施新方案的方法。

🔬 方法详解

问题定义：在高渗透率分布式能源(DERs)的配电网中，由于DERs的间歇性和波动性，容易出现电压越限问题，特别是过电压。传统的Volt-VAr控制策略试图通过调节DERs的无功功率输出来维持电压稳定。然而，这种方法的主要问题在于，它仅依赖于本地电压测量值来确定无功功率的注入或吸收量，而忽略了DERs的有功功率输出。这导致了无功功率补偿负担分配不均，某些DERs可能需要提供过多的无功功率支持，导致其功率因数变化范围过大，超出设备能力限制。

核心思路：本文的核心思路是提出一种新的Volt-PF控制策略，该策略将DERs的无功功率输出与DERs的有功功率输出相关联。通过将无功功率需求与有功功率输出相结合，可以更公平地分配无功功率补偿负担，从而避免某些DERs承担过多的无功功率责任。这种方法旨在确保所有DERs都在其功率因数能力范围内运行，同时有效地维持配电网的电压稳定。

技术框架：该Volt-PF控制方案主要包含以下几个关键步骤：首先，测量DERs的本地电压和有功功率输出。然后，基于这些测量值，使用预定义的Volt-PF曲线或函数来确定DERs所需的无功功率输出。该曲线或函数定义了在特定电压和有功功率水平下，DERs应该注入或吸收多少无功功率。最后，DERs根据计算出的无功功率设定值调整其逆变器的控制参数，从而实现电压调节。整个过程可以集成到DERs的本地控制器中，实现分布式控制。

关键创新：该方法最重要的技术创新点在于将DERs的无功功率控制与有功功率输出相结合。与传统的Volt-VAr控制相比，Volt-PF控制能够更公平地分配无功功率补偿负担，避免某些DERs承担过多的无功功率责任。此外，Volt-PF控制可以限制DERs的功率因数变化范围，使其在设备能力范围内运行，从而提高系统的可靠性和稳定性。

关键设计：Volt-PF控制的关键设计在于Volt-PF曲线或函数的选择。该曲线或函数需要根据配电网的具体特性和DERs的分布情况进行优化设计。一种常见的设计方法是使用分段线性函数，其中不同的电压和有功功率范围对应不同的无功功率设定值。此外，还可以使用优化算法来自动调整Volt-PF曲线的参数，以实现最佳的电压调节效果。论文中提到将功率因数限制在0.9到1之间，这是一个重要的设计约束，需要确保DERs的运行满足该约束条件。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

通过在包含8000+节点的真实配电网馈线上进行仿真，验证了Volt-PF控制策略的有效性。仿真结果表明，该策略能够有效地维持电压稳定，减少电压越限事件的发生，并将DERs的功率因数限制在0.9到1的合理范围内。与传统的Volt-VAr控制相比，Volt-PF控制能够更公平地分配无功功率补偿负担，提高系统的可靠性和稳定性。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于高渗透率分布式能源接入的配电网电压管理。通过采用Volt-PF控制策略，可以提高配电网的电压稳定性，减少电压越限事件的发生，并促进更多分布式能源的可靠接入。该技术对于智能电网的建设和能源转型具有重要意义，有助于提高能源利用效率和电网运行的安全性。

📄 摘要（原文）

Volt-VAr control is a popular method for mitigating overvoltage violations caused by high penetration of distributed energy resources (DERs) in distribution feeders. An inherent limitation of volt-VAr control is that the reactive power (Q) absorbed/injected by the DER is determined based only on the terminal voltage, without considering the active power (P) generated by the DER. This leads to an inequitable burden of Q support, in the sense that those DERs generating lower P, and hence contributing less to overvoltage issues, may be required to provide more than their share of $Q$ support. The resulting PF of these DERs is required to vary over a wide range, which many current DERs do not support. A new control scheme, namely volt-PF control, is proposed here where the Q support is inherently a function of both the voltage and $P$ from DERs, which alleviates the above concerns while limiting the PF variation within a narrow range of 0.9 to 1. The proposed scheme is validated through extensive static and dynamic simulations on a real, large (8000+ nodes) feeder with very high penetration (>200%) of DERs.The implementation of the new scheme in new and existing commercial hardware inverters is described.