Linear Phase Balancing Scheme using Voltage Unbalance Sensitivities in Multi-phase Power Distribution Grids
作者: Rahul K. Gupta
分类: eess.SY
发布日期: 2025-05-01 (更新: 2025-09-25)
备注: To appear at 64th IEEE Conference on Decision and Control
💡 一句话要点
提出基于电压不平衡灵敏度的线性相位平衡方案，用于多相配电网。
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 配电网 电压不平衡 相位平衡 线性化 泰勒展开
📋 核心要点
- 配电网不平衡问题日益严重，现有有功/无功功率控制方法面临非线性优化难题。
- 论文提出基于泰勒展开的电压不平衡指标线性化方法，简化相位平衡控制。
- 该方案构建为反馈控制，迭代更新线性化参数，并在IEEE标准测试用例上验证有效性。
📝 摘要（中文）
本文针对北美地区配电网中单相、两相和三相网络混合以及单相设备（如电动汽车充电器和单相太阳能发电厂）大量接入导致的不平衡问题，提出了一种线性化的相位平衡方案。为了保障设备安全和网络运行效率，网络运营商必须将电压不平衡水平控制在IEEE、IEC和NEMA标准规定的限值内。现有方法通常采用有功和无功功率控制来最小化不平衡，但由于不平衡指标和潮流方程的非线性，这些优化问题通常高度非线性且非凸。本文利用一阶泰勒近似对电压不平衡因子（VUF）、相电压不平衡率（PVUR）和线电压不平衡率（LVUR）等不平衡指标进行线性化。然后将此线性化应用于相位平衡控制方案，该方案被构建为一种反馈方法，在有功/无功控制设定点被激活后，线性化会连续更新，从而改善电压不平衡。在标准IEEE基准测试用例上的应用表明了该方案的有效性。
🔬 方法详解
问题定义：配电网中由于单相负载的广泛接入，导致电压不平衡问题日益突出。现有方法通常采用有功和无功功率控制来最小化不平衡，但由于不平衡指标（如VUF、PVUR、LVUR）和潮流方程的非线性，优化问题高度非线性且非凸，难以求解。这限制了实时控制的应用。
核心思路：论文的核心思路是将非线性的电压不平衡指标进行线性化，从而将复杂的非线性优化问题转化为线性问题，降低求解难度。具体而言，采用一阶泰勒近似对电压不平衡指标进行线性化，使其能够更容易地用于控制算法的设计。
技术框架：该方案构建为一个反馈控制系统。首先，对电压不平衡指标进行线性化。然后，基于线性化的指标设计相位平衡控制器，计算有功/无功功率的控制设定点。控制器输出的控制信号被施加到配电网中，改变网络运行状态。随后，系统测量新的电压不平衡指标，并更新线性化模型。这个过程迭代进行，直到电压不平衡达到可接受的水平。
关键创新：该论文的关键创新在于将电压不平衡指标进行线性化，从而简化了相位平衡控制问题的求解。与直接求解非线性优化问题相比，线性化方法计算复杂度更低，更适合于实时控制应用。此外，采用反馈控制结构，能够根据实际运行情况动态调整控制策略，提高控制精度。
关键设计：线性化采用一阶泰勒展开，需要选择合适的展开点。展开点通常选择当前运行状态，以保证线性化模型在当前状态附近具有较高的精度。反馈控制器的设计需要考虑系统的稳定性和响应速度。具体的控制器参数需要根据配电网的特性进行调整。论文中没有明确提及具体的控制器类型和参数选择方法，这部分内容可能需要在实际应用中进一步研究。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文在IEEE标准测试用例上验证了所提出方案的有效性，但摘要中没有提供具体的性能数据和提升幅度。因此，具体的实验亮点未知。需要查阅论文全文才能了解详细的实验结果和对比分析。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于智能配电网的电压控制和平衡优化，提高电能质量和供电可靠性。通过降低电压不平衡，可以延长电气设备的使用寿命，减少能量损耗。该方法尤其适用于电动汽车充电站、分布式光伏等单相设备大量接入的配电网，有助于实现分布式能源的高效利用和电网的稳定运行。未来可进一步扩展到包含更多类型分布式电源和储能设备的复杂配电网。
📄 摘要（原文）
Power distribution networks, especially in North America, are often unbalanced due to the mix of single-, two- and three-phase networks as well as due to the high penetration of single-phase devices at the distribution level such as electric vehicle (EV) chargers and single-phase solar plants. However, the network operator must adhere to the voltage unbalance levels within the limits specified by IEEE, IEC, and NEMA standards for the safety of the equipment as well as the efficiency of the network operation. Existing works have proposed active and reactive power control in the network to minimize imbalances. However, these optimization problems are highly nonlinear and nonconvex due to the inherent non-linearity of unbalanced metrics and power-flow equations. In this work, we propose a linearization approach of unbalance metrics such as voltage unbalance factors (VUF), phase voltage unbalance rate (PVUR), and line voltage unbalance rate (LVUR) using the first order Taylor's approximation. This linearization is then applied to the phase balancing control scheme; it is formulated as a feedback approach where the linearization is updated successively after the active/reactive control setpoint has been actuated and shows improvement in voltage imbalances. We demonstrate the application of the proposed scheme on a standard IEEE benchmark test case, demonstrating its effectiveness.