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💥1 概述
基于柔性开断点（SOP）的主动配电网电压与无功功率协调控制方法研究
摘要
分布式电源(DG)的大规模接入加剧了主动配电网(ADN)的电压波动与无功功率失衡问题。柔性开断点(Soft Open Point, SOP)作为一种新型电力电子装置，凭借其快速、精确的功率控制能力，成为解决上述问题的关键技术。本文提出一种基于SOP的电压与无功功率协调控制方法，通过构建多时段优化模型，结合储能系统(ESS)的充放电特性，实现配电网电压偏差最小化与无功功率优化配置。以IEEE 33节点系统为仿真案例，验证了所提方法在提升电压质量、降低网损及增强系统灵活性方面的有效性。
一、引言
随着分布式电源（DG）的大规模接入，主动配电网（ADN）的电压与无功功率控制面临新的挑战。柔性开断点（Soft Open Point, SOP）作为一种新型电力电子装置，能够灵活、快速地控制潮流，提供无功补偿，为解决这些问题提供了新的思路。本报告旨在研究基于SOP的主动配电网电压与无功功率协调控制方法，以提高配电网的电压质量和运行效率。
随着光伏、风电等分布式电源的高比例接入，主动配电网的电压波动与无功功率失衡问题日益突出。传统调控手段（如有载调压变压器、电容器组）因响应速度慢、调节离散化，难以满足实时调控需求。柔性开断点(SOP)作为一种全控型电力电子装置，可替代传统联络开关，实现馈线间有功/无功功率的灵活转移，为电压与无功功率的协调控制提供了新思路。
本文结合储能系统(ESS)的能量缓冲特性，提出一种含储能及SOP的多时段配网优化模型，通过协调控制SOP传输功率与ESS充放电状态，实现电压偏差最小化与无功功率优化配置，提升配电网运行的经济性与可靠性。
二、SOP技术概述
- SOP定义与功能：
- SOP是一种可以替代传统联络开关的电力电子装置，能够实现馈线之间的灵活连接。
- SOP具有快速、动态和持续的有功无功潮流控制能力，能够平衡负载潮流并优化系统电压分布。
- SOP实现方式：
- 主要基于全控型电力电子器件，如背靠背电压源变流器（BTB VSC）、统一潮流控制器（UPFC）和静止同步串联补偿器（SSSC）等。
- 以BTB VSC为例，其由两个对称的三相电压源型PWM变流器通过中间直流储能电容以背靠背的形式连接而成，能够实现有功和无功功率的独立控制。
- SOP在配电网中的应用优势：
- 提高潮流可控性，有效解决高渗透率DG接入带来的电压越限、网损增大等问题。
- 增强系统灵活性，支持故障隔离和供电恢复，提高供电可靠性。
- 促进可再生能源消纳，降低运行成本。
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三、基于SOP的电压与无功功率协调控制方法
- 控制策略设计：
- 分层协调控制架构：提出适用于含SOP的主动配电网的分层协调控制架构，包括系统级、区域级和设备级控制。
- 多无功源协调控制：利用SOP、分布式电源（DG）及离散无功设备（如电容器组）等多无功源，构建电压控制策略。将配电网电压运行状态划分为正常状态、预警状态和紧急状态，并分别采取不同的控制措施。
- 正常状态：进行全局优化，通过离散无功设备的静态无功功率置换出SOP的动态无功功率，提高配电网动态无功储备容量。
- 预警状态：通过多无功源就地控制与集中控制相互协调，实现轻度电压越限节点的校正控制。
- 紧急状态：利用SOP对电压越限节点快速紧急支援，实现配电网过渡到预警状态或恢复到正常状态。
- 优化模型构建：
- 目标函数：以系统运行成本最小化、电压偏差最小化、网损最小化等为目标，构建多目标优化模型。
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编辑 - 约束条件：包括SOP功率容量限制、节点电压安全范围、潮流平衡方程等。考虑DG出力与负荷的不确定性，采用区间优化或分布鲁棒优化方法处理。
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- 求解算法：
- 线性化与圆锥松弛：将原有的非凸混合整数非线性优化模型转换为混合整数二阶锥规划模型，提高求解效率。
- 多目标进化算法：如NSGA-II算法，用于生成Pareto解集，辅助决策者在经济性与可靠性间权衡。
- 灵敏度分析：评估自变量变化对因变量影响程度，用于SOP选址与定容优化。通过计算节点电压、功率损耗对SOP安装位置的灵敏度，快速识别对系统稳定性影响最大的候选位置。
四、案例分析
- IEEE 33节点系统仿真：
- 场景设置：在IEEE 33节点系统中接入SOP和DG，模拟不同运行状态下的电压与无功功率控制效果。
- 仿真结果：
- 正常状态下，系统电压偏差显著减小，动态无功储备容量提高。
- 预警状态下，多无功源协调控制有效校正轻度电压越限节点。
- 紧急状态下，SOP快速紧急支援功能使系统迅速恢复到安全状态。
- 农村配电网应用案例：
- 问题描述：农村配电网存在无功不足和网络损耗大的问题。
- 解决方案：提出电容器组和SOP共同参与无功电压优化的方法。采用改进狼群算法求解混合整数非线性优化问题，实现SOP和电容器组的最优规划。
- 实施效果：系统电压质量显著提升，网络损耗降低，经济效益提高。
五、技术挑战与未来方向
- 技术挑战：
- 成本效益平衡：SOP的高投资成本与利用率之间的矛盾。现有方案多假设SOP满容量运行，实际场景中设备闲置率较高。
- 多设备协同优化：SOP与储能、调压器等设备的协同模型复杂度高，难以保证实时性。
- 高维不确定性处理：风光出力、电动汽车充电等多源不确定性叠加时，传统灵敏度方法易陷入“维数灾难”。
- 未来方向：
- 混合灵敏度指标：融合静态灵敏度（电压/网损）与动态灵敏度（频率/暂态稳定），构建多维评价体系。
- 多时间尺度分层优化：长期规划层确定SOP位置，短期运行层动态调整容量分配，提升配置灵活性。
- 数字孪生技术应用：通过实时仿真验证灵敏度分析结果，降低物理实验成本。
📚2 运行结果
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🎉3 参考文献
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[1] Li P , Ji H , Wang C ,et al.Coordinated Control Method of Voltage and Reactive Power for Active Distribution Networks Based on Soft Open Point[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2017, 8(4):1949-3029.DOI:10.1109/TSTE
