基于优化家庭能源管理系统实现不同目标函数的分布式电池储能对高比例产消者光伏微安装低压配电网电压分布的影响

太阳能光伏动力近期发展势头迅猛。2023年全球光伏新增装机容量逾越380吉瓦，占可再生动力新增总量的四分之三[1]。在许多国家，全体商场添加首要受产消者推进[2]，即兼具电力出产者和消费者两层属性的实体。这类产消者光伏微电站一般接入低压配电网。尽管单个电源容量相对较小，但高光伏浸透率或许导致低压配电网作业出现各类问题[3]，因原电网规划并未考虑光伏发电的不坚定性。配电系统运营商面对的核心应战在于：在负荷与发电量改动的状况下，仍需将节点电压维持在答应规划内[4]。其中，过电压现象的消除尤为要害。
随着光伏电源在低压网络中的高浸透率，当光伏发电量逾越本地负荷时，一般会出现过电压问题。这种状况下产生的反向有功功率流会改动电压下降方向，导致某些节点电压升高然后引发过电压。全国规划的研讨标明，与短期太阳辐射峰值比较，低能耗状况对过电压事件的加剧作用更为显着[5]。该发现对电力配备的安全作业具有重要指导意义。过电压测试[6]标明，家用电器普遍具有较强的短时过电压耐受才干。可是，持续过电压会显着加速其功用退化速率，导致毛病或损毁风险骤增[7]，尤以电子类Equipment为甚[8]。该现象还或许对配电网元件作业产生倒霉影响，例如缩短变压器[9]或电压调度设备[10]的运用寿数。因此，重点在于缓解长时间过电压现象——该问题一般产生于低负荷高光伏发电时段，且日间可持续数小时之久。
消除光伏电源引起的过电压的最简略方法，是在问题出现时减少有功发电量。智能逆变器能够先下降输出功率，终究或许关闭微型发电设备以减轻对电网的倒霉影响[11]。可是，这是一种倒霉的弥补方法，束缚了太阳能出产的经济和环境效益。另一种运用太阳能逆变器的技术，是在光伏电源作业时添加耗费的无功功率[12]。可是，该方法的有用性一般取决于电网的R/X（电阻/电抗）比与逆变器的无功功率容量。此技术的首要缺点在于电流添加会导致网络损耗显着上升。
除了选用产消者光伏逆变器外，配电系统运营商（DSO）还可运用其他方法来改善低压网络节点的电压特性。第一种方法是电网强化[13]。该过电压缓解战略通过下降网络阻抗来减少电压掉落。配电系统运营商可通过增设线路[14]或选用更高截面积的新式导线替换现有导体[15]来完结预期作用。尽管更换中压/低压变压器（MV代表中压）相同可行，但其功率不及线路强化方法[16]。
另一方面，MV/LV变压器可用于低压电网的自动电压控制，但应配备有载分接开关（OLTC）。[17]中的分析标明，与电网加固方案比较，该处理方案或许是一种可行的选择。可是，在规划选用该方法时，有必要考虑分接调度规划相对较小以及OLTC运用寿数有限的问题。配电系统运营商（DSO）可用于自动电压控制的另一设备是电压调度器（VR）[18]，该设备与低压线路串联设备，可在线路电压基础上叠加或扣除附加电压。由于VR的每相均可独立控制，因此也可用于下降电压不对称性。鉴于VR可设备在低压电网恣意方位，需首要承认其最优安点缀[19]。
另一种旨在改善低压电网电压条件的技术处理方案是选用电力电子设备，例如中止无功补偿器（SVC）或中止同步补偿器（STATCOM）。SVC由晶闸管投切电容器与晶闸管控制电抗器并联构成[20]，其电抗值可接连调度。通过改动等效电抗，设备在配电网中的SVC既能吸收也能注入无功功率，然后完结对无功功率平衡的动态调度，然后下降电压误差。为完结最佳控制作用，有必要合理规划SVC的设备方位与额定功率[21]。STATCOM的基本功用与SVC大体相同，但作业原理存在差异：SVC通过改动等效电抗作业，而STATCOM通过控制输出电压的幅值与相位角进行调度。该设备由直流电容器和电压源换流器（VSC）构成，后者通过耦合变压器接入电网[22]，其无功功率由VSC输出电压幅值控制。若控制VSC使STATCOM输出电压低于电网电压，则STATCOM将从电网吸收无功功率。STATCOM即便在低电压条件下仍能供给所需无功电流的才干优于SVC，这一特性使其在按捺电压不坚定方面更具优势[23]。
所评论的过电压缓解战略可单独运用，亦可组合运用以进步效能并减少单一处理方案的固有缺点[24]。可是，这些方法（除最不举荐的减少光伏有功发电量外）均未消除长时间过电压的底子成因——即由低负荷与高光伏发电量共同作用形成的特定部分能量平衡。通过选用电池储能系统（BESSs），可改动这一能量平衡状况。第一种选择是运用集中式BESS，其可设备在中压/低压变电站或电网深处（例如单个馈线结尾）。文献[25]的仿照成果标明，选用集中式BESS改善了典型低压电网的电压分布，但要抵达满意作用需配备容量较大（180-550 kWh）且功率较高（140-410 kW）的储能单元。这些结论通过集中式BESS（100 kW，100 kWh）作业期间的实测数据得到验证，该设备设备于中压/低压变电站[26]。由于具有此类参数的集中式BESS体积庞大，空间束缚或许使其难以接入低压电网。
另一种选择是运用产消者具有的分布式电池储能系统（BESS），但这种状况需求选用适宜的方法来有用控制接入电网不同方位的独立单元。从前研讨[27]的作者提出了一种极简控制算法，当光伏逆变器并网点（PCC）电压逾越预设值时即发动BESS充电。充电进程持续至PCC电压保持高于设定值或BESS荷电状况（SoC）抵达极限为止。该方法选用安稳充电速率战略，不考虑光伏发电的不坚定性。后续研讨[28]通过引进渐进增减的电池充电速率改善了该控制算法。要获得更优的控制作用，一般需求在各BESS控制器之间树立通讯系统。在[29]提出的控制方案中，馈线上产消者通过相互通讯交换各自节点的电压误差信息，以达成对配电网均匀电压状况的一致。依据该估计值，控制器会更新电池储能系统（BESSs）的作业点。
由于分布式电池储能系统（BESS）对电网电压的影响因其设备方位而异，仅依据本地参数或网络均匀电压状况的简略控制战略或许无法供给完全适用的成果。为考虑定位要素，控制算法可纳入多种技术。第一种处理方案是选用电压灵敏度因子（VSF），其反映了网络不同节点处有功（或无功）功率改动与母线电压改动之间的量化关系。虚拟同步发电机(VSFs)的数值可通过网络模型[30]或实测方法[31]计算得出。依据VSFs，可进一步求解各电池储能系统(BESSs)所需的充放电速率。BESSs作业点的承认则可通过以下两种方法完结：(1)结合功率最小化优化问题的网络模型求解[32]；(2)以下降线路损耗和减少BESSs运用量为政策，求解多时段最优潮流(OPF)问题[33]。
如前一节所述，控制分布式BESS的先进方法大多需求中心控制器来计算各台设备的希望作业点。这类处理方案还需配备广域通讯网络，以完结中心控制器与各储能单元之间的双向信息交互。可是，所提方法在实践实施中面对的最大难度在于产消者短少运用其BESS供给电压调度服务的自愿。针对该问题的一个潜在处理方案或许是树立邻里储能社区，其成员将各自的电池储能系统（BESS）供给给整个社区运用[34]，但这需求完善的法律法规作为支撑。更简略的处理方案或许是通过实施恰当的激励方法来影响单个产消者的决议方案。文献[35]中的分析标明，动态动力价格机制能够有用发挥这一作用。
一般而言，动态电价是电力供货商与用户之间的一种合约形式，其电价随时间不坚定。总述文献[36]指出存在三种首要动态定价机制：分时电价（TOU）、要害峰时电价（CPP）以及实时电价（RTP）。不论选用何种类型，时变电价旨在通过激励用户调整其电力平衡（运用可搬运负荷（SLs）和/或BESSs），然后改善电力系统作业条件，包括进步电压质量。
运用动态电价控制单个用户电能平衡的功用，可通过依据优化的家庭动力处理系统（HEMS）[37]完结。该系统需依据日前电价、光伏发电猜想、建筑需求猜想，并考虑技术束缚条件，承认可调负荷（SLs）的切换时间和/或电池储能系统（BESS）的作业曲线，以极值化预设政策函数。这些系统作业对配电网电压水平影响的研讨成果可见于专业文献。例如文献[38]作者描绘了专用于住所建筑空调控制的HEMS。所执行的仿照标明，通过呼应电价数值对建筑功率平衡进行恰当控制，能够影响日电压曲线。相应地，文献[39]的作者分析了家用电器控制产生的作用，并证明所获得的长时间过电压下降可显着减少光伏发电按捺。添加参加需求侧处理(DSM)[40]的用户数量（包括无功功率控制[41]以及热电负荷组合控制[42]），将有助于滑润电压曲线并下降电压不坚定。
通过在低压网络中运用电池储能系统（BESS），可通过改动单个用户的功率平衡进一步扩展电压控制才干。文献[43]标明，与仅优化静态负荷（SLs）投切时间的状况比较，BESS的合理控制改善了电压分布特性。特别是在光伏发电高峰时段，由于家庭动力处理系统（HEMS）控制器依据全局电价信号（所有用户统一）阻挠过剩光伏功率馈入电网，完结了更大崎岖的电压下降。通过为每户家庭创立差异化电价信号，将方位要素纳入HEMS控制算法也具有可行性。这些信号可依据配电网方位边沿电价（包括动力本钱、网损、阻塞和电压越限分量[44]）或仅考虑电压越限分量[45]进行规划。
上述文献[35][36][37][38][39][40][41][42]的作者证明，通过改动单个用户的功率平衡，可有用改善低压配电网的电压分布。这些研讨假定家庭动力处理系统（HEMS）通过控制可调度负载（SLs）与电池储能系统（BESSs）来完结动力本钱最小化（有时会引进附加组件以表征建筑运用者的舒适度等要素）。文献[46]进一步验证，动力本钱最小化是HEMS优化算法中最常选用的政策函数。可是，如文献[47]提出的最大化产消者财务中性等其他政策函数，相同可用于承认SLs与BESSs的作业方案。有理由估测，依据不同政策函数控制功率平衡的产消者，将对低压配电网电压曲线产生差异性影响。惋惜的是，现有文献尚未展开此类比较研讨。这一研讨空白亟待加添，由于通过合理规划HEMSs系统，不只能为产消者发明收益，还能同步改善低压配电网的电压状况。
本文的首要政策是比较依据优化的HEMS控制分布式BESSs（完结不同政策函数）对低压电网节点电压分布改动的影响。第一项政策函数是动力本钱最小化，第二项则是产消者财务中立性的最大化。选用粒子群优化（PSO）算法求解这些优化问题。针对所分析的两个政策函数，BESSs的作业曲线均选用相同的实时电价数据集以及气候和读档数据承认。在一个光伏源高度丰满的真实村庄低压配电网络中，分析了两种不同BESS控制战略对电压分布改动的影响。网络作业仿照通过OpenDSS软件完结。
本文的首要奉献可归纳如下：

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  说清楚产消者光伏微设备对实践村庄低压电网作业的影响，该电网在每日和年度时间尺度上具有较高的此类电源丰满程度，
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  承认了总线电压逾越上限风险的年度值（长时间过电压的年度持续时间）以及光伏潜在未发电量的年度值（由于光伏电源因过压保护而关闭导致的最大能量丢掉），
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  研讨标明，按照实施多种政策函数（包括动力本钱最小化和产消者财务中性最大化）的作业曲线控制的分布式电池储能系统，对低压配电网电压水平的影响具有非均匀性特征。
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  针对所考虑的两种蓄电池储能系统（BESS）控制方法，研讨承认了以下两方面风险的下降崎岖：一是母线电压年超标风险，二是光伏弃电量。研讨还标明，以完结产消者财务中性最大化为政策的BESS控制战略，相较于以动力本钱最小化为政策的控制方法，能使这些设备在产消者供电系统中发挥更优的效益。