这篇文章属于类型a：单篇原创研究报告，以下是根据文档内容生成的详细学术报告：

主作者及机构信息

本文的主要作者为Ruonan Hu、Wei Wang、Xuezhi Wu、Zhe Chen、Long Jing、Wei Ma和Guohong Zeng，作者分别隶属于北京交通大学国家主动配电网技术研究中心（中国），丹麦奥尔堡大学能源技术系以及国家电网安徽省电力科学研究院（中国）。研究成果发表于国际期刊《Solar Energy》（Elsevier出版），文章编号231，页码809–827，并于2021年12月20日在线发布。

研究背景

本研究的主要科学领域为主动配电网技术及其电压调节优化，侧重于高渗透光伏系统给配电网络带来的挑战与应对策略。在当前缓解气候变化和能源危机的全球趋势下，可再生能源（Renewable Energy Sources, RESs）正迅速普及，其中大量光伏（Photovoltaic, PV）发电系统的并入对提高能源利用率和减少运营成本具有重要意义。然而，随光伏接入率增长，其有功功率快速波动引发的节点电压波动对配电网电能质量与稳定性带来严重负面影响。传统配电网络中主要通过有载分接开关（On-Load Tap Changer, OLTC）与电容器组（Capacitor Banks, CBs）调节电压。但以上装置受限于反应速度慢且寿命有限，难以满足高渗透光伏引发的快速电压调节需求。

基于此，本研究旨在开发一种新型协同的有功与无功功率优化方法，以应对光伏高渗透率情景下配电网的电压波动问题，从而提升配电网的经济性及稳定性，同时提高可再生能源的利用水平。

研究工作流程

概述

本研究提出了一种基于模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）和领导-追随一致性算法（Leader–Follower Consensus Algorithm, LFCA）的协同优化方法，对配电网中的OLTC、CBs、光伏与电池储能系统（Battery Energy Storage Systems, BESSs）进行多时间尺度的有功与无功功率优化调度，旨在限制节点电压波动，减少运行损耗，以及降低电压调节设备的动作次数。

具体流程

1. 配电网络建模及问题定义： 本研究以IEEE 33节点配电网为基础，构建了包含光伏系统、BESSs、以及多个CBs和OLTC的配电网络仿真环境。模型中假设每个光伏站点配套一个BESS，BESS具有充放电功能及无功功率调节能力。通过建立功率流模型与节点电压波动公式，解析光伏波动工况下电压变化与有功、无功功率的关系。

2. 提出的协同优化方法：

   • 上层集中优化阶段： 该阶段对未来一段时间（例如每30分钟）内OLTC分接头、CBs无功功率及光伏与BESS的最大允许功率进行周期性集中优化，建立基于MPC的混合整数非线性规划（Mixed Integer Nonlinear Programming, MINP）模型。指标优化目标包括：最小化节点电压波动、电网损耗、设备调整动作次数，以及光伏有功出力削减量。
     • 采用改进的非支配排序遗传算法II（NSGA-II）对该模型进行求解。优化过程中，结合当前配电网运行状态与光伏及负荷功率预测，产生满足整体目标的Pareto最优解集，并依据信息融合策略选取最终控制指令。
   • 下层分布式优化阶段： 基于LFCA算法对光伏及BESS进行实时动态调节，主要在1分钟时间尺度内快速调整光伏输出的有功功率及储能系统的充放电及无功功率。LFCA通过邻近控制器间的数据交互实现全网BESS负载的公平分配，改善电压分布均匀性。

3. 仿真实验设计： 仿真选用实际光伏电站的有功功率数据作为输入，对IEEE 33节点系统进行基于一天24小时光伏与负荷变化的测试。实验对比优化前后各节点电压分布、OLTC和CB动作情况、电网损耗及BESS使用情况。

主要结果

1. 节点电压波动控制： 仿真结果表明，在无优化措施情况下，部分节点电压超出允许范围[0.95, 1.05] p.u.；经优化后，所有节点电压均被控制在相关范围内，且显著减少了过电压与欠电压问题。

2. 设备动作次数及损耗：
   优化后，OLTC每日动作次数从7次减少至5次，CBs动作次数从9次减少为7次；同时配电网每日总损耗由2383.09 kWh下降至1724.88 kWh，相比未优化模型损耗降低27.62%。

3. 储能系统表现：
   储能系统在日间高峰时刻吸收光伏削减的有功功率，并调节其无功功率以抑制电压波动。SOC始终受控于20%-90%之间，单日平均循环次数为2.03次，显著减少了储能使用压力。

4. 优化算法性能：
   改进的NSGA-II算法实现了效率与精度兼顾的优化求解，LFCA一致性算法能在少于5秒内快速收敛。上下层协调机制有效应对了多时间尺度优化需求。

研究意义与应用价值

本研究拓展了配电网多时间尺度有功和无功调度优化的理论与实践，显著增强了高渗透光伏情景下电网的运行灵活性与可靠性，其主要应用价值包括：

1. 增强经济性与稳定性：
   通过协调光伏、储能、OLTC与CBs，对配电网电压调节的多层次优化显著减少了运行损耗、设备疲劳及光伏削减量。

2. 提升可再生能源利用率：
   减少光伏削减并充分利用BESS储能潜力，旨在提升配电网的清洁能源吸纳能力和可持续性。

3. 实际工程指导意义：
   研究方法与实验结果为未来光伏发电高渗透配电网工程提供了优化调控思路，具有良好参考价值。

研究亮点

1. 开发并验证了全新的协同优化框架，系统性整合MPC与LFCA，全局与局部相结合，涵盖多时间层次的电压调节优化。
2. 依赖改进的NSGA-II求解非线性规划问题，有效针对复杂多目标配电网优化需求。
3. 提出了兼顾公平性与快速响应的分布式储能调控方法，显著提升了可调资源的调控能力。

研究展示了应对可再生资源波动性的有效策略及具有潜能的技术实现方式，为未来智能配电网运行提供了先进方法支持。