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研究作者与机构

该研究由Zhenhao Wang、Weixian Tan、He Li、Jinming Ge（通讯作者）和Wei Wang完成。作者所属机构分别为东北电力大学电气工程系（Department of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, China）以及内蒙古东部电力公司的通辽供电公司（Tongliao Power Supply Company of State Grid Inner Mongolia East Power Company）。研究成果发表在国际期刊 International Journal of Electrical Power and Energy Systems 上，期刊号为144 (2023) 108585，文章上线日期为2022年9月13日。

研究背景与目标

随着全球电力系统规模的快速扩张以及中国电力系统发展为世界上最为庞大和复杂的网络，新型能源系统的不断接入使电力系统面临着更高的电压调控难度。此外，区域电网的电压波动和因电压调节引起的有功网损增加问题日益突出，因此，提出有效且经济的电压调控方法已成为电力科学领域研究的热点。

传统的电压调节方式依赖于变压器分接头调整、限制有功功率以及安装电抗器等手段。然而，这些方法在未来电网复杂性增加的背景下，将导致更大的有功网损，且因控制程序过于繁琐影响实时调节性能。鉴于此，本文基于复杂网络的模块度函数（modularity function）理论，提出了一种基于无功电压灵敏度权重分区和有功网损电压灵敏度权重分区的电压协调控制策略，以期优化电压调节并降低有功网损。这项研究的目的是开发经济有效的分区控制方案，从而解决区域电网的电压波动问题。

研究流程

该研究的工作流程包括以下几个关键步骤，涵盖新方法的开发和验证，主要方法及实现步骤具体如下：

（1）提出模块度函数模型及灵敏度权重的计算方法

研究基于电力系统潮流计算模型，引入灵敏度的定义，即系统控制变量变化对输出变量的影响程度。研究对无功-电压灵敏度（Reactive Power-Voltage Sensitivity, squ,ij）以及有功网损-电压灵敏度（Active Network Loss-Voltage Sensitivity, splossu,ij）进行了详细推导。

无功-电压灵敏度通过节点电压变化与无功功率变化的关系计算得出。对于有功网损-电压灵敏度，由潮流方程和Jacobi矩阵相结合，得出网络内有功网损对电压变化的灵敏度。

（2）基于灵敏度权重进行分区

为解决复杂网络的分区问题，研究引入模块度函数模型（modularity function model），结合无功-电压灵敏度权重和有功网损-电压灵敏度权重，对电力系统中的各个节点进行分区。分区的结果通过结合节点间的权值，以改进的模块度函数公式（qvq）计算得出。随后，作者提出了“聚合域”（aggregation domain）的概念，即通过分区结果寻找能够共同进行电压调控的节点集合。

（3）反应无功支撑能力指标的提出

为确保分区后调节设备的能力能够满足负载节点电压调节的需求，作者提出了无功支撑能力指标（Reactive Power Support Capability Index, k）。该指标通过分区内所有无功补偿设备最大输出容量与分区总无功负载比值计算，设定阈值（15%-20%）判断分区的合理性。

（4）分区电压控制策略

基于分区结果的“聚合域”，研究提出了一种分区电压控制策略。该策略考虑无功-电压灵敏度分区与有功网损-电压灵敏度分区的交集，充分利用无功补偿设备进行优化的电压控制。同时，通过设计控制流程图，细化了调控节点电压所需的补偿量。

（5）IEEE标准系统的仿真实验

作者首先在改进的IEEE33节点算例上进行分区仿真，以验证分区方法的准确性并计算无功支撑能力。随后，在改进的IEEE39节点算例上测试了控制策略的适用性。在两个实验场景下（光伏功率输出变化及负载波动），验证了该方法的有效性。

主要研究结果

（1）分区结果

基于无功-电压灵敏度和有功网损-电压灵敏度的改进模块度函数分区方法，在实验中高效地将IEEE33节点划分为7个域，每个域内的无功支撑能力指标均进行量化。在IEEE39节点实验中，系统被划分为9个聚合域。其中，部分域内因k指标为0，需要重新调整分区。

（2）电压协调控制策略的效果

在IEEE39算例的两个场景下，作者采用提出的分区电压控制策略： - 光伏输出变化情境下，8号节点电压从补偿前的0.931 p.u. 提高到0.955 p.u.，同时有功网损减少了1.293 MW。 - 负载波动情境下，15号节点电压通过域内无功补偿设备调节提高至1.005 p.u.，并显著减少了主动网络损耗。

对比传统的集中控制方式（centralized control），分区控制（zonal control）不仅提高了电压优化效果（电压改善4.54%），并且显著缩短了控制时间（减少90.70%）。

结论与意义

本文提出了一种基于改进模块度函数和灵敏度权重分析的分区电压协调控制方法，为未来兼具复杂性和大规模性的电网提供了一种高效且经济的解决方案。实验结果表明，该方法可有效缩小无功补偿设备的搜索范围，降低节点协调控制的复杂度，以及减小电压调节引起的有功网损。因此，该研究具有如下科学和应用价值： 1. 提供了一种新型且精准的电压优化方法，有助于解决传统电压调节手段在未来复杂电网中效率低下的问题。 2. 提出了明确的无功支撑能力指标，有助于电力系统分区的科学性与合理性获取。 3. 提供了新思路，促进分布式光伏和无功补偿设备的控制协同性，提高电力系统的经济性和可靠性。

研究亮点

• 提出了基于灵敏度权重分析的模块度函数模型分区方法。
• 提出了无功支撑能力指标，科学定义了分区合理性。
• 开发了环境适应性更强的分区电压协调控制策略，有效平衡电压优化和网络损耗。

研究显示，分区控制对于能源系统的发展需求和未来的电网规划具有重要参考价值，同时为复杂网络的分区问题提供了新的解决方法。