Bi-level Voltage Regulation Strategy for Active and Reactive Power of Distribution Network with Hybrid Grid-forming/Grid-following Photovoltaic Inverters

FU Lida; JIA Qingquan; SUN Lingling; LIN Junming; WANG Chao; CAO Xinyuan

doi:10.7500/AEPS20240812002

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Bi-level Voltage Regulation Strategy for Active and Reactive Power of Distribution Network with Hybrid Grid-forming/Grid-following Photovoltaic Inverters

Application Research | 更新时间：2025-07-04

- Bi-level Voltage Regulation Strategy for Active and Reactive Power of Distribution Network with Hybrid Grid-forming/Grid-following Photovoltaic Inverters
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 12, Pages: 171-183(2025)
- 作者机构：
  
  1.电力电子节能与传动控制河北省重点实验室（燕山大学），河北省秦皇岛市 066004
  2.国网冀北电力有限公司廊坊供电公司，河北省廊坊市 065000
  3.国网冀北电力有限公司智能配电网中心，河北省秦皇岛市 066000
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(51877186)
- DOI：10.7500/AEPS20240812002
  CLC：
- Received：12 August 2024，
  
  Revised：2025-01-13，
  
  Published Online：19 February 2025，
  
  Published：25 June 2025
- 稿件说明：
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付利达,贾清泉,孙玲玲等.构网/跟网型光伏逆变器混联的配电网有功无功双层调压策略[J].电力系统自动化,2025,49(12):171-183.

FU Lida,JIA Qingquan,SUN Lingling,et al.Bi-level Voltage Regulation Strategy for Active and Reactive Power of Distribution Network with Hybrid Grid-forming/Grid-following Photovoltaic Inverters[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(12):171-183.
付利达,贾清泉,孙玲玲等.构网/跟网型光伏逆变器混联的配电网有功无功双层调压策略[J].电力系统自动化,2025,49(12):171-183. DOI： 10.7500/AEPS20240812002.

FU Lida,JIA Qingquan,SUN Lingling,et al.Bi-level Voltage Regulation Strategy for Active and Reactive Power of Distribution Network with Hybrid Grid-forming/Grid-following Photovoltaic Inverters[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(12):171-183. DOI： 10.7500/AEPS20240812002.

摘要

分布式光伏渗透率的不断提高加剧了电压越限风险。构网/跟网型逆变器混联并网的情况下，如何协调构网/跟网型设备和传统设备调节配电网电压成为重要问题。考虑构网/跟网型设备的不同调节特性，提出一种多类型设备协同调压方法。首先，根据节点电气距离选取出构网型设备最优配置节点，在此类节点配置构网型设备，建立起构网/跟网型设备混联的配电网调压模型；其次，考虑短时间尺度下的调压需求，计算极端场景下构网型光伏逆变器的备用容量，留取一定无功裕量；然后，在日前阶段考虑配电网有功无功耦合特性，构建有功无功双层优化模型，通过有功无功协调优化来降低系统运行成本和电压偏差；最后，通过Fisher最优分割法对离散设备进行动态无功优化，得到最优动作时间和挡位，有效降低了离散设备的动作次数。仿真结果表明，该方法具有良好的电压控制效果和经济性。

Abstract

The voltage overlimit risk intensifies the continuous increase in the penetration rate of distributed photovoltaics. In the case of hybrid grid connection of grid-forming/grid-following inverters

how to coordinate the grid-forming/grid-following equipment and traditional equipment to regulate the voltage of distribution network has become an important issue. Considering different regulation characteristics of grid-forming/grid-following equipment

a collaborative voltage regulation method for multi-type devices is proposed. Firstly

the optimal configuration node for the grid-forming equipment is selected based on the electrical distance between nodes

and the grid-forming equipment at such nodes is configured to establish a voltage regulation model for the distribution network with hybrid grid-forming/grid-following equipment. Secondly

considering the voltage regulation demand on a short time scale

the reserve capacity of grid-forming photovoltaic inverters in extreme scenarios is calculated to leave a certain reactive power margin. Then

in the day-ahead stage

considering the coupling characteristics of active and reactive power in the distribution network

a bi-level optimal model of active and reactive power is constructed to reduce system operating costs and voltage deviations through coordinated optimization of active and reactive power. Finally

by using the Fisher optimal segmentation method to dynamically optimize the reactive power of discrete equipment

the optimal action time and tap are obtained and the number of actions of discrete equipment is effectively reduced. The simulation results indicate that the method has good voltage-control effect and economy.

关键词

Keywords

references

董旭柱，华祝虎，尚磊，等 . 新型配电系统形态特征与技术展望［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 9 ）： 3021 - 3035 .

DONG Xuzhu ， HUA Zhuhu ， SHANG Lei ， et al . Morphological characteristics and technology prospect of new distribution system ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 9 ）： 3021 - 3035 .

叶宇剑，吴奕之，胡健雄，等 . 市场环境下智能配用电系统分层协同优化运行：研究挑战、进展与展望［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 6 ）： 2078 - 2097 .

YE Yujian ， WU Yizhi ， HU Jianxiong ， et al . Hierarchical coordinated optimization for power distribution and consumption system operation in a market environment： challenges， progress and prospects ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 6 ）： 2078 - 2097 .

孙华鹏，丁孝华，吴志，等 . 计及自动电压控制系统限值优化调整的配电网调压策略［J/OL］. 电力系统自动化： 1 - 13 ［ 2024-03-28 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240325.1655.005.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240325.1655.005.html .

SUN Huapeng ， DING Xiaohua ， WU Zhi ， et al . Voltage regulation strategy of distribution network considering optimal adjustment of automatic voltage control system limit ［J/OL］. Automation of Electric Power Systems ： 1 - 13 ［ 2024-03-28 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240325.1655.005.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240325.1655.005.html .

蔡永翔，唐巍，徐鸥洋，等 . 含高比例户用光伏的低压配电网电压控制研究综述［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 1 ）： 220 - 229 .

CAI Yongxiang ， TANG Wei ， XU Ouyang ， et al . Review of voltage control research in LV distribution network with high proportion of residential PVs ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 1 ）： 220 - 229 .

陶顺，骆晨，薛佳佳，等 . 基于两阶段规划法的有源配电网综合电压优化控制［J］. 电力系统自动化， 2015 ， 39 （ 20 ）： 54 - 59 .

TAO Shun ， LUO Chen ， XUE Jiajia ， et al . Comprehensive voltage control optimization in active distribution network based on two-stage planning method ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 20 ）： 54 - 59 .

ZHANG C ， XU Y ， DONG Z Y ， et al . Three-stage robust inverter-based voltage/var control for distribution networks with high-level PV ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 782 - 793 .

KU T T ， LIN C H ， CHEN C S ， et al . Coordination of transformer on-load tap changer and PV smart inverters for voltage control of distribution feeders ［C］// 2018 IEEE/IAS 54th Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference （I&CPS）， May 7-10 ， 2018 ， Niagara Falls， Canada ： 1 - 8 .

WANG Z Y ， WANG J H ， CHEN B K ， et al . MPC-based voltage/var optimization for distribution circuits with distributed generators and exponential load models ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2014 ， 5 （ 5 ）： 2412 - 2420 .

王志强，郭晨阳，刘文霞，等 . 计及负荷特性的配电网多时间尺度电压控制及协调修正［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 15 ）： 51 - 57 .

WANG Zhiqiang ， GUO Chenyang ， LIU Wenxia ， et al . Multi-time scale voltage control and coordinated correction for distribution networks considering load characteristics ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 15 ）： 51 - 57 .

张勇军，任震 . 电力系统动态无功优化调度的调节代价［J］. 电力系统自动化， 2005 ， 29 （ 2 ）： 34 - 38 .

ZHANG Yongjun ， REN Zhen . Readjusting cost of dynamic optimal reactive power dispatch of power systems ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2005 ， 29 （ 2 ）： 34 - 38 .

耿华，何长军，刘浴霜，等 . 新能源电力系统的暂态同步稳定研究综述［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 9 ）： 3367 - 3383 .

GENG Hua ， HE Changjun ， LIU Yushuang ， et al . Overview on transient synchronization stability of renewable-rich power systems ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 9 ）： 3367 - 3383 .

许诘翊，刘威，刘树，等 . 电力系统变流器构网控制技术的现状与发展趋势［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 9 ）： 3586 - 3594 .

XU Jieyi ， LIU Wei ， LIU Shu ， et al . Current state and development trends of power system converter grid-forming control technology ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 9 ）： 3586 - 3594 .

迟永宁，江炳蔚，胡家兵，等 . 构网型变流器：物理本质与特征［J］. 高电压技术， 2024 ， 50 （ 2 ）： 590 - 604 .

CHI Yongning ， JIANG Bingwei ， HU Jiabing ， et al . Grid-forming converters： physical mechanism and characteristics ［J］. High Voltage Engineering ， 2024 ， 50 （ 2 ）： 590 - 604 .

黄全全，王伟，邓小君，等 . 构网型光伏自同步电压源控制策略研究［J］. 电力电子技术， 2023 ， 57 （ 4 ）： 87 - 90 .

HUANG Quanquan ， WANG Wei ， DENG Xiaojun ， et al . Research on the control strategies of grid-forming photovoltaic self-synchronizing voltage source ［J］. Power Electronics ， 2023 ， 57 （ 4 ）： 87 - 90 .

郭佳俊，陈俊儒，刘雨姗，等 . 构网型新能源电网支撑性能测试评估［J］. 智慧电力， 2023 ， 51 （ 12 ）： 23 - 29 .

GUO Jiajun ， CHEN Junru ， LIU Yushan ， et al . Support performance test and evaluation of grid-forming renewable energy systems ［J］. Smart Power ， 2023 ， 51 （ 12 ）： 23 - 29 .

薛世伟 . 多时间尺度电压波动抑制的构/跟网型无功资源配置研究［D］. 秦皇岛：燕山大学， 2022 .

XUE Shiwei . Research on reactive power resource allocation of structure/follow-up network for multi-time scale voltage fluctuation suppression ［D］. Qinhuangdao ： Yanshan University ， 2022 .

林俐，马笑寒，丁文敏．计及构网型储能电站的新能源基地无功协调优化控制［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 1 ）： 59 - 68 .

LIN Li ， MA Xiaohan ， DING Wenmin . Coordinated optimal reactive power control of renewable energy base considering grid-forming energy storage station ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 1 ）： 59 - 68 .

王奕宁，向往，张浩博，等 . 构网型直驱风力发电机组比例优化配置分析［J/OL］. 电网技术： 1 - 13 ［ 2024-05-16 ］. https：//doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.195 https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.195 .

WANG Yining ， XIANG Wang ， ZHANG Haobo ， et al . Analysis of optimal proportion configuration of grid forming direct drive wind turbine ［J/OL］. Power System Technology ： 1 - 13 ［ 2024-05-16 ］. https：//doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.195 https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2023.195 .

刘君华 . 电力系统无功源配置与分级电压控制的研究［D］. 杭州：浙江大学， 2006 .

LIU Junhua . Research on reactive power source configuration and hierarchical voltage control in power system ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2006 .

赵源上，林伟芳 . 基于皮尔逊相关系数融合密度峰值和熵权法典型场景研究［J］. 中国电力， 2023 ， 56 （ 5 ）： 193 - 202 .

ZHAO Yuanshang ， LIN Weifang . Research on typical scenarios based on fusion density peak value and entropy weight method of Pearson’s correlation coefficient ［J］. Electric Power ， 2023 ， 56 （ 5 ）： 193 - 202 .

胡海燕，刘健，武晓朦 . 配电网低压侧自动无功补偿装置安装位置的优化规划［J］. 继电器， 2004 ， 32 （ 19 ）： 21 - 25 .

HU Haiyan ， LIU Jian ， WU Xiaomeng . Optimal placement of automatic reactive compensation equipment on the low voltage side of distribution transformers ［J］. Relay ， 2004 ， 32 （ 19 ）： 21 - 25 .

李鹏飞，白星振，李盛伟，等 . 考虑光伏不确定性的双层协同优化机组组合［J］. 可再生能源， 2018 ， 36 （ 12 ）： 1812 - 1817 .

LI Pengfei ， BAI Xingzhen ， LI Shengwei ， et al . Two-level collaborative optimization method for unit commitment considering photovoltaic uncertainty ［J］. Renewable Energy Resources ， 2018 ， 36 （ 12 ）： 1812 - 1817 .

艾聪林，何东，王振忠，等 . 基于Fisher最优分割法的配电网多时间尺度无功优化［J］. 电工技术， 2024 （ 4 ）： 150 - 154 .

AI Conglin ， HE Dong ， WANG Zhenzhong ， et al . Multi-time-scale reactive power optimization of distribution network based on Fisher optimal segmentation method ［J］. Electric Engineering ， 2024 （ 4 ）： 150 - 154 .

刘一兵，吴文传，张伯明，等 . 基于有功-无功协调优化的主动配电网过电压预防控制方法［J］. 电力系统自动化， 2014 ， 38 （ 9 ）： 184 - 191 .

LIU Yibing ， WU Wenchuan ， ZHANG Boming ， et al . Overvoltage preventive control method based on active and reactive power coordinated optimization in active distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2014 ， 38 （ 9 ）： 184 - 191 .

易建波，胡猛，王泽宇，等 . 提升光储充电站运行效率的多目标优化配置策略［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 14 ）： 100 - 109 .

YI Jianbo ， HU Meng ， WANG Zeyu ， et al . Multi-objective optimal configuration strategy for improving operation efficiency of photovoltaic energy storage charging stations ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 14 ）： 100 - 109 .

李香龙，付晓，朱洁，等 . 含分布式电源的配电网分区和主导节点选取方法研究［J］. 电力系统保护与控制， 2019 ， 47 （ 13 ）： 24 - 29 .

LI Xianglong ， FU Xiao ， ZHU Jie ， et al . Research on partition method and selection of dominant nodes for distribution network with distributed generation ［J］. Power System Protection and Control ， 2019 ， 47 （ 13 ）： 24 - 29 .

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