光伏电源参与配电网无功电压调节是提升光伏高渗透配电网运行经济性和可靠性的有效手段，但光伏电源提供无功支撑会使得光伏电源IGBT最大结温升高、结温波动加剧，进而影响光伏电源和配电网的安全稳定运行。为此，华北电力大学新能源电力系统分析与稳定控制团队提出一种计及IGBT结温约束的光伏高渗透配电网无功电压优化控制策略。
首先，利用CatBoost算法计算IGBT结温，提高了IGBT结温计算效率，避免了传统结温算法对IGBT热模型参数的依赖。然后，建立考虑IGBT结温约束的有源配电网多目标无功优化模型，利用二分法求解IGBT结温约束下的光伏电源最大输出功率，实现了IGBT结温约束向二阶锥约束的转化。
最后，利用IEEE 33节点典型配电系统验证了所提策略在光伏高渗透配电网无功电压优化、光伏电源运行可靠性提升方面的有效性，并提出了综合考虑配电网网损、光伏电源可靠性的光伏电源IGBT结温限值整定原则。
研究背景
近年来，光伏、风电等新能源装机容量越来越高，其中分布式光伏灵活性高、投资低、受地域/资源条件限制小、安装维护简单，十分符合国家可持续发展战略要求。
随着《整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点项目》等项目的试行，配电网中分布式光伏电源接入容量越来越高。以光伏为代表的新能源接入配电网有利于构建低碳、高效、可持续发展的新型电力系统，但同时也对配电网安全稳定运行提出了巨大挑战。
由于光伏发电具有随机性与波动性的特点，其出力不确定性会造成配电网节点电压快速剧烈波动。此外，在太阳辐照度较高时段，光伏电源出力过剩，会导致配电网接入分布式光伏节点电压越限。针对高比例光伏接入配电网带来的配电网节点电压不稳和越限问题，可采用无功电压控制来调整配电网各节点电压。
随着分布式光伏发展迅速，构建以新能源为主体的新型电力系统将给分布式光伏参与配电网无功电压控制带来更大的发展空间。同时，分布式光伏的“可观、可测、可控”需求日益迫切。以甘肃电网为例，截止2023年1月底，甘肃省521座10kV分布式光伏电站全部实现可观、可测、可控，新能源发电装置可观、可测、可控将成为未来新型电力系统发展趋势。IEEE 1547.8工作组提倡利用光伏逆变器实现无功电压控制，适当提高光伏逆变器容量配置可以有效提高光伏逆变器无功输出能力，同时降低传统无功补偿设备的投资成本。
论文所解决的问题及意义
光伏电源过多发出无功功率可能造成光伏发电系统过早失效，进而影响配电网运行的稳定性和经济性，在光伏电源在进行无功电压控制时，需考虑光伏电源无功输出对光伏逆变器运行可靠性和寿命的影响。目前基于光伏电源无功支撑的配电网无功电压优化控制策略相关研究中，鲜有研究成果考虑光伏电源运行可靠性的影响。因此，研究考虑光伏电源可靠性的配电网无功电压控制策略，极具工程实际意义。
论文方法及创新点
1、基于CatBoost算法的IGBT可靠性评估
基于CatBoost算法的IGBT可靠性评估方法总体流程如图1所示。首先，采用基于CatBoost算法计算光伏逆变器IGBT结温；然后，利用雨流计数法统计IGBT热载荷信息，再根据IGBT寿命模型以及Miner准则估算IGBT寿命；考虑器件参数的差异性，利用蒙特卡洛模拟得到IGBT寿命分布情况，通过二参数威布尔分布拟合得到符合IGBT寿命分布的威布尔概率密度函数，对寿命分布概率密度函数进行积分，得到威布尔累积分布函数，最终进行IGBT可靠性的量化分析。
图1 基于CatBoost算法的IGBT可靠性评估流程
2、计及IGBT结温约束的配电网无功电压优化
考虑到IGBT结温对IGBT可靠性影响较大，建立计及IGBT结温约束的配电网无功电压优化模型。以配电网网损和光伏电源有功削减量为优化目标。配电网无功优化时需满足配电网运行潮流约束、母线电压上下限约束、线路电流约束、光伏逆变器容量约束等，同时考虑到IGBT可靠性而引入IGBT结温约束，限制IGBT结温在限值TIGBT_limit 范围内，进而得到计及IGBT结温约束的光伏高渗透配电网无功电压优化模型的约束条件集合。
IGBT结温约束分别设置为60℃、70℃、80℃、none四种情况，利用Matlab YALMIP工具箱和CPLEX求解器，对所提计及光伏电源IGBT结温约束的配电网无功电压优化模型进行求解。不同结温限值情况下，各接入点光伏电源IGBT结温情况如图2所示。可见，本文所提策略可实现光伏电源IGBT结温有效限制。
图2 配电网各节点不同结温限值下的IGBT结温
配电网节点6、8、10、13、21、22、25、28、31、33接入的光伏电源IGBT寿命估计结果，如图3所示。采用结温限制控制后，所有光伏电源节点IGBT寿命均有所提高，结温限值越低则IGBT寿命越高的规律明显。
图3 各接入点光伏逆变器IGBT寿命情况
结论
对比两种成形模式下管件变形数据可以得到，引入双层凹型集磁器之后，管件轴向变形均匀性提升了2.31倍；管件壁厚减薄量从传统管件电磁胀形的22.07%降低至8.30%。因此所提出的基于双层凹型集磁器管件电磁胀形方案能够同时改善传统管件电磁胀模式下管件轴向变形不均匀及壁厚减薄严重现象。
针对光伏电源参与配电网无功电压调节影响光伏逆变器IGBT可靠性和寿命的问题，提出了计及IGBT结温约束的光伏高渗透配电网无功电压优化控制策略，主要结论如下：
1、提出了基于CatBoost算法的IGBT可靠性评估方法，利用数据驱动方法计算IGBT结温，提高了IGBT结温计算效率，降低了结温计算结果对IGBT电热模型参数的依赖程度，可保证IGBT可靠性评估的实时性。
2、建立了计及IGBT结温约束的配电网无功电压优化模型，将IGBT结温约束转化为光伏逆变器输出视在功率约束，并通过线性化与二阶锥松弛将无功优化模型转化为二阶锥规划模型，提高了模型求解速度。
3、IGBT结温限值越低，IGBT运行可靠性与寿命越高，但配电网总损耗也随之增大。故提出了综合考虑配电网总损耗、IGBT可靠性的IGBT结温限值整定原则，为光伏电源参与配电网无功电压调节控制策略设计、核心参数整定提供了理论依据。
团队介绍
华北电力大学“新能源电力系统分析与稳定控制团队”现有教授1人，副教授2人，讲师2人，在读博士生4名，博士留学生2名，硕士生60余人。团队依托新能源国家重点实验室、河北省分布式储能与微网重点实验室，致力于新能源电力系统稳定与自治控制、风电/光伏发电惯量支撑和一次调节控制、分布式发电并网与系统特性分析、新能源配电网优化运行与调控、电力电子系统可靠性分析、高效变换拓扑以及电动汽车安全充电与运维等方向的研究。
承担国家863计划项目、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目、北京市和河北省自然科学基金项目、河北省科技支撑计划项目20余项，国网/南网科技项目、企业合作项目70余项。先后发表国内外权威期刊学术论文300余篇，其中SCI收录100余篇，授权国家发明专利60余项，获省部级科技进步奖10余项。
张波，博士，华北电力大学电气与电子工程学院副教授、硕士生导师，IEEE PES电动汽车充换电技术分委会常务理事，河北省科技厅科技特派员，保定市科协科技创新智库专家，河北省分布式储能与微网重点实验室平台负责人，《供用电》、《综合智慧能源》期刊青年编委，《Applied Sciences》、《Sustainability》特约主编，中国精品科技期刊顶尖学术论文“F5000”、《电工技术学报》、《电网技术》年度优秀论文获得者。
主要研究方向为虚拟同步机控制、新能源电力系统稳定与自治控制、新能源发电系统参与电网调频/调压控制、新能源配电网优化运行与调控、电力电子系统可靠性分析等。主持河北省自然科学基金项目3项，河北省高等学校科学技术研究项目1项，中央高校基本科研业务费重点项目1项，国网雄安重大科技项目1项，各网省公司科技项目20余项；参与国家“863计划”项目2项，国家科技支撑计划项目1项，国家自然科学基金项目2项，北京市自然科学基金项目1项。获广东省科技进步二等奖1项，河北省技术发明三等奖1项，河北省科技进步三等奖2项，中国电力科技进步三等奖1项，中国电力建设科学技术进步二等奖1项。
高远，硕士研究生，主要从事配电网优化运行与调控、电力电子系统可靠性评估方面的研究工作。曾获国家奖学金，华北电力大学校长奖学金，CEEGE国际会议最佳口头报告奖。发表高水平论文11篇，其中SCI权威期刊论文6篇，一级学报论文4篇，EI核心期刊论文1篇，申请国家发明专利2项。主研完成河北省自然科学基金项目、国家电网公司总部科技项目等科技项目5项。
本工作成果发表在2024年第5期《电工技术学报》，论文标题为“计及IGBT结温约束的光伏高渗透配电网无功电压优化控制策略“。本课题得到国家自然科学基金、河北省自然科学基金和国网河北省电力有限公司电力科学研究院科技项目的支持。
