基于下垂特性的主動配電網(wǎng)PQ協(xié)調(diào)控制策略研究

胡力中+詹躍東+程軍照

引言

新能源的接入，使傳統(tǒng)的被動配電網(wǎng)中電源形式多樣化。配電網(wǎng)能源接人形式主要以太陽能、風(fēng)能、天然氣等可再生能源為主，同時也包括微型燃?xì)廨啓C(jī)和小型柴油機(jī)。可再生分布式電源中的風(fēng)力機(jī)組和光伏機(jī)組出力受光照、溫度和風(fēng)速等自然因素的限制較大，具有波動性和不確定性?？稍偕茉吹念A(yù)測難度大，可能造成用戶用電需求與配電網(wǎng)提供電能的不匹配，且配電網(wǎng)中負(fù)荷的功率需求也具有一定的不確定性。而且，傳統(tǒng)被動的配電網(wǎng)在未進(jìn)行大規(guī)模投資的情況下，其接納光伏、風(fēng)電、儲能等分布式電源能力有限。因此，在原有的包含有配電裝置、線路及電力負(fù)載的傳統(tǒng)被動配電網(wǎng)基礎(chǔ)上，為了接納更多分布式電源（distributedgenerator，DG），需要向能夠主動控制與管理的主動配電網(wǎng)發(fā)展。

主動配電網(wǎng)（active distribution network，ADN）定義是：是一個由先進(jìn)信息通信、電力電子及智能控制等技術(shù)作為支撐的、內(nèi)部含DG的、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靈活調(diào)整的、并且能較好的完成協(xié)調(diào)優(yōu)化管理的配電網(wǎng)。但，ADN不僅僅是含DG的傳統(tǒng)被動式單向供電配電網(wǎng)，其最大的區(qū)別在于主動，即：主動消納大量間歇式DG、主動實(shí)現(xiàn)DG的優(yōu)化調(diào)度、主動實(shí)現(xiàn)DG的保護(hù)、主動實(shí)現(xiàn)DG的監(jiān)控等這幾方面的內(nèi)容。

針對主動配電網(wǎng)研究了分區(qū)電壓控制層中靜止同步補(bǔ)償器（DSTATCOM）和DG協(xié)調(diào)配合的兩階段分區(qū)電壓控制策略；文獻(xiàn)針對微電網(wǎng)運(yùn)行控制規(guī)律對各模型應(yīng)用了解耦控制，雖說在模型中的有功無功在一定程度上有了解耦但效果不明顯。提出一種網(wǎng)架恢復(fù)的分層協(xié)同優(yōu)化方法，通過分層次獨(dú)立優(yōu)化與受電點(diǎn)指標(biāo)值整體尋優(yōu)相結(jié)合的方法，可實(shí)現(xiàn)功率協(xié)調(diào)控制，但其應(yīng)用點(diǎn)屬輸電網(wǎng)。提出基于前饋補(bǔ)償?shù)慕怦钏惴?，該方法有自己的?yōu)勢，其結(jié)構(gòu)原理更簡單。上述幾種方法各有各的優(yōu)點(diǎn)，但又都有一點(diǎn)缺點(diǎn)，都缺乏主動性，都僅僅是傳統(tǒng)單一的被動配電模式。

通過將上述文獻(xiàn)策略應(yīng)用于某微型主動配電網(wǎng)算理分析模型中。一方面，IEEE 1547-2003技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求DG運(yùn)行時保證功率因數(shù)接近于l未能很好的實(shí)現(xiàn)。另一方面，由于DG隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)，導(dǎo)致其并網(wǎng)點(diǎn)功率發(fā)生明顯撥動，進(jìn)而影響其臨近負(fù)載發(fā)生電壓越限等這些問題解決的不理想。所以本文在主動配電網(wǎng)背景下，針對上述問題從有功功率、無功功率協(xié)調(diào)控制角度，提出了一種三層結(jié)構(gòu)的分層控制結(jié)構(gòu)控制策略，進(jìn)行功率解耦控制，最終使得負(fù)荷電壓得以優(yōu)化，效果更好。

1儲能系統(tǒng)

近年來，大規(guī)模DG滲透率越來越高，對電網(wǎng)運(yùn)行水平的要求也越來越嚴(yán)，而儲能技術(shù)的應(yīng)用是解決這個困局的有效方法之一。在抑制功率波動方面，風(fēng)光儲混合系統(tǒng)的聯(lián)合發(fā)電模式有著效果顯著的優(yōu)勢。通過配備儲能裝置，改善DG出力的隨機(jī)性，使得DG出力具有一定的可控性，可以提升主動配電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力。

利用儲能系統(tǒng)的輸出功率可調(diào)節(jié)的原理，對DG輸出功率進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到較為穩(wěn)定的并網(wǎng)輸出功率。儲能系統(tǒng)容量的安裝需求是由并網(wǎng)功率和輸出實(shí)際功率決定，假設(shè)系統(tǒng)的功率指令序例分別表示為：式中，P為DG輸出的實(shí)際功率序例，PGrid是需求并網(wǎng)功率序例，P是儲能系統(tǒng)功率序例，pP、PBESS，分別為f（t=-1，2…n）時刻各系統(tǒng)功率輸出值。t時刻系統(tǒng)輸出功率關(guān)系為：

2DG的PQ電壓優(yōu)化策略

如圖1所示的配電網(wǎng)的下垂特性Droop為系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)分配控制策略下垂特性原理，當(dāng)有功和無功增大時，對應(yīng)的頻率和電壓降低，反之亦然。配電網(wǎng)下垂特性可由式（2.1）表示：

如圖2所示，本系統(tǒng)由3層結(jié)構(gòu)組成：頂層為功率優(yōu)化計(jì)算層，主要功能是計(jì)算預(yù)測儲能系統(tǒng)要提供的補(bǔ)償量，使其能產(chǎn)生一個模型標(biāo)量，讓儲能系統(tǒng)按計(jì)算結(jié)果適當(dāng)?shù)妮敵鲆粋€功率設(shè)定值P，并把該值傳輸下去；中間層為協(xié)調(diào)分配控制層，該層主要功能是根據(jù)當(dāng)前蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)去調(diào)整下垂系數(shù)，合理的為兩類儲能單元分配輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)兩者的平衡運(yùn)行；底層為執(zhí)行層，中間層給定的功率信息，通過雙向DC/DC功率變換器的調(diào)整來控制電流充電與放電。

如圖3所示，該協(xié)調(diào)控制策略首先通過控制器采集的電壓頻率和儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)的基礎(chǔ)上確定下垂系數(shù)，再計(jì)算負(fù)荷功率的缺額并結(jié)合ADN的出力情況來測算蓄電池輸出的功率，最終采用Park變換獲得控制功率輸出信號。

3約束條件

3.1功率平衡約束

ADN正常運(yùn)行時，需滿足如下等式：設(shè)備總發(fā)電量，包含同步發(fā)電機(jī)、可再生能源及儲能設(shè)備，P為系統(tǒng)總的負(fù)荷需求量。

3.2DG輸出功率約束

由于ADN中的主控電源需同系統(tǒng)負(fù)荷波動保持一致，從而維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。因此，應(yīng)把主控電源輸出功率的范圍劃分為四個不同的區(qū)域，其前提是要以DG本身特性以及系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量需求為根據(jù)，如圖4所示：

（2）由于主動配電網(wǎng)的從控電源，即風(fēng)電和光伏等間歇性分布式電源，它們不需要跟隨系統(tǒng)凈負(fù)荷功率波動來參與系統(tǒng)電壓頻率調(diào)節(jié)，因此，從控電源的輸出功率只需滿足其技術(shù)輸出功率限制即可。

3.3儲能電池容量約束

文中設(shè)置了SOCmin、SOG、SOG、SOC。四個關(guān)鍵值將蓄電池儲能系統(tǒng)的容量分為4個區(qū)域，如圖5所示。其中，SOC。表示蓄電池儲能系統(tǒng)的最大規(guī)格容量（額定容量），SOC為由制造商提供的最小容量值，通常設(shè)定為蓄電池儲能系統(tǒng)額定容量的20%。這樣做為了防止因儲能系統(tǒng)過度充、放電而導(dǎo)致其使用壽命短與系統(tǒng)性能低等問題的出現(xiàn)。

因此，在主動配電網(wǎng)中，蓄電池儲能系統(tǒng)正常運(yùn)行時，其容量參數(shù)需滿足如式（3.5）所示的約束條件。

3.4離散無功補(bǔ)償裝置約束

把二進(jìn)制編碼以及補(bǔ)充約束的形式將離散變量連續(xù)化的這種方法在有所敘述。在節(jié)點(diǎn)i處，吧離散擋位的電容器分組投切問題轉(zhuǎn)化為如下形式：

3.5連續(xù)無功補(bǔ)償裝置約束

3.6節(jié)點(diǎn)電壓約束

當(dāng)壓越限時會觸動保護(hù)裝置把DG切除，因此對于節(jié)點(diǎn)電壓i，有

4算例分析

圖6為搭建的微型主動配電網(wǎng)算例分析圖，為了研究的準(zhǔn)確性本分析圖只選用了比較典型的DG.風(fēng)電，具體參數(shù)如表2所示。

如圖（a）所示，20s時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)速由12m/s降為8m/s，此時風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功輸出功率由1800W跌落至1200W，導(dǎo)致負(fù)載的端電壓（圖c）由220V跌至191V。因?yàn)轱L(fēng)速的隨機(jī)和間歇導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出功率的波動，從而不能向網(wǎng)中輸送可靠電能，這樣其并網(wǎng)點(diǎn)會發(fā)生明顯變化，進(jìn)而影響其臨近負(fù)載發(fā)生電壓越限，影響用戶電能質(zhì)量。安裝儲能裝置后，儲能電池迅速做出響應(yīng)，彌補(bǔ)相應(yīng)的功率缺額，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)載兩端的電壓逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。IEEE 1547-2003技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求分布式電源運(yùn)行時保證功率因數(shù)接近于1，不允許DG參與無功.電壓的調(diào)節(jié)控制，因此需要安裝其他無功補(bǔ)償裝置。如圖（b）所示，由于風(fēng)速降低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功發(fā)生波動，儲能裝置通過功率變換裝置，實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償和吸收。

5結(jié)論

本文在主動配電網(wǎng)背景下，從有功功率、無功功率協(xié)調(diào)控制角度，提出了一種三層結(jié)構(gòu)的分層控制結(jié)構(gòu)控制策略，進(jìn)行功率解耦控制。通過搭建的小型主動配電網(wǎng)算例分析模型進(jìn)行算例仿真并得出以下結(jié)論：

（1）由于風(fēng)的間歇和隨機(jī)，引起風(fēng)機(jī)的有功輸出變化并導(dǎo)致負(fù)載端電壓也隨之波動。安裝儲能裝置后，儲能電池迅速做出響應(yīng)，彌補(bǔ)相應(yīng)的功率缺額。

（2）由于風(fēng)速變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功發(fā)生波動，儲能裝置通過功率變換裝置，實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償和吸收。

（3）實(shí)驗(yàn)表明儲能裝置的接入能迅速調(diào)節(jié)吸收和輸出的有功、無功，配電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓和潮流分布也隨之受到管控，所以其充當(dāng)了主動配電網(wǎng)電壓和頻率的調(diào)控的不可或缺的幫手。從而使負(fù)荷電壓維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)載兩端的電壓逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

以上幾點(diǎn)充分說明在主動配電網(wǎng)中應(yīng)用儲能設(shè)系統(tǒng)，其平抑間歇性、隨機(jī)性的DG的功率波動具有效果顯著。endprint