基于MPC含分布式光伏配電網(wǎng)有功功率—無功功率協(xié)調(diào)控制

張 穎, 季 宇, 唐云峰

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院, 北京市 100083; 2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 北京市 100192)

基于MPC含分布式光伏配電網(wǎng)有功功率—無功功率協(xié)調(diào)控制

張 穎1, 季 宇2, 唐云峰1

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院, 北京市 100083; 2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 北京市 100192)

為應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)中光伏出力和負(fù)荷需求的波動(dòng)性和隨機(jī)性,保證系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制的含分布式光伏配電網(wǎng)有功功率—無功功率協(xié)調(diào)控制方法。該方法將控制過程劃分為長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制和短時(shí)間尺度優(yōu)化控制,不同時(shí)間尺度優(yōu)化控制針對(duì)各自的控制目標(biāo)及控制變量分別執(zhí)行單獨(dú)的模型預(yù)測(cè)控制。長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制基于光伏出力及負(fù)荷需求預(yù)測(cè)信息,采用多步滾動(dòng)優(yōu)化求解有功、無功出力,短時(shí)間尺度優(yōu)化控制以長(zhǎng)時(shí)間尺度的優(yōu)化控制結(jié)果為基準(zhǔn)值,滾動(dòng)求解有功、無功出力增量。長(zhǎng)時(shí)間尺度及短時(shí)間尺度優(yōu)化控制模型均為難以求解的非凸、非線性模型,本文將模型轉(zhuǎn)化為二階錐規(guī)劃問題實(shí)現(xiàn)求解。采用改進(jìn)的IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行算例分析,結(jié)果證明了所提優(yōu)化控制方法的可行性和有效性。

模型預(yù)測(cè)控制; 有功功率—無功功率優(yōu)化控制; 多時(shí)間尺度協(xié)調(diào); 二階錐規(guī)劃

0 引言

近年來,隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,分布式光伏在配電網(wǎng)中的滲透率不斷提高,對(duì)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)[1-4]。

由于光伏出力及負(fù)荷需求具有隨機(jī)性與波動(dòng)性,預(yù)測(cè)誤差隨預(yù)測(cè)時(shí)間的提前而增大,增加了配電系統(tǒng)優(yōu)化控制的難度,模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control,MPC)能夠克服系統(tǒng)的不確定性,是解決這一問題的有效途徑,它在電力系統(tǒng)優(yōu)化控制中的應(yīng)用受到廣泛重視[5-10]。文獻(xiàn)[6-7]基于模型預(yù)測(cè)控制提出了含分布式電源電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)控制策略。文獻(xiàn)[8]將模型預(yù)測(cè)控制用于大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)的有功調(diào)度控制中,對(duì)風(fēng)電機(jī)組及傳統(tǒng)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制,以提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[9]將模型預(yù)測(cè)控制與大系統(tǒng)分層遞階控制結(jié)合,提出了將分層模型預(yù)測(cè)控制方法用于大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)的有功調(diào)度控制方法。文獻(xiàn)[10]提出了基于模型預(yù)測(cè)控制的多時(shí)間尺度主動(dòng)配電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度策略,精細(xì)化協(xié)調(diào)控制和管理主動(dòng)配電網(wǎng)中的分布式電源、儲(chǔ)能以及柔性負(fù)荷。但上述文獻(xiàn)多是對(duì)系統(tǒng)有功優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究,并未考慮無功優(yōu)化控制。

配電網(wǎng)線路的R/X比值較大,有功、無功功率的耦合性較強(qiáng),二者對(duì)線路損耗、電壓質(zhì)量均有極大的影響,尤其是對(duì)于光伏滲透率較高的配電網(wǎng),基于有功、無功解耦的優(yōu)化控制方法已不適用,需考慮有功功率—無功功率協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。文獻(xiàn)[11]建立了一種配電網(wǎng)有功功率—無功功率協(xié)調(diào)多時(shí)段優(yōu)化模型,通過調(diào)節(jié)分布式電源、儲(chǔ)能裝置、電容器組實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。文獻(xiàn)[12]提出了魯棒區(qū)間電壓控制方法,在計(jì)算出最優(yōu)無功補(bǔ)償決策的同時(shí)給出光伏電站的有功出力區(qū)間。文獻(xiàn)[13]利用分布式電源及儲(chǔ)能裝置,建立了綜合調(diào)度有功、無功優(yōu)化控制模型,以提高分布式電源的并網(wǎng)水平、改善節(jié)點(diǎn)電壓水平。但這些文獻(xiàn)沒有考慮光伏出力及負(fù)荷需求的隨機(jī)性和波動(dòng)性,而是將其作為確定量進(jìn)行處理,而且通過智能逆變器接入配電網(wǎng)的分布式光伏具有一定的無功調(diào)節(jié)能力,在這些文獻(xiàn)中也并未對(duì)此進(jìn)行充分利用。

針對(duì)上述問題,本文基于模型預(yù)測(cè)控制,綜合考慮配電網(wǎng)中多種可控裝置,提出一種含分布式光伏配電網(wǎng)的有功功率—無功功率協(xié)調(diào)控制方法,將控制過程劃分為長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制及短時(shí)間尺度優(yōu)化控制。不同時(shí)間尺度優(yōu)化控制針對(duì)各自的控制目標(biāo)及控制變量分別執(zhí)行單獨(dú)的模型預(yù)測(cè)控制。長(zhǎng)時(shí)間尺度基于光伏出力及負(fù)荷需求預(yù)測(cè)信息,采用多步滾動(dòng)優(yōu)化求解各可控裝置的有功、無功出力,短時(shí)間尺度以長(zhǎng)時(shí)間尺度的計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)值,滾動(dòng)求解有功、無功出力增量。通過采用模型預(yù)測(cè)控制方法及多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)光伏出力及負(fù)荷需求的波動(dòng)性和隨機(jī)性,減小網(wǎng)絡(luò)損耗,保證系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 基于模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化控制策略

1.1 模型預(yù)測(cè)控制理論

模型預(yù)測(cè)控制是一種基于模型的有限時(shí)域閉環(huán)優(yōu)化控制算法,具有易于建模、控制效果良好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能夠有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的非線性、時(shí)變性和不確定性,廣泛應(yīng)用于煉油、化工、冶金和電力等復(fù)雜工業(yè)過程控制中[14-15]。模型預(yù)測(cè)控制由預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。與傳統(tǒng)的開環(huán)優(yōu)化一次下發(fā)全部?jī)?yōu)化指令的優(yōu)化方式不同,模型預(yù)測(cè)控制采用滾動(dòng)優(yōu)化策略,其機(jī)理為:在每一采樣時(shí)刻,根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)及測(cè)量信息,基于預(yù)測(cè)模型對(duì)未來狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果,在線求解一個(gè)有限時(shí)長(zhǎng)的最優(yōu)控制問題,得到當(dāng)前時(shí)刻和未來時(shí)段內(nèi)的控制行為,并只執(zhí)行當(dāng)前時(shí)刻的控制行為,在下一個(gè)采樣時(shí)刻,根據(jù)前一時(shí)刻控制后的系統(tǒng)狀態(tài)及新的測(cè)量信息,重復(fù)上述過程。

1.2 基于模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化控制策略

現(xiàn)有基于模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化控制方法多是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有功優(yōu)化調(diào)度,這種調(diào)度模式為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行要求,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)分布式能源有功出力進(jìn)行了抑制[8-10],不符合分布式能源最大化利用的原則和發(fā)展方向。本文基于模型預(yù)測(cè)控制方法,綜合考慮系統(tǒng)中的多種可控裝置,提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制的有功功率—無功功率協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。通過儲(chǔ)能裝置進(jìn)行有功調(diào)節(jié),通過有載調(diào)壓變壓器、補(bǔ)償電容器組、靜止無功補(bǔ)償裝置及分布式光伏進(jìn)行無功調(diào)節(jié),所提方法通過有功、無功功率的協(xié)調(diào)控制,最大化保證分布式光伏的就地消納。并將控制過程劃分為長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制和短時(shí)間尺度優(yōu)化控制,長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,短時(shí)間尺度優(yōu)化控制保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,二者基于各自的優(yōu)化目標(biāo)分別執(zhí)行單獨(dú)的模型預(yù)測(cè)控制。長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制以系統(tǒng)網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標(biāo),基于光伏出力及負(fù)荷需求的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),以ΔT為時(shí)間間隔,對(duì)未來MΔT時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中各可控裝置的有功、無功出力進(jìn)行優(yōu)化求解,作為短時(shí)間尺度優(yōu)化控制層的調(diào)節(jié)基點(diǎn)。短時(shí)間尺度優(yōu)化控制根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及更小時(shí)間尺度的光伏出力及負(fù)荷需求預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),以Δt(Δt<ΔT)為時(shí)間間隔,滾動(dòng)求解未來NΔt時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中各可控裝置的有功、無功出力增量,對(duì)上一級(jí)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行修正?；谀Ｐ皖A(yù)測(cè)控制的優(yōu)化控制策略示意圖如圖1所示。

圖1 基于模型預(yù)測(cè)控制的控制策略示意圖Fig.1 Schematic diagram of MPC based control strategy

2 基于模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化控制模型

2.1 長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制模型

長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制以有載調(diào)壓變壓器及補(bǔ)償電容器組擋位、靜止無功補(bǔ)償裝置及分布式光伏無功出力、儲(chǔ)能裝置充放電功率為控制變量,以系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)為初始值,以光伏出力及負(fù)荷需求的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為輸入變量,以ΔT為時(shí)間間隔,滾動(dòng)求解未來MΔT時(shí)間內(nèi)各可控裝置的有功、無功出力。

2.1.1優(yōu)化目標(biāo)

為保證系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,減少網(wǎng)絡(luò)損耗,長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制的優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)網(wǎng)損最小,即

(1)

2.1.2約束條件

1)潮流約束

針對(duì)放射網(wǎng),本文采用Distflow形式表示潮流方程(式(2)至式(6)),其單條線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

圖2 支路潮流模型Fig.2 Branch flow model

2)電壓水平約束

(7)

3)支路容量約束

(8)

4)分布式光伏運(yùn)行約束

(9)

(10)

(11)

5)有載調(diào)壓變壓器運(yùn)行約束

kij,t=k0+Kij,tΔkij

(12)

(13)

6)靜止無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行約束

(14)

7)補(bǔ)償電容器組運(yùn)行約束

(15)

式中:Hi,t為可調(diào)擋位，Hi,t∈Z;ΔQc,i,t為調(diào)節(jié)步長(zhǎng);Hmax為補(bǔ)償電容器組的最大可調(diào)擋位。

8)儲(chǔ)能裝置運(yùn)行約束

(16)

(17)

(18)

2.2 短時(shí)間尺度優(yōu)化控制模型

由于光伏出力和負(fù)荷需求的隨機(jī)波動(dòng)大,長(zhǎng)時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大,無法滿足精度要求,因此增加短時(shí)間尺度優(yōu)化控制,基于系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及更小時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間尺度的優(yōu)化控制結(jié)果進(jìn)行調(diào)整,以Δt(Δt<ΔT)為時(shí)間間隔,滾動(dòng)求解未來NΔt時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中各可控裝置的有功、無功出力增量。有載調(diào)壓變壓器和補(bǔ)償電容器組響應(yīng)速度較慢,且調(diào)整不宜過于頻繁,因此在短時(shí)間尺度優(yōu)化控制中不對(duì)二者進(jìn)行調(diào)整,控制變量為儲(chǔ)能裝置充放電功率增量、靜止無功補(bǔ)償裝置及分布式光伏無功出力增量。

2.2.1優(yōu)化目標(biāo)

由于光伏出力及負(fù)荷需求預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差隨著預(yù)測(cè)時(shí)間的提前而增大,為應(yīng)對(duì)二者的隨機(jī)波動(dòng),防止出現(xiàn)電壓越限,保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,同時(shí)為保證與長(zhǎng)時(shí)間尺度整體優(yōu)化方向及分析計(jì)算的一致性,短時(shí)間尺度優(yōu)化控制仍以系統(tǒng)網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標(biāo)。

(19)

2.2.2約束條件

1)潮流約束

(20)

2)其他約束

(21)

式(21)包括電壓水平約束、支路容量約束、分布式光伏運(yùn)行約束、靜止無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行約束及儲(chǔ)能裝置運(yùn)行約束。

2.3 優(yōu)化模型的二階錐規(guī)劃描述

本文所述優(yōu)化問題中既包括連續(xù)變量又包括整數(shù)變量,其數(shù)學(xué)本質(zhì)為混合整數(shù)非凸、非線性優(yōu)化問題,難以求得最優(yōu)解,本文考慮將優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為可高效求解的二階錐規(guī)劃(second-order cone programming,SOCP)問題。

2.3.1二階錐規(guī)劃

二階錐規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)形式如下[16-17]:

(22)

式中:變量x∈RN;常量b∈RM,c∈RN,A∈RM×N;K為如式(23)和式(24)所示的二階錐或旋轉(zhuǎn)二階錐。

二階錐:

(23)

旋轉(zhuǎn)二階錐:

(24)

2.3.2優(yōu)化問題的二階錐規(guī)劃描述

以長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制為例,潮流約束中的式(3)與式(4)為非凸、非線性方程,優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及其他約束條件為線性方程,需對(duì)式(3)和式(4)進(jìn)行處理。

式(3)與式(13)為對(duì)有載調(diào)壓變壓器的約束,采用基于分段線性化的精確線性化建模方法[18]對(duì)有載調(diào)壓變壓器建模,將該約束轉(zhuǎn)化為線性約束。

對(duì)式(4)采用二階錐方法[11]進(jìn)行松弛,松弛之后,式(4)可改寫為:

(25)

將其改寫為標(biāo)準(zhǔn)二階錐形式,即

(26)

長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制模型中包含離散變量及連續(xù)變量,優(yōu)化模型最終轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃模型;短時(shí)間尺度優(yōu)化控制模型中只包含連續(xù)變量,最終轉(zhuǎn)換為二階錐規(guī)劃模型。

3 算例分析

3.1 仿真系統(tǒng)

本文采用改進(jìn)IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄A圖A1所示。在節(jié)點(diǎn)0,1間接入有載調(diào)壓變壓器,電壓調(diào)節(jié)范圍為[0.95,1.05](標(biāo)幺值),8擋可調(diào),調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為0.012 5(標(biāo)幺值);節(jié)點(diǎn)30接入補(bǔ)償電容器組,調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為50 kvar,調(diào)節(jié)范圍為0～300 kvar;節(jié)點(diǎn)10接入靜止無功補(bǔ)償裝置,無功補(bǔ)償區(qū)間為0～500 kvar;節(jié)點(diǎn)17接入儲(chǔ)能裝置,容量為1 000 kW·h,充放電效率為95%,最大充放電功率為200 kW,其初始容量為500 kW·h;節(jié)點(diǎn)7,15,28分別接入容量為1 000 kW的分布式光伏。

本文仿真算例中長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制以1 h為時(shí)間間隔,對(duì)未來4 h內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)可控裝置的有功、無功出力進(jìn)行優(yōu)化求解,作為短時(shí)間尺度優(yōu)化控制層的調(diào)節(jié)基點(diǎn)。短時(shí)間尺度優(yōu)化控制以15 min為時(shí)間間隔,滾動(dòng)求解未來1 h內(nèi)系統(tǒng)中各可控裝置的有功、無功出力增量,對(duì)上一級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。本文將優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為二階錐規(guī)劃模型,采用Mosek算法包求解。

3.2 仿真結(jié)果

光伏出力及負(fù)荷需求的預(yù)測(cè)曲線如附錄A圖A2所示,為驗(yàn)證本文所提控制方法應(yīng)對(duì)光伏出力及負(fù)荷需求隨機(jī)波動(dòng)的有效性,在每一長(zhǎng)期及短期滾動(dòng)優(yōu)化階段分別添加一組-5%～5%的隨機(jī)序列,模擬光伏出力及負(fù)荷需求的擾動(dòng)量,作為模型預(yù)測(cè)控制的輸入。

圖3(a)給出了有載調(diào)壓變壓器和補(bǔ)償電容器組的擋位調(diào)節(jié)情況,受其設(shè)備性能及響應(yīng)時(shí)間的限制,只在長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制中對(duì)其進(jìn)行調(diào)整,可以看出二者的操作均出現(xiàn)在負(fù)荷與光伏大幅波動(dòng)時(shí)。圖3(b)給出了靜止無功補(bǔ)償裝置的無功出力情況,為容性補(bǔ)償,當(dāng)光伏出力陡升至峰值時(shí),由于分布式光伏的容量限制,分布式光伏的最大無功出力降低,故靜止無功補(bǔ)償裝置無功出力大幅增加,當(dāng)分布式光伏有功出力水平降低,分布式光伏可提供的無功出力增加,故靜止無功補(bǔ)償裝置的無功出力有所減少。圖3(c)給出了儲(chǔ)能裝置的充放電功率及荷電狀態(tài),儲(chǔ)能裝置的初始電量為500 kW·h,可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光伏出力接近于0時(shí),儲(chǔ)能裝置發(fā)出電量；當(dāng)光伏出力增加時(shí),儲(chǔ)能裝置開始儲(chǔ)存電量,負(fù)荷重載及光伏出力減少,儲(chǔ)能裝置釋放電量,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。圖3(d)給出了分布式光伏無功出力的情況,其無功出力與其容量及接入位置有關(guān),當(dāng)系統(tǒng)處于光伏出力水平較低、負(fù)荷需求較高時(shí),分布式光伏增發(fā)無功出力以滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。

優(yōu)化前后系統(tǒng)根節(jié)點(diǎn)功率變化曲線如附錄A圖A3所示,由于本文所提優(yōu)化控制方法不對(duì)分布式光伏的有功出力進(jìn)行削減,只通過儲(chǔ)能裝置進(jìn)行有功調(diào)節(jié)。從附錄A圖A3(a)中可以看出,放射網(wǎng)與主網(wǎng)的有功功率交換相差無幾;從附錄A圖A3(b)中可以看出,本文方法可有效減少放射網(wǎng)從主網(wǎng)獲取的無功功率,從而減少無功功率的長(zhǎng)距離輸送。

優(yōu)化前后系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的對(duì)比圖如附錄A圖A4所示,本文將節(jié)點(diǎn)電壓約束設(shè)置為[0.95,1.05](標(biāo)幺值)。選取兩個(gè)典型場(chǎng)景：場(chǎng)景1為12:00時(shí),光伏出力高而負(fù)荷需求相對(duì)較低,優(yōu)化后系統(tǒng)網(wǎng)損明顯降低,且節(jié)點(diǎn)電壓均在安全范圍內(nèi)；場(chǎng)景2為20:00時(shí),光伏出力低而負(fù)荷需求高,優(yōu)化前節(jié)點(diǎn)電壓越下限,優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)電壓均在安全范圍內(nèi)。

圖3 可控裝置優(yōu)化控制結(jié)果Fig.3 Optimal control results of controllable devices

優(yōu)化前后系統(tǒng)網(wǎng)損的對(duì)比如圖4所示。由圖4可以看出,18:00后,由于光伏出力減小,負(fù)荷需求增加,故系統(tǒng)網(wǎng)損較其他時(shí)段較高,通過調(diào)節(jié)多種可控裝置,其優(yōu)化結(jié)果也較其他時(shí)段更好。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后系統(tǒng)的網(wǎng)損降低效果明顯,這也證明了本文所提優(yōu)化控制方法的有效性。

圖4 優(yōu)化控制前后系統(tǒng)網(wǎng)損Fig.4 Loss of system before and after optimal control

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)光伏出力及負(fù)荷需求的不確定性和波動(dòng)性問題,基于模型預(yù)測(cè)控制理論提出一種含分布式光伏配電網(wǎng)的有功功率—無功功率協(xié)調(diào)控制方法,該方法中不同時(shí)間尺度優(yōu)化控制針對(duì)各自的控制目標(biāo)及控制變量分別執(zhí)行單獨(dú)的模型預(yù)測(cè)控制,采用多步滾動(dòng)優(yōu)化求解系統(tǒng)中有載調(diào)壓變壓器、補(bǔ)償電容器組、靜止無功補(bǔ)償裝置、儲(chǔ)能裝置及分布式光伏的有功和無功出力,保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。同時(shí),針對(duì)非線性優(yōu)化的求解問題,采用二階錐松弛方法進(jìn)行求解,保證了算法的收斂性。通過算例分析,證明了該有功功率—無功功率協(xié)調(diào)控制方法的有效性。本文僅對(duì)含分布式光伏配電網(wǎng)的優(yōu)化控制進(jìn)行了研究,后續(xù)可針對(duì)含有多種分布式電源的有源配電網(wǎng)優(yōu)化控制進(jìn)行深入研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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CoordinatedControlofActiveandReactivePowerforDistributionNetworkwithDistributedPhotovoltaicBasedonModelPredictiveControl

ZHANGYing1,JIYu2,TANGYunfeng1

(1. College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

In order to solve the fluctuation and randomness of distributed photovoltaic (PV) output and load demand in distribution network and ensure the safety and economical operation of the system, a coordinated control method of active and reactive power for distribution network with distributed PV based on model predictive control is proposed. The method divides the control process into long-time scale optimization control and short-time scale optimization control. Based on the forecasting information on PV output and load demand, multi-step optimization is used to solve the active and reactive power output in long-time scale optimization control. Short-time scale optimization control uses the output of active and reactive power which is solved in the long-time scale optimization control as the reference value, and solves the active and reactive power output increment by multi-step optimization. The models are transformed into a second-order cone programming problem as both optimal models are non-convex and nonlinear, which are hard to solve. An improved IEEE 33-bus distribution network system is used to verify the feasibility and effectiveness of the proposed control method.

This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900400).

model predictive control; active-reactive power optimal control; multi-time scale coordination; second-order cone programming

2016-12-26;

2017-03-13。

上網(wǎng)日期: 2017-05-16。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0900400)。

張 穎(1994—),女,碩士研究生,主要研究方向:含分布式發(fā)電配電網(wǎng)優(yōu)化控制。E-mail： zy0106@cau.edu.cn

季 宇(1982—),男,博士,主要研究方向:分布式發(fā)電、能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)。E-mail: jiyu@epri.sgcc.com.cn

唐云峰(1964—),男,通信作者,副研究員,主要研究方向:新能源發(fā)電。E-mail: tyf@cau.edu.cn

(編輯孔麗蓓)