源-網(wǎng)-荷互動(dòng)的虛擬電廠分布式協(xié)同控制探究

余俊杰 劉國(guó)民 楊涌新

摘 ?要：在我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，新能源智能配電網(wǎng)快速發(fā)展，源-網(wǎng)-荷互動(dòng)逐漸頻繁，其中虛擬發(fā)電廠有靈活的組織結(jié)構(gòu)，并且應(yīng)用了不同技術(shù)全面克服了用戶與發(fā)電廠之間的界限。該文提出了一種基于多智能體系的分布式協(xié)同優(yōu)化控制策略，在通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用一致性算法進(jìn)行二級(jí)優(yōu)化控制，從而對(duì)參考電壓與頻率進(jìn)行全面修整，以此來(lái)對(duì)分布式設(shè)備功能率進(jìn)行精確分配。

關(guān)鍵詞：源-網(wǎng)-荷互動(dòng);虛擬電廠;分布式協(xié)同控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TM72 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著信息技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，一些以化石能源為主的能源系統(tǒng)逐漸變?yōu)橐钥稍偕茉礊橹鞯木G色電力系統(tǒng)。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)從單向化向雙向互動(dòng)系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)變，其中電力企業(yè)在發(fā)展期間主要實(shí)現(xiàn)了用戶管理能源生產(chǎn)。但是，分布式電源會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，為了對(duì)能源實(shí)施協(xié)調(diào)，提出了通過(guò)虛擬發(fā)電廠使新能源電力與主動(dòng)配電網(wǎng)相互配合。因新能源有一定的不可預(yù)測(cè)性與隨機(jī)性，需要儲(chǔ)能、電源以及柔性負(fù)荷等的有效配合，以此來(lái)確保系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性。

1 研究背景及意義

在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，環(huán)境污染嚴(yán)重，并且資源使用量不斷減少，導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境面臨新的問(wèn)題。國(guó)家在治理期間，電力系統(tǒng)發(fā)電資源逐漸向清潔方向發(fā)展，并且通過(guò)并網(wǎng)運(yùn)行提升節(jié)能減排效果，也在區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、供電可靠性等方面帶來(lái)了一系列負(fù)面影響。為了提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，需要利用新能源，因此虛擬電廠得到了人們的廣泛關(guān)注。虛擬電廠作為包含靈活負(fù)荷和多種分布式電源的獨(dú)立可控系統(tǒng)，將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)整合在一起，可以靈活地在并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行模式之間平滑切換，從而大大提高供電的可靠性、安全性和主網(wǎng)友好性。為提升虛擬電廠的可觀性和可控性，使虛擬電廠成為電網(wǎng)公司管控分布式電源的有力抓手，亟需深入開(kāi)展分布式電源規(guī)?；尤肱潆娋W(wǎng)后的集群分布式電源的虛擬電廠協(xié)調(diào)控制平臺(tái)的研究與開(kāi)發(fā)，為高滲透率分布式電源接入電網(wǎng)的運(yùn)行控制提供更先進(jìn)的手段，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)對(duì)分布式電源的充分消納、主動(dòng)管理和優(yōu)化控制，使得虛擬電廠能夠參與電力市場(chǎng)及輔助市場(chǎng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“源-網(wǎng)”協(xié)同，達(dá)到用戶和電網(wǎng)公司的雙贏。

2 基于多智能體系統(tǒng)的虛擬發(fā)電廠分布式控制架構(gòu)

2.1 能源交換機(jī)智能體功能設(shè)計(jì)

在自治層中能源交換機(jī)智能體是其關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備的運(yùn)行情況對(duì)電廠有一定影響，其結(jié)構(gòu)有標(biāo)準(zhǔn)電氣化接口以及標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等，此外，標(biāo)準(zhǔn)化電氣接口為分布式設(shè)備提供并網(wǎng)接口，標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)接口能夠?qū)Ψ植际皆O(shè)備端口信息進(jìn)行自動(dòng)化掃描與識(shí)別[1]。

能源交換機(jī)會(huì)使輸出功能得到有效改變，并對(duì)電網(wǎng)頻率、電壓以及平滑系統(tǒng)電壓等進(jìn)行跟蹤，其功能主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面。1）設(shè)備在線監(jiān)控、通信以及管理等功能。2）因分布式設(shè)備在運(yùn)行期間具有下垂特性，應(yīng)當(dāng)對(duì)功率與下垂進(jìn)行有效控制。3）電力能量交換在虛擬發(fā)電廠中能夠進(jìn)行能量的交換與利用。4） 電能質(zhì)量治理主要是在控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行諧波治理與無(wú)功補(bǔ)償。5） 虛擬發(fā)電廠在運(yùn)行中極易出現(xiàn)故障問(wèn)題，如果出現(xiàn)孤島以及短路情況，能夠在故障預(yù)警的基礎(chǔ)上，在故障之前進(jìn)行預(yù)警。

2.2 能量路由器智能體功能設(shè)計(jì)

能量路由器智能體功能主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面。1）能量路由器智能體功能中具有管理、通信等功能。2）在進(jìn)行能量交換的過(guò)程中，可以利用設(shè)備以及交換機(jī)完成能量交換，同時(shí)有效利用交換后的能量。3）無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理。4）可進(jìn)行調(diào)配，具有較高的靈活性，同時(shí)在發(fā)電預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上有效管控能源。5） 在一些薄弱環(huán)節(jié)中對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)以及故障識(shí)別，對(duì)故障位置與類型進(jìn)行快速確定。

3 分布式協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)

配網(wǎng)級(jí)智能體中的能量管理系統(tǒng)會(huì)在運(yùn)行成本、電價(jià)以及環(huán)境保護(hù)等因素的基礎(chǔ)上，制定行之有效的發(fā)電規(guī)劃。不同分布式設(shè)備在運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息，被能量路由器智能體接收，同時(shí)通過(guò)配網(wǎng)級(jí)智能體接收調(diào)度容量信息，通過(guò)智能體控制目標(biāo)，根據(jù)實(shí)際情況協(xié)調(diào)相關(guān)設(shè)備。如果外網(wǎng)系統(tǒng)存在并網(wǎng)，聯(lián)絡(luò)線功能在調(diào)節(jié)的過(guò)程中應(yīng)控制誤差范圍，一般情況下不能大于5%，由于系統(tǒng)在運(yùn)行期間具有一定的獨(dú)立性。如果虛擬電廠與外網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)線出現(xiàn)的波動(dòng)與功率限制相比相對(duì)較大，需要對(duì)分布式設(shè)備速率進(jìn)行把控，確定調(diào)節(jié)任務(wù)設(shè)備類型。如果負(fù)荷波動(dòng)小，能夠?qū)?chǔ)能充放電功率進(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)進(jìn)行平抑。

3.1 稀疏通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

不同智能體在運(yùn)行期間會(huì)接收相關(guān)信息，比如電壓與頻率，與相關(guān)智能體間進(jìn)行有效通信，并且通過(guò)一致性算法，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)整頻率與電壓測(cè)量過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差，以此形成另一種頻率與電壓[2]。

3.2 一致性控制流程

3.2.1 本地下垂控制

對(duì)于不同分布式設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要對(duì)系統(tǒng)頻率與電壓進(jìn)行有效控制，為了實(shí)現(xiàn)全面控制，需要調(diào)節(jié)功率。其中：頻率、有功功率、電壓與無(wú)功功率間存在一定關(guān)聯(lián)，并且能夠以下公式呈現(xiàn)：

4 仿真與分析

4.1 未超過(guò)聯(lián)絡(luò)線功率約束，響應(yīng)虛擬電廠需求

不同分布式設(shè)備在能量路由器發(fā)送的計(jì)劃指令的基礎(chǔ)上，確保設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，也就是儲(chǔ)能、光伏、風(fēng)能保持在15 kW、5 kW、2 kW。如果虛擬發(fā)電廠產(chǎn)生的負(fù)荷不穩(wěn)定，在此期間，儲(chǔ)能裝置將發(fā)揮重要的作用，因此應(yīng)對(duì)其進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，以此來(lái)使系統(tǒng)有足夠的運(yùn)行能量，聯(lián)絡(luò)線功率與之前相比沒(méi)有明顯改變。

4.2 孤島設(shè)計(jì)時(shí)，虛擬發(fā)電廠從外部網(wǎng)絡(luò)吸收能量

能量路由器智能體會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)形成計(jì)劃孤島，發(fā)電廠會(huì)通過(guò)外網(wǎng)獲取相關(guān)能量，離網(wǎng)后不同智能體之間會(huì)形成通信，并且還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行控制，不同分布式設(shè)備有功功率根據(jù)相關(guān)比例有效分配。此外，不同分布式設(shè)備電壓與系統(tǒng)平均電壓保持一致，與額定電壓值較為接近。

4.3 非計(jì)劃孤島時(shí)，外部網(wǎng)絡(luò)向虛擬發(fā)電廠提供能量

能量路由器智能體在11 s時(shí)間段時(shí)產(chǎn)生非計(jì)劃孤島，在離網(wǎng)之前，分布式設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大能量，一些剩余能量會(huì)傳輸?shù)酵饩W(wǎng)中。離網(wǎng)之后，不同分布式設(shè)備中的智能體之間有通信功能，并且在對(duì)其控制的基礎(chǔ)上，需要對(duì)有功功率實(shí)施分配，在分配的過(guò)程中應(yīng)根據(jù)相關(guān)比例，只有這樣才能進(jìn)行對(duì)有功功率的控制。此外，應(yīng)確保不同分布式設(shè)備的電壓與系統(tǒng)平均電壓一致。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在進(jìn)行虛擬電廠建設(shè)的過(guò)程中，采用了在多智能體系統(tǒng)基礎(chǔ)上分布式協(xié)同優(yōu)化的控制方法，能夠確保分布式能源系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)能量交換智能體，同時(shí)還應(yīng)設(shè)計(jì)多端口路由器，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化。此外，還應(yīng)構(gòu)建分布式通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多智能體一致性算法，對(duì)分布式設(shè)備頻率與電壓進(jìn)行調(diào)整，不管是孤網(wǎng)還是并網(wǎng)，均能夠?qū)Σ煌植际皆O(shè)備進(jìn)行精確控制，保證不同其具有穩(wěn)定的額定電壓。

參考文獻(xiàn)

[1]高輝， 徐晴， 歐陽(yáng)曾愷，等. 含多類型分布式電源的源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略分析[J]. 江蘇電機(jī)工程， 2018（4）：21-26.

[2]徐杰彥， 裴冠榮， 張薇，等. 基于源網(wǎng)荷協(xié)同的發(fā)電能力提升初探[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2019（5）：240-242.

基金項(xiàng)目：“廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：GDKJXM20185069（032000KK52180069））”。