面向主動(dòng)配電網(wǎng)的源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)新型能源協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究

王 建，高 飛

（國網(wǎng)武威供電公司，甘肅 武威 733000）

0 引 言

當(dāng)前，由于可持續(xù)發(fā)展的需要，我國正在積極進(jìn)行能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，能源種類逐漸從低質(zhì)量向高質(zhì)量改變，基于全新技術(shù)所產(chǎn)生的光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電等新能源技術(shù)已經(jīng)成為了我國能源安全質(zhì)量提升的主要內(nèi)容。但這些能源在接入電網(wǎng)之后經(jīng)常會(huì)帶來不同安全隱患，最常見的就是波動(dòng)性，這會(huì)影響到電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，無法有效滿足民眾在日常生活中對于電能的需要。在這一背景下，主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)（Active Distribution Network，ADN）應(yīng)運(yùn)而生[1]。該技術(shù)能夠顯著解決可再生能源應(yīng)用在電網(wǎng)上所產(chǎn)生的通道瓶頸與復(fù)核消納等問題，提升綠色能源利用率，在一定程度上促進(jìn)新能源發(fā)展。

1 AND源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行模型主要由電源、電網(wǎng)運(yùn)行、電能負(fù)荷以及儲(chǔ)能4個(gè)部分構(gòu)成。所提出的模型在運(yùn)行過程中主要是為了降低能耗，減少供電過程中污染氣體排放，同時(shí)充分發(fā)揮用戶與儲(chǔ)能方面的重要作用。“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 “源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)

2 ADN分布式源儲(chǔ)并網(wǎng)逆變器控制

當(dāng)前，市面上常用的逆變器技術(shù)為正弦脈沖寬度調(diào)制（Sinusoidal Pulse-Width Modulation，SPWM）。這一技術(shù)電路結(jié)構(gòu)較為精簡，諧波含量較低，屬于最常用的逆變器技術(shù)之一。逆變器控制技術(shù)的應(yīng)用方向是控制分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的過程與質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)交流直流電之間的逆變轉(zhuǎn)換，還能強(qiáng)化分布式電源的綜合性能，綜合提升整體資源利用效率。本研究擬采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)作為逆變器控制的主要技術(shù)，利用內(nèi)環(huán)控制器的控制性能改善注入電網(wǎng)的電流質(zhì)量，將外環(huán)控制器作為能源并網(wǎng)的核心設(shè)備，綜合改善分布式電源的性能[3]。具體的控制模式如下所述。

2.1 分布式電源并網(wǎng)逆變器控制

本研究采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)采用基于dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流內(nèi)環(huán)控制器，外環(huán)則采用基于PQ控制的外環(huán)控制器。

2.1.1 基于dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流內(nèi)環(huán)控制器

基于dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流內(nèi)環(huán)控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流內(nèi)環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

該設(shè)備的控制方程式可以總結(jié)為：

式中，id和iq表示有功電流值和無功電流值，均為實(shí)測值；idref和iqref為這兩類電流對應(yīng)的參考值；ud與uq對應(yīng)兩類電流的實(shí)測值，kp1、ki1、kp2以及ki2均為控制器的具體控制指標(biāo)[4]。

2.1.2 基于PQ控制的外環(huán)控制器

基于PQ控制的電流外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PQ外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)備的控制方程式可以總結(jié)為：

式中，Pgrid和Qgrid表示有功功率值和無功功率值，均為實(shí)測值；Pref和Qref為這兩類功率對應(yīng)的參考值；kp3、ki3、kp4以及ki4均為控制器的具體控制指標(biāo)。

總而言之，DG并網(wǎng)逆變器控制能夠利用調(diào)整參考值的方法調(diào)整控制器的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)ADN分布式源儲(chǔ)并網(wǎng)逆變器的控制。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器控制

ESS是ADN結(jié)構(gòu)的重要組成部分，同樣采用內(nèi)外環(huán)設(shè)備混合搭配的結(jié)構(gòu)。其內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)依然沿用基于dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流控制器，外環(huán)結(jié)構(gòu)選用以V/f控制為中心的外環(huán)控制器，用以實(shí)現(xiàn)ESS的電路自動(dòng)控制功能，充分發(fā)揮其功率吞吐能力，用以處理過多的電能，或?yàn)榫o缺電能提供補(bǔ)充[5]。該模式可有效處理系統(tǒng)功率的不良波動(dòng)，ESS逆變器控制結(jié)構(gòu)的過程可量化為：

式中，Pgrid和Qgrid表示有功功率值和無功功率值，均為實(shí)測值；Pref和Qref為這兩類功率對應(yīng)的參考值；kp5、ki5、kp6、ki6、ki7、kp7、ki8以 及kp8均 為控 制器的具體控制指標(biāo)[6]。

ESS結(jié)構(gòu)采用的控制模塊是基于V/f的外環(huán)控制器并網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)逆變器的即時(shí)控制，從而把控功率輸出。

3 ADN“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)控制模式設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的ADN“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)控制技術(shù)以分布式電源結(jié)構(gòu)、ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷（Controllable Load，CL）以及主動(dòng)配電網(wǎng)為聯(lián)合結(jié)構(gòu)，建立協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過這一配套模式提升電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的綜合性能[7]。其主要功能包括以下幾個(gè)方面。

3.1 ESS控制

前文所述的V/f結(jié)構(gòu)可為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供配電網(wǎng)功率測試功能，通過V/f結(jié)構(gòu)對電能的吞吐與控制功能，ESS控制效率與精度較高，能夠?qū)⒖刂凭染_到毫秒級別[8]。但受限于ESS的容量，無法保持持續(xù)性釋放電能的狀態(tài)，需要與響應(yīng)精度較低的分布式電源配合使用，因此需將ESS中存儲(chǔ)的電能當(dāng)做備用電源。本研究為ESS做了增容處理，通過提升ESS電能存儲(chǔ)量的方式強(qiáng)化系統(tǒng)的故障處理能力。

3.2 DG控制

DG逆變器作為外環(huán)控制的主要結(jié)構(gòu)，主要起到調(diào)整電路內(nèi)有功與無功功率值的作用。由上文中的流程分析可知，DG逆變器可調(diào)整配電網(wǎng)的持續(xù)性功率輸出狀態(tài)，但有功無功功率的參考值響應(yīng)速度較慢，響應(yīng)時(shí)間的精度僅可控制到秒級[9]。本研究將ESS控制結(jié)構(gòu)的吞吐功率與DG逆變器相結(jié)合，可以合理調(diào)整功率平衡，提升ADN分布式電源的整體性能。

3.3 CL控制

利用可控負(fù)荷的柔性調(diào)節(jié)效果抵消分布式能源中常見的間歇性波動(dòng)，確保DG逆變器對能量波動(dòng)的控制效果。本研究充分考慮了負(fù)荷與能源的波動(dòng)性，將負(fù)荷總量調(diào)整至可控范圍內(nèi)。利用多重負(fù)荷消化的方式，配合協(xié)調(diào)分配算法進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整。

綜上所述，ADN“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)控制技術(shù)在時(shí)間維度上使用ESS、DG以及CL技術(shù)形成協(xié)調(diào)與互補(bǔ)，將這幾種技術(shù)聯(lián)合在一起，構(gòu)建“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”相互配合的模式，通過ESS實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度較高的功率吞吐，抑制電網(wǎng)內(nèi)的功率波動(dòng)，優(yōu)化配電網(wǎng)的功率結(jié)構(gòu)。DG逆變器可實(shí)現(xiàn)應(yīng)對功率波動(dòng)、負(fù)荷波動(dòng)以及設(shè)備故障等功能，與CL負(fù)荷控制體系一同調(diào)整響應(yīng)速度，從而提升ADN的主動(dòng)調(diào)整與控制能力，整體提升結(jié)構(gòu)的綜合性能[10]。

4 結(jié) 論

當(dāng)前我國在進(jìn)行可再生能源接入時(shí)，存在一系列能源消耗過大和電網(wǎng)穩(wěn)定性較差的問題，在這一背景下，本文通過構(gòu)建主動(dòng)配電網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，對各個(gè)具體技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致分析，并將設(shè)計(jì)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為流程圖或數(shù)學(xué)模型，全面構(gòu)建了“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)作優(yōu)化模式，希望能夠在一定程度上促進(jìn)我國電力調(diào)度企業(yè)的長期健康發(fā)展。