分布式電源并網(wǎng)控制研究綜述

于 達,張 瑋*,王 輝

1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 電氣工程與自動化學院,山東 濟南 250353；2.山東大學 電氣工程學院,山東 濟南 250000

近年來,隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴張,國家對環(huán)境保護重視程度越來越高,而且用戶對電能質(zhì)量的需求也逐步增高,基于利用分散清潔能源(風能、太陽能等)所產(chǎn)生的一種新興的發(fā)電模式-分布式發(fā)電,被廣泛關注[1]。分布式發(fā)電就是指運用中小型的發(fā)電裝置在可利用分散能源的基礎上,可以單獨運行,為少量用戶供電或者并入電網(wǎng)為用戶提供電能[2]。這種發(fā)電方式的主要優(yōu)勢在于可以將分散的可利用能源像風力、太陽能等資源充分利用,提高了能源的利用率[3],而且與主網(wǎng)互相作為后備供電,使供電穩(wěn)定性與安全性都有較好的改善[4]。分布式發(fā)電因其低能耗、靈活發(fā)電方式、與環(huán)境相兼容等優(yōu)點在電力系統(tǒng)中的占比越來越大,由分布式電源發(fā)出的電能在消耗的總電能中的占比也越來越多[5]。以山東為例,2020年度夏季期間,山東全網(wǎng)用電負荷、用電量連續(xù)兩日創(chuàng)歷史新高,全網(wǎng)最大用電負荷9.022 4×107kW,全網(wǎng)用電量1.919×1010kW·h,分別較去年增長7.27%和7.39%。預測2021年全網(wǎng)用電最大負荷9.6×107kW。

截至2020年11月底,山東的新能源并網(wǎng)容量3.531 8×107kW:風電場179座,裝機容量為1 .504×107kW；光伏發(fā)電裝機容量2.027 8×107kW。其中,10 kW及以上并網(wǎng)分布式光伏電站937座,裝機容量3.323×106kW,占比26.3%；380/220 V并網(wǎng)用戶分布式38萬余戶,裝機容量達9.296×106kW,占比73.7%。2015—2020年山東電網(wǎng)新能源發(fā)電量占比2.96%增長至7.2%。但是當分布式電源(distributed generation,DG)接入配電網(wǎng)的數(shù)量過大時,分布式發(fā)電的容量和接入位置都會對饋電線路上的電壓分布造成很大的影響[6]。

本文結合了現(xiàn)有的研究狀況和成果,闡述了DG并入電網(wǎng)時對配電網(wǎng)的影響,對分布式電源的運行控制做出了描述,并且分析了配電網(wǎng)電壓控制的主要手段,在此基礎上,進一步對未來的電壓控制技術有待深入的方向做出了闡述。

1 分布式電源的接入對配電網(wǎng)的影響

分布式電源并入電網(wǎng)時會改變電網(wǎng)中的潮流流向,而不是傳統(tǒng)的單向流動。輻射形是傳統(tǒng)配電網(wǎng)最主要的網(wǎng)絡形式,線路的潮流流向是電源側流入用戶側。而當DG并入電網(wǎng)時,DG的容量大小,接入的位置等因素都會影響潮流的大小和方向[7]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)運行時,其穩(wěn)態(tài)電壓的分布是由饋線向用戶側逐步下降,當DG并入電網(wǎng)時會使用戶側出現(xiàn)電源,對線路的電壓分布造成影響[8]。而且DG中含有大量電力電子元件,并且通過逆變的形式并入到配電網(wǎng)中,會對電壓產(chǎn)生影響造成電壓波動、閃變等問題[9],并且分布式電源的電能經(jīng)過逆變后并入公共配電網(wǎng)時,將會影響電網(wǎng)安全檢修。傳統(tǒng)配電網(wǎng)當線路某處出現(xiàn)故障時,故障電流是從電源側向故障點流動,而當DG并入電網(wǎng)時,DG的類型以及接入的位置會對短路電流的方向和水平造成影響,可能導致保護的誤動。在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中,如果上級電氣元件出現(xiàn)故障會對負荷供電造成影響,但在含DG的配電網(wǎng)中,如果上級電氣元件出現(xiàn)故障,在DG容量范圍內(nèi)的用電負荷可以脫離電網(wǎng)進行孤島運行[10]。當分布式電源特別是風電大量接入配電網(wǎng)時,會對配電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻、電壓穩(wěn)定性、系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[11]。

2 分布式電源的運行控制

在分布式電源組成的微電網(wǎng)中,因為分布式電源的類型、發(fā)電原理存在差別,所以要針對類別不相同的DG選用恰當?shù)目刂品绞?保證分布式電源的穩(wěn)定運行。目前DG的控制策略有以下幾種:PQ控制、VF控制和下垂控制。

2.1 PQ控制

PQ控制是微電網(wǎng)控制中常見的措施,P和Q分別代表著微網(wǎng)中電源的有功功率和無功功率[13]。PQ控制就是微網(wǎng)系統(tǒng)提前設定好電源的有功功率與無功功率的標準值,電源按照這個提前設定好的標準值進行輸出,無論系統(tǒng)其他的電氣量怎么變,微電源依然在這個標準值的附近進行功率輸出。PQ控制原理如圖1所示。

圖1 PQ控制原理圖

微網(wǎng)系統(tǒng)中某一個電源在PQ控制下運行,系統(tǒng)預先設置好的輸出有功功率為Pref,輸出的無功功率為Qref,這時系統(tǒng)的額定頻率為f0,此時DG逆變器的端口電壓為U0,這時系統(tǒng)在B點運行。當系統(tǒng)的頻率增加到f1,逆變器端口的電壓上升到U1,此時系統(tǒng)輸出的有功功率與無功功率依然保持在設定值,系統(tǒng)在A點運行[11]。當系統(tǒng)頻率減少到f2時,分布式電源逆變器電壓下降到U2,系統(tǒng)依然按照設定值輸出有功頻率與無功頻率,系統(tǒng)在C點運行。

從上述原理我們可以得知,PQ控制只能使系統(tǒng)保證自身的頻率穩(wěn)定性,當微網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓和頻率同時發(fā)生異常時,這時PQ控制則不能做出響應。當微網(wǎng)系統(tǒng)在運行時,可能會進行孤島運行,在孤島運行時很多交流負載對電壓和頻率都有較高的要求,電壓與頻率與額定值偏差偏大的話會直接影響電器元件的使用壽命與工作狀態(tài),在PQ控制下無法保證電壓與頻率的穩(wěn)定,所以PQ控制需要通過較大的電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓與頻率,由此可知PQ控制主要適用于并網(wǎng)運行。

2.2 VF控制

VF控制指的是恒壓恒頻控制,主要用于微網(wǎng)內(nèi)主電源的控制。V指的是微電源連接到微網(wǎng)的接口電壓,F指的是電源的端口頻率,一般選取50 Hz,VF控制就是用系統(tǒng)預先設定好的V和F的值進行控制,當系統(tǒng)內(nèi)部其他電氣量參數(shù)發(fā)生變化時,在VF控制下微電源的輸出電壓和端口頻率保持穩(wěn)定[7]。VF的控制原理如圖2所示。

圖2 VF控制原理圖

當輸出的有功功率P在P0點無功功率Q在Q0時,此時系統(tǒng)在B點運行,電源輸出的電壓與頻率標準值分別是V0和f0,當有功功率減少到P1時,無功功率也減少到Q1,此時電源在A點運行,輸出的頻率與電壓依然是標準值。同理可得,當電源輸出的有功功率增加到P2的時候,無功功率也增加到Q2,電源依然按照電壓頻率的標準值在C點穩(wěn)定的運行[15]。

VF控制就是使電源改變輸出功率來保持自身輸出電壓頻率的穩(wěn)定,為微網(wǎng)的運行提供了穩(wěn)定的電壓和頻率。VF控制策略一般運用于微網(wǎng)脫離電網(wǎng)的孤網(wǎng)運行。VF控制中頻率參考值一般取50 Hz,電壓的參考值一般要根據(jù)所要并網(wǎng)的電壓等級取。所以在VF控制下的微電網(wǎng),當從孤網(wǎng)運行轉(zhuǎn)到并網(wǎng)運行時,對主電網(wǎng)的影響相對較小。但是這種控制方式下的微網(wǎng),當其中的DG出現(xiàn)故障時,會使得在孤網(wǎng)運行的時候丟失電壓與頻率的參考值,甚至導致整個微網(wǎng)的癱瘓。

2.3 下垂控制(Droop控制)

在微電網(wǎng)的對等控制中主要運用了下垂控制,它可以達到多個分布式電源出力的協(xié)調(diào)控制的目標,但這是一種有差控制,無法使微網(wǎng)的頻率和電壓恢復到并網(wǎng)時的水平[16]。它是模擬電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻來對分布式電源進行調(diào)控,如圖3:

圖3 下垂控制原理圖

由圖3可以看出,當有功功率P0增加到P1時,有功負荷增大,有功功率不足導致頻率下降；當無功功率從Q0增加到Q1時,無功負荷增大,無功功率不足致使電壓U下降到U1。目前此控制主要有兩種方法:f-P、V-Q下垂控制法和P-f、Q-V下垂控制法。f-P、V-Q下垂控制法是通過調(diào)節(jié)電壓的頻率和幅值去調(diào)節(jié)功率,P-f、Q-V下垂控制法是通過調(diào)節(jié)輸出功率控制電壓的幅值和頻率[17]。

文獻[18]采用了一種基于自調(diào)節(jié)下垂控制的分布式電源并聯(lián)運行技術,以Q-V下垂控制作為基礎,通過引入輸出無功功率的比例積分控制環(huán)節(jié)來使無功功率和線路阻抗無關從而達到抑制系統(tǒng)無功環(huán)流分量的作用。文獻[19]以下垂控制作為基礎,增加了功率分配環(huán)節(jié)與下垂系數(shù)調(diào)增環(huán)節(jié)來達到DG對功率精準分配,通過建模仿真,進一步證實了這種方法會改善電網(wǎng)的運行效率。

3 配電網(wǎng)電壓控制

針對于大量的DG接入電網(wǎng)造成的諸多問題,主要體現(xiàn)在當高比例DG接入的時候,會給電網(wǎng)帶來電壓波動、閃變和越限等問題[20]。而且,在微網(wǎng)的系統(tǒng)中,不同類別的電源都需要運用不同的電力電子技術來達到用戶對電能質(zhì)量的要求,不同的電力電子技術逆變器生成的諧波水平可能也不相同,微網(wǎng)在電網(wǎng)中占比越來越高,會導致電力系統(tǒng)的諧波水平升高,此外在微網(wǎng)系統(tǒng)中有許多單相分布式電源,如果大量接入則會增加配電系統(tǒng)三相不平衡的影響[21]。這些問題影響了新能源發(fā)電的電能利用率,也給電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來了困擾。當前,針對這些問題主要有3種控制策略:分布式控制策略、集中式控制策略和集中-分布式控制策略[22]。

3.1 分布式控制

分布式控制的優(yōu)勢在于在進行電壓控制時可以運用本地信息進行控制,控制速度快而且對通信系統(tǒng)要求比較低,但它的缺點是,參與控制的設備工作強度比較大,而且設備間缺乏協(xié)調(diào),運行期間可能發(fā)生沖突,無法做到全局優(yōu)化,因無功流動而造成的線路損耗的問題也無法解決[23]。目前配電系統(tǒng)一般采用兩種方案提高對分布式電源的接納能力,即無功控制方案與有功控制方案。

3.1.1 無功控制分布式電壓控制策略

文獻[23]提出了一種基于MAS和靈敏度理論的電壓控制算法,有效地消除了由于分布式電源的連接而造成的電壓偏差。這種算法可以計算特定電壓分布下的每個節(jié)點所需要的補償,創(chuàng)建新的電壓分布,在每個節(jié)點上都生成一組新的補償,通過計算后的補償要保證最小無功功率來消除電壓誤差。這種方法的優(yōu)點是,不需要中央控制器的干預,通過相鄰智能體間的通信就可以消除電壓問題。文獻[24]運用了一種九宮圖控制方法,根據(jù)電力系統(tǒng)中電壓、無功的上下限將電壓與無功組成的平面劃分成九塊分區(qū),如圖4所示:

圖4 九宮圖控制

在用九宮圖控制策略進行控制時,將負荷時段分成多個時段,假使每一個時段內(nèi)的電壓、無功都是固定的值,通過逆調(diào)壓對電壓的上下限進行整定。這種方法可以實現(xiàn)電壓的實時控制及調(diào)節(jié),能夠改善電壓質(zhì)量降低系統(tǒng)網(wǎng)絡中的有功損耗。文獻[25]采用了一種分布式無功控制控制策略,采用這種策略可以使每個并入電網(wǎng)的分布式電源都可以吸收無功功率或發(fā)出無功功率,解決了電壓波動的問題。

3.1.2 有功控制分布式電壓控制策略

通過改變分布式電源的有功輸出也可以改進配電網(wǎng)的電壓水平,當前分布式電源并入電網(wǎng)是運用“硬連接”的方法,在所有情況都根據(jù)額定的有功進行輸出,但是在用電量較少的情形下,將導致整個電網(wǎng)電壓增加。所以將分布式電源參照接入點處的電壓調(diào)整有功輸出,可以改進電網(wǎng)的電壓水平[26]。

文獻[27]采用的是一種兩階段有功、無功結合的控制方法。第一階段的電壓控制是用分布式電源本身的無功控制能力,如果無功控制的能力達不到控制的需求,則第二階段進行有功控制。這種方法可以使電壓控制發(fā)揮到最大水平。

3.2 集中式電壓控制

集中式控制主要指調(diào)度中心運用通信系統(tǒng)下達指令來操控系統(tǒng)中調(diào)壓裝置來進行全局的電壓控制?？梢酝ㄟ^通信系統(tǒng)完整性,速率不同實現(xiàn)不同復雜度,不同性能的電壓控制,但是這種方法需要每一個節(jié)點都具有通信的能力,而且計算量大,容易造成數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定,而且全局通信的可靠性隨著電網(wǎng)規(guī)模變大而降低[26]。

文獻[28]采用了一種集中式控制的方法,控制器是線性的,通過模型控制預測的方法,可以改善模型不準確與測量噪音的問題。文獻[29]采用了分布式電源與OLTC作為對象的連續(xù)電壓控制法,將電壓穩(wěn)定在額定電壓的水準。文獻[30]提出了一種主配網(wǎng)一體化無功優(yōu)化模型與算法,可以減少配電網(wǎng)三相不平衡性,降低系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗,優(yōu)化主配網(wǎng)全局無功資源。

3.3 集中-分布式控制

集中-分布式控制是一種將上述兩種控制方式結合起來的一種控制方法,這種控制方式既保證了控制的速率又考慮到了設備間的相互影響,從而更好地進行全局優(yōu)化控制。目前集中-分布式控制主要有兩種控制策略:基于多代理技術控制策略與基于分層技術控制策略。

3.3.1 基于多代理技術

多代理系統(tǒng)是有很多個單個代理構成,這些代理可以解決局部的問題,但不能做到單獨的達到全局目標,所以多代理技術實現(xiàn)全局控制是由一組協(xié)調(diào)代理協(xié)調(diào)其他分散的單個代理進行控制。

文獻[31]在多代理技術的基礎上搭建了求解DPMC模型的多代理系統(tǒng),這個系統(tǒng)中的子系統(tǒng)都可以單獨的完成各自目標函數(shù)的優(yōu)化,利用數(shù)據(jù)的交換與協(xié)調(diào)從而實現(xiàn)全局優(yōu)化控制并建立預測模型,實現(xiàn)長期電壓穩(wěn)定的緊急控制。文獻[32]在多代理技術的基礎上搭建了不同類別需求響應資源的負荷代理與電網(wǎng)調(diào)度中心的互動調(diào)度模型,通過模型與算法分析得出了通過這種方法可以促進間歇性能源的消納。但是基于多代理技術在系統(tǒng)中結構復雜,各個代理間通信協(xié)調(diào)等方式的設計還不夠完善,所以這種方式在控制系統(tǒng)中的應用還處于初級階段。

3.3.2 基于分層控制

分層控制通常是以控制的區(qū)域維度與時間維度來劃分,上層是中央優(yōu)化的電壓控制,下層通常是分布式電壓控制[26]。

文獻[33]運用了一種以雙層算法為基礎的配電網(wǎng)全局優(yōu)化調(diào)度與饋電線路區(qū)域自治相配合的配電網(wǎng)分層結構,最上層為配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng),中間層的控制單元為分層分布控制器,底層的控制單元是源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器,用來獲取分層分布控制器的功率控制目標再進行節(jié)點的分配。這種分層方式在時間層面上的配電網(wǎng)全局優(yōu)化與區(qū)域自治達到源-網(wǎng)-荷的協(xié)調(diào)控制目標。文獻[34]采用了一種基于多智能體一致性算法的分層結構,分為基于有功-頻率下垂的初級控制層、基于頻率補償?shù)亩慰刂茖?、基于功率分配的三次控制?將分布式的一致性算法運用在每一層控制上,用少量的信息交換即可以實現(xiàn)全局控制,節(jié)省了通信網(wǎng)絡設備的投資同時也使系統(tǒng)變得更加靈活。文獻[35]將分布式電源參與系統(tǒng)優(yōu)化分為三層,第一層是成本優(yōu)化,通過調(diào)整分布式電源的有功功率使系統(tǒng)成本最小,第二層進行有功功率的控制,運用一致性協(xié)議的控制達到對調(diào)整過的有功功率的追蹤,第三層是系統(tǒng)頻率和電壓控制,加深對系統(tǒng)的頻率和電壓進行控制來達到預取的目標。文獻[36]分成兩層控制,一層為設備控制層采用分散控制,二層通過分布式的方式產(chǎn)生權重系數(shù),且權重系數(shù)可以調(diào)節(jié)。通過此控制策略脫離了對集中控制器的依托,使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

分層控制每一層都有各自的明確功能目標,減少了各層之間的依賴性,可根據(jù)電網(wǎng)的規(guī)模對控制層進行擴展,也容易將新的控制集成到不同的層中。

4 結 語

本文結合現(xiàn)有的研究對分布式電源的運行控制與DG并入電網(wǎng)時配電網(wǎng)并網(wǎng)的電壓控制做出了綜述,從目前的結果來看,對于DG并網(wǎng)的研究已經(jīng)有了新的進展,隨著電網(wǎng)的規(guī)模逐漸增大,通過DG進行發(fā)電作為一種最有競爭力的發(fā)電方式在電力系統(tǒng)中的占比也會逐漸升高,但越來越多的DG并入配電網(wǎng)中,會使運行方式也多樣化,為了使分布式電源充分發(fā)揮優(yōu)勢,需要對分布式發(fā)電技術與DG并網(wǎng)技術進行更加深入的研究,使電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行,保證分布式發(fā)電在應用中充分發(fā)揮作用。