基于柔性負(fù)荷的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化控制策略

查顯輝

（池州華光電力工程有限公司）

0 引言

隨著對(duì)新能源控制技術(shù)研究的逐步深入，分布式電源作為新能源的一個(gè)重要組成部分，已經(jīng)成功參與配電網(wǎng)運(yùn)行，使得配電網(wǎng)具有智能性，資源的調(diào)度能力也不斷強(qiáng)化，運(yùn)行方式也具備多樣化的特征，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)控制理論已經(jīng)無法適應(yīng)配電網(wǎng)的發(fā)展[1]。因此需要研究基于分布式電源、無功補(bǔ)償設(shè)備、柔性負(fù)荷的配電網(wǎng)控制方法，提出適用于主動(dòng)配電網(wǎng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)降低配電網(wǎng)損耗、提高能源利用率、節(jié)能減排的目標(biāo)[2]。本文研究主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電源、無功補(bǔ)償設(shè)備、柔性負(fù)荷的優(yōu)化控制策略。將配電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分，在時(shí)間上構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)銜接的控制模式，長(zhǎng)時(shí)進(jìn)行全網(wǎng)優(yōu)化控制，給出各個(gè)區(qū)域的優(yōu)化目標(biāo)；短時(shí)負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的協(xié)調(diào)校正控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域優(yōu)化目標(biāo)的有效跟蹤[3-4]。

1 協(xié)調(diào)控制策略

1.1 協(xié)調(diào)控制模式

本文提出的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化控制策略，在空間上基于饋線調(diào)壓器或饋線分支處實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)區(qū)域劃分，在時(shí)間上進(jìn)行主動(dòng)配電網(wǎng)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間區(qū)段內(nèi)優(yōu)化計(jì)算，以確定有功功率和無功功率的目標(biāo)值，以及不同區(qū)域的控制目標(biāo)[5-6]。在進(jìn)行全網(wǎng)范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)時(shí)間優(yōu)化計(jì)算時(shí)，區(qū)域內(nèi)部也要進(jìn)行短時(shí)協(xié)調(diào)校正運(yùn)算，充分調(diào)動(dòng)區(qū)域內(nèi)資源來抑制分布式電源和負(fù)荷產(chǎn)生的功率波動(dòng)，并實(shí)時(shí)跟蹤區(qū)域的運(yùn)行目標(biāo)[7-8]。

1.2 協(xié)調(diào)控制變量

基于主動(dòng)配電網(wǎng)中有功和無功不是獨(dú)立的，是互相耦合的，所以配電網(wǎng)內(nèi)部區(qū)域的協(xié)調(diào)變量必須保證既覆蓋有功方面又覆蓋無功方面，協(xié)調(diào)變量的值由全網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間優(yōu)化計(jì)算得到，并傳遞到內(nèi)部區(qū)域參與跟蹤控制。選取饋線有功功率作為有功協(xié)調(diào)變量，選取饋線功率因數(shù)作為無功協(xié)調(diào)變量，選取饋線末端電壓當(dāng)作電壓協(xié)調(diào)變量[9-10]。

1.3 協(xié)調(diào)控制方法

基于協(xié)調(diào)控制模式和協(xié)調(diào)控制變量總結(jié)出協(xié)調(diào)控制策略，如圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)控制方法原理

在長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行周期內(nèi)，根據(jù)配電網(wǎng)主電路拓?fù)湟约胺植际诫娫?、?chǔ)能單元、無功補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行全網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)算，得到各個(gè)區(qū)域的控制目標(biāo)參數(shù)，包括饋線有功功率目標(biāo)參數(shù)、饋線功率因數(shù)目標(biāo)參數(shù)、饋線末端電壓目標(biāo)[11]；在短時(shí)運(yùn)行周期內(nèi)，控制區(qū)域內(nèi)的可控資源進(jìn)行全網(wǎng)優(yōu)化控制目標(biāo)跟蹤，分布式電源和儲(chǔ)能單元實(shí)現(xiàn)有功功率跟蹤，分布式無功電源和無功補(bǔ)償設(shè)備實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)跟蹤[12]。

2 全網(wǎng)優(yōu)化控制策略

2.1 目標(biāo)函數(shù)建立

本文將主動(dòng)配電網(wǎng)有功功率損耗控制到最低為目標(biāo)，即配電網(wǎng)全部節(jié)點(diǎn)注入功率達(dá)到最小值：

式中，Ploss為配電網(wǎng)有功功率損耗；n為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量；Pi為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i注入的有功功率的值。

2.2 約束條件選取

潮流方程以矩陣形式描述，對(duì)于配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)i存在：

式中，Si為注入到節(jié)點(diǎn)i的視在功率；ei為元素i為1，其余元素為0的列向量；U和I分別為電壓列向量和電流列向量；Y為導(dǎo)納矩陣，為矩陣Y的第i列向量。

假定Qi=／2則得到約束條件：

式中，Pi為注入到節(jié)點(diǎn)i的有功功率；Qi為注入到節(jié)點(diǎn)i的無功功率；Pi.DG和Pi.Load為節(jié)點(diǎn)i上分布式電源和負(fù)荷的有功功率；Qi.DG、Qi.SVC、Qi.Load分別為節(jié)點(diǎn)i上分布式電源、靜止無功補(bǔ)償器、負(fù)荷的無功功率；μi為無功補(bǔ)償電容器的級(jí)位；Qi.C為無功補(bǔ)償電容器的無功功率。

不等式約束條件為：

式中，Pmax.DG和Pmin.DG為分布式電源可調(diào)節(jié)有功功率的最大值和最小值；Qmax.DG和Qmin.DG為分布式電源可調(diào)節(jié)無功功率的最大值和最小值；Qmac.SVC和Qmin.SVC為靜止無功補(bǔ)償器可調(diào)節(jié)無功功率的最大值和最小值；Mi為無功補(bǔ)償電容器的級(jí)位的最大值；Umax和Umin為節(jié)點(diǎn)i電壓的最大值和最小值；Smax.OC和Smin.OC為儲(chǔ)能單元電荷狀態(tài)的最大值和最小值。

3 協(xié)調(diào)校正控制策略

3.1 有功控制策略

有功電源主要負(fù)責(zé)有功功率的控制，基于采樣得到的有功功率值PM與給定功率PRef得到誤差值 △P：

去頂功率誤差參數(shù)是否滿足有功電源的調(diào)節(jié)區(qū)間，用得到需要輸出的有功率值PPower：

式中，PPower為之前一個(gè)控制周期運(yùn)算得出的有功率值。

3.2 無功控制策略

無功控制包含電壓控制和無功控制兩部分，分別由調(diào)壓器和無功電源來承擔(dān)控制功能。電壓控制比較電壓協(xié)調(diào)變量的給定值URef與饋線末端電壓值UEnd，調(diào)壓器的調(diào)節(jié)策略為：

式中，μ和μ′為調(diào)壓器級(jí)位調(diào)節(jié)前后的位置，UTh為預(yù)定義的電壓降閾值。

無功控制是將功率因數(shù)值與功率因數(shù)給定值進(jìn)行比較得到偏差來計(jì)算無功功率的偏差值，從而控制分布式無功電源、無功補(bǔ)償設(shè)備等的輸出，經(jīng)無功功率值保持在給定值附近，采用離散設(shè)備控制較大的無功偏差，采用連續(xù)設(shè)備控制較小的偏差。

3.3 負(fù)荷控制策略

對(duì)于電壓敏感性負(fù)荷，其與負(fù)荷功率與負(fù)荷電壓都具有一定的關(guān)聯(lián)性，通過控制調(diào)壓器級(jí)位降低饋線上負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷功率的有效控制，達(dá)到節(jié)約能源、降低負(fù)荷尖峰的目的。

節(jié)點(diǎn)i上的負(fù)荷有功功率、無功功率和電壓的關(guān)系為：

式中，Zi、Ii、S′分別為節(jié)點(diǎn)i上所連接負(fù)荷的阻抗、電流、視在功率等參數(shù)；xi、yi、zi分別為不同類型負(fù)荷所具有的權(quán)重參數(shù)。當(dāng)確定功率因數(shù)角θi后，節(jié)點(diǎn)電壓Ui的變化就會(huì)引起有功功率和無功功率的跟隨變化，并且是等比例變化。當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)壓器級(jí)位時(shí)，饋線上兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間電壓存在關(guān)系：

式中，Ri和Xi分別為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電阻和電抗值。經(jīng)過化簡(jiǎn)得到：

假設(shè)調(diào)壓器幾位調(diào)節(jié)后節(jié)點(diǎn)i電壓存在降低現(xiàn)象，并且降低的電壓u要遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)i電壓，則可以得到調(diào)壓器級(jí)位調(diào)節(jié)后相鄰節(jié)點(diǎn)的電壓降落值為：

由此便可以計(jì)算得到調(diào)壓器級(jí)位調(diào)節(jié)前后饋線上節(jié)點(diǎn)電壓變化量基本不存在。同理可以得到有功功率和無功功率在調(diào)壓器調(diào)節(jié)后節(jié)點(diǎn)i的功率：

則得到調(diào)壓器級(jí)位調(diào)節(jié)前后節(jié)點(diǎn)i的有功功率的變化量為：

由此便可知，調(diào)壓器的級(jí)位在調(diào)節(jié)前后，節(jié)點(diǎn)的有功率變化情況與節(jié)點(diǎn)電壓的變化情況存在正向關(guān)聯(lián)關(guān)系：

所以得到ρ的值便知道降低有功功率時(shí)所需要對(duì)應(yīng)降低的節(jié)點(diǎn)電壓值。

基于上述分析便得到了控制策略：

實(shí)時(shí)采集饋線末端電壓參數(shù)UEnd和區(qū)域內(nèi)饋線有功功率參數(shù)PΣ，再通過區(qū)域潮流分布計(jì)算得到饋線末端最低電壓值UEnd.min時(shí)的饋線有功率PΣ,min，這樣便可以得到斜率值：

計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻，區(qū)域內(nèi)饋線的有功功率實(shí)時(shí)值PΣ，與給定功率實(shí)時(shí)值PRef的差值△P，并確定在負(fù)荷的允許調(diào)節(jié)范圍內(nèi)：

再計(jì)算得到與各條饋線上節(jié)點(diǎn)電壓相匹配的配置調(diào)節(jié)量，這樣就通過計(jì)算得到末端饋線電壓的給定值參數(shù)URef，從而確保實(shí)現(xiàn)調(diào)壓器自動(dòng)化調(diào)節(jié)，并對(duì)負(fù)荷進(jìn)行了控制。

3.4 校正控制策略

科學(xué)控制主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)的分布式電源、無功補(bǔ)償設(shè)備、負(fù)荷等實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)校正控制，跟蹤全網(wǎng)優(yōu)化控制，具體的控制流程如下：

1）獲取全網(wǎng)優(yōu)化控制目標(biāo)，即有功功率、功率因數(shù)、饋線末端電壓。

2）如果有功功率發(fā)生變化，優(yōu)先通過分布式電源或負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3）判斷功率因數(shù)是否達(dá)標(biāo)，確定是否啟動(dòng)無功功率控制。

4）計(jì)算經(jīng)過調(diào)節(jié)后的有功功率是否達(dá)標(biāo)，如果不滿足，則啟動(dòng)調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 算例分析

選取IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為主電路拓?fù)溥M(jìn)行驗(yàn)證，節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)25位置配置調(diào)壓器；節(jié)點(diǎn)6至節(jié)點(diǎn)17饋線作為受控區(qū)A，節(jié)點(diǎn)25至節(jié)點(diǎn)32作為受控區(qū)B，節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)27位置配置無功補(bǔ)償電容器組，主電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文選取30min當(dāng)作長(zhǎng)時(shí)間周期進(jìn)行全網(wǎng)優(yōu)化控制，以3min為短時(shí)間周期實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制。在初始時(shí)刻進(jìn)行全網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算，得到配電網(wǎng)功率損耗為79.6kW，經(jīng)過優(yōu)化后功率損耗為65.3kW，優(yōu)化后的控制目標(biāo)、有功功率和無功功率如下表所示。

表 全網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語

主動(dòng)配電網(wǎng)具備對(duì)分布式電源進(jìn)行消納的能力，是促進(jìn)配電網(wǎng)高效運(yùn)行的一種重要方法。本文對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，在長(zhǎng)時(shí)間周期控制中基于配電網(wǎng)現(xiàn)有資源實(shí)現(xiàn)功率損耗最低的控制目標(biāo)，在短時(shí)間周期控制中合理協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)的無功補(bǔ)償設(shè)備、分布式電源、負(fù)荷等發(fā)揮校正控制作用，對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的功率波動(dòng)進(jìn)行有效抑制，并對(duì)全網(wǎng)優(yōu)化控制運(yùn)算出的運(yùn)行目標(biāo)進(jìn)行快速跟蹤。經(jīng)過算例仿真驗(yàn)證了本文提出控制策略的有效性，可以進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用的價(jià)值。