原文發(fā)表在《電力工程技術(shù)》第36卷第4期，歡迎品讀

李海濤. 主動(dòng)配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 電力工程技術(shù), 2017, 36(4): 145-151.

LI Haitao. Research and Application of Coordinate Control & Optimization Technology for Active Distribution System[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(4): 145-151.

主動(dòng)配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用

李海濤

由于配電網(wǎng)與分布式能源缺乏有效互動(dòng)，分布式能源大規(guī)模并網(wǎng)后的主要問(wèn)題表現(xiàn)在如下三方面：(1)分布式能源與配電網(wǎng)剛性連接，配電網(wǎng)運(yùn)行異常時(shí)導(dǎo)致分布式電源停機(jī)停運(yùn)，降低分布式能源的利用效率；(2)分布式能源大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)，出力的不確定性加劇配電網(wǎng)功率波動(dòng)和電壓波動(dòng)，導(dǎo)致配電網(wǎng)電能質(zhì)量等運(yùn)行問(wèn)題；(3)現(xiàn)有配電網(wǎng)缺乏對(duì)分布式能源的調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致配電網(wǎng)峰谷差加大，設(shè)備利用率進(jìn)一步降低?；谥鲃?dòng)配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，一是協(xié)調(diào)控制各分布式電源的有功輸出，確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；二是協(xié)調(diào)控制各分布式電源以及無(wú)功源的無(wú)功輸出，確保網(wǎng)絡(luò)的電壓質(zhì)量。此外，在主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制過(guò)程中還要考慮負(fù)荷需求以及間歇式能源功率波動(dòng)的頻繁擾動(dòng)，確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的魯棒性。目前對(duì)于主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制理論和方法的研究尚處于起步階段，亟需研究與建立系統(tǒng)完整的主動(dòng)配電網(wǎng)源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)控制架構(gòu)及方法。

2. 主動(dòng)配電網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制架構(gòu)

目前業(yè)界對(duì)于主動(dòng)配電網(wǎng)的控制模式主要傾向于集中式控制和分布式控制兩種模式。但集中式控制策略的求解復(fù)雜程度隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大而增大，尤其是分布式電源接入數(shù)量的增大呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。而分布式控制模式專注于局部區(qū)域目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，難以完成全局最優(yōu)運(yùn)行，對(duì)可控資源的利用也不夠充分。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出全局優(yōu)化與局部自治相協(xié)調(diào)的主動(dòng)配電網(wǎng)分層分布控制架構(gòu)，采用分層控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主站系統(tǒng)、控制器和終端設(shè)備之間的信息交互，通過(guò)多時(shí)間尺度下的全局能量管理與區(qū)域自治控制實(shí)現(xiàn)源-網(wǎng)-荷的協(xié)同控制，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主動(dòng)配電網(wǎng)分層分布控制架構(gòu)

圖1中，位于最上層的主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是整個(gè)主動(dòng)配電網(wǎng)控制架構(gòu)的中樞，配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（DSCADA）系統(tǒng)采集網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及各分布式電源的發(fā)電狀態(tài)信息，在對(duì)負(fù)荷需求以及間歇式能源發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能優(yōu)化算法計(jì)算出長(zhǎng)時(shí)間尺度下各個(gè)可控單元的全局優(yōu)化控制策略，與此同時(shí)求解得出各自治區(qū)域的局部目標(biāo)值。分層分布控制器是中間層的控制單元，作為一個(gè)自治區(qū)域的管理者，通過(guò)區(qū)域自治控制策略實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制的間隔周期內(nèi)各個(gè)分布式電源的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制，以修正實(shí)際運(yùn)行工況與理想優(yōu)化工況的偏差，使主動(dòng)配電網(wǎng)整體運(yùn)行在全局優(yōu)化與區(qū)域自治相協(xié)調(diào)的狀態(tài)下。源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器是最底層的控制單元，管理同一配電節(jié)點(diǎn)（配電房／開(kāi)閉所／環(huán)網(wǎng)柜等）下所有的可控分布式電源以及柔性負(fù)荷，它接收分層分布控制器的功率控制目標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行合理分配，以確保同一配電節(jié)點(diǎn)下的分布式電源得到最經(jīng)濟(jì)利用。

3. 主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化控制方法

3.1全局能量?jī)?yōu)化方法

主動(dòng)配電網(wǎng)雙層規(guī)劃模型，以有功全局優(yōu)化作為上層決策，這是主動(dòng)配電網(wǎng)追求的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益的綜合體現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域自治控制的基礎(chǔ)；而無(wú)功電壓優(yōu)化作為下層決策，是在上層最優(yōu)決策下對(duì)電網(wǎng)電壓質(zhì)量的要求，而電壓優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果又影響上層決策的過(guò)程，上下層相互迭代，從而求出有功和無(wú)功的綜合最優(yōu)解。將有功協(xié)調(diào)優(yōu)化與電壓協(xié)調(diào)帶入雙層優(yōu)化模型，采用上下層決策相互迭代的方式進(jìn)行求解，上層優(yōu)化結(jié)果代入下層計(jì)算，下層優(yōu)化后再將結(jié)果返回上層再次優(yōu)化，直至兩層優(yōu)化結(jié)果收斂。電力系統(tǒng)中有功與無(wú)功本身具有耦合關(guān)系，無(wú)法孤立地考慮，雙層優(yōu)化迭代收斂的結(jié)果是有功與無(wú)功相配合的最優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)果使得主動(dòng)配電網(wǎng)達(dá)到經(jīng)濟(jì)收益與電壓特性的最優(yōu)結(jié)合。 雙層優(yōu)化具體模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙層優(yōu)化模型

圖2中所示的優(yōu)化結(jié)構(gòu)是上下層迭代求解的過(guò)程，上層優(yōu)化決策基于預(yù)測(cè)信息確定主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電源的有功出力計(jì)劃曲線，下層根據(jù)上層有功出力曲線以及預(yù)測(cè)信息確定主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電 源的無(wú)功出力計(jì)劃曲線以及其他無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備投切策略，反復(fù)迭代，直至上下層結(jié)果收斂或達(dá)到最大迭代次數(shù)。

3.2局部自治優(yōu)化方法

全局優(yōu)化考慮主動(dòng)配電網(wǎng)中具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律的長(zhǎng)時(shí)間尺度預(yù)測(cè)信息，一個(gè)優(yōu)化調(diào)度間隔或出現(xiàn)消納能力不足時(shí)才進(jìn)行一次計(jì)算，但由于主動(dòng)配電網(wǎng)中間歇式能源與負(fù)荷實(shí)時(shí)波動(dòng)，需要 下層區(qū)域?qū)崟r(shí)自治協(xié)調(diào)控制相配合，通過(guò)多個(gè)分布式電源／儲(chǔ)能的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)，修正實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與全局優(yōu)化狀態(tài)的偏差，使得系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)更加趨向于全局優(yōu)化目標(biāo)。由于外電網(wǎng)與主動(dòng)配電網(wǎng)的交換功率起到維持功率平衡的作用，可從整體上衡量實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)?；谠摻粨Q功率及全局優(yōu)化中分布式發(fā)電、儲(chǔ)能的優(yōu)化 控 制策略， 提出饋線控制誤差（feeder control error，F(xiàn)CE）指標(biāo)，從整體上定量描述主動(dòng)配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與全局優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)之間的偏差?；贔CE提出考慮不同因素的有功功率實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制模式，及相應(yīng)的控制方程與FCE計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 FCE協(xié)調(diào)控制

基于FCE的自治區(qū)域協(xié)同控制模式不僅能有效甄別自治區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外的功率擾動(dòng)，還能對(duì)這兩種功率擾動(dòng)有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)不同的控制響應(yīng)，其從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是將區(qū)域內(nèi)部的可控分布式單元進(jìn) 行集約化一體化協(xié)調(diào)，主動(dòng)配電網(wǎng)在短時(shí)間尺度遭遇外界擾動(dòng)致使實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)偏離全局優(yōu)化狀態(tài)的情況下，能協(xié)同調(diào)整區(qū)域內(nèi)部可控分布式單元的功率輸出，將功率擾動(dòng)在平衡機(jī)組和各自治區(qū)域之間合理分配，以修正實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與理想優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)的偏差，最終使得系統(tǒng)運(yùn)行更加趨于全局優(yōu)化目標(biāo)，從而提升系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的魯棒性。

圖4 仿真測(cè)試算例

仿真算例如圖4所示。共配置11個(gè)光伏、8個(gè)儲(chǔ)能、1個(gè)風(fēng)機(jī)、2個(gè)微型燃?xì)廨啓C(jī)、28個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，其中包括4個(gè)工業(yè)負(fù)荷和24個(gè)居民負(fù) 荷、37個(gè)可控開(kāi)關(guān)。以24h連續(xù)運(yùn)行為場(chǎng)景進(jìn)行仿真驗(yàn)證。對(duì)區(qū)域5進(jìn)行分析，其中，ESS11為功率密度型儲(chǔ)能系統(tǒng)，其最大充放電功率為80kW，其能量容量較小，為30kW·ｈ。負(fù)荷、風(fēng)機(jī)及光伏系統(tǒng)在24h內(nèi)每分鐘的預(yù)測(cè)功率及實(shí)際功率如圖5所示。

圖5 負(fù)荷、風(fēng)機(jī)及光伏出力

在基于FCE的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)下，區(qū)域總功率的實(shí)際值與計(jì)劃值如圖 6(a)所示。從與圖6(b)的比較可以看出，若無(wú)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，區(qū)域總功率實(shí)際值與計(jì)劃值差異較大，并且短時(shí)間波動(dòng)量較多。在基于FCE的協(xié)調(diào)控制下，分別對(duì)區(qū)域總功率偏差的波動(dòng)分量及穩(wěn)定分量進(jìn)行補(bǔ)償，使得協(xié)調(diào)控制下的總功率的實(shí)際值更接近其計(jì)劃值。

圖6 優(yōu)化控制前后的饋線功率

4. 結(jié)束語(yǔ)

本文主要圍繞主動(dòng)配電網(wǎng)源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)控制技術(shù)開(kāi)展研究，建立了多時(shí)間尺度的主動(dòng)配電網(wǎng)源-網(wǎng)-荷分層協(xié)調(diào)控制架構(gòu)，提出了基于雙層優(yōu)化算法的主動(dòng)配電網(wǎng)全局優(yōu)化調(diào)度和饋線自治控制方法，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)配電網(wǎng)各分布式電源（含儲(chǔ)能）的功率優(yōu)化調(diào)度和間歇式可再生能源的足額消納，重點(diǎn)解決了大規(guī)模間歇式能源無(wú)序并網(wǎng)后的配網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題。仿真算例的結(jié)果有效驗(yàn)證了上述主動(dòng)配電網(wǎng)源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)的可行性和有效性，為日后含分布式能源的配網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度提供技術(shù)參考和有益借鑒。