主動配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化技術研究與應用
原文發(fā)表在《電力工程技術》第36卷第4期,歡迎品讀
李海濤. 主動配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化技術研究與應用[J]. 電力工程技術, 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.
主動配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化技術研究與應用
李海濤
由于配電網(wǎng)與分布式能源缺乏有效互動,分布式能源大規(guī)模并網(wǎng)后的主要問題表現(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)運行異常時導致分布式電源停機停運,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,出力的不確定性加劇配電網(wǎng)功率波動和電壓波動,導致配電網(wǎng)電能質(zhì)量等運行問題;(3)現(xiàn)有配電網(wǎng)缺乏對分布式能源的調(diào)節(jié)能力,導致配電網(wǎng)峰谷差加大,設備利用率進一步降低。基于主動配電網(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)絡運行的經(jīng)濟性;二是協(xié)調(diào)控制各分布式電源以及無功源的無功輸出,確保網(wǎng)絡的電壓質(zhì)量。此外,在主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制過程中還要考慮負荷需求以及間歇式能源功率波動的頻繁擾動,確保網(wǎng)絡運行的魯棒性。目前對于主動配電網(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)完整的主動配電網(wǎng)源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)控制架構(gòu)及方法。
2. 主動配電網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制架構(gòu)
目前業(yè)界對于主動配電網(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)非線性增長的趨勢。而分布式控制模式專注于局部區(qū)域目標的實現(xiàn),難以完成全局最優(yōu)運行,對可控資源的利用也不夠充分。針對上述問題,本文提出全局優(yōu)化與局部自治相協(xié)調(diào)的主動配電網(wǎng)分層分布控制架構(gòu),采用分層控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)主站系統(tǒng)、控制器和終端設備之間的信息交互,通過多時間尺度下的全局能量管理與區(qū)域自治控制實現(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 主動配電網(wǎng)分層分布控制架構(gòu)
圖1中,位于最上層的主動配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是整個主動配電網(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)絡運行數(shù)據(jù)以及各分布式電源的發(fā)電狀態(tài)信息,在對負荷需求以及間歇式能源發(fā)電功率進行預測的基礎上,通過智能優(yōu)化算法計算出長時間尺度下各個可控單元的全局優(yōu)化控制策略,與此同時求解得出各自治區(qū)域的局部目標值。分層分布控制器是中間層的控制單元,作為一個自治區(qū)域的管理者,通過區(qū)域自治控制策略實現(xiàn)在長時間尺度優(yōu)化控制的間隔周期內(nèi)各個分布式電源的實時協(xié)調(diào)控制,以修正實際運行工況與理想優(yōu)化工況的偏差,使主動配電網(wǎng)整體運行在全局優(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(配電房/開閉所/環(huán)網(wǎng)柜等)下所有的可控分布式電源以及柔性負荷,它接收分層分布控制器的功率控制目標,并對其進行合理分配,以確保同一配電節(jié)點下的分布式電源得到最經(jīng)濟利用。
3. 主動配電網(wǎng)優(yōu)化控制方法
3.1全局能量優(yōu)化方法
主動配電網(wǎng)雙層規(guī)劃模型,以有功全局優(yōu)化作為上層決策,這是主動配電網(wǎng)追求的經(jīng)濟、環(huán)境效益的綜合體現(xiàn),是實現(xiàn)區(qū)域自治控制的基礎;而無功電壓優(yōu)化作為下層決策,是在上層最優(yōu)決策下對電網(wǎng)電壓質(zhì)量的要求,而電壓優(yōu)化的計算結(jié)果又影響上層決策的過程,上下層相互迭代,從而求出有功和無功的綜合最優(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行求解,上層優(yōu)化結(jié)果代入下層計算,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)中有功與無功本身具有耦合關系,無法孤立地考慮,雙層優(yōu)化迭代收斂的結(jié)果是有功與無功相配合的最優(yōu)點,其結(jié)果使得主動配電網(wǎng)達到經(jīng)濟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程,上層優(yōu)化決策基于預測信息確定主動配電網(wǎng)分布式電源的有功出力計劃曲線,下層根據(jù)上層有功出力曲線以及預測信息確定主動配電網(wǎng)分布式電 源的無功出力計劃曲線以及其他無功調(diào)節(jié)設備投切策略,反復迭代,直至上下層結(jié)果收斂或達到最大迭代次數(shù)。
3.2局部自治優(yōu)化方法
全局優(yōu)化考慮主動配電網(wǎng)中具有統(tǒng)計規(guī)律的長時間尺度預測信息,一個優(yōu)化調(diào)度間隔或出現(xiàn)消納能力不足時才進行一次計算,但由于主動配電網(wǎng)中間歇式能源與負荷實時波動,需要 下層區(qū)域?qū)崟r自治協(xié)調(diào)控制相配合,通過多個分布式電源/儲能的實時協(xié)調(diào),修正實際運行狀態(tài)與全局優(yōu)化狀態(tài)的偏差,使得系統(tǒng)運行狀態(tài)更加趨向于全局優(yōu)化目標。由于外電網(wǎng)與主動配電網(wǎng)的交換功率起到維持功率平衡的作用,可從整體上衡量實際運行狀態(tài)。基于該交換功率及全局優(yōu)化中分布式發(fā)電、儲能的優(yōu)化 控 制策略, 提出饋線控制誤差(feeder control error,F(xiàn)CE)指標,從整體上定量描述主動配電網(wǎng)實際運行狀態(tài)與全局優(yōu)化運行狀態(tài)之間的偏差。基于FCE提出考慮不同因素的有功功率實時協(xié)調(diào)控制模式,及相應的控制方程與FCE計算模型,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,還能對這兩種功率擾動有針對性地實現(xiàn)不同的控制響應,其從本質(zhì)上來說是將區(qū)域內(nèi)部的可控分布式單元進 行集約化一體化協(xié)調(diào),主動配電網(wǎng)在短時間尺度遭遇外界擾動致使實際運行狀態(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,將功率擾動在平衡機組和各自治區(qū)域之間合理分配,以修正實際運行狀態(tài)與理想優(yōu)化運行狀態(tài)的偏差,最終使得系統(tǒng)運行更加趨于全局優(yōu)化目標,從而提升系統(tǒng)優(yōu)化運行的魯棒性。
圖4 仿真測試算例
仿真算例如圖4所示。共配置11個光伏、8個儲能、1個風機、2個微型燃氣輪機、28個負荷點,其中包括4個工業(yè)負荷和24個居民負 荷、37個可控開關。以24h連續(xù)運行為場景進行仿真驗證。對區(qū)域5進行分析,其中,ESS11為功率密度型儲能系統(tǒng),其最大充放電功率為80kW,其能量容量較小,為30kW·h。負荷、風機及光伏系統(tǒng)在24h內(nèi)每分鐘的預測功率及實際功率如圖5所示。
圖5 負荷、風機及光伏出力
在基于FCE的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)下,區(qū)域總功率的實際值與計劃值如圖 6(a)所示。從與圖6(b)的比較可以看出,若無協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),區(qū)域總功率實際值與計劃值差異較大,并且短時間波動量較多。在基于FCE的協(xié)調(diào)控制下,分別對區(qū)域總功率偏差的波動分量及穩(wěn)定分量進行補償,使得協(xié)調(diào)控制下的總功率的實際值更接近其計劃值。
圖6 優(yōu)化控制前后的饋線功率
4. 結(jié)束語
本文主要圍繞主動配電網(wǎng)源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)控制技術開展研究,建立了多時間尺度的主動配電網(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)化算法的主動配電網(wǎng)全局優(yōu)化調(diào)度和饋線自治控制方法,實現(xiàn)了主動配電網(wǎng)各分布式電源(含儲能)的功率優(yōu)化調(diào)度和間歇式可再生能源的足額消納,重點解決了大規(guī)模間歇式能源無序并網(wǎng)后的配網(wǎng)優(yōu)化運行問題。仿真算例的結(jié)果有效驗證了上述主動配電網(wǎng)源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術的可行性和有效性,為日后含分布式能源的配網(wǎng)運行調(diào)度提供技術參考和有益借鑒。

責任編輯:售電衡衡
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