基于下垂特性的主動配電網PQ協調控制策略研究

胡力中+詹躍東+程軍照

引言

新能源的接入，使傳統的被動配電網中電源形式多樣化。配電網能源接人形式主要以太陽能、風能、天然氣等可再生能源為主，同時也包括微型燃氣輪機和小型柴油機。可再生分布式電源中的風力機組和光伏機組出力受光照、溫度和風速等自然因素的限制較大，具有波動性和不確定性。可再生能源的預測難度大，可能造成用戶用電需求與配電網提供電能的不匹配，且配電網中負荷的功率需求也具有一定的不確定性。而且，傳統被動的配電網在未進行大規模投資的情況下，其接納光伏、風電、儲能等分布式電源能力有限。因此，在原有的包含有配電裝置、線路及電力負載的傳統被動配電網基礎上，為了接納更多分布式電源（distributedgenerator，DG），需要向能夠主動控制與管理的主動配電網發展。

主動配電網（active distribution network，ADN）定義是：是一個由先進信息通信、電力電子及智能控制等技術作為支撐的、內部含DG的、拓撲結構可靈活調整的、并且能較好的完成協調優化管理的配電網。但，ADN不僅僅是含DG的傳統被動式單向供電配電網，其最大的區別在于主動，即：主動消納大量間歇式DG、主動實現DG的優化調度、主動實現DG的保護、主動實現DG的監控等這幾方面的內容。

針對主動配電網研究了分區電壓控制層中靜止同步補償器（DSTATCOM）和DG協調配合的兩階段分區電壓控制策略；文獻針對微電網運行控制規律對各模型應用了解耦控制，雖說在模型中的有功無功在一定程度上有了解耦但效果不明顯。提出一種網架恢復的分層協同優化方法，通過分層次獨立優化與受電點指標值整體尋優相結合的方法，可實現功率協調控制，但其應用點屬輸電網。提出基于前饋補償的解耦算法，該方法有自己的優勢，其結構原理更簡單。上述幾種方法各有各的優點，但又都有一點缺點，都缺乏主動性，都僅僅是傳統單一的被動配電模式。

通過將上述文獻策略應用于某微型主動配電網算理分析模型中。一方面，IEEE 1547-2003技術標準，要求DG運行時保證功率因數接近于l未能很好的實現。另一方面，由于DG隨機性、間歇性的特點，導致其并網點功率發生明顯撥動，進而影響其臨近負載發生電壓越限等這些問題解決的不理想。所以本文在主動配電網背景下，針對上述問題從有功功率、無功功率協調控制角度，提出了一種三層結構的分層控制結構控制策略，進行功率解耦控制，最終使得負荷電壓得以優化，效果更好。

1儲能系統

近年來，大規模DG滲透率越來越高，對電網運行水平的要求也越來越嚴，而儲能技術的應用是解決這個困局的有效方法之一。在抑制功率波動方面，風光儲混合系統的聯合發電模式有著效果顯著的優勢。通過配備儲能裝置，改善DG出力的隨機性，使得DG出力具有一定的可控性，可以提升主動配電網接納風電的能力。

利用儲能系統的輸出功率可調節的原理，對DG輸出功率進行補償，從而得到較為穩定的并網輸出功率。儲能系統容量的安裝需求是由并網功率和輸出實際功率決定，假設系統的功率指令序例分別表示為：式中，P為DG輸出的實際功率序例，PGrid是需求并網功率序例，P是儲能系統功率序例，pP、PBESS，分別為f（t=-1，2…n）時刻各系統功率輸出值。t時刻系統輸出功率關系為：

2DG的PQ電壓優化策略

如圖1所示的配電網的下垂特性Droop為系統設計協調分配控制策略下垂特性原理，當有功和無功增大時，對應的頻率和電壓降低，反之亦然。配電網下垂特性可由式（2.1）表示：

如圖2所示，本系統由3層結構組成：頂層為功率優化計算層，主要功能是計算預測儲能系統要提供的補償量，使其能產生一個模型標量，讓儲能系統按計算結果適當的輸出一個功率設定值P，并把該值傳輸下去；中間層為協調分配控制層，該層主要功能是根據當前蓄電池和超級電容的荷電狀態去調整下垂系數，合理的為兩類儲能單元分配輸出功率，從而實現兩者的平衡運行；底層為執行層，中間層給定的功率信息，通過雙向DC/DC功率變換器的調整來控制電流充電與放電。

如圖3所示，該協調控制策略首先通過控制器采集的電壓頻率和儲能系統的荷電狀態的基礎上確定下垂系數，再計算負荷功率的缺額并結合ADN的出力情況來測算蓄電池輸出的功率，最終采用Park變換獲得控制功率輸出信號。

3約束條件

3.1功率平衡約束

ADN正常運行時，需滿足如下等式：設備總發電量，包含同步發電機、可再生能源及儲能設備，P為系統總的負荷需求量。

3.2DG輸出功率約束

由于ADN中的主控電源需同系統負荷波動保持一致，從而維持系統電壓穩定。因此，應把主控電源輸出功率的范圍劃分為四個不同的區域，其前提是要以DG本身特性以及系統旋轉備用容量需求為根據，如圖4所示：

（2）由于主動配電網的從控電源，即風電和光伏等間歇性分布式電源，它們不需要跟隨系統凈負荷功率波動來參與系統電壓頻率調節，因此，從控電源的輸出功率只需滿足其技術輸出功率限制即可。

3.3儲能電池容量約束

文中設置了SOCmin、SOG、SOG、SOC。四個關鍵值將蓄電池儲能系統的容量分為4個區域，如圖5所示。其中，SOC。表示蓄電池儲能系統的最大規格容量（額定容量），SOC為由制造商提供的最小容量值，通常設定為蓄電池儲能系統額定容量的20%。這樣做為了防止因儲能系統過度充、放電而導致其使用壽命短與系統性能低等問題的出現。

因此，在主動配電網中，蓄電池儲能系統正常運行時，其容量參數需滿足如式（3.5）所示的約束條件。

3.4離散無功補償裝置約束

把二進制編碼以及補充約束的形式將離散變量連續化的這種方法在有所敘述。在節點i處，吧離散擋位的電容器分組投切問題轉化為如下形式：

3.5連續無功補償裝置約束

3.6節點電壓約束

當壓越限時會觸動保護裝置把DG切除，因此對于節點電壓i，有

4算例分析

圖6為搭建的微型主動配電網算例分析圖，為了研究的準確性本分析圖只選用了比較典型的DG.風電，具體參數如表2所示。

如圖（a）所示，20s時，風力發電機風速由12m/s降為8m/s，此時風力發電機的有功輸出功率由1800W跌落至1200W，導致負載的端電壓（圖c）由220V跌至191V。因為風速的隨機和間歇導致風機輸出功率的波動，從而不能向網中輸送可靠電能，這樣其并網點會發生明顯變化，進而影響其臨近負載發生電壓越限，影響用戶電能質量。安裝儲能裝置后，儲能電池迅速做出響應，彌補相應的功率缺額，維持系統穩定運行，負載兩端的電壓逐漸恢復至穩定狀態。IEEE 1547-2003技術標準，要求分布式電源運行時保證功率因數接近于1，不允許DG參與無功.電壓的調節控制，因此需要安裝其他無功補償裝置。如圖（b）所示，由于風速降低，風力發電機無功發生波動，儲能裝置通過功率變換裝置，實現無功功率的補償和吸收。

5結論

本文在主動配電網背景下，從有功功率、無功功率協調控制角度，提出了一種三層結構的分層控制結構控制策略，進行功率解耦控制。通過搭建的小型主動配電網算例分析模型進行算例仿真并得出以下結論：

（1）由于風的間歇和隨機，引起風機的有功輸出變化并導致負載端電壓也隨之波動。安裝儲能裝置后，儲能電池迅速做出響應，彌補相應的功率缺額。

（2）由于風速變化，風力發電機無功發生波動，儲能裝置通過功率變換裝置，實現無功功率的補償和吸收。

（3）實驗表明儲能裝置的接入能迅速調節吸收和輸出的有功、無功，配電系統節點電壓和潮流分布也隨之受到管控，所以其充當了主動配電網電壓和頻率的調控的不可或缺的幫手。從而使負荷電壓維持系統穩定運行，負載兩端的電壓逐漸恢復至穩定狀態。

以上幾點充分說明在主動配電網中應用儲能設系統，其平抑間歇性、隨機性的DG的功率波動具有效果顯著。endprint