考慮分布式電源主體參與的主動配電網分布式控制方法綜述

劉 洋，劉志偉，李立生，孫 勇，張世棟

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院），湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來，環境污染與能源危機逐漸加重，以風能、太陽能為代表的可再生能源成為電網領域未來的發展趨勢［1-2］。大量基于可再生能源的分布式電源（Distributed Generation，DG）接入配電網，使得配電網的網絡結構由傳統的負荷側單向網絡結構變為源荷功率雙向流動的多源網絡結構，給配電網的運行與控制帶來了嚴峻的挑戰［3-4］。在此背景下，主動配電網的概念應運而生。CIGRE C6.11 工作組的工作報告中定義了主動配電網：能夠綜合控制分布式電源，靈活改變網絡拓撲結構，以實現網絡的經濟穩定運行，具備主動控制和主動管理能力［5］。與傳統配電網相比，主動配電網的網絡拓撲更為靈活、控制方式更為多樣、供電可靠性更高，因此研究主動配電網的運行控制策略具有重要意義。

隨著分布式電源的比例不斷提高，主動配電網的結構也越來越復雜，同時分布式電源受自然環境的影響較大，出力具有間歇性與波動性，嚴重影響主動配電網的功率平衡，提高了主動配電網的控制難度，因此，為實現主動配電網的穩定運行，亟須對主動配電網的控制策略進行研究。傳統的集中式控制因其準確性高，常被用于主動配電網的控制中，但是集中控制響應時間慢，不利于實時調度，并且對中央控制器依賴性高，易受單點故障影響，可靠性較差［6］。

分布式控制可克服上述傳統集中式控制的不足，在實現主動配電網內部自治的實時控制方面具有傳輸信息量小、可靠性高等優勢［7］。國內外有諸多學者對此進行了研究，文獻［8］建立了含高比例分布式電源的配電網分布式控制架構，采用一致性控制策略，實現了配電網的有功與無功的優化，提高了配電網的運行穩定性。文獻［9］提出一種基于一致性算法的微電網分布式經濟運行控制策略，通過基于邊際成本的改進下垂控制，實現功率的經濟分配，并通過離散一致性算法優化下垂控制的參考電壓，實現了電網的經濟運行。文獻［10］針對主動配電網，提出了一種分布式控制方法來協調多個儲能單元，通過控制儲能單元的有功功率與無功功率，對系統電壓和負載進行管理，實現了系統穩定自治。綜上所述，分布式控制策略能夠實現主動配電網中各分布式電源協同控制，控制效果好，是配電網控制領域研究的熱點［11］。

對考慮分布式電源主體參與的主動配電網分布式控制方法進行綜述，詳細分析了主動配電網三種基本控制架構，并對其優缺點進行說明；針對分布式控制架構，詳細分析了經典控制策略與一致性控制策略的基本原理與實現方法，為后續主動配電網控制策略的研究提供參考與借鑒。

1 主動配電網控制架構

在分布式電源大規模接入的主動配電網中，選擇合理控制控制架構對于維持配電網穩定運行，提高電網運行經濟性尤為重要。通常主動配電網的控制架構可分為三種：本地控制、集中控制與分布式控制［12］。

1.1 本地控制

本地控制也叫分散控制，即僅根據可控單元的本地電氣信息對其輸出功率進行就地控制。本地控制不需要設置控制中心并且不進行多個可控單元的協調控制，因此各可控單元間不需要通信，僅需要在各可控單元處裝設本地控制器。由于沒有通信通道，各可控單元能夠根據本地信息迅速做出響應，實時維持配電網的功率平衡。

圖1 展示了主動配電網本地控制架構。在本地控制中，本地控制器實時采集本地分布式電源的電壓、頻率等信息，控制其輸出的有功功率與無功功率，以滿足配電網穩定運行需求。由于各DG間不需要進行通信，僅利用其本地電氣信息，大大提高了控制的可靠性，同時減小了通信費用。然而本地控制對本地控制器要求較高，當連接到配電網的分布式電源過多時，由于各類不同的可調節資源之間沒有協調，該控制方法無法實現全網優化控制；其次由于沒有通信系統，在主動配電網發生擾動后，其電壓和頻率的恢復速度較慢，系統穩定性難以保證。

圖1 本地控制

1.2 集中控制

與本地控制不同，集中控制是在主動配電網中建立集群控制中心，并由集中控制中心對全網各可控資源的信息進行采集、統一處理計算，并將控制信號發送給各可控單元，實現整個主動配電網的協調控制。集中控制架構如圖2 所示，在該控制架構下，集中控制器收集并處理主動配電網中所有分布式電源的電壓、功率等信息，并生成控制信息，將其下發給各個分布式電源。該控制架構相當于在本地控制的基礎上增加了一層二級控制，并且相較于本地控制，集中控制能夠實現全網優化控制，促進主動配電網對可再生能源的消納，降低系統網損，實現全網的經濟運行。集中控制通常需要集中控制器與各分布式電源的本地控制器共同完成，集中控制器用于生成控制信號并將其下發給各分布式電源本地控制器，本地控制器接收到控制信號后調節各分布式電源的功率，從而實現對集中控制信號的響應。

圖2 集中控制

集中控制通常需要采用一定的優化控制方法，實現主動配電網的全局優化控制。集中控制方法一般有以下兩種：

1）基于控制邏輯的集中控制方法。

基于控制邏輯的集中控制方法即根據基本的電路理論與數學物理原理，分析相關電氣量的變化特性，通過設置一定的控制邏輯，實現主動配電網穩定運行。例如：對于配電網的電壓控制，一種較為簡單的控制邏輯為當線路電壓偏高時，通過控制分布式電源吸收無功功率以降低電壓，而當線路電壓偏低時，可控制分布式電源發出無功功率以提高電壓。

基于控制邏輯的集中控制方法在原理上易于理解，實現起來簡單、容易，系統計算量較小，同時控制效果良好，被廣泛用于簡單的配電網控制中。然而，隨著主動配電中的分布式電源越來越多，系統的結構越來越復雜，主動配電網的控制需求也越來越高。此時，控制邏輯需要綜合考慮系統電壓、頻率、網損等多類型控制目標，實現難度大大增加。在此背景下，此種控制方法將不再適用，通常采用基于優化算法的控制策略。

2）基于優化計算的集中控制方法。

基于優化計算的集中控制方法即是通過建立主動配電網相關數學模型，將其轉化為數學規劃問題，并通過一定的優化算法，實現目標函數的最優求解。該控制方法可以隨時調整主動配電網的控制目標，控制靈活，能夠實現多目標優化控制。相較于基于控制邏輯的控制方法，該控制策略更為簡便，適用于高比例分布式電源接入的主動配電網多目標控制。

集中控制能夠實現主動配電網的全局優化控制，提高運行的穩定性與經濟性。然而，集中控制仍然存在以下缺點：

主動配電網中每一個可控單元均需要與集中控制器建立通信聯系，并且對通信實時性與準確性的要求較高，其運行可靠性與實用性相對較差；

集中控制器需要收集全網的電氣信息，并在每個時間間隔內計算出全局最優解，因而所需處理的數據量較多，計算壓力較大，同時還可能出現控制量不收斂的情況，對集中控制器的計算能力與求解算法有較高要求；

集中控制的擴展性較差，其控制的可靠性會隨著主動配電網中可控單元的數目增多而降低，并且難以實現可控單元的“即插即用”。

隨著主動配電網中可調節資源越來越多，集中控制與可控資源間的數據交互量越來越大，可控資源的控制策略越來越靈活，傳統的集中式控制方法難以實現對各可調節資源靈活、有效、實時的控制。

1.3 分布式控制

分布式控制是在本地控制與集中控制的基礎上建立起來的，分布式控制一般將主動配電網按一定規則劃分成多個子區域，通過各子區域的內部自治控制和各子區域之間的協調控制，實現對整個網絡的優化運行。分布式控制擺脫了對中央控制器的依賴，各可控資源不需要向中央控制器發送信息或接受其控制信號，僅需與相鄰單元交互信息，以此實現全局最優控制，極大地減少了通信與計算壓力，進而提高了主動配電網的運行可靠性與實用性。分布式控制綜合了本地控制和集中控制的優點，在實現全網優化控制的同時，減小了數據通信，可靠性較高，并且在多代理技術［13］的支持下，已廣泛用于主動配電網協調控制中。

目前主動配電網的分布式控制可根據是否有集中控制器分為兩種：具有集中控制器的分布式控制策略與完全分布式控制策略。具有集中控制器的分布式控制中每個可控單元除了與相鄰單位交互通信外，還與其所在的區域集中控制器傳遞信息，以實現全局優化，而完全分布式控制中，每個可控單元僅僅與相鄰單元進行通信，通過一致性算法實現全局最優化。

圖3 展示了具有集中控制器的分布式控制。DG1 與DG2 相當于一個自治區域，其中DG1 與DG2能夠相互交互信息，并且能夠接收分布式控制器的控制信號，實現區域優化控制。同時DG2 還可以與其他區域中的DG 進行通信，通過一定的優化算法，實現各區域間的協同。

圖3 分布式控制

進一步地，圖3中的通信網絡拓撲可用矩陣X表示為

式中：xyz可取0或1，y=0，1，…，n，z=0，1，…，n。當y、z不為0 時，xyz=1 表示第y個DG 與可以接收第z個DG的信號；當y、z為0 時，xy0=1 表示當第y個DG 可以接收分布式控制器的信號，x0z=1 表示分布式控制器可以接收第z個DG的信號。

該通信網絡矩陣可以統一表示上述三種控制架構。當矩陣X的對角元素為1，其余元素為0 時，表示為本地控制模式，即各可控資源僅接收本地信息，與其他單元不進行通信；當矩陣X的第一列、第一行以及對角元素為1，其余元素為0 時，表示集中控制模式，即電網中各可控單元均可與集中控制器通信，受集中控制器控制；當矩陣X的元素為其他情況時，表示分布式控制模式。因此相對于前兩種控制模式，分布式控制更為靈活，其控制方式更加多樣。

在分布式控制中，各區域內部只需要獲取本區域的信息，采用一定的控制策略實現區域內部自治，各區域之間能夠相互交互信息，以實現區域間的協調控制。因此，分布式控制具有控制方式靈活、控制速度快、控制策略多樣、可靠性高等特點，能夠實現全網的優化控制，適應于未來主動配電網的發展需求。然而目前在實際應用中，分布式控制仍然具有一定的局限性：分布式優化算法及其協調流程一般較復雜；分布式控制存在算法收斂性的問題，目前在實際工程中還較難實施。因此，對于主動配電網分布式控制策略有待進行進一步的研究。

2 主動配電網分布式控制策略

2.1 基于經典控制的控制策略

經典控制主要是通過傳統PI 控制等控制方法，按照一定規則調節被控對象的運行狀態，從而達到系統的控制目標。這類控制方法通常用于電力系統的安全穩定運行中。常見的控制策略有PQ 控制、V/F 控制以及下垂控制［14］。在主動配電網中，下垂控制的應用更為廣泛。傳統下垂控制主要根據分布式電源有功-頻率、無功-電壓呈線性關系，實時調整頻率與電壓來控制分布式電源的有功與無功輸出，從而實現功率在各分布式電源合理分配［15］。通過下垂控制，分布式電源能夠根據電網的狀態信息自動調節自身功率，以維持電網的穩定運行，不需要額外的通信，實現其“即插即用”的功能。下垂控制策略提高了主動配電網的自治性，被廣泛用于主動配電網分布式控制策略中。下垂控制的基本原理如圖4所示。

圖4 下垂控制

將采集到的功率等信息通過下垂控制方程得到參考電壓，經過電壓電流雙閉環控制后，生成PWM控制信號，從而實現對可控資源功率的控制，下垂控制方程為：

式中：kf與kv分別為頻率下垂系數與電壓下垂系數；f0與U0分別為額定頻率與額定電壓；P0與Q0分別為分布式電源的額定有功功率與無功功率。

文獻［16］在低壓微電網中提出了基于自適應虛擬阻抗的分布式功率控制策略。如圖5 所示，即在傳統下垂控制策略的基礎上，設置了可變虛擬阻抗，通過與相鄰節點進行通信，獲取有功功率信息，進而調節虛擬阻抗的大小，實現了有功功率在各分布式電源間的合理分配。

圖5 基于自適應虛擬阻抗的分布式控制策略

隨著配電網的結構越來越復雜，其運行需求越來越高。為滿足主動配電網的經濟穩定運行需求，常常需要通過一定的優化算法對其進行全局優化。此時，經典控制策略則用于實現主動配電網對其最優運行狀態的無差跟蹤。同時，經典控制策略通常還用于平抑主動配電網全局優化下的功率波動，提高優化控制策略的穩定性。

經典控制策略作為一種基礎控制手段，其發展成熟、實現方式簡單、響應快速，廣泛應用于主動配電網的控制中。然而，由于經典控制策略不具有全局優化能力，一般需要結合一定的優化控制算法，以該算法求得的最優值為目標對系統進行調節。

2.2 基于一致性算法的控制策略

隨著多代理技術在各領域中廣泛應用，基于多代理機制的一致性控制方法受到了極大的關注［17-18］。目前，一致性控制方法已在聚合控制、群集控制、協調控制、網絡估計以及小世界網絡等方面取得了廣泛的研究與應用。在經典控制策略的基礎上，構造一致性控制算法，能夠實現主動配電網全局迅速穩定，提高系統運行可靠性。

2.2.1 一致性算法原理

一致性算法的主要思想是通過網絡中各個體與其鄰接個體間的信息交互，根據一定的迭代控制策略，使得所有個體的一致性變量趨于一致。一致性算法可通過圖論與一致性理論來論述。

1）圖論概述。

在主動配電網分布式控制架構下，各可調節資源間可以相互通信，構成分布式通信網絡。此通信網絡可用圖論中的有向圖來表征。在分布式控制系統中，假設存在n個可控單元，可用A=A{Ai|i∈τ} 來表示系統中的可控單元，其中τ={1，2，3，…，n} 。相應地，該系統的加權有向圖可表示為G=(V，E)，其中V={v1，v2，…，vn} 表示該分布式系統的點集，E ={e1，e2，…，em} ∈V×V表示鄰接節點組成的邊集，邊（ei，e）j表示節點i可以接收節點j的信息。

圖G的鄰接矩陣A(G)=[aij]∈Rn×n為n×n階矩陣，其對角線元素為零，非對角線元素aij表示邊權重，對于邊（ei，e）j，有aij＞0，而當節點i不能接收節點j的信息時，aij=0。因此可用Ni={j|(ei，ej)∈E} 表示節點i的鄰接節點集合。圖G的內度矩陣為D(G)=diag(d1，d2，…，dn)，其中，di表示節點vi的度，則圖G的拉普拉斯矩陣為L（G）=D（G）-A（G）=［lij］，其中

2）一致性理論。

一致性理論的本質是一種信息交互規則，各節點根據迭代控制策略更新自身的狀態變量，使得全網各節點的狀態變量趨于穩定的共同值。在主動配電網分布式控制架構下，各可控單元的狀態變量可根據不同的控制目標來選定，如節點電壓、系統頻率、機組微增率等。

一致性理論可分為連續一致性理論與離散一致性理論，基本一階連續時間一致性算法可表示為

式中：xi(t)為節點i的狀態變量；(t)為節點i的狀態變化量。

對于離散系統，離散時間一致性算法可表示為

式（6）可進一步表示為

寫成矩陣形式為

式中：X(k)=[x1(k)，x2(k)，…，xn(k)]；D(k)=[dij]為狀態轉移矩陣。

根據式（5）或式（6）所設計的一致性協議，各節點的狀態變量根據其鄰接節點的信息反復迭代更新，最終使得所有節點的狀態變量趨于一致，達到

綜上所述，一致性算法通過某種一致性機制，對一致性變量連續迭代，從而使得系統的狀態變量收斂至一致值。針對系統的不同要求，則需要選擇不同的一致性協議與控制目標，而不同的一致性協議代表了各可控資源間不同的信息交互規則，影響系統的收斂方向與速度等，因此對一致性協議的分析與設計一直是研究的重點。

2.2.2 主動配電網一致性控制策略

圖6 是文獻［19］所設計的基于離散一致性算法的主動配電網分布式控制結構。其中，每個DG相當于一個獨立的代理，各代理根據本地信息計算一致性狀態變量，并根據系統的通信網絡拓撲計算出對應的拉普拉斯矩陣與狀態轉移矩陣，然后根據一致性協議對一致性變量反復迭代更新，直至滿足收斂判據，實現全網優化控制。文獻［19］將基于下垂控制的頻率控制策略與一致性算法結合，設置頻率與電壓作為一致性變量，實現了全網的完全分布式控制，提高了源荷經濟效益。

圖6 基于一致性算法的主動配電網

一致性控制策略由于其計算效率高、可靠性高、響應速度快等優點，被廣泛用于主動配電網分布式控制中，是未來主動配電網分布式控制策略研究的趨勢。

3 結語

隨著分布式電源的滲透率增加，選擇合適的控制方法對于維持主動配電網穩定運行，提高運行經濟性具有重要意義。對考慮分布式電源主體參與的主動配電網分布式控制方法進行綜述，通過與傳統本地控制、集中式控制的系統結構與實現方式進行比較，指出了分布式控制的優勢與適用性；并在已有研究基礎上，分析了現有的主動配電網分布式控制方法，詳細介紹了基于經典控制與基于一致性算法的主動配電網分布式控制原理與控制流程，對未來主動配電網的控制進行了展望。