基于混雜控制理論的包含分布式發電的區域電網電能質量控制

張 磊，劉中書

(1. 國網陜西省電力公司咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000；2. 國網陜西省電力公司經濟技術研究院，西安 710065)

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基于混雜控制理論的包含分布式發電的區域電網電能質量控制

張 磊1，劉中書2

(1. 國網陜西省電力公司咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000；2. 國網陜西省電力公司經濟技術研究院，西安 710065)

針對具有分布式發電的區域電網電能質量控制問題進行了基于混雜控制理論的研究探索。首先針對分布式電源接入區域電網后對電能質量帶來的影響問題進行了分析，然后介紹了混雜控制的基本理論，根據含有分布式發電的電網混雜系統進行了模型構建和分析，最后針對IEEE14節點模型的分布式電源改造模型進行了混雜控制系統的仿真，并針對機組故障的電壓緊急調控和負荷變動機組出力調整兩個問題進行了仿真分析。通過仿真結果可以看出，混雜控制系統的調控能力在應付分布式電源接入后導致的網絡潮流多變，結構復雜度提升，調控難度增加等問題上具有較好的解決效果。

分布式電源；混雜控制；電能質量；Petri網；區域電網

1 概述

近年來，隨著國家對分布式發電、可再生新能源的關注度和投入逐漸增加，越來越多的分布式可再生能源、微電網接入大電網系統中。分布式可再生能源發電能夠有效的減少化石能源的消耗及降低火電等傳統發電能源對大氣環境等污染。分布式可再生能源具有能夠在偏遠無電地區及農村、海島等地區能夠容易的接入電網系統的優點。

但是隨著近年來大量分布式發電電源接入電力系統，新能源發電所帶來的問題越來越突出，如何能夠確保分布式電源的接入電能質量(即電壓、頻率等指標)和電網穩定性成為了分布式發電發展必須要解決的重要問題。由于智能電網的快速發展，大量的可控電力電子設備接入網絡，在對電網電能質量產生影響的同時，也帶了電網系統結構的復雜度的整體提升。對于具有分布式發電的區域電網的調控由于分布式電源和大量電力電子設備的引入，傳統的調控方法以無法滿足如此結構復雜、動態的新型電網體系。

由于分布式電源是由用戶來控制的,因此將根據自身的需要啟動和停運分布式電源,這可能使配電網的電壓經常發生波動。分布式電源的頻繁啟動會使配電線路上的負荷潮流變化大,從而加大電壓調整的難度,電壓調節不好會使電壓超標。由于分布式電源的接入使得饋線上接入節點電壓抬升，區域電網潮流走向由原來的單向變為雙向，使得區域電網及配網系統的控制復雜度大為提升[1-2]。

針對微電網、分布式發電今年來的研究熱點主要集中在設備層面、控制策略及能量管理等幾個主要方向。針對設備層面目前國內研究熱點主要集中于適用于分布式發電低壓環境下的逆變器研究如參考文獻[3]、儲能雙向逆變器方面的研究如參考文獻[4]、電網的諧波污染檢測和治理如參考文獻[5]。針對控制策略及能量管理問題的研究主要集中與基于神經網絡如參考文獻[6]、模擬退火算法、蟻群算法和粒子群如參考文獻[7]等智能算法的控制優化策略研究。

本文針對具有分布式發電和大量可控電力電子設備引入了基于混雜控制理論的一體化控制方法。針對復雜電力系統的。

2 包含分布式發電的區域電網特性

目前，由于大量的分布式綠色能源接入電網，其最終導致的結果必然使電壓調節方式和控制方式有別于傳統常規方式，主要為電網的有功和無功分別進行調節。由于分布式電源的安裝位置、容量大小都會導致并網點饋線的電壓抬升,從而對其并網點處的配電網饋線的電壓驟降有一定幫助。此外,電力電子型的分布式電源易產生諧波,造成諧波污染，又需要安裝一定的濾波及補償裝置來治理區域電網、配電網的電能質量[8-9]。

分布式發電系統中任何由于諧波、瞬態、電壓凹陷和擾動引起的波動都會導致電能質量降低，甚至導致分布式電源脫網停機等故障。盡管電能質量對居民生活來說沒有太大的影響,但是對工業生產和公司工作卻有著巨大的影響。片刻電能的丟失和陷落都會導致生產制造工序和計算機的重新啟動,這樣就會造成難以估計的損失[10]。

3 基于混在控制理論的緊急控制方法

混雜控制系統(Hybrid Control System，簡稱HCS)指的是將兩種本質上不同的對象或控制方法結合起來的控制系統，其通常由離散高層決策層和現場連續控制層交互作用共同構成，為自主系統和智能系統提供了基本框架和方法。在實際控制中，通常出現多個不同類型的控制器(如連續、離散、線性等)通過某種邏輯設備來實現不同控制器之間的切換，使得系統獲得更好的性能[11-12]。在不同領域里，對于混雜控制系統處理方法各不相同，混雜控制系統可獲得比單個控制器更好的性能，并可以解決傳統控制器無法解決的問題。因此，混雜控制系統表現出顯著的非純一(heterogeneous)特性。混雜控制系統典型功能結構圖[13-14]，如圖1所示。

圖1 典型混雜控制系統基本結構功能圖

從圖1中可以看出混雜控制系統內部復雜的組織結構和信息耦合關系決定了不可能用單一的建模方法和分析方法來解決問題。通常在進行混雜控制系統理論分析時可采用多層面的互補嵌套與綜合集成的方法，運用多種理論工具和技術手段來綜合的對混雜控制系統進行建模和分析[15]。

針對具有分布式發電接入的區域電網來說，構建基于混雜控制系統的電壓緊急控制系統能夠有效的降低分布式新能源系統間歇性特性所帶來的危害。在圖1的基礎上構建出圖2所述的混雜控制系統結構。

圖2 分布式發電接入區域電網緊急控制混雜系統結構圖

上層DEDS采用Petri網離散事件監控器。Petri網監控器由時間監控器(Gp)和接口(γ，μ)構成，其中Gp由有限位置集P、有限變遷集T、輸入函數IT、輸出函數OT、跟蹤集GT、初始標識M、token狀態位置的時延Θ構成。

GP=(P,T,IT,OT,GT,M,θ)

(1)

接口γ表示為γ：Ed→Bd開關函數，其中E為監控事件集，B={0,1}為Gp中變遷的個數。接口μ表示為μ：Ec→Bc狀態轉移使能函數，控制開關{0,1}nd→Rl是將Petri網監控器產生的決策命令轉換為分段連續控制命令。

在Gp中用Am(t)表示為Am(t)=(a0(τk),a1(τk),…,an(τk))，是M(k)下的狀態位置token的到達時間。其中

(2)

4 混雜系統分層介紹

針對含有分布式電源的具體調控系統結構如圖3所示。根據含有分布式電源的區域配網結構及混雜控制系統的自身結構特點，具體可劃分為3層：底層、中間層、上層決策層。

圖3 含分布式電源區域電網混雜控制結構圖

圖3包含分布式電源并網的區域電網混雜系統結構圖，其與傳統區域電網的區別僅在于實際電網結構中加入了分布式電源，網絡潮流走向由原先的單向方式演變為雙向混合方式，導致系統控制策略復雜度上升，故障種類及控制策略發生變化，現場底層控制層的離散控制器和連續控制器參數需要進行動態跟蹤和實時整定，使得系統整體混雜度大幅提升[16-17]。

(1)底層控制

底層控制是由實際電網和現場控制器構成，連續控制器主要功能負責調整常規發電機組和分布式發電機組的出力。離散控制器主要功能通過切、并負荷來調整負荷大小、重構電網結構、改變潮流走向，在必要情況下將分布式電源視作可控負荷進行調度。在第三節的基礎上，底層控制增加離散控制器集函數DM：

DM={ICM;DPD;KCD;LSD}

(3)

式中ICD——輸入命令子集；DPD——動態參數子集；KCD——負荷狀態子集；LSD——系統狀態跟蹤子集。

底層現場連續控制器集函數CM：

CM={IOC;DPC;KCC;LSC}

(4)

式中IOC——輸入命令子集；DPC——動態參數子集；KCC——發電機組和分布式電源狀態子集；LSC——系統發電單元狀態跟蹤子集。

(2)中間層控制

中間控制層為接口轉換層，包含故障診斷與辨識模塊、規律生成器。故障診斷與辨識模塊的主要功能在于將現場系統狀態子集IS中檢測跟蹤的數據進行分析處理，提前進行故障預估和故障辨識分類。最終將故障狀態分類信息及必要參數上傳至離散決策層中。系統狀態子集為

IS={IST;ISS;ISL;ISP}

(5)

式中IST——時間子集；ISS——系統跟蹤狀態子集；ISL——系統故障特征子集；ISP——系統故障段特征參數子集。

規律生成器主要負責將上層決策層中的調度控制方案由連續轉換為下層控制器可理解的連續離散控制命令，從而達到將上層與下層連接貫通、命令執行的目的。

(3)上層控制

上層控制層包含狀態分析、控制決策、模式控制器3個模塊。其中狀態分析模塊根據故障診斷與辨識模塊上傳而來的IS集數據進行數據處理與分析，并將故障原因、類型、具體系統參數、狀態上傳至控制決策模塊中。控制決策模塊主要功能在于將狀態分析模塊上傳的數據進行Petri網結構拓撲，通過Petri網計算得到可行的控制決策方案。并將控制決策方案以公式1的形式下發至模式控制器中，模式控制器將控制決策方案進行分類，取出需要操作的設備編號及參數下發至中間層規律生成其中進行底層控制[1-2]

5 建模與仿真

本文仿真采用IEEE14節點模型作為仿真模型進行測試，由于電能質量涉及參數較多，文章篇幅所限，針對含有分布式電源的區域電網電能質量的兩種典型情況和指標進行仿真。如圖4所示為參考文獻[18]中所述IEEE14節點模型基礎上針對包含分布式電源的區域配網進行的改造結構圖，在節點N4、N13、N10分別接入常規機組，其中N13為備用旋轉機組。N2和N6分別接入分布式風力和光伏發電電源。由于傳統大機組在消耗分布式能源的容量能量較強，為了驗證本混雜控制系統的調控能力，本文所選用常規機組容量為小型發電機組，與分布式電源容量相當，來進行混雜控制系統的混雜控制驗證研究。

圖4 IEEE14節點改造仿真結構圖

(1)電壓緊急調控

設置節點N10在0.1s時機組出現故障突出發電，節點N10在電壓緊急控制后仿真圖如圖5所示，圖中縱坐標電壓表示其歸一化處理后的情況。

圖5 節點常規機組故障電壓緊急調控對比圖

圖5中，藍線為本文所介紹的混雜系統調控方法仿真效果曲線，紅線為常規調控方法，從圖中可以看出，利用本文所介紹方法調控，節點電壓較常規方法調控速度更快，電壓歸一化指數更高。

(2)機組與負荷出力調節

設置節點N2在風力間歇性出力的情況下進行仿真，則系統全天總出力調控，各機組出力如下圖6所示，本部分仿真數據參考參考文獻[19]。

圖6 全天24時跟蹤總負荷調控功率對比圖

圖6中可以看出，在使用hybrid混雜控制進行負荷跟蹤后，系統出力總值與負荷變化跟蹤較為密切。

圖7 hybrid混雜控制系統全天24時段機組出力分配情況

從圖7中可以看到通過hybrid混雜控制系統的各機組全天出力分配情況，圖中針對分布式光伏和風力發電電源的間歇性發電特性進行了動態的機組出力調整和啟用備用機組等控制手段，從圖6中可以看出調控較為靈敏，速度較快。

6 結語

通過上述仿真結構可以看出，混雜控制系統在調控速度、精度等方面較傳統的調控方式有明顯的優勢，當然受篇幅所限本文僅針對含有分布式電源區域電網的電壓故障和功率機組出力調控進行了仿真，且受限因素較多。

混雜控制這種將傳統的離散、連續、高層決策有機整合與一體的新型控制方法具有較高的研究價值，選擇合適的高層決策和底層控制方法通過高兼容性的接口轉換機制能大大提升混雜控制系統的控制效果。針對含有分布式電源的新型電網結構，復雜度、調控難度都較傳統電網有了較大提升，利用混雜控制系統可以有效的將底層控制系統進行集成整合，并高效實現上下一體調控，在應對及解決由于分布式發電接入帶來新的故障、保護問題上具有較為明顯的優勢。

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(本文編輯：嚴 加)

Power Quality Control of Regional Grid Containing Distributed Generation Based on Hybrid Control Theory

ZHANG Lei1, LIU Zhong-shu2

(1. Xianyang Power Supply Company, Shaanxi Electric Power Co., Ltd., Xianyang 712000, China;2. Institute of Economy and Technology, Shaanxi Electric Power Co., Ltd., Xi′an 710065, China)

This paper researches power quality control of regional grid containing distributed generation based on hybrid control theory. Firstly, it analyzes the impact of distributed power access to regional grid on power quality control, introduces the basic theory of hybrid control, then constructs and analyzes model for the hybrid control system of power grid with distributed generation, and finally simulats the hybrid control system based on IEEE14 of distributed power transformation model, and analyzes the unit breakdown voltage emergency control and unit output regulation with variable load. The simulation results show that the hybrid control system is effective in regulating the flexible network tide, increased structure complexity and regulation difficulty after the distributed power access.

distributed power; hybrid control; power quality; Petri network; regional power grid

10.11973/dlyny201506005

張 磊(1983)，男，碩士，主要從事電力系統運行與控制，電力系統規劃方面的工作。

TM711

A

2095-1256(2015)06-0765-05

2015-10-15