分布式電源高滲透率交直流主動配電網運行控制策略

董雷，明捷，于汀，衛(wèi)澤晨，蒲天驕，黃仁樂

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206; 2.中國電力科學研究院，北京市 100192；3.四川大學 電氣信息學院，成都市610065；4.國網北京市電力公司，北京市100031)

分布式電源高滲透率交直流主動配電網運行控制策略

董雷1，明捷1，于汀2,3，衛(wèi)澤晨2，蒲天驕2，黃仁樂4

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206; 2.中國電力科學研究院，北京市 100192；3.四川大學 電氣信息學院，成都市610065；4.國網北京市電力公司，北京市100031)

分布式電源高滲透率交直流主動配電網運行控制策略是實現分布式電源充分消納，保證電網安全可靠運行的關鍵。把交直流混合主動配電網的運行狀態(tài)分為正常態(tài)、預警態(tài)和緊急態(tài)3種運行狀態(tài)。正常態(tài)進行周期全局優(yōu)化，優(yōu)化模型考慮分布式電源消納、負載均衡和有功網損最小；預警態(tài)包括實時預警和態(tài)勢感知預警，利用協(xié)調校正控制策略提高電網安全裕度；緊急態(tài)是利用柔性直流裝置進行緊急功率支援，使電網恢復到正常態(tài)或者過渡到預警態(tài)。最后，通過算例驗證了所提運行控制策略的正確性與有效性。

交直流；主動配電網；高滲透率；正常態(tài)；預警態(tài)；緊急態(tài)

0 引 言

面對日益嚴重的環(huán)境污染和能源危機問題，分布式電源越來越受到重視，未來配電網必須能接納越來越多的分布式電源[1-2]。傳統(tǒng)配電網是單電源輻射狀網絡，可以接納少量的分布式電源。由于分布式電源具有強波動性和間隙性，當高滲透率接入傳統(tǒng)配電網時容易造成高低電壓、潮流倒送等問題，難以實現大量分布式電源的消納。主動配電網為解決分布式電源消納問題提供了技術手段[3-4]，但隨著高滲透率分布式電源接入，在輻射狀結構的配電網中分布式電源充分消納仍然是一個難題。利用交流斷路器將配電網合環(huán)運行，可以實現分布式電源在更大范圍內消納，并提高供電可靠性。但合環(huán)后的配電網會與主網構成電磁環(huán)網[5]，而且大量分布式電源接入也增加了合環(huán)后配電網的短路電流水平，影響電網安全運行。電壓源型換流器構成的柔性換流裝置具有諸多優(yōu)點[6-7]，利用多端電壓源型換流器將配電網合環(huán)運行，構成交直流混合主動配電網可以解決上述難題。

交直流混合主動配電網具有拓撲結構靈活、潮流可控、支持大量分布式電源靈活接入和充分消納、提升能量傳輸網絡的優(yōu)化配置能力、提高用戶的電能質量和供電可靠性等優(yōu)點[8]。基于柔性直流功率靈活調節(jié)的交直流混合主動配電網運行控制策略是實現高滲透率分布式電源充分消納和網絡安全運行的核心技術和重要手段。

基于上述背景，本文提出交直流混合主動配電網正常、預警和緊急3種運行狀態(tài)下的協(xié)調控制策略。該策略利用交直流混合主動配電網各種調節(jié)手段，考慮3種運行狀態(tài)下的電網特性，在保證電網安全運行的前提下實現分布式電源最大消納、負載均衡和降低有功網損等目標。針對每種運行狀態(tài)下的控制策略，建立相應數學模型，并提出求解算法，最后通過IEEE算例驗證控制策略的正確性和有效性。

1 交直流混合主動配電網運行控制模式

本文將交直流混合主動配電網的運行狀態(tài)分為正常狀態(tài)、預警狀態(tài)和緊急狀態(tài)，這3種運行狀態(tài)之間的關系如圖1所示。

圖1 交直流混合主動配電網運行控制模式Fig. 1 Operation control mode of AC/DC active power distribution network

當等式不等式約束都滿足、無故障發(fā)生，且具有足夠的供電安全裕度時認為配電網處于正常運行狀態(tài)。正常狀態(tài)下交直流混合主動配電網按調度周期進行全局優(yōu)化控制，優(yōu)化目標是提高分布式電源的消納水平、負載均衡和使有功網損最小。

預警狀態(tài)分為兩種：實時預警和態(tài)勢感知預警。當網絡負載率偏高不滿足“N-1”運行約束，就認為交直流混合主動配電網進入實時預警狀態(tài)。進入實時預警狀態(tài)后，調整分負荷預測等分析電網未來運行狀態(tài)，若未來不滿足“N-1”運行約束，則通過提前調節(jié)消除可能的安全隱患。

當交直流混合配電網發(fā)生“N-1”故障或因某種原因導致分布式電源大面積降出力時，引起電網供需失配，即認為進入緊急狀態(tài)。進入緊急狀態(tài)后的配電網利用柔性直流裝置迅速進行功率支援，使配電網回到正常狀態(tài)或過渡到預警狀態(tài)。

2 正常狀態(tài)優(yōu)化控制策略

正常狀態(tài)下，交直流混合主動配電網周期性地進行全局優(yōu)化，使網絡運行在最優(yōu)狀態(tài)附近。

交直流混合主動配電網在正常態(tài)下的優(yōu)化模型是以提高分布式電源的消納水平、實現負載均衡以及降低有功網損為目標，約束條件主要是保證電網和設備安全運行。

2.1 目標函數

提高分布式電源消納水平，要求分布式電源盡量運行在最大功率狀態(tài)，可表示為

(1)

式中：PDG.imax是分布式電源i時刻允許的最大出力；PDG.i為分布式電源i時刻實際并網有功功率。

負載均衡可表示為

(2)

(3)

式中：Ti為第i個網絡母線負載率，其中式(3)表示負載率的計算方法；M表示基于多端柔性直流裝置互聯的網絡個數；PT.i是網絡i的供電功率；SN.i為網絡i的額定容量；cosφN為網絡i的功率因數。

降低有功網損可表示為

(4)

式中：Ui表示節(jié)點i電壓幅值；G為節(jié)點導納矩陣實部；B是節(jié)點導納矩陣虛部；θij為節(jié)點i電壓夾角與節(jié)點j電壓夾角之差；n表示網絡的節(jié)點數。

將3個目標函數同時考慮，通過設置不同的權重系數可以得到不同的優(yōu)化目標。

minf=λ1f1+λ2f2+λ3f3

(5)

式中λ表示權重系數，其中λ1+λ2+λ3=1。

2.2 約束條件

正常態(tài)數學模型包括有功無功等式約束、換流器約束、節(jié)點電壓以及各種可調設備約束。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

QC.i=kqi(k=0,1,…,N)

(13)

(14)

正常態(tài)全局優(yōu)化數學模型采用內點法[9-10]結合非線性互補約束[11-12]來求解，可以保證優(yōu)化計算的收斂性和求解的全局最優(yōu)性。

3 預警狀態(tài)協(xié)調校正控制策略

為了提高交直流主動配電網安全裕度防止危險事故發(fā)生，需要及時或提前對電網進行控制。本文將預警狀態(tài)分為實時預警和態(tài)勢感知預警。

3.1 實時預警控制策略

實時預警主要指負載率偏高，使網絡不滿足“N-1”運行約束。

當M個網絡通過M端柔性直流裝置相連構成交直流混合主動配電網，任何一個網絡的負載率不應超過M-1/M。當某個網絡負載率超過這個數值，立刻進行調整，使負載率維持在這個水平之下。實時預警狀態(tài)控制策略按以下步驟進行：

(1)某個網絡負載率不滿足“N-1”約束，計算需要調整的有功功率；

(2)檢查分布式電源是否具有上調空間以及各種可調設備的約束；

(3)調整分布式電源和柔性直流裝置，使負載率滿足要求，且電壓不越限。調整中若分布式電源具有向上調節(jié)空間，優(yōu)先調整分布式電源，其他支援網絡按照負載率均衡原則進行功率支援。

根據實時預警控制策略分析，實時預警控制數學模型可表示為式(15)至式(18)。優(yōu)先調整分布式電源，使柔性直流裝置有功調整量盡可能小，其他網絡通過柔性直流裝置進行有功支援時按負載均衡進行分配。約束條件主要包括：調整后負載率滿足要求，可調設備在限值范圍內，調整后電壓滿足安全約束。

(15)

(16)

(17)

(18)

式中：ΔPs為預警網絡柔性直流裝置有功調整量；PGj、ΔPGj表示可調設備有功出力和有功調整量；Ui、ΔUi為節(jié)點電壓和節(jié)點電壓調整量。該模型是一個二次規(guī)劃模型，也可以用內點法實現求解。

3.2 態(tài)勢感知預警控制策略

基于態(tài)勢感知獲得分布式電源和負荷的預測數據，并進行未來潮流分析，若預判負載率不滿足“N-1”約束，則進行超前控制消除安全隱患。

態(tài)勢感知預警控制策略和實時預警類似，區(qū)別在于態(tài)勢感知預警調節(jié)手段只考慮柔性直流裝置，不調節(jié)分布式電源。具體步驟如下：

(1)利用態(tài)勢感知預測數據進行潮流計算，預判各個網絡負載率；

(2)若負載率不滿足要求，計算該網絡需要調整的有功功率；

(3)與柔性直流裝置相連的其他網絡按負載均衡原則進行有功功率支援分配。

態(tài)勢感知預警狀態(tài)數學模型和實時預警類似，其模型如下：

(19)

(20)

(21)

(22)

式中每個變量的含義以及模型求解方法和實時預警狀態(tài)一致。

4 緊急狀態(tài)功率支援控制策略

當交直流混合配電網發(fā)生了“N-1”故障或者大量分布式電源降出力造成供需不平衡，電網就進入緊急狀態(tài)。為了防止危險進一步擴大，必須立刻進行緊急功率支援。本文將緊急狀態(tài)分為2種類型：(1)發(fā)生“N-1”故障；(2)分布式電源出力大幅減少。

4.1 電網“N-1”故障的功率支援策略

當某個網絡中電源或者線路發(fā)生故障，就處于配電網“N-1”狀態(tài)，發(fā)生故障后與柔性直流裝置相連線路上的全部負荷由柔性直流裝置供電。具體運行控制步驟如下：

(1)利用直流潮流模型計算故障網絡柔性直流裝置所需提供的有功功率；

(2)按照負載均衡原則，計算每個正常網絡有功功率支援量，并考慮電壓安全約束。

配電網發(fā)生“N-1”故障后的緊急功率支援控制策略數學模型與3.4節(jié)的相同。由于緊急狀態(tài)有功功率支援量較大，電壓約束范圍可適當放寬，但不能超過分布式電源正常并網運行要求的電壓范圍。

4.2 分布式電源出力突降的功率支援策略

當配電網發(fā)生短路等故障時，可能使分布式電源處于低電壓穿越狀態(tài)或大面積脫網，導致供需失配。處于該種狀態(tài)的配電網，缺失的有功功率優(yōu)先由本區(qū)域上級電源提供，不足的由其他網絡通過柔性直流裝置進行有功支援。該策略控制步驟為：

(1)計算分布式電源出力減少后缺失的有功功率；

(2)優(yōu)先本地調節(jié)，當本地負載率達到了“N-1”

極限或電壓安全極限時，剩余功率由其他網絡支援；

(3)根據負載均衡原則，兼顧電壓安全約束，計算其他網絡所需支援的功率。

分布式電源有功出力大幅減少后緊急功率支援數學模型可表示為：

(23)

(24)

(25)

式中：T1表示故障網絡負載率；其他變量的含義和前文相同。該模型也是一個二次規(guī)劃模型，求解方法和預警態(tài)相同。

5 算例分析

本文算例由3個IEEE33節(jié)點網絡和3條線路(線路參數都相同，Z=4.6+j3.2 Ω)通過一個三端的柔性直流裝置連成102節(jié)點的系統(tǒng)，如圖2所示。每個網絡的供電額定容量為7MVA，每個節(jié)點的負荷參數與原IEEE33節(jié)點保持一致。柔性直流裝置每個端口容量為5MVA，內阻R=1.4 Ω，電抗X=1.6 Ω。按照IEEE33節(jié)點數據，每個網絡平均總負荷為 3 715+j2 300kVA。

算例系統(tǒng)中各種可調設備的參數如表1所示。網絡1分布式電源總容量為880kW，網絡2分布式電源總容量為1 760kW，網絡3分布式電源總容量為440kW。表1為網絡中可調設備參數。

5.1 正常態(tài)優(yōu)化控制算例分析

令優(yōu)化模型式(5)中的各權重系數為λ1=0.2、λ2=0.2、λ3=0.6，計算加入柔性直流裝置前后的全局優(yōu)化模型，優(yōu)化結果如表2所示。

圖2 102節(jié)點交直流網絡拓撲圖Fig. 2 102 nodes AC-DC power network topology

表2 加入柔性直流裝置前后各目標優(yōu)化結果Table 2 Target optimization results before and after flexible DC device

通過計算結果可以得出：柔性直流裝置參與優(yōu)化調節(jié)的網絡中有功網損、分布式電源消納水平和負載均衡程度都有所改善，特別是分布式電源實現了全額消納。

5.2 預警態(tài)安全協(xié)調控制算例分析

5.2.1 實時預警算例分析

設某一時刻網絡3的負荷增大為平均負荷的1.2倍，且節(jié)點73處分布式電源滿發(fā)，節(jié)點97處分布式電源尚有30 kW上調空間。通過潮流計算得到3個網絡的負載率分別為39.6%、40.2%、68.6%。網絡3負載率偏高，不滿足“N-1”約束，系統(tǒng)進入預警狀態(tài)。

按照實時預警數學模型進行計算，將網絡1向網絡3轉移122 kW，網絡2向網絡3轉移76 kW有功功率，并將節(jié)點97處分布式電源增發(fā)30 kW有功功率。調整后網絡3的負載率為65.0%，網絡1負載率為41.6%，網絡2負載率為41.4%。且各節(jié)點電壓也在允許范圍內，系統(tǒng)運行恢復為正常狀態(tài)。

5.2.2 態(tài)勢感知預警算例分析

設態(tài)勢感知結果顯示未來15 min網絡1和網絡2負荷與分布式電源出力基本不變，網絡3負荷變?yōu)楫斍暗?.2倍，網絡3分布式電源出力變?yōu)楫斍暗?.7倍。利用直流潮流模型進行計算，得到未來 15 min 3個網絡的負載率分別為39.62%、40.15%、71.32%。可以看出網絡3負載率將不滿足“N-1”約束。

按照態(tài)勢感知預警數學模型進行計算求解，通過調整柔性直流裝置，讓網絡1向網絡3支援117 kW有功功率，網絡2向網絡3支援51 kW有功功率。調整后此時刻網絡負載率和下個時刻網絡負載率如表3所示。調整后此時刻也無節(jié)點電壓越限，滿足各種約束，系統(tǒng)運行也將維持在正常狀態(tài)。

表3 調整后此時刻和下個時刻各個網絡負載率
Table 3 Load rate after adjusting network of moment and next moment

5.3 緊急態(tài)功率支援控制算例分析

設某周期全局優(yōu)化控制后網絡2中分布式電源有功出力為1 760 kW，當故障發(fā)生后使網絡2中分布式電源有功出力突降為0，導致供需失配進入到緊急狀態(tài)。

按照緊急態(tài)的控制模型計算調整策略為：網絡2供電電源增加847 kW有功功率，網絡1向網絡2支援122 kW有功功率，網絡3向網絡2支援791 kW有功功率。調整后，3個網絡的負載率和所有節(jié)點電壓都在允許范圍內，系統(tǒng)恢復功率平衡，并運行于正常狀態(tài)。

6 結 論

本文針對交直流混合主動配電網運行控制問題，提出了電網正常、預警和緊急3種狀態(tài)的運行控制策略。正常態(tài)以提高分布式電源消納能力、負載均衡和降低網損為目標進行潮流優(yōu)化控制，預警態(tài)以提高網絡安全裕度為目標進行協(xié)調校正控制，緊急態(tài)以恢復功率平衡為目標進行功率支援控制。通過算例分析表明，本文提出的控制策略能夠有效解決分布式電源消納問題，保證網絡的安全、可靠和經濟運行。

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(編輯 劉文瑩)

AC/DC Active Power Distribution Network Operation Control Strategy of Distributed Generation with High Permeability

DONG Lei1, MING Jie1, YU Ting2,3, WEI Zechen2, PU Tianjiao2, HUANG Renle4

(1. State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Source, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 3. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China； 4. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

The operation control strategy of AC/DC active power distribution network of distributed generation with high permeability is the key to realize fully distributed generation supply and ensure the safe and reliable operation of power grid. This paper divides the running states of AC/DC active power distribution network into norm state; early warning state and emergency state. Cycle global optimization is implemented in the norm state, and the optimization model considers distributed generation consumption, load balancing and the minimum loss of active network. The early warning states including real-time early warning and situational awareness early warning use coordinate correction control strategy to improve grid safety margin. The emergency state uses flexible DC device for emergency power support, which can make the power grid to restore to the normal state or turn to the early warning state. Finally, the correctness and effectiveness of the proposed operation control strategy are validated through examples.

AC/DC; active power distribution network; high permeability; norm state; early warning state; emergency state

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2015AA050102); 國家電網公司科技項目(52020115001F)

TM 712

A

1000-7229(2016)05-0057-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2015-01-18

董雷(1967)，女，副教授，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制研究工作；

明捷(1991)，男，通信作者，碩士研究生，從事交直流配網運行控制研究工作；

于汀(1984)，男，博士研究生，從事電網調度技術研究工作；

衛(wèi)澤晨(1991)，男，碩士，工程師，從事配電網運行控制技術研究工作；

蒲天驕(1970)，男，碩士，教授級高級工程師，從事電力系統(tǒng)仿真技術研究工作；

黃仁樂(1963)，男，碩士，教授級高級工程師，長期從事電力系統(tǒng)自動化和電網技術的研究和管理工作。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program)(2015AA050102)