面向低壓配變臺(tái)區(qū)的微電網(wǎng)技術(shù)

寇凌峰，熊 雄，侯小剛，牛 耕，屈小云，陳 凡

（1中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601）

在我國(guó)能源政策和電力電子技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，大規(guī)模分布式電源和電力電子裝置迅速涌入配電網(wǎng)，對(duì)配電網(wǎng)的潮流分布、電能質(zhì)量、繼電保護(hù)和可靠性產(chǎn)生了重大影響[1-4]。大量分散、間歇性、隨機(jī)性的分布式電源接入電網(wǎng)，可能會(huì)危害系統(tǒng)正常運(yùn)行和降低電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，產(chǎn)生如潮流倒送、電壓越限、短路電流過(guò)大和網(wǎng)絡(luò)損耗增加等問(wèn)題，極大地增加了電網(wǎng)復(fù)雜性和管控難度，對(duì)電網(wǎng)的規(guī)劃、裝備、調(diào)控等帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[5]。因而，如何在配電網(wǎng)中合理規(guī)劃分布式電源將是新的研究命題，不同類(lèi)型分布式電源的協(xié)調(diào)和有效地利用將是未來(lái)配電網(wǎng)規(guī)劃中不可或缺的組成部分。文獻(xiàn)[6]從規(guī)劃角度出發(fā)，提出了一種分散型分布式光伏集群劃分方法，為解決大規(guī)模分布式光伏集群優(yōu)化管控奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[7-8]在并網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃、靈活并網(wǎng)裝備、優(yōu)化調(diào)度、仿真測(cè)試、工程實(shí)踐等方面進(jìn)行了深入廣泛地研究，為分布式可再生能源規(guī)劃建設(shè)提供了系統(tǒng)性解決方案。

對(duì)于高滲透率分布式光伏帶來(lái)的電能質(zhì)量、電網(wǎng)損耗、諧波治理和分布式電源效益低等問(wèn)題，目前主要的應(yīng)對(duì)策略是配置儲(chǔ)能電站、電能質(zhì)量治理裝置和配電網(wǎng)建設(shè)與改造等手段，取得了一定成效，但存在投資成本高、設(shè)備利用率低、整體效益低等難題。在眾多解決方案中，構(gòu)建微電網(wǎng)/微網(wǎng)群的形式進(jìn)行統(tǒng)一管控，是保證大量光伏有序接入、有序消納的有效途徑。目前世界范圍內(nèi)已有很多用微電網(wǎng)來(lái)解決大規(guī)模分布式電源無(wú)序接入帶來(lái)負(fù)面影響的案例[9-10]。

本文以臺(tái)區(qū)供電區(qū)域內(nèi)的各類(lèi)傳統(tǒng)負(fù)荷、包含蓄冷蓄熱和電動(dòng)汽車(chē)在內(nèi)的可控負(fù)荷、分布式光伏為基礎(chǔ)，配置一定容量的儲(chǔ)能設(shè)備，構(gòu)成微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)配電低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)“網(wǎng)-源-荷-儲(chǔ)”的靈活互動(dòng)、協(xié)調(diào)控制和能量?jī)?yōu)化，滿足分布式光伏的就地高效消納、負(fù)荷的友好互動(dòng)。

1 臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 33589—2017）[11]要求，常規(guī)微電網(wǎng)需要滿足源荷儲(chǔ)平衡，滿足離網(wǎng)運(yùn)行2小時(shí)的要求，微電網(wǎng)建設(shè)投入偏高。臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)定位主要為電網(wǎng)和用戶(hù)服務(wù)，目的是統(tǒng)籌低壓各類(lèi)負(fù)荷和分布式電源，對(duì)于離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間沒(méi)有過(guò)高要求。臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)物理構(gòu)成與常規(guī)微電網(wǎng)基本相同，以低壓配電臺(tái)區(qū)為單位進(jìn)行建設(shè)，在臺(tái)區(qū)低壓380 V饋線進(jìn)行并網(wǎng)，聚合臺(tái)區(qū)低壓側(cè)的負(fù)荷（剛性負(fù)荷和電動(dòng)汽車(chē)等）、分布式電源（分布式光伏和小型風(fēng)機(jī)）、小型儲(chǔ)能裝置、蓄冷蓄熱單元等。

1.1 臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)功能架構(gòu)

臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)的功能主要根據(jù)臺(tái)區(qū)管理的實(shí)際需求進(jìn)行配置，一般主要分為基本功能和擴(kuò)展功能，基本功能包括電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、臺(tái)區(qū)低壓用戶(hù)監(jiān)測(cè)、低壓出線監(jiān)測(cè)、低壓拓?fù)涔芾怼㈦p向信息即插即用等，擴(kuò)展功能包括電動(dòng)汽車(chē)模塊、無(wú)功電壓安全、源荷儲(chǔ)控制、負(fù)荷控制、分布式電源監(jiān)測(cè)等。微電網(wǎng)與各個(gè)單元之間的通信可以采用寬帶載波、RS485、無(wú)線、Lora等。見(jiàn)圖1。

1.2 臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)控制目標(biāo)及系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 低壓配變臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Microgrid architecture of low voltage distribution transformer station area

從控制目標(biāo)來(lái)看，臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)與常規(guī)微電網(wǎng)差異較大，控制目標(biāo)主要分為三層：微電網(wǎng)自治控制；微電網(wǎng)間協(xié)調(diào)控制；微電網(wǎng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制。臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)自治控制主要利用儲(chǔ)能、蓄冷、蓄熱、電動(dòng)汽車(chē)等可控單元，通過(guò)協(xié)調(diào)控制最大程度保證臺(tái)區(qū)內(nèi)功率平衡，實(shí)現(xiàn)自治控制；微電網(wǎng)間協(xié)調(diào)控制主要通過(guò)臺(tái)區(qū)間協(xié)調(diào)互濟(jì)，提升配電網(wǎng)對(duì)分布式電源消納能力；微電網(wǎng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制主要通過(guò)臺(tái)區(qū)-主網(wǎng)兩級(jí)聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)同，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化。常規(guī)微電網(wǎng)側(cè)重于微電網(wǎng)自治控制，臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)側(cè)重于后兩者，重點(diǎn)解決臺(tái)區(qū)側(cè)存在的問(wèn)題，如提升臺(tái)區(qū)分布式電源消納能力、供電電壓質(zhì)量和設(shè)備利用效率等。

從控制系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)看，臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)主要分為三層：?jiǎn)卧獙印⑴_(tái)區(qū)層、配電網(wǎng)層，單元層包括可控單元和測(cè)控終端，接受臺(tái)區(qū)層控制指令，執(zhí)行可控單元就地控制和信息量測(cè)；臺(tái)區(qū)層接受配電網(wǎng)層優(yōu)化策略，下發(fā)單元層控制指令；配電網(wǎng)層主要接受電網(wǎng)調(diào)度制定，下發(fā)優(yōu)化調(diào)度策略。見(jiàn)圖2、見(jiàn)圖3。

2 低壓配變臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)控制模式

2.1 基于兩階段優(yōu)化的自治消納控制

臺(tái)區(qū)內(nèi)通過(guò)配置儲(chǔ)能或混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，基于時(shí)域或頻域的平抑算法，可最大程度平滑分布式光伏并網(wǎng)輸出功率的波動(dòng)性，減小臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率的大小和波動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)內(nèi)分布式電源的最大化消納，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)內(nèi)功率自治控制。本文構(gòu)建了基于兩階段優(yōu)化的臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制架構(gòu)，包含短期優(yōu)化控制和超短期優(yōu)化控制兩部分。短期優(yōu)化調(diào)度階段以微電網(wǎng)運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，超短期優(yōu)化調(diào)度階段以可調(diào)度單元出力偏差最小為優(yōu)化目標(biāo)。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

短期優(yōu)化調(diào)度階段以1 h為時(shí)間間隔，以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，給出未來(lái)4 h時(shí)段的調(diào)度計(jì)劃值。短期優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)定義如下

式中，m為短期優(yōu)化滾動(dòng)系數(shù)；ΔT為短期優(yōu)化時(shí)間間隔；MΔT為短期優(yōu)化滾動(dòng)周期；為t時(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行成本；為t時(shí)刻光伏發(fā)電運(yùn)行成本；為t時(shí)刻水力發(fā)電運(yùn)行成本；為t時(shí)刻微電網(wǎng)并網(wǎng)交互成本；為t時(shí)刻柔性負(fù)荷運(yùn)行總成本。

（1）儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行總成本

式中，AESS、BESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)維成本系數(shù)；為t時(shí)刻能量型儲(chǔ)能的存儲(chǔ)/發(fā)出功率。

（2）水力發(fā)電運(yùn)行成本

式中，AHE、BHE為水力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)維成本系數(shù)；為t時(shí)刻的水電出力。

（3）光伏發(fā)電運(yùn)行成本

式中，APV、BPV為柔性負(fù)荷運(yùn)維成本系數(shù)；為t時(shí)刻的被控制柔性負(fù)的有功功率。

（4）微電網(wǎng)從配電網(wǎng)購(gòu)電成本

式中，ρtgril為t時(shí)刻微電網(wǎng)并網(wǎng)交互電價(jià)；為t時(shí)刻的主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率。

（5）柔性負(fù)荷調(diào)度成本

圖2 低壓配變臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)功能架構(gòu)Fig.2 Functional architecture of low voltage distribution and transformer microgrid

圖3 系統(tǒng)控制架構(gòu)Fig.3 System control architecture

式中，ACL、BCL為柔性負(fù)荷運(yùn)維成本系數(shù)；為t時(shí)刻的被控制柔性負(fù)的有功功率。

2.1.2 超短期優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

超短期優(yōu)化調(diào)度階段以?xún)?chǔ)能出力調(diào)整量最小為目標(biāo)函數(shù)，以短期優(yōu)化調(diào)度階段的滾動(dòng)預(yù)測(cè)值為輸入變量，以微電網(wǎng)中儲(chǔ)能實(shí)際出力為初始值，每15 min優(yōu)化一次，對(duì)未來(lái)1 h進(jìn)行滾動(dòng)求解。

超短期優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)定義如下

式中，n為短時(shí)間尺度滾動(dòng)系數(shù)；Δt為短時(shí)間尺度時(shí)間間隔；NΔt為短時(shí)間尺度滾動(dòng)周期；PESS為預(yù)測(cè)未來(lái)nΔt時(shí)刻的儲(chǔ)能有功出力集合；為nΔt時(shí)刻儲(chǔ)能有功出力集合參考值。

對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)nΔt時(shí)刻的儲(chǔ)能有功出力，分別具體為

式中，為nΔt時(shí)刻儲(chǔ)能有功出力集合初始值；ΔPESS為預(yù)測(cè)未來(lái)nΔt時(shí)刻的儲(chǔ)能有功出力集合變化量。

2.1.3 約束條件

對(duì)于含高滲透率分布式電源的臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度模型，其約束條件主要包括支路潮流約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、支路電流約束、分布式電源無(wú)功出力約束、儲(chǔ)能充放電約束、水力發(fā)電約束、柔性負(fù)荷約束[12]。

2.2 功率協(xié)調(diào)控制

在配電網(wǎng)內(nèi)構(gòu)建多個(gè)微電網(wǎng)，臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)間可以通過(guò)廣域?qū)Φ然ヂ?lián)和自治消納控制主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的功能，一方面對(duì)內(nèi)可最大程度適應(yīng)大規(guī)模光伏接入配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；另一方面對(duì)外可實(shí)現(xiàn)更多輔助服務(wù)功能，以微電網(wǎng)群的方式參與系統(tǒng)優(yōu)化。臺(tái)區(qū)間集群調(diào)控系統(tǒng)作為臺(tái)區(qū)調(diào)控系統(tǒng)的延伸，即在原有控制架構(gòu)上疊加一層臺(tái)區(qū)集群調(diào)控層。

臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)群間有功-無(wú)功協(xié)調(diào)的實(shí)時(shí)調(diào)度的目的是要考慮有功-無(wú)功耦合和可再生能源的不確定性，給出有功出力決策，實(shí)時(shí)控制各臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)和直接管控設(shè)備的有功功率，同時(shí)為無(wú)功電壓控制留下余量，保證系統(tǒng)安全。構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)如下

目標(biāo)函數(shù)為最小化成本，包括發(fā)電成本和控制成本，Ci(PGi)是每個(gè)發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本，R(Qi)代表電壓控制成本。

2.3 協(xié)同優(yōu)化控制

配電網(wǎng)因主網(wǎng)發(fā)生故障失去電壓頻率支撐后，通過(guò)孤島劃分，各子區(qū)域由臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)作vf節(jié)點(diǎn)來(lái)支撐子區(qū)域電壓。構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)如下

輸配協(xié)同無(wú)功電壓控制模型以輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的總網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)如式(10)所示

式中，上角標(biāo)(.)t代表輸電網(wǎng)的變量，上角標(biāo)(.)d,k代表第k個(gè)配電網(wǎng)的變量，PGi代表節(jié)點(diǎn)i處的發(fā)電機(jī)有功注入，PDi代表節(jié)點(diǎn)i處的有功負(fù)荷，集合I代表節(jié)點(diǎn)索引集合，集合DIST代表配電網(wǎng)索引集合。

3 算例驗(yàn)證

考慮到目前低壓臺(tái)區(qū)接線方式，臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)主要為單母線輻射狀，采用典型農(nóng)村臺(tái)區(qū)算例模型結(jié)構(gòu)和設(shè)備參數(shù)分別如圖4和表1所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)以最大功率點(diǎn)跟蹤模式運(yùn)行，通過(guò)光伏逆變器將電能傳遞到0.38 kV交流母線；水力發(fā)電系統(tǒng)作為可控電源通過(guò)變流器接入到交流母線；儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)雙向儲(chǔ)能逆變器接入到交流母線，既可吸收電能又能發(fā)出電能。同時(shí)整個(gè)臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)交流母線與配電網(wǎng)連接，無(wú)論是從配電網(wǎng)吸收電能還是外送電能到配電網(wǎng)，其主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線阻抗會(huì)消耗一部分能量。

以成本最低為目標(biāo)進(jìn)行短期預(yù)測(cè)，同時(shí)在滾動(dòng)周期內(nèi)，加入電壓偏差最小目標(biāo)進(jìn)行超短期優(yōu)化校正。考慮到各可調(diào)設(shè)備，分布式電源，負(fù)荷的特性，在滾動(dòng)優(yōu)化階段，選取周期時(shí)間為1小時(shí)，時(shí)間窗口長(zhǎng)度為4小時(shí)。經(jīng)過(guò)短期優(yōu)化和超短期反饋矯正后，臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)分布式電源出力，各可調(diào)設(shè)備與總負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)曲線。

圖5和6分別為滾動(dòng)優(yōu)化下的可調(diào)度單元有功出力和無(wú)功出力曲線。儲(chǔ)能充電狀態(tài)主要集中在白天光伏出力高峰時(shí)段，包括可平移負(fù)荷也大部分平移至該時(shí)段，以最大化消納光伏能源。儲(chǔ)能放電狀態(tài)主要集中在夜晚負(fù)荷高峰時(shí)段，包括小水電出力也集中在這一時(shí)段，降低電網(wǎng)損耗，如圖7所示。圖8為PCC電壓滾動(dòng)值與反饋值曲線。在光伏出力高峰時(shí)段和負(fù)荷高峰時(shí)段，分別出現(xiàn)了PCC電壓偏離的情況，偏差均控制在5%以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)了局部電網(wǎng)的電壓自平衡。加入實(shí)時(shí)反饋后，母線電壓明顯穩(wěn)定在380 V額定電壓附近，達(dá)到了超短期優(yōu)化校正的效果，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。

表1 可調(diào)度單元調(diào)節(jié)參數(shù)Table1 Schedulable unit adjustment parameters

圖4 臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Microgrid structural diagram of station area

圖9和圖10分別為微電網(wǎng)運(yùn)行成本和分布式能源利用率曲線。從圖中可以看出，微電網(wǎng)在各個(gè)時(shí)段的運(yùn)行成本均有所降低，并且分布式能源的利用率有大幅提升，尤其是在光伏出力的高峰時(shí)段。仿真結(jié)果可以看出，采用基于短期與超短期模型預(yù)測(cè)控制相結(jié)合的臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，在降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)，能有效提高微電網(wǎng)公共連接點(diǎn)電壓合格率及分布式能源的消納水平。

圖5 臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)可調(diào)度單元有功出力Fig.5 Active power output of dispatchable unit in microgrid

圖6 臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)可調(diào)度單元無(wú)功出力Fig.6 Reactive power output of dispatchable units in microgrid

圖7 臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線凈有功功率Fig.7 Net active power of tie line in microgrid

圖8 優(yōu)化前后微電網(wǎng)母線電壓Fig.8 Bus voltage of microgrid before and after optimization

圖9 優(yōu)化前后微電網(wǎng)運(yùn)行成本Fig.9 Operation cost of microgrid before and after optimization

圖10 優(yōu)化前后微電網(wǎng)分布式能源利用率Fig.10 Distributed energy efficiency of microgrid before and after optimization

4 結(jié) 論

針對(duì)大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)帶來(lái)的功率倒送、電能質(zhì)量和供電可靠性等問(wèn)題，提出了在低壓配變臺(tái)區(qū)構(gòu)建微電網(wǎng)的技術(shù)方案，提出了臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)、控制目標(biāo)和控制架構(gòu)，通過(guò)仿真計(jì)算分析了兩階段控制模型對(duì)于提升分布式電源消納能力的效果，取得的主要結(jié)論如下。

（1）提出構(gòu)建臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)，通過(guò)有效聚合臺(tái)區(qū)內(nèi)的源荷儲(chǔ)資源，進(jìn)一步有效提升分布式電源消納能力。

（2）提出了臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)的三種控制目標(biāo)，給出了不同控制模式的目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)自治控制、微電網(wǎng)間協(xié)調(diào)控制、微電網(wǎng)與主網(wǎng)協(xié)調(diào)互動(dòng)等目標(biāo)。

（3）提出了針對(duì)臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)的兩階段優(yōu)化的協(xié)調(diào)調(diào)控模型，通過(guò)仿真計(jì)算，臺(tái)區(qū)微電網(wǎng)可以有效提升供電質(zhì)量、降低電網(wǎng)損耗、提升分布式電源消納能力。