計(jì)及分布式能源的配電網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化控制

劉曉東，肖晶，周恒俊，徐鋒

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

新能源的大規(guī)模開發(fā)及利用，在一定程度上緩解了能源可持續(xù)發(fā)展的危機(jī)，相關(guān)學(xué)者針對(duì)分布式能源接入的配電網(wǎng)問題展開研究[1]。茆美琴等[2]提出削峰填谷策略下微電網(wǎng)多時(shí)間尺度能量?jī)?yōu)化，利用模糊模型獲取峰谷時(shí)間段微電網(wǎng)與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上的預(yù)設(shè)交換功率曲線，提出了三種不同的時(shí)間計(jì)劃優(yōu)化多能源協(xié)調(diào)方法，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能量控制目標(biāo)，但該方法調(diào)整后的能源利用率較低。靳小龍等[3]針對(duì)智能樓宇微網(wǎng)系統(tǒng)，提出多時(shí)間尺度模型預(yù)測(cè)調(diào)度方法。通過每個(gè)控制時(shí)域內(nèi)的滾動(dòng)優(yōu)化，修正微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的功率預(yù)判誤差，實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度預(yù)測(cè)調(diào)度，但該方法未考慮不同時(shí)間下電網(wǎng)功率的變化，運(yùn)行穩(wěn)定性較差。

為此本文設(shè)計(jì)一種新型的優(yōu)化控制方法，優(yōu)化配電網(wǎng)的多時(shí)間尺度區(qū)域，并優(yōu)化控制過程，增大分布式能源的能源利用率。采用下垂控制方式設(shè)置逆變器，維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。考慮不同時(shí)間尺度，控制電網(wǎng)吞吐儲(chǔ)能系統(tǒng)快速功率吞吐以及可控負(fù)荷，提高配電網(wǎng)的主動(dòng)性及自治能力。

1 分布式能源配電網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化控制

1.1 劃分配電網(wǎng)多時(shí)間尺度控制區(qū)域

計(jì)及分布式能源在多時(shí)間尺度下存在互補(bǔ)性，不同時(shí)間尺度下配電網(wǎng)有著不同的控制區(qū)域[4]。在分析多時(shí)間尺度前，按照配電網(wǎng)中電源及負(fù)荷接入配電網(wǎng)的位置，結(jié)合饋線數(shù)量，劃分配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)[5]。劃分得到的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

配電網(wǎng)劃分為單微電源、單負(fù)荷、單饋線的單元級(jí)如圖1(a)所示；多微電源、單負(fù)荷、單饋線的區(qū)域級(jí)如圖1(b)所示；多微電源、多負(fù)荷多饋線的系統(tǒng)級(jí)，如圖1(c)所示。當(dāng)配電網(wǎng)中的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，對(duì)一條饋線上的配電網(wǎng)和無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償及調(diào)節(jié)[6]。采用三級(jí)組織模式劃分控制范圍，多時(shí)間尺度配電網(wǎng)優(yōu)化控制主要是對(duì)多核電壓分區(qū)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，保證每個(gè)分區(qū)下的微電源、調(diào)壓設(shè)備、負(fù)荷及有功功率等保持平衡。劃分配電網(wǎng)的控制區(qū)域如圖2所示。

圖1 劃分的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)系列圖

由圖2劃分的控制區(qū)域，參照不同的控制目標(biāo)和范圍，對(duì)多時(shí)間尺度下配電網(wǎng)平衡進(jìn)行優(yōu)化控制。分別計(jì)算配電網(wǎng)中的功率傳輸與電能值，計(jì)算公式如式(1)：

圖2 配電網(wǎng)控制區(qū)域

(1)

式中:R為配電網(wǎng)中的電阻;δ為阻抗系數(shù)；X為配電網(wǎng)線路中的電抗；E為配電網(wǎng)中的電流值；P為功率；Q為配電網(wǎng)工作中的能量值。當(dāng)配電網(wǎng)中的線路電流值>0時(shí)[7]，功率傳輸計(jì)算如式(2)所示。

(2)

由式(2)可知：在配電網(wǎng)中的電流值>0時(shí)，此時(shí)的值為正。為了排除值為零的影響，引入一個(gè)逆變器控制配電網(wǎng)的慣量，維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定[8]。為了進(jìn)一步保持配電網(wǎng)中對(duì)電壓的控制，設(shè)置逆變器采用下垂控制方式，采用并/離雙模式運(yùn)行，此時(shí)逆變器控制配電網(wǎng)中電壓無(wú)功下垂特性，如圖3所示。

圖3 逆變器控制配電網(wǎng)中電壓無(wú)功下垂特性

從圖3可以看出，當(dāng)逆變器輸出電壓與并聯(lián)交流母線電壓相差較小時(shí)，頻率調(diào)節(jié)僅與有功功率有關(guān)，電壓調(diào)節(jié)僅與無(wú)功功率有關(guān)。盡管低壓微電網(wǎng)不同于高壓微電網(wǎng)，但是通過合理設(shè)計(jì)逆變器閉環(huán)控制參數(shù)[9]，即可實(shí)現(xiàn)在無(wú)互聯(lián)線的條件下并聯(lián)微電源間無(wú)功功率的準(zhǔn)確分配。

1.2 構(gòu)建不同時(shí)間尺度下優(yōu)化函數(shù)

依照分布式能源可控DG和柔性負(fù)荷的性質(zhì)，針對(duì)上述劃分的多時(shí)間尺度控制區(qū)域，使用VSC的交直流側(cè)節(jié)點(diǎn)處理來保持有功功率和無(wú)功功率對(duì)兩節(jié)點(diǎn)間電壓和頻率調(diào)節(jié)的耦合關(guān)系[10]。使用分解調(diào)節(jié)法復(fù)制同個(gè)區(qū)域內(nèi)的邊界節(jié)點(diǎn)，復(fù)制過程如圖4所示。

圖4 邊界節(jié)點(diǎn)復(fù)制過程

圖4中：Xdci為VSC直流側(cè)節(jié)點(diǎn);Xdc為時(shí)間區(qū)域內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的集合；Xdcib為第i個(gè)時(shí)間尺度區(qū)域的直流側(cè)節(jié)點(diǎn);Xacib為第i個(gè)尺度區(qū)域內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的集合。將各邊節(jié)點(diǎn)看作配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，來彌補(bǔ)圖4復(fù)制過程對(duì)配電網(wǎng)造成的潮流不平衡。按照?qǐng)D4所示的復(fù)制區(qū)域，使用Xb統(tǒng)一表示各分區(qū)所有相鄰邊界變量，此時(shí)尺度區(qū)域的內(nèi)部變量可表示為：

(3)

式中:下標(biāo)N為相鄰邊界的數(shù)量。設(shè)定此時(shí)f(x)為配電網(wǎng)中交流與直流分區(qū)目標(biāo)函數(shù)之和，將式(3)變換為：

(4)

式中:f(xaci,xbi)為交流分區(qū)目標(biāo)函數(shù);f(xaci,xacib)為直流分區(qū)的目標(biāo)函數(shù)；Paci為交流分區(qū)中交流側(cè)節(jié)點(diǎn)的功率;PNbi為直流分區(qū)中節(jié)點(diǎn)功率和。以式(4)作為優(yōu)化對(duì)象，利用通用增廣拉格朗日法處理，將上述公式看作增廣拉格朗日法求鞍點(diǎn)問題，優(yōu)化后的函數(shù)計(jì)算公式為：

L(x,λ)=f(xaci,xbi)+f(xaci,xacib)+〈λ,θ(x)〉

(5)

式中:λ為拉格朗日乘子;〈λ,θ(x)〉為一個(gè)參數(shù)。為了保證優(yōu)化后的尺度區(qū)域函數(shù)有著良好的凸性，引入一個(gè)懲罰因子，將式(5)優(yōu)化為：

(6)

式中:ε為一個(gè)優(yōu)化系數(shù)，ε>0;b為一個(gè)常數(shù)。計(jì)算式(6)的極大值即可得到鞍點(diǎn)，計(jì)算公式為：

(7)

在計(jì)算最小值時(shí)，令ε=1。計(jì)算最大值時(shí)引入一個(gè)常數(shù)參數(shù)β，為了滿足式(7)函數(shù)的收斂性，常數(shù)參數(shù)β應(yīng)滿足ε=2β關(guān)系。綜合上述處理，完成對(duì)優(yōu)化函數(shù)的構(gòu)建，利用該函數(shù)構(gòu)成過程，在考慮分布式能源的情況下，優(yōu)化配電網(wǎng)多時(shí)間尺度下有功功率及負(fù)荷的平衡，設(shè)定不同時(shí)間尺度的控制策略，最終完成對(duì)計(jì)及分布式能源的配電網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化控制的研究。

1.3 不同時(shí)間尺度下設(shè)定控制策略

在設(shè)定控制策略時(shí)，考慮分布式能源配電網(wǎng)的計(jì)劃周期，以中長(zhǎng)期調(diào)度和短期調(diào)度作為此次主要研究的時(shí)間尺度。中長(zhǎng)期調(diào)度即日計(jì)劃策略，決策周期為24 h；短期調(diào)度即滾動(dòng)發(fā)電計(jì)劃，決策周期為h。這兩種計(jì)劃可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)組狀態(tài)和發(fā)電量等事項(xiàng)，維持電網(wǎng)安全，因此對(duì)其調(diào)度研究具有重要意義。在中長(zhǎng)期調(diào)度下，以整體電網(wǎng)的有功功率和負(fù)荷頻率在不同層級(jí)間的達(dá)到平衡作為控制目標(biāo)，在上文中優(yōu)化函數(shù)基礎(chǔ)上，建立控制方程：

(8)

式中:k為一個(gè)決策周期的階段數(shù)量；ΔT為每階段時(shí)長(zhǎng)；P(t)為t時(shí)刻配電網(wǎng)饋線節(jié)點(diǎn)處的功率;n為配電網(wǎng)中可控負(fù)荷的個(gè)數(shù)；Pj(t)為t時(shí)刻分布式能源的發(fā)電功率。為了控制分布式能源在發(fā)電過程中有功功率的平衡，建立式(8)的約束條件，約束條件為：

(9)

式中:U(t)為t時(shí)刻配電網(wǎng)瞬時(shí)功率;φj(t)為t時(shí)刻電壓的相位角;SG為所有可控分布式能源的負(fù)載集合;SL為配電網(wǎng)中所有饋線的支路集合;SR為無(wú)功源集合;SB為饋線上的所有節(jié)點(diǎn);Pj(t)為分布式能源第j部分能源的有功功率;φj(t)為分布式能源第j部分能源的參數(shù)。按照上述公式的計(jì)算結(jié)果，分布式能源在不同時(shí)間尺度上輸出功率差別較大。因此在制訂配電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化控制時(shí)，控制配電網(wǎng)與分布式能源相連的節(jié)點(diǎn)為有功功率與電壓。通過控制配電網(wǎng)中無(wú)功功率的上下限值，來實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間尺度下的最優(yōu)控制。

在短期調(diào)度下，配電網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)分布式能源的平衡。利用分布式能源間歇性能量的快速吞吐和組合配電網(wǎng)的靈活充放電、間歇性能源的長(zhǎng)期電力支持和可控負(fù)荷的調(diào)節(jié)，積極消耗和調(diào)度分布式能源，維持主動(dòng)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定。因此在研究短期調(diào)度時(shí)，控制吞吐儲(chǔ)能系統(tǒng)快速功率吞吐以及可控負(fù)荷。利用V/F控制策略控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)交流器，來抑制配電網(wǎng)功率的波動(dòng)來達(dá)到控制目的。針對(duì)可控負(fù)荷方面，依照中長(zhǎng)期調(diào)度約束條件，引入一個(gè)協(xié)調(diào)系數(shù)km，得到短期調(diào)度控制條件：

kmΔPz-ΔPm=0

(10)

式中:Pz為分布式能源向主動(dòng)配電網(wǎng)注入的目標(biāo)功率；Pm為饋線注入的目標(biāo)功率。由式(10)可知，短期調(diào)度下間歇式能源輸出尚且達(dá)不到有效降低網(wǎng)損的要求，而間歇式能源的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上外部電網(wǎng)，外部電網(wǎng)會(huì)主動(dòng)向配電網(wǎng)加大注入功率，使式(10)的左側(cè)大于0，打破了控制平衡。因此在實(shí)際控制短期調(diào)度時(shí)，控制外部電網(wǎng)注入主動(dòng)配電網(wǎng)的功率，達(dá)到最終的控制效果。基于上述處理，最終完成對(duì)計(jì)及分布式能源的配電網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化控制研究。

2 算例分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

此次研究的分布式能源的配電網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化控制不便于進(jìn)行真實(shí)試驗(yàn)，因此試驗(yàn)采用C++Builder可視化開發(fā)的仿真平臺(tái)，建立一個(gè)基于分布式能源的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。編程環(huán)境為Intel(R)Core i5-4590CPU@3.30 GHz，8 GB內(nèi)存。建立的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。驗(yàn)證所提出的控制方法、文獻(xiàn)[5]及文獻(xiàn)[6]方法在長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化下在17∶00時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)1～9功率的控制效果。

圖5 配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中：節(jié)點(diǎn)1為PCC節(jié)點(diǎn)；整個(gè)配電網(wǎng)中含括兩條饋線，饋線1與光伏1、光伏2蓄電池組和負(fù)荷1相連接；饋線2則與負(fù)荷2相連接。不同電源以及所連接的負(fù)荷具體參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 配電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)

基于以上試驗(yàn)準(zhǔn)備，按照?qǐng)D5所示的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)定9個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大負(fù)荷數(shù)據(jù)，如表2所示。

利用表2所示的參數(shù)，分別使用兩種傳統(tǒng)配電網(wǎng)控制方法：削峰填谷策略下微電網(wǎng)多時(shí)間尺度能量?jī)?yōu)化(文獻(xiàn)[5]方法)，集成智能樓宇的微網(wǎng)系統(tǒng)多時(shí)間尺度模型預(yù)測(cè)調(diào)度(文獻(xiàn)[6]方法)。與計(jì)及分布式能源的配電網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化控制方法進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比三種方法的控制效果。

表2 節(jié)點(diǎn)配置的負(fù)荷數(shù)據(jù)

2.2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)以上試驗(yàn)準(zhǔn)備，分別使用三種控制方法控制節(jié)點(diǎn)如表2所示的負(fù)荷，統(tǒng)計(jì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓值及電流值，計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的功率值。節(jié)點(diǎn)功率值越均衡，說明對(duì)配電網(wǎng)的控制越滿足電網(wǎng)整體功率分層分區(qū)平衡的需求。節(jié)點(diǎn)的功率值如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)功率值

由表3所示的功率試驗(yàn)結(jié)果，在相同試驗(yàn)環(huán)境下，文獻(xiàn)[5]方法控制節(jié)點(diǎn)的功率數(shù)值過大，超過了節(jié)點(diǎn)功率值的極限，不符合分布式能源的發(fā)電實(shí)際。文獻(xiàn)[6]方法一定程度上彌補(bǔ)了文獻(xiàn)[5]方法的不足，但是控制得到的功率值過小，無(wú)法充分發(fā)揮分布式能源的輸出能量。而本文優(yōu)化控制方法使節(jié)點(diǎn)的功率值能夠維持在較為平衡的狀態(tài)，較符合分布式能源與配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用三級(jí)組織模式優(yōu)化配電網(wǎng)多時(shí)間尺度區(qū)域的劃分，構(gòu)建優(yōu)化輔助函數(shù)，增大分布式能源的能源利用率。在不同時(shí)間尺度下，控制分布式能源在發(fā)電過程中的輸出功率，提高配電網(wǎng)的主動(dòng)性，優(yōu)化了傳統(tǒng)控制方法的不足。雖然本文具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是仍舊存在一些問題，有待進(jìn)一步研究。