面向主動配電網的源-網-荷-儲新型能源協調控制技術研究

王 建，高 飛

（國網武威供電公司，甘肅 武威 733000）

0 引 言

當前，由于可持續發展的需要，我國正在積極進行能源供給側結構性改革，能源種類逐漸從低質量向高質量改變，基于全新技術所產生的光伏發電和風能發電等新能源技術已經成為了我國能源安全質量提升的主要內容。但這些能源在接入電網之后經常會帶來不同安全隱患，最常見的就是波動性，這會影響到電網運行的穩定性，無法有效滿足民眾在日常生活中對于電能的需要。在這一背景下，主動配電網技術（Active Distribution Network，ADN）應運而生[1]。該技術能夠顯著解決可再生能源應用在電網上所產生的通道瓶頸與復核消納等問題，提升綠色能源利用率，在一定程度上促進新能源發展。

1 AND源網荷儲系統架構

本文提出的“源網荷儲”協調優化運行模型主要由電源、電網運行、電能負荷以及儲能4個部分構成。所提出的模型在運行過程中主要是為了降低能耗，減少供電過程中污染氣體排放，同時充分發揮用戶與儲能方面的重要作用。“源網荷儲”協調優化系統架構如圖1所示[2]。

圖1 “源網荷儲”協調優化系統架構

2 ADN分布式源儲并網逆變器控制

當前，市面上常用的逆變器技術為正弦脈沖寬度調制（Sinusoidal Pulse-Width Modulation，SPWM）。這一技術電路結構較為精簡，諧波含量較低，屬于最常用的逆變器技術之一。逆變器控制技術的應用方向是控制分布式電源與儲能系統接入配電網的過程與質量，能夠實現交流直流電之間的逆變轉換，還能強化分布式電源的綜合性能，綜合提升整體資源利用效率。本研究擬采用雙環結構作為逆變器控制的主要技術，利用內環控制器的控制性能改善注入電網的電流質量，將外環控制器作為能源并網的核心設備，綜合改善分布式電源的性能[3]。具體的控制模式如下所述。

2.1 分布式電源并網逆變器控制

本研究采用雙環控制結構，內環采用基于dq0旋轉坐標系的電流內環控制器，外環則采用基于PQ控制的外環控制器。

2.1.1 基于dq0旋轉坐標系的電流內環控制器

基于dq0旋轉坐標系的電流內環控制器結構如圖2所示。

圖2 基于dq0旋轉坐標系的電流內環控制器結構

該設備的控制方程式可以總結為：

式中，id和iq表示有功電流值和無功電流值，均為實測值；idref和iqref為這兩類電流對應的參考值；ud與uq對應兩類電流的實測值，kp1、ki1、kp2以及ki2均為控制器的具體控制指標[4]。

2.1.2 基于PQ控制的外環控制器

基于PQ控制的電流外環控制器結構如圖3所示。

圖3 PQ外環控制器結構圖

該設備的控制方程式可以總結為：

式中，Pgrid和Qgrid表示有功功率值和無功功率值，均為實測值；Pref和Qref為這兩類功率對應的參考值；kp3、ki3、kp4以及ki4均為控制器的具體控制指標。

總而言之，DG并網逆變器控制能夠利用調整參考值的方法調整控制器的輸出功率，從而實現ADN分布式源儲并網逆變器的控制。

2.2 儲能系統并網逆變器控制

ESS是ADN結構的重要組成部分，同樣采用內外環設備混合搭配的結構。其內環結構依然沿用基于dq0旋轉坐標系的電流控制器，外環結構選用以V/f控制為中心的外環控制器，用以實現ESS的電路自動控制功能，充分發揮其功率吞吐能力，用以處理過多的電能，或為緊缺電能提供補充[5]。該模式可有效處理系統功率的不良波動，ESS逆變器控制結構的過程可量化為：

式中，Pgrid和Qgrid表示有功功率值和無功功率值，均為實測值；Pref和Qref為這兩類功率對應的參考值；kp5、ki5、kp6、ki6、ki7、kp7、ki8以 及kp8均 為控 制器的具體控制指標[6]。

ESS結構采用的控制模塊是基于V/f的外環控制器并網技術，能夠實現并網逆變器的即時控制，從而把控功率輸出。

3 ADN“源網荷儲”協調控制模式設計

本研究設計的ADN“源網荷儲”協調控制技術以分布式電源結構、ESS儲能系統、可控負荷（Controllable Load，CL）以及主動配電網為聯合結構，建立協調控制系統，通過這一配套模式提升電網結構的綜合性能[7]。其主要功能包括以下幾個方面。

3.1 ESS控制

前文所述的V/f結構可為儲能系統提供配電網功率測試功能，通過V/f結構對電能的吞吐與控制功能，ESS控制效率與精度較高，能夠將控制精度精確到毫秒級別[8]。但受限于ESS的容量，無法保持持續性釋放電能的狀態，需要與響應精度較低的分布式電源配合使用，因此需將ESS中存儲的電能當做備用電源。本研究為ESS做了增容處理，通過提升ESS電能存儲量的方式強化系統的故障處理能力。

3.2 DG控制

DG逆變器作為外環控制的主要結構，主要起到調整電路內有功與無功功率值的作用。由上文中的流程分析可知，DG逆變器可調整配電網的持續性功率輸出狀態，但有功無功功率的參考值響應速度較慢，響應時間的精度僅可控制到秒級[9]。本研究將ESS控制結構的吞吐功率與DG逆變器相結合，可以合理調整功率平衡，提升ADN分布式電源的整體性能。

3.3 CL控制

利用可控負荷的柔性調節效果抵消分布式能源中常見的間歇性波動，確保DG逆變器對能量波動的控制效果。本研究充分考慮了負荷與能源的波動性，將負荷總量調整至可控范圍內。利用多重負荷消化的方式，配合協調分配算法進行負荷調整。

綜上所述，ADN“源網荷儲”協調控制技術在時間維度上使用ESS、DG以及CL技術形成協調與互補，將這幾種技術聯合在一起，構建“源網荷儲”相互配合的模式，通過ESS實現響應速度較高的功率吞吐，抑制電網內的功率波動，優化配電網的功率結構。DG逆變器可實現應對功率波動、負荷波動以及設備故障等功能，與CL負荷控制體系一同調整響應速度，從而提升ADN的主動調整與控制能力，整體提升結構的綜合性能[10]。

4 結 論

當前我國在進行可再生能源接入時，存在一系列能源消耗過大和電網穩定性較差的問題，在這一背景下，本文通過構建主動配電網“源網荷儲”協調優化模型，對各個具體技術進行了細致分析，并將設計內容轉化為流程圖或數學模型，全面構建了“源網荷儲”協作優化模式，希望能夠在一定程度上促進我國電力調度企業的長期健康發展。