基于下垂特性的主動配電網(wǎng)PQ協(xié)調控制策略研究

1、 基于下垂特性的主動配電網(wǎng)PQ協(xié)調控制策略研究 胡力中+詹躍東+程軍照引言新能源的接入，使傳統(tǒng)的被動配電網(wǎng)中電源形式多樣化。配電網(wǎng)能源接人形式主要以太陽能、風能、天然氣等可再生能源為主，同時也包括微型燃氣輪機和小型柴油機?？稍偕植际诫娫粗械娘L力機組和光伏機組出力受光照、溫度和風速等自然因素的限制較大，具有波動性和不確定性?？稍偕茉吹念A測難度大，可能造成用戶用電需求與配電網(wǎng)提供電能的不匹配，且配電網(wǎng)中負荷的功率需求也具有一定的不確定性。而且，傳統(tǒng)被動的配電網(wǎng)在未進行大規(guī)模投資的情況下，其接納光伏、風電、儲能等分布式電源能力有限。因此，在原有的包含有配電裝置、線路及電力負載的傳統(tǒng)被動配電網(wǎng)基礎

2、上，為了接納更多分布式電源（distributedgenerator，DG），需要向能夠主動控制與管理的主動配電網(wǎng)發(fā)展。主動配電網(wǎng)（active distribution network，ADN）定義是：是一個由先進信息通信、電力電子及智能控制等技術作為支撐的、內(nèi)部含DG的、拓撲結構可靈活調整的、并且能較好的完成協(xié)調優(yōu)化管理的配電網(wǎng)。但，ADN不僅僅是含DG的傳統(tǒng)被動式單向供電配電網(wǎng)，其最大的區(qū)別在于主動，即：主動消納大量間歇式DG、主動實現(xiàn)DG的優(yōu)化調度、主動實現(xiàn)DG的保護、主動實現(xiàn)DG的監(jiān)控等這幾方面的內(nèi)容。針對主動配電網(wǎng)研究了分區(qū)電壓控制層中靜止同步補償器（DSTATCOM）和DG協(xié)調配

3、合的兩階段分區(qū)電壓控制策略；文獻針對微電網(wǎng)運行控制規(guī)律對各模型應用了解耦控制，雖說在模型中的有功無功在一定程度上有了解耦但效果不明顯。提出一種網(wǎng)架恢復的分層協(xié)同優(yōu)化方法，通過分層次獨立優(yōu)化與受電點指標值整體尋優(yōu)相結合的方法，可實現(xiàn)功率協(xié)調控制，但其應用點屬輸電網(wǎng)。提出基于前饋補償?shù)慕怦钏惴?，該方法有自己的?yōu)勢，其結構原理更簡單。上述幾種方法各有各的優(yōu)點，但又都有一點缺點，都缺乏主動性，都僅僅是傳統(tǒng)單一的被動配電模式。通過將上述文獻策略應用于某微型主動配電網(wǎng)算理分析模型中。一方面，IEEE 1547-2003技術標準，要求DG運行時保證功率因數(shù)接近于l未能很好的實現(xiàn)。另一方面，由于DG隨機性、間

4、歇性的特點，導致其并網(wǎng)點功率發(fā)生明顯撥動，進而影響其臨近負載發(fā)生電壓越限等這些問題解決的不理想。所以本文在主動配電網(wǎng)背景下，針對上述問題從有功功率、無功功率協(xié)調控制角度，提出了一種三層結構的分層控制結構控制策略，進行功率解耦控制，最終使得負荷電壓得以優(yōu)化，效果更好。1儲能系統(tǒng)近年來，大規(guī)模DG滲透率越來越高，對電網(wǎng)運行水平的要求也越來越嚴，而儲能技術的應用是解決這個困局的有效方法之一。在抑制功率波動方面，風光儲混合系統(tǒng)的聯(lián)合發(fā)電模式有著效果顯著的優(yōu)勢。通過配備儲能裝置，改善DG出力的隨機性，使得DG出力具有一定的可控性，可以提升主動配電網(wǎng)接納風電的能力。利用儲能系統(tǒng)的輸出功率可調節(jié)的原理，對D

5、G輸出功率進行補償，從而得到較為穩(wěn)定的并網(wǎng)輸出功率。儲能系統(tǒng)容量的安裝需求是由并網(wǎng)功率和輸出實際功率決定，假設系統(tǒng)的功率指令序例分別表示為：式中，P為DG輸出的實際功率序例，PGrid是需求并網(wǎng)功率序例，P是儲能系統(tǒng)功率序例，pP、PBESS，分別為f（t=-1，2n）時刻各系統(tǒng)功率輸出值。t時刻系統(tǒng)輸出功率關系為：2DG的PQ電壓優(yōu)化策略如圖1所示的配電網(wǎng)的下垂特性Droop為系統(tǒng)設計協(xié)調分配控制策略下垂特性原理，當有功和無功增大時，對應的頻率和電壓降低，反之亦然。配電網(wǎng)下垂特性可由式（2.1）表示：如圖2所示，本系統(tǒng)由3層結構組成：頂層為功率優(yōu)化計算層，主要功能是計算預測儲能系統(tǒng)要提供的補

6、償量，使其能產(chǎn)生一個模型標量，讓儲能系統(tǒng)按計算結果適當?shù)妮敵鲆粋€功率設定值P，并把該值傳輸下去；中間層為協(xié)調分配控制層，該層主要功能是根據(jù)當前蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)去調整下垂系數(shù)，合理的為兩類儲能單元分配輸出功率，從而實現(xiàn)兩者的平衡運行；底層為執(zhí)行層，中間層給定的功率信息，通過雙向DC/DC功率變換器的調整來控制電流充電與放電。如圖3所示，該協(xié)調控制策略首先通過控制器采集的電壓頻率和儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)的基礎上確定下垂系數(shù)，再計算負荷功率的缺額并結合ADN的出力情況來測算蓄電池輸出的功率，最終采用Park變換獲得控制功率輸出信號。3約束條件3.1功率平衡約束ADN正常運行時，需滿足如下等式：

7、設備總發(fā)電量，包含同步發(fā)電機、可再生能源及儲能設備，P為系統(tǒng)總的負荷需求量。3.2DG輸出功率約束由于ADN中的主控電源需同系統(tǒng)負荷波動保持一致，從而維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。因此，應把主控電源輸出功率的范圍劃分為四個不同的區(qū)域，其前提是要以DG本身特性以及系統(tǒng)旋轉備用容量需求為根據(jù)，如圖4所示：（2）由于主動配電網(wǎng)的從控電源，即風電和光伏等間歇性分布式電源，它們不需要跟隨系統(tǒng)凈負荷功率波動來參與系統(tǒng)電壓頻率調節(jié)，因此，從控電源的輸出功率只需滿足其技術輸出功率限制即可。3.3儲能電池容量約束文中設置了SOCmin、SOG、SOG、SOC。四個關鍵值將蓄電池儲能系統(tǒng)的容量分為4個區(qū)域，如圖5所示。其中，

8、SOC。表示蓄電池儲能系統(tǒng)的最大規(guī)格容量（額定容量），SOC為由制造商提供的最小容量值，通常設定為蓄電池儲能系統(tǒng)額定容量的20%。這樣做為了防止因儲能系統(tǒng)過度充、放電而導致其使用壽命短與系統(tǒng)性能低等問題的出現(xiàn)。因此，在主動配電網(wǎng)中，蓄電池儲能系統(tǒng)正常運行時，其容量參數(shù)需滿足如式（3.5）所示的約束條件。3.4離散無功補償裝置約束把二進制編碼以及補充約束的形式將離散變量連續(xù)化的這種方法在有所敘述。在節(jié)點i處，吧離散擋位的電容器分組投切問題轉化為如下形式：3.5連續(xù)無功補償裝置約束3.6節(jié)點電壓約束當壓越限時會觸動保護裝置把DG切除，因此對于節(jié)點電壓i，有4算例分析圖6為搭建的微型主動配電網(wǎng)算例分

9、析圖，為了研究的準確性本分析圖只選用了比較典型的DG.風電，具體參數(shù)如表2所示。如圖（a）所示，20s時，風力發(fā)電機風速由12m/s降為8m/s，此時風力發(fā)電機的有功輸出功率由1800W跌落至1200W，導致負載的端電壓（圖c）由220V跌至191V。因為風速的隨機和間歇導致風機輸出功率的波動，從而不能向網(wǎng)中輸送可靠電能，這樣其并網(wǎng)點會發(fā)生明顯變化，進而影響其臨近負載發(fā)生電壓越限，影響用戶電能質量。安裝儲能裝置后，儲能電池迅速做出響應，彌補相應的功率缺額，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，負載兩端的電壓逐漸恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。IEEE 1547-2003技術標準，要求分布式電源運行時保證功率因數(shù)接近于1，不允許D

10、G參與無功.電壓的調節(jié)控制，因此需要安裝其他無功補償裝置。如圖（b）所示，由于風速降低，風力發(fā)電機無功發(fā)生波動，儲能裝置通過功率變換裝置，實現(xiàn)無功功率的補償和吸收。5結論本文在主動配電網(wǎng)背景下，從有功功率、無功功率協(xié)調控制角度，提出了一種三層結構的分層控制結構控制策略，進行功率解耦控制。通過搭建的小型主動配電網(wǎng)算例分析模型進行算例仿真并得出以下結論：（1）由于風的間歇和隨機，引起風機的有功輸出變化并導致負載端電壓也隨之波動。安裝儲能裝置后，儲能電池迅速做出響應，彌補相應的功率缺額。（2）由于風速變化，風力發(fā)電機無功發(fā)生波動，儲能裝置通過功率變換裝置，實現(xiàn)無功功率的補償和吸收。（3）實驗表明儲能裝置的接入能迅速