原文發(fā)表在《電力工程技術》第36卷第4期，歡迎品讀

李海濤. 主動配電系統(tǒng)協(xié)調控制與優(yōu)化技術研究與應用[J]. 電力工程技術, 2017, 36(4): 145-151.

LI Haitao. Research and Application of Coordinate Control & Optimization Technology for Active Distribution System[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(4): 145-151.

主動配電系統(tǒng)協(xié)調控制與優(yōu)化技術研究與應用

李海濤

由于配電網與分布式能源缺乏有效互動，分布式能源大規(guī)模并網后的主要問題表現(xiàn)在如下三方面：(1)分布式能源與配電網剛性連接，配電網運行異常時導致分布式電源停機停運，降低分布式能源的利用效率；(2)分布式能源大規(guī)模并網時，出力的不確定性加劇配電網功率波動和電壓波動，導致配電網電能質量等運行問題；(3)現(xiàn)有配電網缺乏對分布式能源的調節(jié)能力，導致配電網峰谷差加大，設備利用率進一步降低?；谥鲃优潆娋W的協(xié)調控制，一是協(xié)調控制各分布式電源的有功輸出，確保網絡運行的經濟性；二是協(xié)調控制各分布式電源以及無功源的無功輸出，確保網絡的電壓質量。此外，在主動配電網協(xié)調控制過程中還要考慮負荷需求以及間歇式能源功率波動的頻繁擾動，確保網絡運行的魯棒性。目前對于主動配電網協(xié)調控制理論和方法的研究尚處于起步階段，亟需研究與建立系統(tǒng)完整的主動配電網源-網-荷協(xié)調控制架構及方法。

2. 主動配電網分層協(xié)調控制架構

目前業(yè)界對于主動配電網的控制模式主要傾向于集中式控制和分布式控制兩種模式。但集中式控制策略的求解復雜程度隨著電網規(guī)模的增大而增大，尤其是分布式電源接入數量的增大呈現(xiàn)非線性增長的趨勢。而分布式控制模式專注于局部區(qū)域目標的實現(xiàn)，難以完成全局最優(yōu)運行，對可控資源的利用也不夠充分。針對上述問題，本文提出全局優(yōu)化與局部自治相協(xié)調的主動配電網分層分布控制架構，采用分層控制結構實現(xiàn)主站系統(tǒng)、控制器和終端設備之間的信息交互，通過多時間尺度下的全局能量管理與區(qū)域自治控制實現(xiàn)源-網-荷的協(xié)同控制，其框架結構如圖1所示。

圖1 主動配電網分層分布控制架構

圖1中，位于最上層的主動配電網能量管理系統(tǒng)是整個主動配電網控制架構的中樞，配電網數據采集與監(jiān)控（DSCADA）系統(tǒng)采集網絡運行數據以及各分布式電源的發(fā)電狀態(tài)信息，在對負荷需求以及間歇式能源發(fā)電功率進行預測的基礎上，通過智能優(yōu)化算法計算出長時間尺度下各個可控單元的全局優(yōu)化控制策略，與此同時求解得出各自治區(qū)域的局部目標值。分層分布控制器是中間層的控制單元，作為一個自治區(qū)域的管理者，通過區(qū)域自治控制策略實現(xiàn)在長時間尺度優(yōu)化控制的間隔周期內各個分布式電源的實時協(xié)調控制，以修正實際運行工況與理想優(yōu)化工況的偏差，使主動配電網整體運行在全局優(yōu)化與區(qū)域自治相協(xié)調的狀態(tài)下。源網協(xié)調控制器是最底層的控制單元，管理同一配電節(jié)點（配電房／開閉所／環(huán)網柜等）下所有的可控分布式電源以及柔性負荷，它接收分層分布控制器的功率控制目標，并對其進行合理分配，以確保同一配電節(jié)點下的分布式電源得到最經濟利用。

3. 主動配電網優(yōu)化控制方法

3.1全局能量優(yōu)化方法

主動配電網雙層規(guī)劃模型，以有功全局優(yōu)化作為上層決策，這是主動配電網追求的經濟、環(huán)境效益的綜合體現(xiàn)，是實現(xiàn)區(qū)域自治控制的基礎；而無功電壓優(yōu)化作為下層決策，是在上層最優(yōu)決策下對電網電壓質量的要求，而電壓優(yōu)化的計算結果又影響上層決策的過程，上下層相互迭代，從而求出有功和無功的綜合最優(yōu)解。將有功協(xié)調優(yōu)化與電壓協(xié)調帶入雙層優(yōu)化模型，采用上下層決策相互迭代的方式進行求解，上層優(yōu)化結果代入下層計算，下層優(yōu)化后再將結果返回上層再次優(yōu)化，直至兩層優(yōu)化結果收斂。電力系統(tǒng)中有功與無功本身具有耦合關系，無法孤立地考慮，雙層優(yōu)化迭代收斂的結果是有功與無功相配合的最優(yōu)點，其結果使得主動配電網達到經濟收益與電壓特性的最優(yōu)結合。 雙層優(yōu)化具體模型結構如圖2所示。

圖2 雙層優(yōu)化模型

圖2中所示的優(yōu)化結構是上下層迭代求解的過程，上層優(yōu)化決策基于預測信息確定主動配電網分布式電源的有功出力計劃曲線，下層根據上層有功出力曲線以及預測信息確定主動配電網分布式電 源的無功出力計劃曲線以及其他無功調節(jié)設備投切策略，反復迭代，直至上下層結果收斂或達到最大迭代次數。

3.2局部自治優(yōu)化方法

全局優(yōu)化考慮主動配電網中具有統(tǒng)計規(guī)律的長時間尺度預測信息，一個優(yōu)化調度間隔或出現(xiàn)消納能力不足時才進行一次計算，但由于主動配電網中間歇式能源與負荷實時波動，需要 下層區(qū)域實時自治協(xié)調控制相配合，通過多個分布式電源／儲能的實時協(xié)調，修正實際運行狀態(tài)與全局優(yōu)化狀態(tài)的偏差，使得系統(tǒng)運行狀態(tài)更加趨向于全局優(yōu)化目標。由于外電網與主動配電網的交換功率起到維持功率平衡的作用，可從整體上衡量實際運行狀態(tài)。基于該交換功率及全局優(yōu)化中分布式發(fā)電、儲能的優(yōu)化 控 制策略， 提出饋線控制誤差（feeder control error，F(xiàn)CE）指標，從整體上定量描述主動配電網實際運行狀態(tài)與全局優(yōu)化運行狀態(tài)之間的偏差?；贔CE提出考慮不同因素的有功功率實時協(xié)調控制模式，及相應的控制方程與FCE計算模型，如圖3所示。

圖3 FCE協(xié)調控制

基于FCE的自治區(qū)域協(xié)同控制模式不僅能有效甄別自治區(qū)域內和區(qū)域外的功率擾動，還能對這兩種功率擾動有針對性地實現(xiàn)不同的控制響應，其從本質上來說是將區(qū)域內部的可控分布式單元進 行集約化一體化協(xié)調，主動配電網在短時間尺度遭遇外界擾動致使實際運行狀態(tài)偏離全局優(yōu)化狀態(tài)的情況下，能協(xié)同調整區(qū)域內部可控分布式單元的功率輸出，將功率擾動在平衡機組和各自治區(qū)域之間合理分配，以修正實際運行狀態(tài)與理想優(yōu)化運行狀態(tài)的偏差，最終使得系統(tǒng)運行更加趨于全局優(yōu)化目標，從而提升系統(tǒng)優(yōu)化運行的魯棒性。

圖4 仿真測試算例

仿真算例如圖4所示。共配置11個光伏、8個儲能、1個風機、2個微型燃氣輪機、28個負荷點，其中包括4個工業(yè)負荷和24個居民負 荷、37個可控開關。以24h連續(xù)運行為場景進行仿真驗證。對區(qū)域5進行分析，其中，ESS11為功率密度型儲能系統(tǒng)，其最大充放電功率為80kW，其能量容量較小，為30kW·ｈ。負荷、風機及光伏系統(tǒng)在24h內每分鐘的預測功率及實際功率如圖5所示。

圖5 負荷、風機及光伏出力

在基于FCE的協(xié)調控制系統(tǒng)下，區(qū)域總功率的實際值與計劃值如圖 6(a)所示。從與圖6(b)的比較可以看出，若無協(xié)調控制系統(tǒng)，區(qū)域總功率實際值與計劃值差異較大，并且短時間波動量較多。在基于FCE的協(xié)調控制下，分別對區(qū)域總功率偏差的波動分量及穩(wěn)定分量進行補償，使得協(xié)調控制下的總功率的實際值更接近其計劃值。

圖6 優(yōu)化控制前后的饋線功率

4. 結束語

本文主要圍繞主動配電網源-網-荷協(xié)調控制技術開展研究，建立了多時間尺度的主動配電網源-網-荷分層協(xié)調控制架構，提出了基于雙層優(yōu)化算法的主動配電網全局優(yōu)化調度和饋線自治控制方法，實現(xiàn)了主動配電網各分布式電源（含儲能）的功率優(yōu)化調度和間歇式可再生能源的足額消納，重點解決了大規(guī)模間歇式能源無序并網后的配網優(yōu)化運行問題。仿真算例的結果有效驗證了上述主動配電網源-網-荷協(xié)調優(yōu)化控制技術的可行性和有效性，為日后含分布式能源的配網運行調度提供技術參考和有益借鑒。