分布式电源高渗透率交直流主动配电网运行控制策略

董雷，明捷，于汀，卫泽晨，蒲天骄，黄仁乐

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206; 2.中国电力科学研究院，北京市 100192；3.四川大学 电气信息学院，成都市610065；4.国网北京市电力公司，北京市100031)

分布式电源高渗透率交直流主动配电网运行控制策略

董雷1，明捷1，于汀2,3，卫泽晨2，蒲天骄2，黄仁乐4

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206; 2.中国电力科学研究院，北京市 100192；3.四川大学 电气信息学院，成都市610065；4.国网北京市电力公司，北京市100031)

分布式电源高渗透率交直流主动配电网运行控制策略是实现分布式电源充分消纳，保证电网安全可靠运行的关键。把交直流混合主动配电网的运行状态分为正常态、预警态和紧急态3种运行状态。正常态进行周期全局优化，优化模型考虑分布式电源消纳、负载均衡和有功网损最小；预警态包括实时预警和态势感知预警，利用协调校正控制策略提高电网安全裕度；紧急态是利用柔性直流装置进行紧急功率支援，使电网恢复到正常态或者过渡到预警态。最后，通过算例验证了所提运行控制策略的正确性与有效性。

交直流；主动配电网；高渗透率；正常态；预警态；紧急态

0 引 言

面对日益严重的环境污染和能源危机问题，分布式电源越来越受到重视，未来配电网必须能接纳越来越多的分布式电源[1-2]。传统配电网是单电源辐射状网络，可以接纳少量的分布式电源。由于分布式电源具有强波动性和间隙性，当高渗透率接入传统配电网时容易造成高低电压、潮流倒送等问题，难以实现大量分布式电源的消纳。主动配电网为解决分布式电源消纳问题提供了技术手段[3-4]，但随着高渗透率分布式电源接入，在辐射状结构的配电网中分布式电源充分消纳仍然是一个难题。利用交流断路器将配电网合环运行，可以实现分布式电源在更大范围内消纳，并提高供电可靠性。但合环后的配电网会与主网构成电磁环网[5]，而且大量分布式电源接入也增加了合环后配电网的短路电流水平，影响电网安全运行。电压源型换流器构成的柔性换流装置具有诸多优点[6-7]，利用多端电压源型换流器将配电网合环运行，构成交直流混合主动配电网可以解决上述难题。

交直流混合主动配电网具有拓扑结构灵活、潮流可控、支持大量分布式电源灵活接入和充分消纳、提升能量传输网络的优化配置能力、提高用户的电能质量和供电可靠性等优点[8]。基于柔性直流功率灵活调节的交直流混合主动配电网运行控制策略是实现高渗透率分布式电源充分消纳和网络安全运行的核心技术和重要手段。

基于上述背景，本文提出交直流混合主动配电网正常、预警和紧急3种运行状态下的协调控制策略。该策略利用交直流混合主动配电网各种调节手段，考虑3种运行状态下的电网特性，在保证电网安全运行的前提下实现分布式电源最大消纳、负载均衡和降低有功网损等目标。针对每种运行状态下的控制策略，建立相应数学模型，并提出求解算法，最后通过IEEE算例验证控制策略的正确性和有效性。

1 交直流混合主动配电网运行控制模式

本文将交直流混合主动配电网的运行状态分为正常状态、预警状态和紧急状态，这3种运行状态之间的关系如图1所示。

图1 交直流混合主动配电网运行控制模式Fig. 1 Operation control mode of AC/DC active power distribution network

当等式不等式约束都满足、无故障发生，且具有足够的供电安全裕度时认为配电网处于正常运行状态。正常状态下交直流混合主动配电网按调度周期进行全局优化控制，优化目标是提高分布式电源的消纳水平、负载均衡和使有功网损最小。

预警状态分为两种：实时预警和态势感知预警。当网络负载率偏高不满足“N-1”运行约束，就认为交直流混合主动配电网进入实时预警状态。进入实时预警状态后，调整分负荷预测等分析电网未来运行状态，若未来不满足“N-1”运行约束，则通过提前调节消除可能的安全隐患。

当交直流混合配电网发生“N-1”故障或因某种原因导致分布式电源大面积降出力时，引起电网供需失配，即认为进入紧急状态。进入紧急状态后的配电网利用柔性直流装置迅速进行功率支援，使配电网回到正常状态或过渡到预警状态。

2 正常状态优化控制策略

正常状态下，交直流混合主动配电网周期性地进行全局优化，使网络运行在最优状态附近。

交直流混合主动配电网在正常态下的优化模型是以提高分布式电源的消纳水平、实现负载均衡以及降低有功网损为目标，约束条件主要是保证电网和设备安全运行。

2.1 目标函数

提高分布式电源消纳水平，要求分布式电源尽量运行在最大功率状态，可表示为

(1)

式中：PDG.imax是分布式电源i时刻允许的最大出力；PDG.i为分布式电源i时刻实际并网有功功率。

负载均衡可表示为

(2)

(3)

式中：Ti为第i个网络母线负载率，其中式(3)表示负载率的计算方法；M表示基于多端柔性直流装置互联的网络个数；PT.i是网络i的供电功率；SN.i为网络i的额定容量；cosφN为网络i的功率因数。

降低有功网损可表示为

(4)

式中：Ui表示节点i电压幅值；G为节点导纳矩阵实部；B是节点导纳矩阵虚部；θij为节点i电压夹角与节点j电压夹角之差；n表示网络的节点数。

将3个目标函数同时考虑，通过设置不同的权重系数可以得到不同的优化目标。

minf=λ1f1+λ2f2+λ3f3

(5)

式中λ表示权重系数，其中λ1+λ2+λ3=1。

2.2 约束条件

正常态数学模型包括有功无功等式约束、换流器约束、节点电压以及各种可调设备约束。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

QC.i=kqi(k=0,1,…,N)

(13)

(14)

正常态全局优化数学模型采用内点法[9-10]结合非线性互补约束[11-12]来求解，可以保证优化计算的收敛性和求解的全局最优性。

3 预警状态协调校正控制策略

为了提高交直流主动配电网安全裕度防止危险事故发生，需要及时或提前对电网进行控制。本文将预警状态分为实时预警和态势感知预警。

3.1 实时预警控制策略

实时预警主要指负载率偏高，使网络不满足“N-1”运行约束。

当M个网络通过M端柔性直流装置相连构成交直流混合主动配电网，任何一个网络的负载率不应超过M-1/M。当某个网络负载率超过这个数值，立刻进行调整，使负载率维持在这个水平之下。实时预警状态控制策略按以下步骤进行：

(1)某个网络负载率不满足“N-1”约束，计算需要调整的有功功率；

(2)检查分布式电源是否具有上调空间以及各种可调设备的约束；

(3)调整分布式电源和柔性直流装置，使负载率满足要求，且电压不越限。调整中若分布式电源具有向上调节空间，优先调整分布式电源，其他支援网络按照负载率均衡原则进行功率支援。

根据实时预警控制策略分析，实时预警控制数学模型可表示为式(15)至式(18)。优先调整分布式电源，使柔性直流装置有功调整量尽可能小，其他网络通过柔性直流装置进行有功支援时按负载均衡进行分配。约束条件主要包括：调整后负载率满足要求，可调设备在限值范围内，调整后电压满足安全约束。

(15)

(16)

(17)

(18)

式中：ΔPs为预警网络柔性直流装置有功调整量；PGj、ΔPGj表示可调设备有功出力和有功调整量；Ui、ΔUi为节点电压和节点电压调整量。该模型是一个二次规划模型，也可以用内点法实现求解。

3.2 态势感知预警控制策略

基于态势感知获得分布式电源和负荷的预测数据，并进行未来潮流分析，若预判负载率不满足“N-1”约束，则进行超前控制消除安全隐患。

态势感知预警控制策略和实时预警类似，区别在于态势感知预警调节手段只考虑柔性直流装置，不调节分布式电源。具体步骤如下：

(1)利用态势感知预测数据进行潮流计算，预判各个网络负载率；

(2)若负载率不满足要求，计算该网络需要调整的有功功率；

(3)与柔性直流装置相连的其他网络按负载均衡原则进行有功功率支援分配。

态势感知预警状态数学模型和实时预警类似，其模型如下：

(19)

(20)

(21)

(22)

式中每个变量的含义以及模型求解方法和实时预警状态一致。

4 紧急状态功率支援控制策略

当交直流混合配电网发生了“N-1”故障或者大量分布式电源降出力造成供需不平衡，电网就进入紧急状态。为了防止危险进一步扩大，必须立刻进行紧急功率支援。本文将紧急状态分为2种类型：(1)发生“N-1”故障；(2)分布式电源出力大幅减少。

4.1 电网“N-1”故障的功率支援策略

当某个网络中电源或者线路发生故障，就处于配电网“N-1”状态，发生故障后与柔性直流装置相连线路上的全部负荷由柔性直流装置供电。具体运行控制步骤如下：

(1)利用直流潮流模型计算故障网络柔性直流装置所需提供的有功功率；

(2)按照负载均衡原则，计算每个正常网络有功功率支援量，并考虑电压安全约束。

配电网发生“N-1”故障后的紧急功率支援控制策略数学模型与3.4节的相同。由于紧急状态有功功率支援量较大，电压约束范围可适当放宽，但不能超过分布式电源正常并网运行要求的电压范围。

4.2 分布式电源出力突降的功率支援策略

当配电网发生短路等故障时，可能使分布式电源处于低电压穿越状态或大面积脱网，导致供需失配。处于该种状态的配电网，缺失的有功功率优先由本区域上级电源提供，不足的由其他网络通过柔性直流装置进行有功支援。该策略控制步骤为：

(1)计算分布式电源出力减少后缺失的有功功率；

(2)优先本地调节，当本地负载率达到了“N-1”

极限或电压安全极限时，剩余功率由其他网络支援；

(3)根据负载均衡原则，兼顾电压安全约束，计算其他网络所需支援的功率。

分布式电源有功出力大幅减少后紧急功率支援数学模型可表示为：

(23)

(24)

(25)

式中：T1表示故障网络负载率；其他变量的含义和前文相同。该模型也是一个二次规划模型，求解方法和预警态相同。

5 算例分析

本文算例由3个IEEE33节点网络和3条线路(线路参数都相同，Z=4.6+j3.2 Ω)通过一个三端的柔性直流装置连成102节点的系统，如图2所示。每个网络的供电额定容量为7MVA，每个节点的负荷参数与原IEEE33节点保持一致。柔性直流装置每个端口容量为5MVA，内阻R=1.4 Ω，电抗X=1.6 Ω。按照IEEE33节点数据，每个网络平均总负荷为 3 715+j2 300kVA。

算例系统中各种可调设备的参数如表1所示。网络1分布式电源总容量为880kW，网络2分布式电源总容量为1 760kW，网络3分布式电源总容量为440kW。表1为网络中可调设备参数。

5.1 正常态优化控制算例分析

令优化模型式(5)中的各权重系数为λ1=0.2、λ2=0.2、λ3=0.6，计算加入柔性直流装置前后的全局优化模型，优化结果如表2所示。

图2 102节点交直流网络拓扑图Fig. 2 102 nodes AC-DC power network topology

表2 加入柔性直流装置前后各目标优化结果Table 2 Target optimization results before and after flexible DC device

通过计算结果可以得出：柔性直流装置参与优化调节的网络中有功网损、分布式电源消纳水平和负载均衡程度都有所改善，特别是分布式电源实现了全额消纳。

5.2 预警态安全协调控制算例分析

5.2.1 实时预警算例分析

设某一时刻网络3的负荷增大为平均负荷的1.2倍，且节点73处分布式电源满发，节点97处分布式电源尚有30 kW上调空间。通过潮流计算得到3个网络的负载率分别为39.6%、40.2%、68.6%。网络3负载率偏高，不满足“N-1”约束，系统进入预警状态。

按照实时预警数学模型进行计算，将网络1向网络3转移122 kW，网络2向网络3转移76 kW有功功率，并将节点97处分布式电源增发30 kW有功功率。调整后网络3的负载率为65.0%，网络1负载率为41.6%，网络2负载率为41.4%。且各节点电压也在允许范围内，系统运行恢复为正常状态。

5.2.2 态势感知预警算例分析

设态势感知结果显示未来15 min网络1和网络2负荷与分布式电源出力基本不变，网络3负荷变为当前的1.2倍，网络3分布式电源出力变为当前的0.7倍。利用直流潮流模型进行计算，得到未来 15 min 3个网络的负载率分别为39.62%、40.15%、71.32%。可以看出网络3负载率将不满足“N-1”约束。

按照态势感知预警数学模型进行计算求解，通过调整柔性直流装置，让网络1向网络3支援117 kW有功功率，网络2向网络3支援51 kW有功功率。调整后此时刻网络负载率和下个时刻网络负载率如表3所示。调整后此时刻也无节点电压越限，满足各种约束，系统运行也将维持在正常状态。

表3 调整后此时刻和下个时刻各个网络负载率
Table 3 Load rate after adjusting network of moment and next moment

5.3 紧急态功率支援控制算例分析

设某周期全局优化控制后网络2中分布式电源有功出力为1 760 kW，当故障发生后使网络2中分布式电源有功出力突降为0，导致供需失配进入到紧急状态。

按照紧急态的控制模型计算调整策略为：网络2供电电源增加847 kW有功功率，网络1向网络2支援122 kW有功功率，网络3向网络2支援791 kW有功功率。调整后，3个网络的负载率和所有节点电压都在允许范围内，系统恢复功率平衡，并运行于正常状态。

6 结 论

本文针对交直流混合主动配电网运行控制问题，提出了电网正常、预警和紧急3种状态的运行控制策略。正常态以提高分布式电源消纳能力、负载均衡和降低网损为目标进行潮流优化控制，预警态以提高网络安全裕度为目标进行协调校正控制，紧急态以恢复功率平衡为目标进行功率支援控制。通过算例分析表明，本文提出的控制策略能够有效解决分布式电源消纳问题，保证网络的安全、可靠和经济运行。

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(编辑 刘文莹)

AC/DC Active Power Distribution Network Operation Control Strategy of Distributed Generation with High Permeability

DONG Lei1, MING Jie1, YU Ting2,3, WEI Zechen2, PU Tianjiao2, HUANG Renle4

(1. State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Source, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 3. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China； 4. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

The operation control strategy of AC/DC active power distribution network of distributed generation with high permeability is the key to realize fully distributed generation supply and ensure the safe and reliable operation of power grid. This paper divides the running states of AC/DC active power distribution network into norm state; early warning state and emergency state. Cycle global optimization is implemented in the norm state, and the optimization model considers distributed generation consumption, load balancing and the minimum loss of active network. The early warning states including real-time early warning and situational awareness early warning use coordinate correction control strategy to improve grid safety margin. The emergency state uses flexible DC device for emergency power support, which can make the power grid to restore to the normal state or turn to the early warning state. Finally, the correctness and effectiveness of the proposed operation control strategy are validated through examples.

AC/DC; active power distribution network; high permeability; norm state; early warning state; emergency state

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2015AA050102); 国家电网公司科技项目(52020115001F)

TM 712

A

1000-7229(2016)05-0057-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2015-01-18

董雷(1967)，女，副教授，主要从事电力系统分析与控制研究工作；

明捷(1991)，男，通信作者，硕士研究生，从事交直流配网运行控制研究工作；

于汀(1984)，男，博士研究生，从事电网调度技术研究工作；

卫泽晨(1991)，男，硕士，工程师，从事配电网运行控制技术研究工作；

蒲天骄(1970)，男，硕士，教授级高级工程师，从事电力系统仿真技术研究工作；

黄仁乐(1963)，男，硕士，教授级高级工程师，长期从事电力系统自动化和电网技术的研究和管理工作。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program)(2015AA050102)