基于随机因子及优化下垂的多端直流配电网控制策略

俞拙非, 武 迪, 陈璐瑶, 朱金大, 骆 健, 唐成虹

(1. 国电南瑞科技股份有限公司， 江苏省南京市 211106； 2. 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司, 江苏省南京市 211106)

0 引言

多端直流配电网以柔性直流技术及配电网规划设计为基础,通过台区间直流互联形成多端直流互联系统,在保障交流负荷供电可靠性的同时提供直流负荷的柔性供电,同时在分布式能源接入、电能质量优化提升等方面具有显著优势,已逐渐成为当前配电网形态及架构的重要发展方向之一。

当前直流配电网的调度技术研究侧重于配电网能量管理系统(EMS),未针对多端直流配电网的区域分散性进行以系统运行效率为约束目标的优化调度[1-3]。直流配电网的控制技术则通常借鉴微电网的下垂控制,微电网下垂控制主要针对就地微电源的输出功率进行下垂控制,使其具备发电机工作特性,具备较高可靠性及无需站间通信等优势[4-7]。多端直流配电网通过直流向交/直流负荷供电,所采用下垂控制的潮流方向与微网相反,需利用空间上分散的配电网总实时潮流实现分布式多端直流配电网的潮流控制,则各台区间通常需要通信有功潮流以得到各站的下垂控制目标值。

分散式下垂控制无需任何互联通信线,变换器仅使用本地信号进行控制,具有扩展性好、可靠性高等优点,但往往以牺牲电压、频率的控制精度作为代价,并且容易受到线路参数的影响[8]。集中式控制的中央控制器将所有相关信息进行统一处理,因此能够取得精确的控制效果,但是中央控制器一旦出现故障会导致整个系统的瘫痪[9]。文献[10]提出,当发生通信故障后,在原本通过直流互联互通的电力系统中将出现信息孤岛,在此情况下,调度中心无法掌握全部电力节点的信息,若本地控制系统不具备相应的后备控制措施,潮流自然平衡,将引发信息网到电力网的连锁故障,而目前对直流配电网中通信故障后控制系统的应对措施研究较少。

本文提出一种适用于多端直流配电网的三级下垂控制体系,有通信时采用基于优化比例系数的下垂控制;通信故障时采用随机因子下垂控制;随机下垂控制出现有功偏差时采用基于P-Udc的补偿下垂控制。具体如下:有通信时根据配电网实时潮流总和及优化比例系数生成各台区的有功潮流目标值,各台区依据此目标进行下垂控制,配电网潮流和需通过台区站间通信获取。当直流配电网中某台区出现通信故障时,利用概率分布抽样叠加得到基于时间尺度的负荷潮流分布,通过查表获得当前时刻的随机负荷潮流,乘以优化比例系数后得到各台区的随机因子并进行下垂控制。同时,针对随机因子控制可能出现的功率控制偏差值,各台区直流系统通过检测各自直流母线侧电压,基于下垂特性曲线及直流电压偏差进行有功目标值的补偿控制,从而实现配电网供电及负荷用电间的动态平衡及系统稳定,进而保障各复杂工况下多端直流配电网的可靠及稳定运行。

在PSCAD/EMTDC中基于本文控制策略建立了3端直流配电网的仿真模型,进行控制器设计及控制参数的优化选取,基于有通信工况、单台区通信故障工况、多台区通信故障工况及随机因子控制后功率偏差工况进行仿真分析。仿真结果表明,基于所提控制策略的多端直流配电网可实现有通信时各站基于优化比例系数的潮流控制、单台区故障时系统稳定运行、多台区通信故障时系统持续运行及存在功率偏差时潮流的补偿控制。通信正常/故障时均能有效应对突发性直流负荷,保持直流配电网在不同工况下的系统稳定和动态平衡,实现各配电台区基于时间尺度的区域供电潮流优化。

1 多端直流配电网系统调度

多端直流配电网的典型系统架构如图1所示,各台区通过直流换流站构建本台区的直流配电网系统,多个台区通过直流线路实现区域直流互联。各直流配电网子系统可并列运行,针对区域内突发性直流负荷进行直流互供,并可实现直流互联系统的优化调度。多端直流配电网易于可再生能源、储能系统及多类别直流负载的柔性接入,通过各台区换流站控制系统实现有功潮流的优化调配及无功功率的有效支撑。

图1 多端直流配电网典型拓扑Fig.1 Typical topology of a multi-terminal DC distribution network

系统调度是一种以多目标优化为约束条件的分层分区调度技术,是多端直流配电网优化及可靠运行的关键之一,其调度系统层级架构见附录A表A1。通过系统层及站级层调度,在维持配电网交/直流侧有功潮流与交/直流电压稳定的基础上,实现负荷优化互供、系统损耗降低等多个优化目标。

1.1 系统调度层

在系统层,在充分考虑区域优化运行能力的前提下,综合考虑区域调度成本、系统网损及运行可靠性等约束条件,通过上层调度控制系统将各台区收敛到各自优化运行点,保证整体的运行经济性及可靠性等多目标最优。

各台区借助配电管理系统(DMS)的高级应用软件对各台区进行配电网潮流计算、状态估计及负荷预测。潮流计算是状态估计的基础,与传统配电网潮流计算不同,由于直流配电网存在大量直流负荷及分布式电源,需针对直流负荷及分布式电源的不同类型建立相应模型并确定其节点类型,在传统前推回推法、牛顿法及直接法等基础上进行改进,使其适应直流配电网模型特点。配电网状态估计算法主要有最小二乘估计法和基于量测变换的传统状态估计算法,以及基于粒子群算法和遗传算法的人工智能算法。通过直流配电网状态估计可得各台区交流负荷状态,配电变压器额定容量减去状态估计所得交流负荷预测值得出各台区可用容量限值,各台区优化比例系数为各台区可用容量限值与各台区可用容量总和之比,各台区有功目标值为潮流总和乘以该台区的优化比例系数,可实现各台区配电潮流的比例优化,以及配电变压器运行效率的提升。

1.2 站控调度层

在站控层,通过有通信下垂控制、无通信随机及补偿控制,实现各台区直流系统的动态稳定及有功优化分配,保障系统调度在站控层的有效执行。其控制目标包括:①直流电压的稳定,一方面控制各换流站直流输出电压波动幅度,另一方面需考虑多节点电压波动均衡性,降低直流联络线路损耗;②直流功率的优化互供,各换流站根据系统调度层指令信号,向直流母线输送功率,实现互联台区的功率互供;③通信故障状态下的后备控制,在与系统调度层通信故障后,能保证区域稳定自治及局部优化,应对通信故障状态下的随机性突发负荷,支撑故障恢复过程的平稳过渡。

2 基于优化下垂、随机因子及补偿下垂的控制策略

2.1 控制算法

本文提出的多端直流配电网的控制算法如图2所示。有通信时系统层根据其区域调度成本最优、系统网损最低、可靠性最优等控制目标得到各台区的功率指令值,各台区站级层利用优化下垂控制实时进行系统潮流调度的动态优化;无通信时所有控制均由站级层实现,通过基于负荷群概率分布计算各通信故障台区的随机因子,并且调整下垂功率目标值,从而实现准负荷功率供电;针对采用随机因子控制时产生的潮流不平衡和直流电压偏差,各台区变流站实时检测各自直流侧母线电压,通过补偿下垂控制实现随机因子控制的后备控制,从而实现直流配电网系统的潮流平衡和直流电压动态稳定。

图2 直流配电网控制算法Fig.2 Control algorithm of DC distribution network

2.2 通信正常时优化下垂控制策略

通信正常时,通过各台区本地调度控制器接收各台区的实时有功潮流,叠加求和后得到直流配电网的总供电潮流,将该值乘以各台区优化比例系数得到下垂有功控制指令值并送至各台区的下垂控制器,其优化下垂控制策略示意图见附录A图A1。各站有功指令值与有功实时值的差值乘以各站下垂系数得到下垂电压偏差量,叠加直流母线电压指令值与其采样值的差值后输入电压外环,再通过电流内环及调制环得到各台区换流站的控制脉冲[11]。

2.3 通信故障时多端直流配电网控制策略

当直流互联的台区中出现通信故障时,直流配电网中各台区划分为通信正常区域和通信故障区域。通信正常配电台区的本地控制器仍保持原优化下垂控制,保持基于优化比例系数的下垂控制。通信故障区域的各台区控制策略采取基于随机因子的下垂控制,由随机因子得到各台区的有功功率直流电压下垂信号见附录A图A2,各台区随机因子的计算方法见3.3节。

2.4 基于直流电压下垂的补偿控制策略

当通信故障台区切换至随机因子控制后,由于台区输出有功与实际负荷有功需求可能存在偏差,导致直流电压存在跌落或爬升,因此需针对电压的差值进行补偿控制。根据电压跌落比例及下垂特性曲线得到实现该台区直流电压稳定的有功功率目标值,该目标值减去当前随机功率因子得到各台区补偿后的有功功率控制指令值,通过该站直流电压的稳定控制维持直流配电网系统有功潮流的动态稳定,其控制器如附录A图A3所示。

3 基于负荷概率分布的随机因子算法及仿真验算

3.1 基于负荷概率分布的随机因子算法

直流配电网的随机功率因子目标值的计算方法见附录A图A4。首先,根据直流负荷的类型及特性确定其不同分布函数的概率函数及参数,采用概率抽样法得到单种直流负荷的投入时间、持续时长,同时确定单个负荷的用电方式及各需求功率,建立单种负荷的功率分布。在分析不同负荷相关指标的概率函数时,需参照统计调查数据对相关指标进行概率拟合,提取出其概率函数后再进行抽样演算。

对单种负荷进行基于概率分布的抽样,得到该类型负荷的单个负荷功率,再根据不同直流负荷的比例、数量,得到基于时间尺度的总负荷潮流分布。基于交/直流配电方式、潮流控制策略及总负荷潮流分布得到随机功率因子的目标值。需要指出的是,不同台区的随机功率因子由于其可用配电容量的不同会存在差异。

3.2 典型负荷的概率分布函数及仿真验算

下面分别针对电动汽车开始充电时间、充电时长、充电功率等进行概率分布分析及仿真验算。

通常用户在每天最后一次出行结束后开始充电,结束时间即为电动汽车的开始充电时间。根据美国国家公路交通安全管理局(NHTS)的统计调查数据对开始充电时间进行概率函数拟合,其满足双边正态分布[12]。设某典型区域内电动汽车为1 000辆,得到一日内开始充电时间的概率分布函数为式(1),其概率分布见附录A图A5。

f(c)=

(1)

式中:μc=17.6;σc=3.4。

电动汽车日行驶里程通常决定了电动汽车的充电时长,结合电动汽车百公里机械特性耗能可得到电动汽车的充电时长。根据美国交通部的统计调查数据对日行驶里程进行概率函数拟合,其满足对数正态分布[13]。设某典型区域内电动汽车为1 000辆,得到充电时长的概率分布函数为式(2),其概率分布见附录A图A6。

(2)

式中:μd=3.2;σd=0.88。

3.3 随机功率因子计算流程

本文直流配电网主要针对电动汽车直流负荷进行供电及潮流控制,因此以电动汽车为典型直流负荷。

1)基于概率分布(式(1))抽样取得某区域内电动汽车的开始充电时间。

2)基于概率分布(式(2))抽样取得某区域内电动汽车的实际行驶里程。

3)根据电动汽车的实际行驶里程获得电动汽车初始荷电状态S:

(3)

(4)

式中:EC和EN分别为电动汽车蓄电池的日耗电量和额定容量;h为单位行驶距离的能耗;η为汽车行驶效率常数(0.672);d为实际行驶里程。

4)利用线性差值法,根据电动汽车初始荷电状态及荷电状态时间特性确定基于时间尺度的单个电动汽车充电时长,以及对应不同充电时刻的充电功率。电动汽车采用先恒流、后恒压/恒功率的常规充电方式,其典型充电功率分布为:

(5)

式中:P0为初始充电功率;PN为额定充电功率;α1为充电起始阶段差值系数;α2为充电结束阶段差值系数。

5)利用数组存储得到每个电动汽车的充电工况,基于时间尺度进行叠加,可得到典型区域内电动汽车负荷的充电负荷数据(数组形式),加上区域内其他规划负荷,得到随机功率因子的指令值。

4 系统仿真验证

4.1 系统参数设置

为了验证本文提出的基于随机因子及偏差补偿的多端直流配电网自适应下垂控制策略的有效性和优越性,在PSCAD/EMTDC中构建三端电动汽车直流负荷互供系统仿真模型,三台区换流站均采用两电平电压源型换流器拓扑,交流滤波器采用二阶高通滤波器设计,系统主要仿真参数见附录A表A2,其中各台区的优化比例系数为5∶4∶4。

4.2 多端通信正常时的系统暂稳态运行特性

附录A图A7为各配电台区通信系统正常时,采用基于配电变压器容量比例及可用容量限额的下垂控制方法下的各台区有功功率波形。3.2 s时,电动汽车负荷接入台区三直流母线,各台区变压器输出功率相应增加,台区1输出功率从125 kW增加到250 kW,台区2和台区3输出功率相等,分别从100 kW增加到195 kW,优化下垂比例系统为5∶3.9∶3.9,基本保持最初优化下垂比例系数。配电变压器输出功率按优化比例系数分配突发性随机负荷,各台区按可用容量限值比例负荷互供,实现了各台区的负载率平衡;5 s时,电动汽车负荷切出,各配电台区变压器输出功率相应减小。附录A图A8为负载变化过程中各台区直流母线电压波形,在负荷功率变化瞬间,直流电压由于瞬时功率不平衡出现了一定范围的波动,但在直流电压控制的作用下,各台区的直流电压在0.1 s内均能迅速恢复稳定,与参考值偏差不超过2%,保证了负荷互供系统的稳定运行。仿真结果与预期控制目标相符,验证了在各台区通信系统正常情况下,直流电压—有功功率下垂控制方法能够保证基于直流组网的电动汽车配电台区负荷互供系统的正常稳定运行。

4.3 多端通信故障时的系统暂稳态运行特性

为了验证多个台区同时通信故障时控制方法的有效性,仿真工况为:台区1和台区2在3.5 s时同时发生通信系统故障,5 s时,台区3接入另一个电动汽车负荷。图3和图4分别为各台区的有功功率P1,P2,P3及直流电压Udc1,Udc2,Udc3波形。

图3 多端通信故障后互供系统有功功率波形Fig.3 Active power waveforms of mutual supply system after multi-terminal communication failure

图4 多端通信故障后互供系统直流电压波形Fig.4 DC voltage waveforms of mutual supply system after multi-terminal communication failure

由仿真波形发现,3.5 s时,两台区同时通信故障,各台区按其负荷的概率分布函数及随机因子给出功率指令信号,并根据直流电压波动调整随机因子,由于此时功率指令信号变化幅度较小,直流电压基本平稳而未发生较大波动,故未触发后备补偿控制。5 s时,另一电动汽车随机负荷接入后,由于瞬时功率变化幅值较大,各台区输出功率从优化下垂比例系数为5∶4∶4瞬间变化为5∶4∶16.8,三台区功率瞬间不平衡,故障台区直流电压发生较大幅度跌落,触发后备控制,故障台区控制系统根据跌落幅度进行随机因子调整,重新给出本地台区的功率指令值。可以看到,在5 s后各台区的功率随之爬升,台区1,2,3功率分别增加到250,170,225 kW,达到新的优化下垂比例系数5∶3.4∶4.5,而各台区直流母线电压在0.1 s内短暂跌落后恢复稳定。

图5和图6分别为多端通信故障后未使用后备补偿控制的各台区有功功率波形及直流电压波形。可以看出5 s时,瞬时功率陡升造成直流侧电压骤降,由800 V降至720 V,由于未采用后备补偿控制,潮流自然平衡,完全由未发生通信故障台区补偿功率偏差,明显不符合各台区当前的负载情况,直流电压超出稳定范围,不利于系统稳定。通过对比仿真,验证了本文提出控制方法在多个台区同时发生通信故障时,仍能在一定范围内均衡各台区负荷并维持直流电压稳定,实现系统在多台区通信故障下的稳定运行。

图5 多端通信故障后未使用后备补偿控制时的有功功率波形Fig.5 Active power waveforms without backup compensation control after multi-terminal communication failure

图6 多端通信故障后未使用后备补偿控制时的直流电压波形Fig.6 DC voltage waveforms without backup compensation control after multi-terminal communication failure

5 结语

本文提出一种基于随机因子及优化下垂的多端直流配电网控制策略,通过设计优化比例系数结合负荷潮流分布算法,并设计随机因子的补偿控制目标量,实现了有通信时各站基于比例系数的潮流优化控制。通信故障时系统有效持续运行并根据系统功率偏差实现补偿控制,通信正常/故障均能有效应对突发性直流负荷,保持直流配电网在不同工况下的系统稳定和动态平衡,实现各配电台区基于时间尺度的区域供电潮流优化。

近年来,配电网发展趋势呈现主动灵活性特征,以电动汽车为代表的多样化负荷给配电网的运行带来了新的挑战,本文提出的控制算法可为随机负荷接入配电网的运行控制提供借鉴思路。后续将进一步研究不同组网架构下的控制策略及通信速率对本文所提控制策略的影响,搭建试验模拟平台对控制算法进行验证优化。

本文得到南瑞集团科技项目“直流互联负荷转供关键技术研究”(524606176033)资助,特此感谢!

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。