直流配电网络运行优化研究

陈忠

（广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635）

0 前言

风力发电和光伏发电都具有随机性、间歇性和波动性的特点，其上网会给大电网的安全稳定运行带来很大的威胁[1-2]，同时由于其分散性和容量小，导致传统电网对新能源的消纳能力低。为了解决这些问题，目前主要结合储能系统形成交流微网为负荷供电[3]，实现了分布式电源的安全并网，平滑分布式电源的波动。但是光伏电池、超级电容、蓄电池等输出的都是直流电，而且输出电压低，为了并入交流微网，需要经过DC/DC 和DC/AC两个换流器环节，同时直流负荷率逐渐增大，在换流器造价不低的情形下，交流微网的发展具有一定的局限性。另一种消纳新能源的方式——直流配电网则突破上述局限性应运而生。

直流配电网安全稳定地为负荷供电的前提是分布式电源、储能系统以及交直流（AC/DC）换流站各端口之间协调运行，保证配电网电压稳定。鉴于电力电子器件的灵活性和可控性好的优势，直流配电网各端口均会设置相应的控制策略，文献[4-7]详细研究了风力发电、光伏发电、蓄电池储能以及交直流换流站各端口可采取的控制策略，并初步探究了各端口之间各种控制策略的不同组合方式适用的供电情形。不难发现，基于端口的可控性，传统的自然分布性潮流变成了可控型潮流，仅将直流配电网的节点简一地归纳为P节点和V节点[8]，不能准确地反映控制性端口的输出特性。同时文献[4-7]中换流站端口下垂控制和稳压控制的参数设定只是基于经验设计，并没有利用科学可靠的方法设定这些参数值。而且，到目前为止，关于直流配电网的网络运行问题的研究还极少。

为此，本文全面总结了分布式电源、储能系统以及交直流（AC/DC）换流站以及负荷等端口的输出模型，然后以这些模型为基础对直流配电网进行网络分析，形成多端可控型直流配电网稳态问题研究基础。进而在此网络分析的基础上建立以网络损耗最小为目标，以端口控制策略的参数值为控制变量的优化模型。案列结果验证了本文所提出的端口建模、网络分析与优化模型的准确性和可行性。

1 直流配电各端口建模

由于直流配电系统中每个元器件都是经过换流器（AC/DC或者 DC/DC）连接到直流母线，本文从端口的角度来处理每个单元。一个典型的直流配电网包括风、光、储和AC/DC换流站以及交直流负荷这五种不同性质的端口，下面从端口控制策略的角度分析各端口的网络模型，为直流配电网络分析做铺垫。

1.1 AC/DC换流站

常用的三相桥式双向变换器的拓扑结构如图1所示。

图1 双向变换器拓扑

功率开关元件G1、G2、G3、G4、G5、G6采用PWM脉冲调制，由于IGBT等开关元件的可控性强、调节频率高，每个AC/DC双向换流器都会自带控制策略，以此保证直流配电网的功率平衡和直流电压稳定。目前常用的控制策略有以下三种：

1）定功率控制：根据上级调度确定双向AC/DC换流器的输送功率P，如果交流电网给直流电网提供有功功率，则P为正，如果直流配电网向交流电网输送功率，则P为负。此控制策略下，该换流器表明在某个时间尺度下，双向AC/DC换流器为直流配电网提供恒定的功率P（P可正可负）。

2）定电压控制：控制系统利用电压反馈调节，设置双向AC/DC换流器母线电压参考值U0，利用线性控制如PID等，或者非线性控制如滞环电流控制等调节PWM的占空比，进而使直流母线电压稳定在U0左右。此控制策略使得该换流站相当于一个平衡节点。

3）下垂控制：通过设计控制系统的控制环节，实现。

图2 下垂关系曲线

其中：Uref为母线电压阈值，K为下垂系数，U和I为端口电压和电流。

1.2 储能

直流配电网的储能装置一般采用蓄电池、超级电容这种输出为直流形式的储能形式，其简单结构图如下图。

图3 蓄电池简单结构

即蓄电池输出直流电经双向DC/DC换流器装置连接到直流母线上，分为充电和放电两种状态，当前储电量用荷电状态SOC表示，SOC为0表明蓄电池没电，SOC为1表明蓄电池充满，主要以下几种控制策略：

1）限流充电：指以恒定功率充电，最常见的情况是联网运行时以额定功率充电以备孤岛之需。

2）限流放电：指以恒定电流放电，最常见的情况是孤岛运行时以额定电流放电为负荷供电。

3）下垂充电：按U-I下垂特性，如式1和图1所示，实现蓄电池的充电，一般是在利用储能作为电压调节器时使用。

4）下垂放电：按U-I下垂特性实现蓄电池的充电，和下垂充电策略类似，只是端口电流是流入储能端口，电流符号为负。

1.3 光伏和风电

光伏作为新能源，通常都是以最大功率输出，以此实现新能源利用率高、低碳的目标。然而，孤岛时，若分布式电源的输出功率大于负荷和蓄电池的充电功率，此时需要采取定电压控制策略，即控制输出功率以实现端口母线电压的恒定。

负荷端口从直流母线吸收功率集中为交流负荷和直流负荷供电，交流负荷通过DC/AC变换器从直流母线获取电能，直流负荷经DC/DC接入直流母线或者即插即用。主要以恒功率消耗电能，不过也不排除有一些非线性负荷的功率P随U变化敏感，即P=f(U)。

2 直流配电网络分析

在第1结中分析的每个端口并入直流母线，与直流母线联接点我们称为节点，从各端口的网络模型来看有以下几种节点：

1）P节点

P节点即从直流配电网吸收恒定的功率。

2）U节点

相当于平衡节点，电压恒定。

3）P=f(U)型节点

对于下垂控制的端口，如式（1）所示，利用I=P/U带入式（1）得：

此外，对于某些非线性负荷可以根据负荷P-U曲线进行二次拟合，可以得到功率P和电压U的二次关系：

其中，a，b，c为静态负荷系数。

设直流配电网络总节点数为n，利用节点电压法列写方程如下：

上式也可以写成展开的形式：

式中，Ii为节点i的注入电流，Uj为节点j的节点电压，Yij为节点导纳元素；

式（5）两端乘以Ui，得：

式中：Pi为节点i的注入功率。

除了平衡节点外，还有P节点和P=f（U）型节点，而P节点可以看成特殊的P=f（U）型节点，即a=b=0，联立（3）（6）式得：

利用牛顿法求解，得到修正方程式：

式（8）中雅克比矩阵的各元素是通过式（7）进行偏微分计算得到，其表达式为：

3 直流配电网运行优化模型

3.1 运行优化模型

直流配电网的调度层根据风光荷的日前预测信息决定每个时段风电和光伏的输出功率和每个时段直流配电网的平衡单元。直流配电网运行优化的目的在于以最优的方式分配每个时段功率的流动，达到线路损耗最低，线损最低也意味着在相同负荷水平下新能源的利用效率最高。优化目标用公式表示为：

式中，Rij为节点i和节点j间的线路电阻。

从第2节的网络分析，可以看出待优化变量可分为两种：1）恒压模式下电压参考值U0；2）下垂控制模式下电压阈值Uref和下垂系数k。目标函数的变量Ui是因变量，在不同的组合下，各节点电压Ui也随着发生变化。

需要满足的约束条件如下：

1）AC/DC换流站的功率传输限制

式中：Pjmin,Pjmax分别为换流站节点j的最小和最大传输功率，Pj为换流站j的传输功率，可正可负，若Pj为正说明直流配电网从交流系统吸收功率时，反之，直流配电网向交流系统输送功率。

2）功率平衡约束方程

3）节点电压限制

式中：Uimin为节点i允许的最小电压和最大电压。

4）蓄电池荷电状态约束

为了保证蓄电池的使用寿命，当其荷电状态SOC＜40%时停止放电，当其SOC＞90%时停止充电。

5）下垂控制端口的下垂系数和电压阈值约束

式中：ki为端口i采取下垂控制时其下垂系数，kimin，kimax为下垂系数的上下限为端口i采取下垂控制时的电压阈值为电压阈值的上下限。

6）恒压控制端口的电压参考值约束

式中；U0i为端口i的恒压参考值。U0i,min,U0i,max为恒压参考值的上下限。

3.2 模型求解

对于本文所建立的这种非线性多约束优化问题，目前已有很多优化求解算法，不论是非线性规划法还是内点法，以及近几年时新的智能算法都可以用于求解本文的优化模型，本文采用了粒子群算法，在此不赘述其原理。

4 实例分析

4.1 案例参数

以一六端口直流配电网为例，如图4所示。采用2000V直流母线，其中1为风电端口，2为光伏端口，3为集中负荷和储能并联端口，储能SOC当前为50%，4和5为AC/DC换流站端口，6为直流配电端口。直流配电网的配电线路单位长度电阻为0.3Ω/km。

图4 六端口直流配网图

联网运行时，各端口采取的控制策略见表1，取基准值UB=2000V，PB=10kW，RB=400。

表1 各端口控制策略

待优化变量为端口4的恒压参考值U0，端口5的电压阈值Uref和下垂系数k，写成组合的形式为[U0Urefk]。

图5 各节点电压

4.2 结果分析

对直流配电网的实时运行是可行且必要的，一方面能够保证直流配电网运行各端口运行在可行状态条件下；另一方面能够最小化直流配电网的网损，相当于高效地利用了新能源。

5 结束语

直流配电网络特征明显，各端口均采取相应的控制策略，以实现分散自律并集中为负荷供电。为此，基于控制策略的网络分析能够更好的反映直流配电网的实际运行情况，为后续直流配电网相关研究提供了精确的潮流网络模型。然后本文还提出了适宜于直流配电网的运行优化模型，通过求解优化模型可以得到直流配电网的运行最优控制参数，满足系统运行所需条件，直流配电网的网损达到最小，新能源能够得到最高效的利用，为各端口控制策略提供了参数设计优化方案。