面向主动配电网的源-网-荷-储新型能源协调控制技术研究

王 建，高 飞

（国网武威供电公司，甘肃 武威 733000）

0 引 言

当前，由于可持续发展的需要，我国正在积极进行能源供给侧结构性改革，能源种类逐渐从低质量向高质量改变，基于全新技术所产生的光伏发电和风能发电等新能源技术已经成为了我国能源安全质量提升的主要内容。但这些能源在接入电网之后经常会带来不同安全隐患，最常见的就是波动性，这会影响到电网运行的稳定性，无法有效满足民众在日常生活中对于电能的需要。在这一背景下，主动配电网技术（Active Distribution Network，ADN）应运而生[1]。该技术能够显著解决可再生能源应用在电网上所产生的通道瓶颈与复核消纳等问题，提升绿色能源利用率，在一定程度上促进新能源发展。

1 AND源网荷储系统架构

本文提出的“源网荷储”协调优化运行模型主要由电源、电网运行、电能负荷以及储能4个部分构成。所提出的模型在运行过程中主要是为了降低能耗，减少供电过程中污染气体排放，同时充分发挥用户与储能方面的重要作用。“源网荷储”协调优化系统架构如图1所示[2]。

图1 “源网荷储”协调优化系统架构

2 ADN分布式源储并网逆变器控制

当前，市面上常用的逆变器技术为正弦脉冲宽度调制（Sinusoidal Pulse-Width Modulation，SPWM）。这一技术电路结构较为精简，谐波含量较低，属于最常用的逆变器技术之一。逆变器控制技术的应用方向是控制分布式电源与储能系统接入配电网的过程与质量，能够实现交流直流电之间的逆变转换，还能强化分布式电源的综合性能，综合提升整体资源利用效率。本研究拟采用双环结构作为逆变器控制的主要技术，利用内环控制器的控制性能改善注入电网的电流质量，将外环控制器作为能源并网的核心设备，综合改善分布式电源的性能[3]。具体的控制模式如下所述。

2.1 分布式电源并网逆变器控制

本研究采用双环控制结构，内环采用基于dq0旋转坐标系的电流内环控制器，外环则采用基于PQ控制的外环控制器。

2.1.1 基于dq0旋转坐标系的电流内环控制器

基于dq0旋转坐标系的电流内环控制器结构如图2所示。

图2 基于dq0旋转坐标系的电流内环控制器结构

该设备的控制方程式可以总结为：

式中，id和iq表示有功电流值和无功电流值，均为实测值；idref和iqref为这两类电流对应的参考值；ud与uq对应两类电流的实测值，kp1、ki1、kp2以及ki2均为控制器的具体控制指标[4]。

2.1.2 基于PQ控制的外环控制器

基于PQ控制的电流外环控制器结构如图3所示。

图3 PQ外环控制器结构图

该设备的控制方程式可以总结为：

式中，Pgrid和Qgrid表示有功功率值和无功功率值，均为实测值；Pref和Qref为这两类功率对应的参考值；kp3、ki3、kp4以及ki4均为控制器的具体控制指标。

总而言之，DG并网逆变器控制能够利用调整参考值的方法调整控制器的输出功率，从而实现ADN分布式源储并网逆变器的控制。

2.2 储能系统并网逆变器控制

ESS是ADN结构的重要组成部分，同样采用内外环设备混合搭配的结构。其内环结构依然沿用基于dq0旋转坐标系的电流控制器，外环结构选用以V/f控制为中心的外环控制器，用以实现ESS的电路自动控制功能，充分发挥其功率吞吐能力，用以处理过多的电能，或为紧缺电能提供补充[5]。该模式可有效处理系统功率的不良波动，ESS逆变器控制结构的过程可量化为：

式中，Pgrid和Qgrid表示有功功率值和无功功率值，均为实测值；Pref和Qref为这两类功率对应的参考值；kp5、ki5、kp6、ki6、ki7、kp7、ki8以 及kp8均 为控 制器的具体控制指标[6]。

ESS结构采用的控制模块是基于V/f的外环控制器并网技术，能够实现并网逆变器的即时控制，从而把控功率输出。

3 ADN“源网荷储”协调控制模式设计

本研究设计的ADN“源网荷储”协调控制技术以分布式电源结构、ESS储能系统、可控负荷（Controllable Load，CL）以及主动配电网为联合结构，建立协调控制系统，通过这一配套模式提升电网结构的综合性能[7]。其主要功能包括以下几个方面。

3.1 ESS控制

前文所述的V/f结构可为储能系统提供配电网功率测试功能，通过V/f结构对电能的吞吐与控制功能，ESS控制效率与精度较高，能够将控制精度精确到毫秒级别[8]。但受限于ESS的容量，无法保持持续性释放电能的状态，需要与响应精度较低的分布式电源配合使用，因此需将ESS中存储的电能当做备用电源。本研究为ESS做了增容处理，通过提升ESS电能存储量的方式强化系统的故障处理能力。

3.2 DG控制

DG逆变器作为外环控制的主要结构，主要起到调整电路内有功与无功功率值的作用。由上文中的流程分析可知，DG逆变器可调整配电网的持续性功率输出状态，但有功无功功率的参考值响应速度较慢，响应时间的精度仅可控制到秒级[9]。本研究将ESS控制结构的吞吐功率与DG逆变器相结合，可以合理调整功率平衡，提升ADN分布式电源的整体性能。

3.3 CL控制

利用可控负荷的柔性调节效果抵消分布式能源中常见的间歇性波动，确保DG逆变器对能量波动的控制效果。本研究充分考虑了负荷与能源的波动性，将负荷总量调整至可控范围内。利用多重负荷消化的方式，配合协调分配算法进行负荷调整。

综上所述，ADN“源网荷储”协调控制技术在时间维度上使用ESS、DG以及CL技术形成协调与互补，将这几种技术联合在一起，构建“源网荷储”相互配合的模式，通过ESS实现响应速度较高的功率吞吐，抑制电网内的功率波动，优化配电网的功率结构。DG逆变器可实现应对功率波动、负荷波动以及设备故障等功能，与CL负荷控制体系一同调整响应速度，从而提升ADN的主动调整与控制能力，整体提升结构的综合性能[10]。

4 结 论

当前我国在进行可再生能源接入时，存在一系列能源消耗过大和电网稳定性较差的问题，在这一背景下，本文通过构建主动配电网“源网荷储”协调优化模型，对各个具体技术进行了细致分析，并将设计内容转化为流程图或数学模型，全面构建了“源网荷储”协作优化模式，希望能够在一定程度上促进我国电力调度企业的长期健康发展。