考虑分布式电源主体参与的主动配电网分布式控制方法综述

刘 洋，刘志伟，李立生，孙 勇，张世栋

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学电气与电子工程学院），湖北 武汉 430074）

0 引言

近年来，环境污染与能源危机逐渐加重，以风能、太阳能为代表的可再生能源成为电网领域未来的发展趋势［1-2］。大量基于可再生能源的分布式电源（Distributed Generation，DG）接入配电网，使得配电网的网络结构由传统的负荷侧单向网络结构变为源荷功率双向流动的多源网络结构，给配电网的运行与控制带来了严峻的挑战［3-4］。在此背景下，主动配电网的概念应运而生。CIGRE C6.11 工作组的工作报告中定义了主动配电网：能够综合控制分布式电源，灵活改变网络拓扑结构，以实现网络的经济稳定运行，具备主动控制和主动管理能力［5］。与传统配电网相比，主动配电网的网络拓扑更为灵活、控制方式更为多样、供电可靠性更高，因此研究主动配电网的运行控制策略具有重要意义。

随着分布式电源的比例不断提高，主动配电网的结构也越来越复杂，同时分布式电源受自然环境的影响较大，出力具有间歇性与波动性，严重影响主动配电网的功率平衡，提高了主动配电网的控制难度，因此，为实现主动配电网的稳定运行，亟须对主动配电网的控制策略进行研究。传统的集中式控制因其准确性高，常被用于主动配电网的控制中，但是集中控制响应时间慢，不利于实时调度，并且对中央控制器依赖性高，易受单点故障影响，可靠性较差［6］。

分布式控制可克服上述传统集中式控制的不足，在实现主动配电网内部自治的实时控制方面具有传输信息量小、可靠性高等优势［7］。国内外有诸多学者对此进行了研究，文献［8］建立了含高比例分布式电源的配电网分布式控制架构，采用一致性控制策略，实现了配电网的有功与无功的优化，提高了配电网的运行稳定性。文献［9］提出一种基于一致性算法的微电网分布式经济运行控制策略，通过基于边际成本的改进下垂控制，实现功率的经济分配，并通过离散一致性算法优化下垂控制的参考电压，实现了电网的经济运行。文献［10］针对主动配电网，提出了一种分布式控制方法来协调多个储能单元，通过控制储能单元的有功功率与无功功率，对系统电压和负载进行管理，实现了系统稳定自治。综上所述，分布式控制策略能够实现主动配电网中各分布式电源协同控制，控制效果好，是配电网控制领域研究的热点［11］。

对考虑分布式电源主体参与的主动配电网分布式控制方法进行综述，详细分析了主动配电网三种基本控制架构，并对其优缺点进行说明；针对分布式控制架构，详细分析了经典控制策略与一致性控制策略的基本原理与实现方法，为后续主动配电网控制策略的研究提供参考与借鉴。

1 主动配电网控制架构

在分布式电源大规模接入的主动配电网中，选择合理控制控制架构对于维持配电网稳定运行，提高电网运行经济性尤为重要。通常主动配电网的控制架构可分为三种：本地控制、集中控制与分布式控制［12］。

1.1 本地控制

本地控制也叫分散控制，即仅根据可控单元的本地电气信息对其输出功率进行就地控制。本地控制不需要设置控制中心并且不进行多个可控单元的协调控制，因此各可控单元间不需要通信，仅需要在各可控单元处装设本地控制器。由于没有通信通道，各可控单元能够根据本地信息迅速做出响应，实时维持配电网的功率平衡。

图1 展示了主动配电网本地控制架构。在本地控制中，本地控制器实时采集本地分布式电源的电压、频率等信息，控制其输出的有功功率与无功功率，以满足配电网稳定运行需求。由于各DG间不需要进行通信，仅利用其本地电气信息，大大提高了控制的可靠性，同时减小了通信费用。然而本地控制对本地控制器要求较高，当连接到配电网的分布式电源过多时，由于各类不同的可调节资源之间没有协调，该控制方法无法实现全网优化控制；其次由于没有通信系统，在主动配电网发生扰动后，其电压和频率的恢复速度较慢，系统稳定性难以保证。

图1 本地控制

1.2 集中控制

与本地控制不同，集中控制是在主动配电网中建立集群控制中心，并由集中控制中心对全网各可控资源的信息进行采集、统一处理计算，并将控制信号发送给各可控单元，实现整个主动配电网的协调控制。集中控制架构如图2 所示，在该控制架构下，集中控制器收集并处理主动配电网中所有分布式电源的电压、功率等信息，并生成控制信息，将其下发给各个分布式电源。该控制架构相当于在本地控制的基础上增加了一层二级控制，并且相较于本地控制，集中控制能够实现全网优化控制，促进主动配电网对可再生能源的消纳，降低系统网损，实现全网的经济运行。集中控制通常需要集中控制器与各分布式电源的本地控制器共同完成，集中控制器用于生成控制信号并将其下发给各分布式电源本地控制器，本地控制器接收到控制信号后调节各分布式电源的功率，从而实现对集中控制信号的响应。

图2 集中控制

集中控制通常需要采用一定的优化控制方法，实现主动配电网的全局优化控制。集中控制方法一般有以下两种：

1）基于控制逻辑的集中控制方法。

基于控制逻辑的集中控制方法即根据基本的电路理论与数学物理原理，分析相关电气量的变化特性，通过设置一定的控制逻辑，实现主动配电网稳定运行。例如：对于配电网的电压控制，一种较为简单的控制逻辑为当线路电压偏高时，通过控制分布式电源吸收无功功率以降低电压，而当线路电压偏低时，可控制分布式电源发出无功功率以提高电压。

基于控制逻辑的集中控制方法在原理上易于理解，实现起来简单、容易，系统计算量较小，同时控制效果良好，被广泛用于简单的配电网控制中。然而，随着主动配电中的分布式电源越来越多，系统的结构越来越复杂，主动配电网的控制需求也越来越高。此时，控制逻辑需要综合考虑系统电压、频率、网损等多类型控制目标，实现难度大大增加。在此背景下，此种控制方法将不再适用，通常采用基于优化算法的控制策略。

2）基于优化计算的集中控制方法。

基于优化计算的集中控制方法即是通过建立主动配电网相关数学模型，将其转化为数学规划问题，并通过一定的优化算法，实现目标函数的最优求解。该控制方法可以随时调整主动配电网的控制目标，控制灵活，能够实现多目标优化控制。相较于基于控制逻辑的控制方法，该控制策略更为简便，适用于高比例分布式电源接入的主动配电网多目标控制。

集中控制能够实现主动配电网的全局优化控制，提高运行的稳定性与经济性。然而，集中控制仍然存在以下缺点：

主动配电网中每一个可控单元均需要与集中控制器建立通信联系，并且对通信实时性与准确性的要求较高，其运行可靠性与实用性相对较差；

集中控制器需要收集全网的电气信息，并在每个时间间隔内计算出全局最优解，因而所需处理的数据量较多，计算压力较大，同时还可能出现控制量不收敛的情况，对集中控制器的计算能力与求解算法有较高要求；

集中控制的扩展性较差，其控制的可靠性会随着主动配电网中可控单元的数目增多而降低，并且难以实现可控单元的“即插即用”。

随着主动配电网中可调节资源越来越多，集中控制与可控资源间的数据交互量越来越大，可控资源的控制策略越来越灵活，传统的集中式控制方法难以实现对各可调节资源灵活、有效、实时的控制。

1.3 分布式控制

分布式控制是在本地控制与集中控制的基础上建立起来的，分布式控制一般将主动配电网按一定规则划分成多个子区域，通过各子区域的内部自治控制和各子区域之间的协调控制，实现对整个网络的优化运行。分布式控制摆脱了对中央控制器的依赖，各可控资源不需要向中央控制器发送信息或接受其控制信号，仅需与相邻单元交互信息，以此实现全局最优控制，极大地减少了通信与计算压力，进而提高了主动配电网的运行可靠性与实用性。分布式控制综合了本地控制和集中控制的优点，在实现全网优化控制的同时，减小了数据通信，可靠性较高，并且在多代理技术［13］的支持下，已广泛用于主动配电网协调控制中。

目前主动配电网的分布式控制可根据是否有集中控制器分为两种：具有集中控制器的分布式控制策略与完全分布式控制策略。具有集中控制器的分布式控制中每个可控单元除了与相邻单位交互通信外，还与其所在的区域集中控制器传递信息，以实现全局优化，而完全分布式控制中，每个可控单元仅仅与相邻单元进行通信，通过一致性算法实现全局最优化。

图3 展示了具有集中控制器的分布式控制。DG1 与DG2 相当于一个自治区域，其中DG1 与DG2能够相互交互信息，并且能够接收分布式控制器的控制信号，实现区域优化控制。同时DG2 还可以与其他区域中的DG 进行通信，通过一定的优化算法，实现各区域间的协同。

图3 分布式控制

进一步地，图3中的通信网络拓扑可用矩阵X表示为

式中：xyz可取0或1，y=0，1，…，n，z=0，1，…，n。当y、z不为0 时，xyz=1 表示第y个DG 与可以接收第z个DG的信号；当y、z为0 时，xy0=1 表示当第y个DG 可以接收分布式控制器的信号，x0z=1 表示分布式控制器可以接收第z个DG的信号。

该通信网络矩阵可以统一表示上述三种控制架构。当矩阵X的对角元素为1，其余元素为0 时，表示为本地控制模式，即各可控资源仅接收本地信息，与其他单元不进行通信；当矩阵X的第一列、第一行以及对角元素为1，其余元素为0 时，表示集中控制模式，即电网中各可控单元均可与集中控制器通信，受集中控制器控制；当矩阵X的元素为其他情况时，表示分布式控制模式。因此相对于前两种控制模式，分布式控制更为灵活，其控制方式更加多样。

在分布式控制中，各区域内部只需要获取本区域的信息，采用一定的控制策略实现区域内部自治，各区域之间能够相互交互信息，以实现区域间的协调控制。因此，分布式控制具有控制方式灵活、控制速度快、控制策略多样、可靠性高等特点，能够实现全网的优化控制，适应于未来主动配电网的发展需求。然而目前在实际应用中，分布式控制仍然具有一定的局限性：分布式优化算法及其协调流程一般较复杂；分布式控制存在算法收敛性的问题，目前在实际工程中还较难实施。因此，对于主动配电网分布式控制策略有待进行进一步的研究。

2 主动配电网分布式控制策略

2.1 基于经典控制的控制策略

经典控制主要是通过传统PI 控制等控制方法，按照一定规则调节被控对象的运行状态，从而达到系统的控制目标。这类控制方法通常用于电力系统的安全稳定运行中。常见的控制策略有PQ 控制、V/F 控制以及下垂控制［14］。在主动配电网中，下垂控制的应用更为广泛。传统下垂控制主要根据分布式电源有功-频率、无功-电压呈线性关系，实时调整频率与电压来控制分布式电源的有功与无功输出，从而实现功率在各分布式电源合理分配［15］。通过下垂控制，分布式电源能够根据电网的状态信息自动调节自身功率，以维持电网的稳定运行，不需要额外的通信，实现其“即插即用”的功能。下垂控制策略提高了主动配电网的自治性，被广泛用于主动配电网分布式控制策略中。下垂控制的基本原理如图4所示。

图4 下垂控制

将采集到的功率等信息通过下垂控制方程得到参考电压，经过电压电流双闭环控制后，生成PWM控制信号，从而实现对可控资源功率的控制，下垂控制方程为：

式中：kf与kv分别为频率下垂系数与电压下垂系数；f0与U0分别为额定频率与额定电压；P0与Q0分别为分布式电源的额定有功功率与无功功率。

文献［16］在低压微电网中提出了基于自适应虚拟阻抗的分布式功率控制策略。如图5 所示，即在传统下垂控制策略的基础上，设置了可变虚拟阻抗，通过与相邻节点进行通信，获取有功功率信息，进而调节虚拟阻抗的大小，实现了有功功率在各分布式电源间的合理分配。

图5 基于自适应虚拟阻抗的分布式控制策略

随着配电网的结构越来越复杂，其运行需求越来越高。为满足主动配电网的经济稳定运行需求，常常需要通过一定的优化算法对其进行全局优化。此时，经典控制策略则用于实现主动配电网对其最优运行状态的无差跟踪。同时，经典控制策略通常还用于平抑主动配电网全局优化下的功率波动，提高优化控制策略的稳定性。

经典控制策略作为一种基础控制手段，其发展成熟、实现方式简单、响应快速，广泛应用于主动配电网的控制中。然而，由于经典控制策略不具有全局优化能力，一般需要结合一定的优化控制算法，以该算法求得的最优值为目标对系统进行调节。

2.2 基于一致性算法的控制策略

随着多代理技术在各领域中广泛应用，基于多代理机制的一致性控制方法受到了极大的关注［17-18］。目前，一致性控制方法已在聚合控制、群集控制、协调控制、网络估计以及小世界网络等方面取得了广泛的研究与应用。在经典控制策略的基础上，构造一致性控制算法，能够实现主动配电网全局迅速稳定，提高系统运行可靠性。

2.2.1 一致性算法原理

一致性算法的主要思想是通过网络中各个体与其邻接个体间的信息交互，根据一定的迭代控制策略，使得所有个体的一致性变量趋于一致。一致性算法可通过图论与一致性理论来论述。

1）图论概述。

在主动配电网分布式控制架构下，各可调节资源间可以相互通信，构成分布式通信网络。此通信网络可用图论中的有向图来表征。在分布式控制系统中，假设存在n个可控单元，可用A=A{Ai|i∈τ} 来表示系统中的可控单元，其中τ={1，2，3，…，n} 。相应地，该系统的加权有向图可表示为G=(V，E)，其中V={v1，v2，…，vn} 表示该分布式系统的点集，E ={e1，e2，…，em} ∈V×V表示邻接节点组成的边集，边（ei，e）j表示节点i可以接收节点j的信息。

图G的邻接矩阵A(G)=[aij]∈Rn×n为n×n阶矩阵，其对角线元素为零，非对角线元素aij表示边权重，对于边（ei，e）j，有aij＞0，而当节点i不能接收节点j的信息时，aij=0。因此可用Ni={j|(ei，ej)∈E} 表示节点i的邻接节点集合。图G的内度矩阵为D(G)=diag(d1，d2，…，dn)，其中，di表示节点vi的度，则图G的拉普拉斯矩阵为L（G）=D（G）-A（G）=［lij］，其中

2）一致性理论。

一致性理论的本质是一种信息交互规则，各节点根据迭代控制策略更新自身的状态变量，使得全网各节点的状态变量趋于稳定的共同值。在主动配电网分布式控制架构下，各可控单元的状态变量可根据不同的控制目标来选定，如节点电压、系统频率、机组微增率等。

一致性理论可分为连续一致性理论与离散一致性理论，基本一阶连续时间一致性算法可表示为

式中：xi(t)为节点i的状态变量；(t)为节点i的状态变化量。

对于离散系统，离散时间一致性算法可表示为

式（6）可进一步表示为

写成矩阵形式为

式中：X(k)=[x1(k)，x2(k)，…，xn(k)]；D(k)=[dij]为状态转移矩阵。

根据式（5）或式（6）所设计的一致性协议，各节点的状态变量根据其邻接节点的信息反复迭代更新，最终使得所有节点的状态变量趋于一致，达到

综上所述，一致性算法通过某种一致性机制，对一致性变量连续迭代，从而使得系统的状态变量收敛至一致值。针对系统的不同要求，则需要选择不同的一致性协议与控制目标，而不同的一致性协议代表了各可控资源间不同的信息交互规则，影响系统的收敛方向与速度等，因此对一致性协议的分析与设计一直是研究的重点。

2.2.2 主动配电网一致性控制策略

图6 是文献［19］所设计的基于离散一致性算法的主动配电网分布式控制结构。其中，每个DG相当于一个独立的代理，各代理根据本地信息计算一致性状态变量，并根据系统的通信网络拓扑计算出对应的拉普拉斯矩阵与状态转移矩阵，然后根据一致性协议对一致性变量反复迭代更新，直至满足收敛判据，实现全网优化控制。文献［19］将基于下垂控制的频率控制策略与一致性算法结合，设置频率与电压作为一致性变量，实现了全网的完全分布式控制，提高了源荷经济效益。

图6 基于一致性算法的主动配电网

一致性控制策略由于其计算效率高、可靠性高、响应速度快等优点，被广泛用于主动配电网分布式控制中，是未来主动配电网分布式控制策略研究的趋势。

3 结语

随着分布式电源的渗透率增加，选择合适的控制方法对于维持主动配电网稳定运行，提高运行经济性具有重要意义。对考虑分布式电源主体参与的主动配电网分布式控制方法进行综述，通过与传统本地控制、集中式控制的系统结构与实现方式进行比较，指出了分布式控制的优势与适用性；并在已有研究基础上，分析了现有的主动配电网分布式控制方法，详细介绍了基于经典控制与基于一致性算法的主动配电网分布式控制原理与控制流程，对未来主动配电网的控制进行了展望。