交直流混联配用电系统多模式减排调控策略

李 静，杨鹏程，韦 巍，蔡宏达

（1. 浙大城市学院信息与电气工程学院,浙江省 杭州市 310015；2. 浙江大学电气工程学院,浙江省 杭州市 310027）

0 引言

2020 年9 月22 日,中国在联合国大会上正式提出“双碳”目标。根据国际能源署统计数据,发电和产热环节产生的碳排放占现有全球碳排放总量的41.7%,面临巨大减排压力［1］。在发电环节发展新能源发电、减小传统化石能源发电占比是目前比较成熟且成本可控的减碳方案,承载着能源领域率先实现碳达峰乃至碳中和的期望［2］。

新能源发电由于受地质、环境的影响,规划时需要因地制宜,适宜采用分布式发电的方式［3］。目前分布式电源（DG）,如光伏、燃料电池、储能等均呈现直流特性,接入现有交流电网时需要经过一级逆变环节,其他如风机、微/小型燃气轮机等DG 则需要先整流再逆变的两级变流环节才能实现并网［4］,可见采用直流方式组网可减少一级源侧的逆变环节。另一方面,现代生活中的负荷如发光二极管（LED）、充电桩、信息技术（IT）设备、5G 基站以及冰箱、空调等变频负荷采用直流方式供电可显著提高能效水平。综上可知,在兼容分布式电源和负荷方面,直流系统由于减少了交直流间的变流环节,在能效水平、系统成本以及综合可靠性方面更具优势［5-6］。鉴于此,国内外开展了广泛探讨并逐步验证了直流配用电技术,取得了一系列研究成果和实践经验［7-9］。但考虑到交流主网规模庞大并将长期占据主导地位以及目前中压直流变流设备的明显成本劣势,交直流混联将是未来供电系统的发展趋势,其中低压侧采用直流配电、中压侧仍采用交流配电是改造成本较小、节能减排显著的配用电方案［10］。

减排调控最早用于多机组的发电调度。首先,评估发电过程的碳排放,并将其作为罚金计入总发电 成 本［11］。进 而,利 用 混 合 整 数 规 划［12］、遗 传 算法［13］等优化算法求解各机组的经济最优出力,间接实现减排［14］。伴随着减排需求愈发迫切,碳排放量逐渐由之前的发电成本考量因素变为硬性的绩效指标。在此背景下,引入碳排放权交易机制［15-16］,通过直接竞标排放权的方式倒逼发电机组主动提效减排［17］。以上减排调控措施主要针对中大型集中式发电机组,应用于DG 大量接入且分散分布的交直流混联配用电系统时,需要搭建庞大的集中式通信网络以获取全体DG 的排放信息并辅助较强的算力优化求解,不利于DG 的即插即用,且存在单点故障风险。分散式调控（如下垂控制［18］、虚拟同步控制［19］等）不依赖于通信,可较好地满足DG 即插即用的需求,且无须构建集中式通信网络,减小了系统搭建成本。然而分散式调控结构简单,实现功能往往较为单一,难以同时满足综合调控以及减排需求。综上可见,针对大量DG 接入的中低压交直流混联配用电系统,其节能减排调控方案有待进一步完善。

本文从提升配电网对直流源荷的接纳能力、优化DG 出力以节能减排的目标出发,将交流配电网低压侧改为直流配电,并通过交直流换流器并入中压交流侧,形成低压直流-中压交流的混合配用电系统,并提出一种低压分散式-中压集中式的分层调控与自适应减排框架,具体包含：1）针对低压直流侧的各个DG,提出计及度电碳排放的分散式功率优化与减排控制,不依赖通信便可对其出力自动优化并最小化直流系统碳排放量；2）针对交直流换流器,设置直接功率控制、最优自适应减排和限额碳排放3 种运行模式,并设计相应模式下的控制拓扑以及模式无缝切换策略。此外,本文在MATLAB/Simulink 平台搭建了交直流混联配用电系统,并对所提策略进行了仿真分析,验证了其有效性。

1 交直流混联配用电系统分层调控框架与碳排放模型

1.1 交直流混联配用电系统分层调控框架

现有的配用电系统缺乏对即插即用设备的有效监控,因而难以对广泛接入的DG 进行点对点有效调控,极易形成信息孤岛。为此,本文针对交直流混联配用电系统的结构特征,设计了一种低压直流分散式-中压交流集中式的分层调控框架,如图1 所示。其中,大量DG 和负荷就地接入多个低压直流系统,低压直流侧通过交直流换流器与交流节点连接,组成交直流混联系统。合理分配接入混联系统中每个DG 的出力,减小系统的总碳排放（total carbon emission,TCE）是本文的目标。

图1 交直流混联配用电系统分层调控框架Fig.1 Framework of hierarchical regulation and control for hybrid AC/DC power distribution and consumption system

不需要搭建调控系统到每个DG 的点对点庞大通信网络,图1 中上层的减排综合调控系统仅需获取交直流换流器的关键信息便可推断所在直流侧接入的所有DG 出力以及碳排放等信息,从而间接获取全局信息。基于此,减排综合调控系统通过全局优化算法求解出每个交流节点的功率以及碳排放控制策略。同时,调控系统也只需要将策略指令下发至各个交流节点所在的交直流换流器,通过分散式控制,交直流换流器可不依赖于通信调控所在直流侧DG 的出力以及碳排放,最终实现系统的全局优化与减排。本文使用的分层调控框架极大简化了上层通信网络的规模,下层分散式控制的引入便于DG 的即插即用,降低了通信故障对DG 的影响,提高了系统的鲁棒性。

1.2 交直流混联配用电系统碳排放模型

交直流混联配用电系统的碳排放主要由其接入的DG 发电环节产生,而DG 的碳排放量与其种类和出力大小有关。对于风机、光伏等可再生能源DG,发电时并不产生碳排放；对于微/小型燃气轮机、柴油发电机、燃料电池等依赖于化石能源发电的DG,其碳排放直接与其燃料消耗量相关,而其燃料消耗可表示为出力的二次函数,因此该类DG 的碳排放与出力的关系一般可表示为：

式中：P为DG 的有功出力；E(P)为DG 的碳排放；a、b、c为碳排放系数,可由燃料消耗系数推导得出,如表1 所示。

表1 DG 的碳排放系数Table 1 Carbon emission coefficients of DG

对于接入M个产生碳排放DG 的低压直流系统,其总碳排放可表示为：

式中：Ei(Pi)为DGi出力为Pi时对应的碳排放。

同时低压直流系统须满足功率平衡约束,可表示为：

式中：P和P分别为DGi出力的上、下限；Pdc为交直流换流器的功率,以流入直流侧为正；P和P分别为交直流换流器功率的上、下限；PL为低压直流系统的负荷功率。

当交直流混联系统中同时接入多个低压直流系统,则总碳排放为各个低压直流系统之和,且均须满足以上功率约束。

2 低压直流侧功率优化与减排策略

低压直流侧将接入大量DG 和负荷,是交直流混联配用电系统的重要组成部分,优化其中各个DG 的出力以及与中压交流侧的互动功率是减少混联系统碳排放的关键。本章首先研究DG 的功率优化与减排调控策略,并设计了相应的控制拓扑。

电力系统中常使用等微增率准则判断多台机组发电时,总发电成本是否达到最小,其定义如下：当机组的出力未达到上限时,若它们的微增率相等,则此时所有机组出力的总成本最小［20］。该准则由拉格朗日乘数法推导,在本文中推广并作为碳排放总量是否达到最小值的判断依据。取式（1）中DG 的碳排放对出力的微分dE(P)/dP作为DG 碳排放的微增率,即度电碳排放,用函数ψ(P)可表示为：

在集中式控制中利用通信网络获取各个DG 的出力以及度电碳排放,然后调控各个DG 的出力,使其度电碳排放相等,最终可实现总碳排放最小。不同于此类集中式控制,本章将讨论不依赖于通信的分散式功率优化调控策略,使度电碳排放相等,进而最小化总碳排放。

对于低压直流配用电系统,传统直流电压-功率下垂控制常被用于多个DG 之间分散式功率分担。下垂控制和下垂系数可表示为：

式中：V为DGi的参考输出直流电压；V和V分别为直流电压的上、下限；mi为DGi的下垂系数。

在低压直流系统中,线路阻抗会导致电压偏差,进而影响功率分担。与下垂控制引入的压降相比,线路阻抗导致的压降很小,可以忽略［21］。因此,在稳态下所有DG 的直流电压可视为相等,即V*dc,i相等。根据式（7）和式（8）可知,稳态下各DG 的有功功率分担将与各DG 的容量成正比,从而实现按容量的分散式功率等比分担。为了实现碳排放的最优分配,根据等微增率准则,度电碳排放相等时,总碳排放最小。结合下垂控制的分散式特性,并引入DGi的度电碳排放函数ψi(Pi),设计考虑度电碳排放的分散式减排控制,表示为：

式中：ψmin为低压直流系统中所有DG 度电碳排放的最小下限；n为度电碳排放系数。

不同于传统下垂控制中下垂系数与DG 的容量相关,下垂系数各不相同,分散式减排控制旨在调控各DG 的度电碳排放,使稳态下所有DG 的度电碳排放保持相等,因此,需将接入同一低压直流侧中所有DG 的度电碳排放系数n设为相等。对同一低压直流系统中每个DG,V、n和ψmin均设为相等,稳态下每个DG 的端口电压相等,根据式（9）可知,每个DG 的度电碳排放ψi(Pi)在稳态下将会保持相等,满足减排运行条件,此时该低压直流系统在当前总出力下,其碳排放将达到最小。为了使该控制下每个DG 的输出直流电压处于直流电压允许范围内,设计系数为直流电压允许范围和接入DG 的度电碳排放范围之比：

式中：ψmax为低压直流系统中所有DG 度电碳排放的最大上限。

对于表1 所示的6 个DG,采用提出的分散式减排控制,不同直流电压下DG 的出力以及对应的度电碳排放情况如图2 所示,可见不同于下垂控制中的按容量等比分担功率,分散式减排控制将依据其度电碳排放大小分担功率,度电碳排放低的DG 将优先出力,度电碳排放高的DG 则减少出力,使得DG 的度电碳排放彼此相等,从而减少总碳排放。

图2 分散式减排控制下DG 的功率分担Fig.2 Power output distribution of DGs with decentralized emission reduction control

DG 分散式减排控制的拓扑见附录A 图A1。该控制下DG 仅需采集本地出口侧的电压电流信号,不依赖其他DG 的通信,便可自适应地调控其出力,使其度电碳排放与其他DG 相等,从而最小化直流系统的总碳排放。

3 交直流换流器多模式运行与无缝切换

交直流换流器连接中压交流侧和低压直流侧,是交直流混联配用电系统的关键调控设备,综合调度系统通过上层集中式通信网络获取交直流换流器的关键数据如直流侧电压,根据式（9）建立的直流电压和度电碳排放的线性耦合关系,可获知直流系统内DG 的度电碳排放,再代入DG 的碳排放函数,可进一步求得DG 的出力以及碳排放。获知所有DG碳排放以及出力的全局信息后,综合调度系统便可进行系统级的统筹减排与运行优化,并下发至交直流换流器执行。

为了响应综合调度系统多样化的调控需求,针对交直流换流器,设计直接功率控制、自适应最优减排控制以及碳排放限额控制3 种控制模式,设计交直流换流器多模式运行与模式切换控制器如图3 所示。控制器采集交流侧出口三相电压Vabc、三相电流Iabc、直流侧出口电压Vdc和电流Idc,并生成脉宽调制信号控制换流器开关导通或关断,其中各种模式的适用场景以及控制方式详述如下。

图3 交直流换流器多模式运行与切换控制拓扑Fig.3 Topology of multi-mode operation and switch control for AC/DC converter

1）直接功率控制模式

为满足混联系统的交流节点电压幅值、网损以及紧急情况下安全运行等约束,综合调度系统往往需要直接调控各交流节点的注入功率。针对此类运行场景,综合调控系统可直接向各节点对应的交直流换流器下发功率指令,交直流换流器在收到功率指令后,经过功率控制外环转化为直流电压指令,再经由直流电压控制内环实现对节点功率的调控。其中,直流电压指令可由比例-积分（proportionalintegral,PI）控制器产生,表示为：

式中：V为交直流换流器的直流电压指令；kp和ki分别为PI 控制器的比例参数和积分参数；Pref为综合调度系统下发的功率指令,以流入直流侧为正方向。同时,交直流换流器还可同时响应调度系统下发的无功功率指令,配合有功调控共同实现节点电压校正、潮流优化等功能。

2）自适应最优减排模式

若调控系统给每个交直流换流器下发相同的度电碳排放指令,则可促进度电碳排放更低的直流系统优先发电上网,同时度电碳排放更高的直流系统减少发电,进而促使交直流混联系统实现系统级碳减排自适应调控。在此模式下,交直流换流器需要具备响应综合调度系统下发的度电碳排放指令ψref的能力,仿照式（9）中度电碳排放和直流电压的耦合关系,并采用和DG 相同的参数n和ψmin,设置交直流换流器的额定输出电压为：

采用与功率模式中相同的直流电压内环控制器可实现额定电压输出,可使得换流器所在直流系统中DG 的度电碳排放达到指令ψref。若给所有交直流换流器下发指令ψref,则稳态下交直流混联系统中所有DG 的度电碳排放均将达到ψref,交直流混联系统可实现自适应最优减排。

同时,交直流换流器也可实现定电压控制,仅需直接调控图3 中换流器直流电压控制内环的额定参考电压V*dc,换流器便可实现所在直流系统的定电压运行,此时接入DG 的端口电压将被直流系统电压钳位,DG 将以恒定功率输出。由于同一直流系统内所有DG 采用相同的参数n和ψmin,因此定电压控制下该直流系统内DG 的度电碳排放彼此保持相等,但与其他直流系统中DG 的度电碳排放不一致,此时交直流混联系统无法达到整体最小碳排放。

3）碳排放限额模式

在碳交易体系中,往往会对总碳排放的额度提前设定。在交直流混联系统中,其总碳排放为各节点所接入DG 的碳排放之和,而如果直接约束每个DG 的碳排放则需要建立系统到每个DG 的通信网络,过于复杂,也不利于DG 的即插即用。因此,本文将系统的碳排放总额度拆分至各直流系统实现,因而碳排放额度指令仅需下达各节点处的交直流换流器,再经由交直流换流器分散式调控各DG 的出力完成限额排放,从而避免了指令的二次转发,极大缓解了通信压力。为了响应节点的碳排放额度指令,交直流换流器需要提前获知接入直流侧DG 的碳排放函数,并预估碳排放额度对应的度电碳排放,联立式（1）、式（2）、式（6）,可得预估度电碳排放为：

式 中：E为 节 点 碳 排 放 额 度 指 令；ai、bi、ci为DGi对应的碳排放系数。再将预估度电碳排放代入式（13）得到的直流电压指令,并送入直流电压控制内环实现,最终可使得直流侧DG 总碳排放达到碳排放额度,实现所在节点的限额排放。

换流器可根据综合调度中心的指令选择运行于对应模式。如图3 所示,当模式开关A 投入状态Ⅰ时,换流器运行于直接功率控制模式,此时功率控制外环切入；当模式开关A 投入状态Ⅱ、模式开关B 投入状态Ⅰ时,切换到自适应最优减排模式,换流器响应度电碳排放指标；当模式开关A 投入状态Ⅱ、模式开关B 投入状态Ⅱ时,切换到碳排放限额模式,换流器响应碳排放额度指标。无功功率指令不受模式切换影响,可单独调节补偿系统无功功率。由图3可知,控制模式的切换由2 个切换开关配合完成,控制外环根据模式切换,并共用直流电压内环控制,可见控制内环始终保持在环状态,模式切换时内环输出不会发生跳转,因此所设计的控制拓扑可有效保障多模式间的无缝切换。

4 仿真验证

为验证策略的有效性,本文选取IEEE 33 节点配电网系统中的节点16、20、30 处接入低压直流网络构成交直流混联系统,其拓扑结构如附录A 图A2所示。其中,每个直流系统接入2 个DG、1 台光伏以及直流负荷,系统关键参数如附录A 表A1 所示,在MATLAB/Simulink 仿真平台上搭建交直流混联配用电系统进行仿真验证。

4.1 低压直流侧DG 分散式减排调控测试

选取节点20 下接入的直流系统作为验证对象,为排除交直流换流器功率波动对DG 功率分担的影响,将交直流换流器的互动功率设置为0,分散式减排调控下的仿真结果如附录A 图A3 所示。图A3（a）为光伏出力和负荷功率的时序变化图,在第2 s 和第4 s 时负荷功率分别阶跃增加30 kW 至150 kW,光伏出力于第6 s 开始连续变化模拟新能源出力波动。图A3（b）所示为直流母线电压变化情况,动态过程中直流电压波动维持在±5%范围内。图A3（c）所示为DG 的功率分担图,由图可知DG1 和DG2 可协同分担负荷和光伏的功率波动,且DG2 分担更多功率。图A3（d）所示为DG 的度电碳排放变化情况,动态过程中2 个DG 的度电碳排放始终保持相等,根据等微增率准则,此时碳排放达到最小,实现分散式自动减排调控。

附录A 图A4 展示了传统下垂控制下的仿真结果以及与分散式减排调控的碳排放的对比。图A4（a）所示为传统下垂控制下的功率分担图,DG1 和DG2的功率按照容量分配,保持1∶1。图A4（b）所示为传统下垂控制下的度电碳排放情况,该分担情况下的度电碳排放并不一致,其中DG1 的度电碳排放高于DG2 的度电碳排放,可通过降低DG1 的出力同时增大DG2 的出力来减小总碳排放。传统下垂控制和分散式减排调控下的碳排放对比情况如图A4（c）所示,分散式减排调控在功率分配时考虑了其度电碳排放情况,可促进度电碳排放低的“绿电”自动优先发电上网,从而减小直流系统碳排放,由图A4 可知,在动态过程中,分散式减排调控下直流系统的碳排放获得明显降低。

4.2 交直流换流器多模式运行与无缝切换测试

图4 展示了1 号交直流换流器分别运行于直接功率控制模式、自适应减排模式以及碳排放限额模式下的仿真结果。

0～4 s 时交直流换流器运行于直接功率控制模式,有功功率指令于第2 s 由−10 kW 切换为30 kW,以流入直流侧为正,无功功率指令始终保持不变,为20 kvar。图4（a）展示了交直流换流器和各DG 的功率变化情况,由图可知交直流换流器可快速响应有功和无功功率指令,模式切换以及有功功率指令变化不影响无功功率输出,同时各DG 会自动调整输出功率维持有功功率平衡。第4 s 时交直流换流器切换至自适应减排模式,度电碳排放指令于第6 s 由1 kg/（kW·h）增加至1.2 kg/（kW·h）。图4（b）展示了各DG 的度电碳排放以及母线电压的变化情况。由图4（a）和（b）可知,各设备的出力以及直流电压均平滑过渡,模式达到无缝切换。同时,不依赖于通信,各DG 的度电碳排放可快速跟踪交直流换流器的指令并保持相等,实现自适应减排调控。第8 s 时交直流换流器切换至碳排放限额模式,碳排放额度指令于第10 s 由120 kg/h 调整至80 kg/h。图4（c）展示了DG1 和DG2 的碳排放以及中碳排放。由图4（a）和（b）可知,模式切换时母线电压和各设备出力均波动较小,实现无缝模式切换。由图4（c）可见,在碳排放限额模式下,DG 的总碳排放能快速跟踪交直流换流器的指令,从而实现精准定额碳排放调控。

图4 交直流换流器多模式运行与模式切换仿真结果Fig.4 Simulation results of AC/DC converter with multimode operation and mode switch

以上仿真结果表明,交直流换流器采用本文提出的控制策略时,综合调度系统仅需向所在节点的交直流换流器下达对应的模式调控指令,交直流换流器便可不依赖于通信调控所接入的各个DG,使得直流系统整体呈现预设特性,实现诸如定功率上送、无功补偿、自适应减排以及定额碳排放等功能,且不同模式间可进行无缝切换,保障了交直流混联系统的灵活稳定减排运行。

4.3 交直流混联系统最优减排测试

图5 展示了自适应最优减排模式下交直流混联系统的整体减排效果。交直流混联系统中的3 台交直流换流器首先运行于直接功率控制模式,有功功率指令分别为20、−60、60 kW。第1 s 时3 台换流器切换至自适应最优减排模式,接入DG 的功率分担情况如图5（a）所示,DG 的度电碳排放如图5（b）所示。由图可知在最优减排模式下,度电碳排放高的2 号直流系统中的DG 减小出力,度电碳排较低的1 号和3 号直流系统中的DG 增大出力,使得6 个DG 的度电碳排放趋于一致,达到最优排放。图5（c）分别展示了3 台交直流换流器的有功出力和总出力的动态过程,其总出力在最优减排模式下维持20 kW,可知6 个DG 的总出力保持不变。图5（d）展示了交直流混联系统的总碳排放,相比直接功率控制模式,自适应最优减排模式的碳排放降低了3.2%,减排效果显著,实现了系统级最优碳排放。

图5 交直流混联系统最优减排测试仿真结果Fig.5 Simulation results of optimal emission reduction test in hybrid AC/DC system

5 结语

本文综合考虑直流配电方式对新型源荷的接纳优势,选用低压直流-中压交流混联的配电结构响应“双碳”目标需求,并针对性地提出低压分散式-中压集中式的分层调控与多模式自适应减排策略。首先,对于低压直流侧提出的分散式减排控制不依赖于通信便可调控接入的DG,使其度电碳排放趋于一致,从而达到直流侧的碳减排策略自趋优。然后,对于连接中压交流和低压直流的交直流换流器提出的多模式控制,可令所在直流系统实现诸如定功率上送至上层配电网、自适应最优减排以及定额碳排放等功能,且不同模式间可无缝切换。同时辅助集中式通信网络,综合减排调控系统仅需采集交直流换流器的关键信息便可获知所有DG 碳排放以及出力的全局信息,用于系统级的统筹减排与优化运行。最后,通过仿真验证了所提策略的有效性。本文提出的多模式减排调控策略极大缓解了大量DG广泛接入下的减排调控压力,降低了通信系统的复杂程度,从而提高了系统的可靠性,同时便于DG 实现即插即用。

下一步的研究将尝试构建储能的度电碳排放模型,实现储能协同的自适应减排；同时拓展所提出的减排调控策略,使其适用于考虑碳排放、发电成本等多目标的统筹减排与优化调控。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。