基于混杂控制理论的包含分布式发电的区域电网电能质量控制

张 磊，刘中书

(1. 国网陕西省电力公司咸阳供电公司，陕西 咸阳 712000；2. 国网陕西省电力公司经济技术研究院，西安 710065)



基于混杂控制理论的包含分布式发电的区域电网电能质量控制

张 磊1，刘中书2

(1. 国网陕西省电力公司咸阳供电公司，陕西 咸阳 712000；2. 国网陕西省电力公司经济技术研究院，西安 710065)

针对具有分布式发电的区域电网电能质量控制问题进行了基于混杂控制理论的研究探索。首先针对分布式电源接入区域电网后对电能质量带来的影响问题进行了分析，然后介绍了混杂控制的基本理论，根据含有分布式发电的电网混杂系统进行了模型构建和分析，最后针对IEEE14节点模型的分布式电源改造模型进行了混杂控制系统的仿真，并针对机组故障的电压紧急调控和负荷变动机组出力调整两个问题进行了仿真分析。通过仿真结果可以看出，混杂控制系统的调控能力在应付分布式电源接入后导致的网络潮流多变，结构复杂度提升，调控难度增加等问题上具有较好的解决效果。

分布式电源；混杂控制；电能质量；Petri网；区域电网

1 概述

近年来，随着国家对分布式发电、可再生新能源的关注度和投入逐渐增加，越来越多的分布式可再生能源、微电网接入大电网系统中。分布式可再生能源发电能够有效的减少化石能源的消耗及降低火电等传统发电能源对大气环境等污染。分布式可再生能源具有能够在偏远无电地区及农村、海岛等地区能够容易的接入电网系统的优点。

但是随着近年来大量分布式发电电源接入电力系统，新能源发电所带来的问题越来越突出，如何能够确保分布式电源的接入电能质量(即电压、频率等指标)和电网稳定性成为了分布式发电发展必须要解决的重要问题。由于智能电网的快速发展，大量的可控电力电子设备接入网络，在对电网电能质量产生影响的同时，也带了电网系统结构的复杂度的整体提升。对于具有分布式发电的区域电网的调控由于分布式电源和大量电力电子设备的引入，传统的调控方法以无法满足如此结构复杂、动态的新型电网体系。

由于分布式电源是由用户来控制的,因此将根据自身的需要启动和停运分布式电源,这可能使配电网的电压经常发生波动。分布式电源的频繁启动会使配电线路上的负荷潮流变化大,从而加大电压调整的难度,电压调节不好会使电压超标。由于分布式电源的接入使得馈线上接入节点电压抬升，区域电网潮流走向由原来的单向变为双向，使得区域电网及配网系统的控制复杂度大为提升[1-2]。

针对微电网、分布式发电今年来的研究热点主要集中在设备层面、控制策略及能量管理等几个主要方向。针对设备层面目前国内研究热点主要集中于适用于分布式发电低压环境下的逆变器研究如参考文献[3]、储能双向逆变器方面的研究如参考文献[4]、电网的谐波污染检测和治理如参考文献[5]。针对控制策略及能量管理问题的研究主要集中与基于神经网络如参考文献[6]、模拟退火算法、蚁群算法和粒子群如参考文献[7]等智能算法的控制优化策略研究。

本文针对具有分布式发电和大量可控电力电子设备引入了基于混杂控制理论的一体化控制方法。针对复杂电力系统的。

2 包含分布式发电的区域电网特性

目前，由于大量的分布式绿色能源接入电网，其最终导致的结果必然使电压调节方式和控制方式有别于传统常规方式，主要为电网的有功和无功分别进行调节。由于分布式电源的安装位置、容量大小都会导致并网点馈线的电压抬升,从而对其并网点处的配电网馈线的电压骤降有一定帮助。此外,电力电子型的分布式电源易产生谐波,造成谐波污染，又需要安装一定的滤波及补偿装置来治理区域电网、配电网的电能质量[8-9]。

分布式发电系统中任何由于谐波、瞬态、电压凹陷和扰动引起的波动都会导致电能质量降低，甚至导致分布式电源脱网停机等故障。尽管电能质量对居民生活来说没有太大的影响,但是对工业生产和公司工作却有着巨大的影响。片刻电能的丢失和陷落都会导致生产制造工序和计算机的重新启动,这样就会造成难以估计的损失[10]。

3 基于混在控制理论的紧急控制方法

混杂控制系统(Hybrid Control System，简称HCS)指的是将两种本质上不同的对象或控制方法结合起来的控制系统，其通常由离散高层决策层和现场连续控制层交互作用共同构成，为自主系统和智能系统提供了基本框架和方法。在实际控制中，通常出现多个不同类型的控制器(如连续、离散、线性等)通过某种逻辑设备来实现不同控制器之间的切换，使得系统获得更好的性能[11-12]。在不同领域里，对于混杂控制系统处理方法各不相同，混杂控制系统可获得比单个控制器更好的性能，并可以解决传统控制器无法解决的问题。因此，混杂控制系统表现出显著的非纯一(heterogeneous)特性。混杂控制系统典型功能结构图[13-14]，如图1所示。

图1 典型混杂控制系统基本结构功能图

从图1中可以看出混杂控制系统内部复杂的组织结构和信息耦合关系决定了不可能用单一的建模方法和分析方法来解决问题。通常在进行混杂控制系统理论分析时可采用多层面的互补嵌套与综合集成的方法，运用多种理论工具和技术手段来综合的对混杂控制系统进行建模和分析[15]。

针对具有分布式发电接入的区域电网来说，构建基于混杂控制系统的电压紧急控制系统能够有效的降低分布式新能源系统间歇性特性所带来的危害。在图1的基础上构建出图2所述的混杂控制系统结构。

图2 分布式发电接入区域电网紧急控制混杂系统结构图

上层DEDS采用Petri网离散事件监控器。Petri网监控器由时间监控器(Gp)和接口(γ，μ)构成，其中Gp由有限位置集P、有限变迁集T、输入函数IT、输出函数OT、跟踪集GT、初始标识M、token状态位置的时延Θ构成。

GP=(P,T,IT,OT,GT,M,θ)

(1)

接口γ表示为γ：Ed→Bd开关函数，其中E为监控事件集，B={0,1}为Gp中变迁的个数。接口μ表示为μ：Ec→Bc状态转移使能函数，控制开关{0,1}nd→Rl是将Petri网监控器产生的决策命令转换为分段连续控制命令。

在Gp中用Am(t)表示为Am(t)=(a0(τk),a1(τk),…,an(τk))，是M(k)下的状态位置token的到达时间。其中

(2)

4 混杂系统分层介绍

针对含有分布式电源的具体调控系统结构如图3所示。根据含有分布式电源的区域配网结构及混杂控制系统的自身结构特点，具体可划分为3层：底层、中间层、上层决策层。

图3 含分布式电源区域电网混杂控制结构图

图3包含分布式电源并网的区域电网混杂系统结构图，其与传统区域电网的区别仅在于实际电网结构中加入了分布式电源，网络潮流走向由原先的单向方式演变为双向混合方式，导致系统控制策略复杂度上升，故障种类及控制策略发生变化，现场底层控制层的离散控制器和连续控制器参数需要进行动态跟踪和实时整定，使得系统整体混杂度大幅提升[16-17]。

(1)底层控制

底层控制是由实际电网和现场控制器构成，连续控制器主要功能负责调整常规发电机组和分布式发电机组的出力。离散控制器主要功能通过切、并负荷来调整负荷大小、重构电网结构、改变潮流走向，在必要情况下将分布式电源视作可控负荷进行调度。在第三节的基础上，底层控制增加离散控制器集函数DM：

DM={ICM;DPD;KCD;LSD}

(3)

式中ICD——输入命令子集；DPD——动态参数子集；KCD——负荷状态子集；LSD——系统状态跟踪子集。

底层现场连续控制器集函数CM：

CM={IOC;DPC;KCC;LSC}

(4)

式中IOC——输入命令子集；DPC——动态参数子集；KCC——发电机组和分布式电源状态子集；LSC——系统发电单元状态跟踪子集。

(2)中间层控制

中间控制层为接口转换层，包含故障诊断与辨识模块、规律生成器。故障诊断与辨识模块的主要功能在于将现场系统状态子集IS中检测跟踪的数据进行分析处理，提前进行故障预估和故障辨识分类。最终将故障状态分类信息及必要参数上传至离散决策层中。系统状态子集为

IS={IST;ISS;ISL;ISP}

(5)

式中IST——时间子集；ISS——系统跟踪状态子集；ISL——系统故障特征子集；ISP——系统故障段特征参数子集。

规律生成器主要负责将上层决策层中的调度控制方案由连续转换为下层控制器可理解的连续离散控制命令，从而达到将上层与下层连接贯通、命令执行的目的。

(3)上层控制

上层控制层包含状态分析、控制决策、模式控制器3个模块。其中状态分析模块根据故障诊断与辨识模块上传而来的IS集数据进行数据处理与分析，并将故障原因、类型、具体系统参数、状态上传至控制决策模块中。控制决策模块主要功能在于将状态分析模块上传的数据进行Petri网结构拓扑，通过Petri网计算得到可行的控制决策方案。并将控制决策方案以公式1的形式下发至模式控制器中，模式控制器将控制决策方案进行分类，取出需要操作的设备编号及参数下发至中间层规律生成其中进行底层控制[1-2]

5 建模与仿真

本文仿真采用IEEE14节点模型作为仿真模型进行测试，由于电能质量涉及参数较多，文章篇幅所限，针对含有分布式电源的区域电网电能质量的两种典型情况和指标进行仿真。如图4所示为参考文献[18]中所述IEEE14节点模型基础上针对包含分布式电源的区域配网进行的改造结构图，在节点N4、N13、N10分别接入常规机组，其中N13为备用旋转机组。N2和N6分别接入分布式风力和光伏发电电源。由于传统大机组在消耗分布式能源的容量能量较强，为了验证本混杂控制系统的调控能力，本文所选用常规机组容量为小型发电机组，与分布式电源容量相当，来进行混杂控制系统的混杂控制验证研究。

图4 IEEE14节点改造仿真结构图

(1)电压紧急调控

设置节点N10在0.1s时机组出现故障突出发电，节点N10在电压紧急控制后仿真图如图5所示，图中纵坐标电压表示其归一化处理后的情况。

图5 节点常规机组故障电压紧急调控对比图

图5中，蓝线为本文所介绍的混杂系统调控方法仿真效果曲线，红线为常规调控方法，从图中可以看出，利用本文所介绍方法调控，节点电压较常规方法调控速度更快，电压归一化指数更高。

(2)机组与负荷出力调节

设置节点N2在风力间歇性出力的情况下进行仿真，则系统全天总出力调控，各机组出力如下图6所示，本部分仿真数据参考参考文献[19]。

图6 全天24时跟踪总负荷调控功率对比图

图6中可以看出，在使用hybrid混杂控制进行负荷跟踪后，系统出力总值与负荷变化跟踪较为密切。

图7 hybrid混杂控制系统全天24时段机组出力分配情况

从图7中可以看到通过hybrid混杂控制系统的各机组全天出力分配情况，图中针对分布式光伏和风力发电电源的间歇性发电特性进行了动态的机组出力调整和启用备用机组等控制手段，从图6中可以看出调控较为灵敏，速度较快。

6 结语

通过上述仿真结构可以看出，混杂控制系统在调控速度、精度等方面较传统的调控方式有明显的优势，当然受篇幅所限本文仅针对含有分布式电源区域电网的电压故障和功率机组出力调控进行了仿真，且受限因素较多。

混杂控制这种将传统的离散、连续、高层决策有机整合与一体的新型控制方法具有较高的研究价值，选择合适的高层决策和底层控制方法通过高兼容性的接口转换机制能大大提升混杂控制系统的控制效果。针对含有分布式电源的新型电网结构，复杂度、调控难度都较传统电网有了较大提升，利用混杂控制系统可以有效的将底层控制系统进行集成整合，并高效实现上下一体调控，在应对及解决由于分布式发电接入带来新的故障、保护问题上具有较为明显的优势。

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(本文编辑：严 加)

Power Quality Control of Regional Grid Containing Distributed Generation Based on Hybrid Control Theory

ZHANG Lei1, LIU Zhong-shu2

(1. Xianyang Power Supply Company, Shaanxi Electric Power Co., Ltd., Xianyang 712000, China;2. Institute of Economy and Technology, Shaanxi Electric Power Co., Ltd., Xi′an 710065, China)

This paper researches power quality control of regional grid containing distributed generation based on hybrid control theory. Firstly, it analyzes the impact of distributed power access to regional grid on power quality control, introduces the basic theory of hybrid control, then constructs and analyzes model for the hybrid control system of power grid with distributed generation, and finally simulats the hybrid control system based on IEEE14 of distributed power transformation model, and analyzes the unit breakdown voltage emergency control and unit output regulation with variable load. The simulation results show that the hybrid control system is effective in regulating the flexible network tide, increased structure complexity and regulation difficulty after the distributed power access.

distributed power; hybrid control; power quality; Petri network; regional power grid

10.11973/dlyny201506005

张 磊(1983)，男，硕士，主要从事电力系统运行与控制，电力系统规划方面的工作。

TM711

A

2095-1256(2015)06-0765-05

2015-10-15