基于下垂特性的主动配电网PQ协调控制策略研究

胡力中+詹跃东+程军照

引言

新能源的接入，使传统的被动配电网中电源形式多样化。配电网能源接人形式主要以太阳能、风能、天然气等可再生能源为主，同时也包括微型燃气轮机和小型柴油机。可再生分布式电源中的风力机组和光伏机组出力受光照、温度和风速等自然因素的限制较大，具有波动性和不确定性。可再生能源的预测难度大，可能造成用户用电需求与配电网提供电能的不匹配，且配电网中负荷的功率需求也具有一定的不确定性。而且，传统被动的配电网在未进行大规模投资的情况下，其接纳光伏、风电、储能等分布式电源能力有限。因此，在原有的包含有配电装置、线路及电力负载的传统被动配电网基础上，为了接纳更多分布式电源（distributedgenerator，DG），需要向能够主动控制与管理的主动配电网发展。

主动配电网（active distribution network，ADN）定义是：是一个由先进信息通信、电力电子及智能控制等技术作为支撑的、内部含DG的、拓扑结构可灵活调整的、并且能较好的完成协调优化管理的配电网。但，ADN不仅仅是含DG的传统被动式单向供电配电网，其最大的区别在于主动，即：主动消纳大量间歇式DG、主动实现DG的优化调度、主动实现DG的保护、主动实现DG的监控等这几方面的内容。

针对主动配电网研究了分区电压控制层中静止同步补偿器（DSTATCOM）和DG协调配合的两阶段分区电压控制策略；文献针对微电网运行控制规律对各模型应用了解耦控制，虽说在模型中的有功无功在一定程度上有了解耦但效果不明显。提出一种网架恢复的分层协同优化方法，通过分层次独立优化与受电点指标值整体寻优相结合的方法，可实现功率协调控制，但其应用点属输电网。提出基于前馈补偿的解耦算法，该方法有自己的优势，其结构原理更简单。上述几种方法各有各的优点，但又都有一点缺点，都缺乏主动性，都仅仅是传统单一的被动配电模式。

通过将上述文献策略应用于某微型主动配电网算理分析模型中。一方面，IEEE 1547-2003技术标准，要求DG运行时保证功率因数接近于l未能很好的实现。另一方面，由于DG随机性、间歇性的特点，导致其并网点功率发生明显拨动，进而影响其临近负载发生电压越限等这些问题解决的不理想。所以本文在主动配电网背景下，针对上述问题从有功功率、无功功率协调控制角度，提出了一种三层结构的分层控制结构控制策略，进行功率解耦控制，最终使得负荷电压得以优化，效果更好。

1储能系统

近年来，大规模DG渗透率越来越高，对电网运行水平的要求也越来越严，而储能技术的应用是解决这个困局的有效方法之一。在抑制功率波动方面，风光储混合系统的联合发电模式有着效果显着的优势。通过配备储能装置，改善DG出力的随机性，使得DG出力具有一定的可控性，可以提升主动配电网接纳风电的能力。

利用储能系统的输出功率可调节的原理，对DG输出功率进行补偿，从而得到较为稳定的并网输出功率。储能系统容量的安装需求是由并网功率和输出实际功率决定，假设系统的功率指令序例分别表示为：式中，P为DG输出的实际功率序例，PGrid是需求并网功率序例，P是储能系统功率序例，pP、PBESS，分别为f（t=-1，2…n）时刻各系统功率输出值。t时刻系统输出功率关系为：

2DG的PQ电压优化策略

如图1所示的配电网的下垂特性Droop为系统设计协调分配控制策略下垂特性原理，当有功和无功增大时，对应的频率和电压降低，反之亦然。配电网下垂特性可由式（2.1）表示：

如图2所示，本系统由3层结构组成：顶层为功率优化计算层，主要功能是计算预测储能系统要提供的补偿量，使其能产生一个模型标量，让储能系统按计算结果适当的输出一个功率设定值P，并把该值传输下去；中间层为协调分配控制层，该层主要功能是根据当前蓄电池和超级电容的荷电状态去调整下垂系数，合理的为两类储能单元分配输出功率，从而实现两者的平衡运行；底层为执行层，中间层给定的功率信息，通过双向DC/DC功率变换器的调整来控制电流充电与放电。

如图3所示，该协调控制策略首先通过控制器采集的电压频率和储能系统的荷电状态的基础上确定下垂系数，再计算负荷功率的缺额并结合ADN的出力情况来测算蓄电池输出的功率，最终采用Park变换获得控制功率输出信号。

3约束条件

3.1功率平衡约束

ADN正常运行时，需满足如下等式：设备总发电量，包含同步发电机、可再生能源及储能设备，P为系统总的负荷需求量。

3.2DG输出功率约束

由于ADN中的主控电源需同系统负荷波动保持一致，从而维持系统电压稳定。因此，应把主控电源输出功率的范围划分为四个不同的区域，其前提是要以DG本身特性以及系统旋转备用容量需求为根据，如图4所示：

（2）由于主动配电网的从控电源，即风电和光伏等间歇性分布式电源，它们不需要跟随系统净负荷功率波动来参与系统电压频率调节，因此，从控电源的輸出功率只需满足其技术输出功率限制即可。

3.3储能电池容量约束

文中设置了SOCmin、SOG、SOG、SOC。四个关键值将蓄电池储能系统的容量分为4个区域，如图5所示。其中，SOC。表示蓄电池储能系统的最大规格容量（额定容量），SOC为由制造商提供的最小容量值，通常设定为蓄电池储能系统额定容量的20%。这样做为了防止因储能系统过度充、放电而导致其使用寿命短与系统性能低等问题的出现。

因此，在主动配电网中，蓄电池储能系统正常运行时，其容量参数需满足如式（3.5）所示的约束条件。

3.4离散无功补偿装置约束

把二进制编码以及补充约束的形式将离散变量连续化的这种方法在有所叙述。在节点i处，吧离散挡位的电容器分组投切问题转化为如下形式：

3.5连续无功补偿装置约束

3.6节点电压约束

当压越限时会触动保护装置把DG切除，因此对于节点电压i，有

4算例分析

图6为搭建的微型主动配电网算例分析图，为了研究的准确性本分析图只选用了比较典型的DG.风电，具体参数如表2所示。

如图（a）所示，20s时，风力发电机风速由12m/s降为8m/s，此时风力发电机的有功输出功率由1800W跌落至1200W，导致负载的端电压（图c）由220V跌至191V。因为风速的随机和间歇导致风机输出功率的波动，从而不能向网中输送可靠电能，这样其并网点会发生明显变化，进而影响其临近负载发生电压越限，影响用户电能质量。安装储能装置后，储能电池迅速做出响应，弥补相应的功率缺额，维持系统稳定运行，负载两端的电压逐渐恢复至稳定状态。IEEE 1547-2003技术标准，要求分布式电源运行时保证功率因数接近于1，不允许DG参与无功.电压的调节控制，因此需要安装其他无功补偿装置。如图（b）所示，由于风速降低，风力发电机无功发生波动，储能装置通过功率变换装置，实现无功功率的补偿和吸收。

5结论

本文在主动配电网背景下，从有功功率、无功功率协调控制角度，提出了一种三层结构的分层控制结构控制策略，进行功率解耦控制。通过搭建的小型主动配电网算例分析模型进行算例仿真并得出以下结论：

（1）由于风的间歇和随机，引起风机的有功输出变化并导致负载端电压也随之波动。安装储能装置后，储能电池迅速做出响应，弥补相应的功率缺额。

（2）由于风速变化，风力发电机无功发生波动，储能装置通过功率变换装置，实现无功功率的补偿和吸收。

（3）实验表明储能装置的接入能迅速调节吸收和输出的有功、无功，配电系统节点电压和潮流分布也随之受到管控，所以其充当了主动配电网电压和频率的调控的不可或缺的帮手。从而使负荷电压维持系统稳定运行，负载两端的电压逐渐恢复至稳定状态。

以上几点充分说明在主动配电网中应用储能设系统，其平抑间歇性、随机性的DG的功率波动具有效果显著。endprint