分布式电源并网控制研究综述

于 达,张 玮*,王 辉

1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 电气工程与自动化学院,山东 济南 250353；2.山东大学 电气工程学院,山东 济南 250000

近年来,随着电力系统的规模不断扩张,国家对环境保护重视程度越来越高,而且用户对电能质量的需求也逐步增高,基于利用分散清洁能源(风能、太阳能等)所产生的一种新兴的发电模式-分布式发电,被广泛关注[1]。分布式发电就是指运用中小型的发电装置在可利用分散能源的基础上,可以单独运行,为少量用户供电或者并入电网为用户提供电能[2]。这种发电方式的主要优势在于可以将分散的可利用能源像风力、太阳能等资源充分利用,提高了能源的利用率[3],而且与主网互相作为后备供电,使供电稳定性与安全性都有较好的改善[4]。分布式发电因其低能耗、灵活发电方式、与环境相兼容等优点在电力系统中的占比越来越大,由分布式电源发出的电能在消耗的总电能中的占比也越来越多[5]。以山东为例,2020年度夏季期间,山东全网用电负荷、用电量连续两日创历史新高,全网最大用电负荷9.022 4×107kW,全网用电量1.919×1010kW·h,分别较去年增长7.27%和7.39%。预测2021年全网用电最大负荷9.6×107kW。

截至2020年11月底,山东的新能源并网容量3.531 8×107kW:风电场179座,装机容量为1 .504×107kW；光伏发电装机容量2.027 8×107kW。其中,10 kW及以上并网分布式光伏电站937座,装机容量3.323×106kW,占比26.3%；380/220 V并网用户分布式38万余户,装机容量达9.296×106kW,占比73.7%。2015—2020年山东电网新能源发电量占比2.96%增长至7.2%。但是当分布式电源(distributed generation,DG)接入配电网的数量过大时,分布式发电的容量和接入位置都会对馈电线路上的电压分布造成很大的影响[6]。

本文结合了现有的研究状况和成果,阐述了DG并入电网时对配电网的影响,对分布式电源的运行控制做出了描述,并且分析了配电网电压控制的主要手段,在此基础上,进一步对未来的电压控制技术有待深入的方向做出了阐述。

1 分布式电源的接入对配电网的影响

分布式电源并入电网时会改变电网中的潮流流向,而不是传统的单向流动。辐射形是传统配电网最主要的网络形式,线路的潮流流向是电源侧流入用户侧。而当DG并入电网时,DG的容量大小,接入的位置等因素都会影响潮流的大小和方向[7]。传统配电网在稳态运行时,其稳态电压的分布是由馈线向用户侧逐步下降,当DG并入电网时会使用户侧出现电源,对线路的电压分布造成影响[8]。而且DG中含有大量电力电子元件,并且通过逆变的形式并入到配电网中,会对电压产生影响造成电压波动、闪变等问题[9],并且分布式电源的电能经过逆变后并入公共配电网时,将会影响电网安全检修。传统配电网当线路某处出现故障时,故障电流是从电源侧向故障点流动,而当DG并入电网时,DG的类型以及接入的位置会对短路电流的方向和水平造成影响,可能导致保护的误动。在传统配电网中,如果上级电气元件出现故障会对负荷供电造成影响,但在含DG的配电网中,如果上级电气元件出现故障,在DG容量范围内的用电负荷可以脱离电网进行孤岛运行[10]。当分布式电源特别是风电大量接入配电网时,会对配电网的调峰调频、电压稳定性、系统的安全性、稳定性产生不利影响[11]。

2 分布式电源的运行控制

在分布式电源组成的微电网中,因为分布式电源的类型、发电原理存在差别,所以要针对类别不相同的DG选用恰当的控制方式,保证分布式电源的稳定运行。目前DG的控制策略有以下几种:PQ控制、VF控制和下垂控制。

2.1 PQ控制

PQ控制是微电网控制中常见的措施,P和Q分别代表着微网中电源的有功功率和无功功率[13]。PQ控制就是微网系统提前设定好电源的有功功率与无功功率的标准值,电源按照这个提前设定好的标准值进行输出,无论系统其他的电气量怎么变,微电源依然在这个标准值的附近进行功率输出。PQ控制原理如图1所示。

图1 PQ控制原理图

微网系统中某一个电源在PQ控制下运行,系统预先设置好的输出有功功率为Pref,输出的无功功率为Qref,这时系统的额定频率为f0,此时DG逆变器的端口电压为U0,这时系统在B点运行。当系统的频率增加到f1,逆变器端口的电压上升到U1,此时系统输出的有功功率与无功功率依然保持在设定值,系统在A点运行[11]。当系统频率减少到f2时,分布式电源逆变器电压下降到U2,系统依然按照设定值输出有功频率与无功频率,系统在C点运行。

从上述原理我们可以得知,PQ控制只能使系统保证自身的频率稳定性,当微网系统出现电压和频率同时发生异常时,这时PQ控制则不能做出响应。当微网系统在运行时,可能会进行孤岛运行,在孤岛运行时很多交流负载对电压和频率都有较高的要求,电压与频率与额定值偏差偏大的话会直接影响电器元件的使用寿命与工作状态,在PQ控制下无法保证电压与频率的稳定,所以PQ控制需要通过较大的电网提供稳定的电压与频率,由此可知PQ控制主要适用于并网运行。

2.2 VF控制

VF控制指的是恒压恒频控制,主要用于微网内主电源的控制。V指的是微电源连接到微网的接口电压,F指的是电源的端口频率,一般选取50 Hz,VF控制就是用系统预先设定好的V和F的值进行控制,当系统内部其他电气量参数发生变化时,在VF控制下微电源的输出电压和端口频率保持稳定[7]。VF的控制原理如图2所示。

图2 VF控制原理图

当输出的有功功率P在P0点无功功率Q在Q0时,此时系统在B点运行,电源输出的电压与频率标准值分别是V0和f0,当有功功率减少到P1时,无功功率也减少到Q1,此时电源在A点运行,输出的频率与电压依然是标准值。同理可得,当电源输出的有功功率增加到P2的时候,无功功率也增加到Q2,电源依然按照电压频率的标准值在C点稳定的运行[15]。

VF控制就是使电源改变输出功率来保持自身输出电压频率的稳定,为微网的运行提供了稳定的电压和频率。VF控制策略一般运用于微网脱离电网的孤网运行。VF控制中频率参考值一般取50 Hz,电压的参考值一般要根据所要并网的电压等级取。所以在VF控制下的微电网,当从孤网运行转到并网运行时,对主电网的影响相对较小。但是这种控制方式下的微网,当其中的DG出现故障时,会使得在孤网运行的时候丢失电压与频率的参考值,甚至导致整个微网的瘫痪。

2.3 下垂控制(Droop控制)

在微电网的对等控制中主要运用了下垂控制,它可以达到多个分布式电源出力的协调控制的目标,但这是一种有差控制,无法使微网的频率和电压恢复到并网时的水平[16]。它是模拟电力系统的一次调频来对分布式电源进行调控,如图3:

图3 下垂控制原理图

由图3可以看出,当有功功率P0增加到P1时,有功负荷增大,有功功率不足导致频率下降；当无功功率从Q0增加到Q1时,无功负荷增大,无功功率不足致使电压U下降到U1。目前此控制主要有两种方法:f-P、V-Q下垂控制法和P-f、Q-V下垂控制法。f-P、V-Q下垂控制法是通过调节电压的频率和幅值去调节功率,P-f、Q-V下垂控制法是通过调节输出功率控制电压的幅值和频率[17]。

文献[18]采用了一种基于自调节下垂控制的分布式电源并联运行技术,以Q-V下垂控制作为基础,通过引入输出无功功率的比例积分控制环节来使无功功率和线路阻抗无关从而达到抑制系统无功环流分量的作用。文献[19]以下垂控制作为基础,增加了功率分配环节与下垂系数调增环节来达到DG对功率精准分配,通过建模仿真,进一步证实了这种方法会改善电网的运行效率。

3 配电网电压控制

针对于大量的DG接入电网造成的诸多问题,主要体现在当高比例DG接入的时候,会给电网带来电压波动、闪变和越限等问题[20]。而且,在微网的系统中,不同类别的电源都需要运用不同的电力电子技术来达到用户对电能质量的要求,不同的电力电子技术逆变器生成的谐波水平可能也不相同,微网在电网中占比越来越高,会导致电力系统的谐波水平升高,此外在微网系统中有许多单相分布式电源,如果大量接入则会增加配电系统三相不平衡的影响[21]。这些问题影响了新能源发电的电能利用率,也给电力系统稳定运行带来了困扰。当前,针对这些问题主要有3种控制策略:分布式控制策略、集中式控制策略和集中-分布式控制策略[22]。

3.1 分布式控制

分布式控制的优势在于在进行电压控制时可以运用本地信息进行控制,控制速度快而且对通信系统要求比较低,但它的缺点是,参与控制的设备工作强度比较大,而且设备间缺乏协调,运行期间可能发生冲突,无法做到全局优化,因无功流动而造成的线路损耗的问题也无法解决[23]。目前配电系统一般采用两种方案提高对分布式电源的接纳能力,即无功控制方案与有功控制方案。

3.1.1 无功控制分布式电压控制策略

文献[23]提出了一种基于MAS和灵敏度理论的电压控制算法,有效地消除了由于分布式电源的连接而造成的电压偏差。这种算法可以计算特定电压分布下的每个节点所需要的补偿,创建新的电压分布,在每个节点上都生成一组新的补偿,通过计算后的补偿要保证最小无功功率来消除电压误差。这种方法的优点是,不需要中央控制器的干预,通过相邻智能体间的通信就可以消除电压问题。文献[24]运用了一种九宫图控制方法,根据电力系统中电压、无功的上下限将电压与无功组成的平面划分成九块分区,如图4所示:

图4 九宫图控制

在用九宫图控制策略进行控制时,将负荷时段分成多个时段,假使每一个时段内的电压、无功都是固定的值,通过逆调压对电压的上下限进行整定。这种方法可以实现电压的实时控制及调节,能够改善电压质量降低系统网络中的有功损耗。文献[25]采用了一种分布式无功控制控制策略,采用这种策略可以使每个并入电网的分布式电源都可以吸收无功功率或发出无功功率,解决了电压波动的问题。

3.1.2 有功控制分布式电压控制策略

通过改变分布式电源的有功输出也可以改进配电网的电压水平,当前分布式电源并入电网是运用“硬连接”的方法,在所有情况都根据额定的有功进行输出,但是在用电量较少的情形下,将导致整个电网电压增加。所以将分布式电源参照接入点处的电压调整有功输出,可以改进电网的电压水平[26]。

文献[27]采用的是一种两阶段有功、无功结合的控制方法。第一阶段的电压控制是用分布式电源本身的无功控制能力,如果无功控制的能力达不到控制的需求,则第二阶段进行有功控制。这种方法可以使电压控制发挥到最大水平。

3.2 集中式电压控制

集中式控制主要指调度中心运用通信系统下达指令来操控系统中调压装置来进行全局的电压控制。可以通过通信系统完整性,速率不同实现不同复杂度,不同性能的电压控制,但是这种方法需要每一个节点都具有通信的能力,而且计算量大,容易造成数据的不稳定,而且全局通信的可靠性随着电网规模变大而降低[26]。

文献[28]采用了一种集中式控制的方法,控制器是线性的,通过模型控制预测的方法,可以改善模型不准确与测量噪音的问题。文献[29]采用了分布式电源与OLTC作为对象的连续电压控制法,将电压稳定在额定电压的水准。文献[30]提出了一种主配网一体化无功优化模型与算法,可以减少配电网三相不平衡性,降低系统网络损耗,优化主配网全局无功资源。

3.3 集中-分布式控制

集中-分布式控制是一种将上述两种控制方式结合起来的一种控制方法,这种控制方式既保证了控制的速率又考虑到了设备间的相互影响,从而更好地进行全局优化控制。目前集中-分布式控制主要有两种控制策略:基于多代理技术控制策略与基于分层技术控制策略。

3.3.1 基于多代理技术

多代理系统是有很多个单个代理构成,这些代理可以解决局部的问题,但不能做到单独的达到全局目标,所以多代理技术实现全局控制是由一组协调代理协调其他分散的单个代理进行控制。

文献[31]在多代理技术的基础上搭建了求解DPMC模型的多代理系统,这个系统中的子系统都可以单独的完成各自目标函数的优化,利用数据的交换与协调从而实现全局优化控制并建立预测模型,实现长期电压稳定的紧急控制。文献[32]在多代理技术的基础上搭建了不同类别需求响应资源的负荷代理与电网调度中心的互动调度模型,通过模型与算法分析得出了通过这种方法可以促进间歇性能源的消纳。但是基于多代理技术在系统中结构复杂,各个代理间通信协调等方式的设计还不够完善,所以这种方式在控制系统中的应用还处于初级阶段。

3.3.2 基于分层控制

分层控制通常是以控制的区域维度与时间维度来划分,上层是中央优化的电压控制,下层通常是分布式电压控制[26]。

文献[33]运用了一种以双层算法为基础的配电网全局优化调度与馈电线路区域自治相配合的配电网分层结构,最上层为配电网能量管理系统,中间层的控制单元为分层分布控制器,底层的控制单元是源网协调控制器,用来获取分层分布控制器的功率控制目标再进行节点的分配。这种分层方式在时间层面上的配电网全局优化与区域自治达到源-网-荷的协调控制目标。文献[34]采用了一种基于多智能体一致性算法的分层结构,分为基于有功-频率下垂的初级控制层、基于频率补偿的二次控制层、基于功率分配的三次控制层,将分布式的一致性算法运用在每一层控制上,用少量的信息交换即可以实现全局控制,节省了通信网络设备的投资同时也使系统变得更加灵活。文献[35]将分布式电源参与系统优化分为三层,第一层是成本优化,通过调整分布式电源的有功功率使系统成本最小,第二层进行有功功率的控制,运用一致性协议的控制达到对调整过的有功功率的追踪,第三层是系统频率和电压控制,加深对系统的频率和电压进行控制来达到预取的目标。文献[36]分成两层控制,一层为设备控制层采用分散控制,二层通过分布式的方式产生权重系数,且权重系数可以调节。通过此控制策略脱离了对集中控制器的依托,使系统更加稳定。

分层控制每一层都有各自的明确功能目标,减少了各层之间的依赖性,可根据电网的规模对控制层进行扩展,也容易将新的控制集成到不同的层中。

4 结 语

本文结合现有的研究对分布式电源的运行控制与DG并入电网时配电网并网的电压控制做出了综述,从目前的结果来看,对于DG并网的研究已经有了新的进展,随着电网的规模逐渐增大,通过DG进行发电作为一种最有竞争力的发电方式在电力系统中的占比也会逐渐升高,但越来越多的DG并入配电网中,会使运行方式也多样化,为了使分布式电源充分发挥优势,需要对分布式发电技术与DG并网技术进行更加深入的研究,使电网安全稳定的运行,保证分布式发电在应用中充分发挥作用。