吳萬(wàn)軍

基于分布儲(chǔ)能系統(tǒng)的有源配網(wǎng)功率均衡控制

吳萬(wàn)軍

國(guó)家電網(wǎng)山西省電力公司計(jì)量中心 山西 太原 030000

為探索適用于有源配電網(wǎng)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度控制策略，本文分析了分布式電源，儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立了功率不平衡度、網(wǎng)損、最大供電負(fù)荷的多目標(biāo)優(yōu)化控制模型。通過(guò)該模型，優(yōu)化分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略，實(shí)現(xiàn)有源配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度控制，并通過(guò)具有光伏電源、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的IEEE13節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了所提方法應(yīng)用于有源配電網(wǎng)綜合調(diào)度控制的有效性和可行性。

有源配電網(wǎng); 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng); 均衡控制

新一代電力系統(tǒng)的主要特征之一為可再生能源接入，而可再生能源以分布式形式接入電網(wǎng)可有效提高供電可靠性、降低供電成本[1-4]。然而，分布式電源在有源配網(wǎng)中的滲透率不斷提高也對(duì)配網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)度帶來(lái)挑戰(zhàn)；分布式能源以單相形式接入系統(tǒng)加劇了配網(wǎng)的三相功率的不平衡度[5-7]。

隨著儲(chǔ)能電池、電力電子變換器成本的不斷降低，儲(chǔ)能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)中[8,9]。儲(chǔ)能變換系統(tǒng)以小容量、分布式形式接入配網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)削峰填谷、網(wǎng)損優(yōu)化等多目標(biāo)優(yōu)化控制[10-13]。本文提出了利用分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)有源配網(wǎng)能量均衡控制。本文建立了功率不平衡的有源配網(wǎng)多時(shí)間尺度模型，并提出通過(guò)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電優(yōu)化控制策略以實(shí)現(xiàn)有源配網(wǎng)功率平衡、網(wǎng)損等多目標(biāo)優(yōu)化控制。最后，通過(guò)IEEE-13節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)測(cè)試了所提方案的可行性。

1 模型建立

1.1 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)可等效為受控電流源電路，儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）可向電網(wǎng)吸收或提供有功功率。儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型包括儲(chǔ)能電池的能量平衡方程以及儲(chǔ)能變換器（PCS）模型，儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)（SOC）滿(mǎn)足下述約束方程：

其中q為儲(chǔ)能變換器輸出無(wú)功功率，p為儲(chǔ)能變換器充放電功率。p為正時(shí)表示儲(chǔ)能變換器處于放電狀態(tài)；反之，則處于充電狀態(tài)。v、i分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)相時(shí)刻輸出電壓、電流。上標(biāo)、分別表征電壓相量的實(shí)部和虛部。在配網(wǎng)最優(yōu)潮流優(yōu)化模型中，ESS等效成并聯(lián)補(bǔ)償裝置。

1.2 光伏模型

其中為光伏系統(tǒng)輸出電流的共軛值，v為光伏并網(wǎng)逆變器時(shí)刻相輸出電壓。在配網(wǎng)最優(yōu)潮流優(yōu)化模型中，光伏系統(tǒng)也可等效成輸出功能恒定的并聯(lián)裝置。

1.3 三相不平衡系統(tǒng)模型

一般配網(wǎng)系統(tǒng)由各類(lèi)串并聯(lián)裝置組成，如輸電線/電纜、變壓器、有載調(diào)壓裝置、電容器組、機(jī)械開(kāi)關(guān)等。配網(wǎng)串聯(lián)型元器件輸出端、輸入端電壓和電流可由下述ABCD矩陣表達(dá)：

并聯(lián)型元器件包括電容器組、負(fù)荷，本文采用恒阻抗模型，即：v=Z,i,(8)

其中Z為負(fù)荷或者電容器組相阻抗（=,,）。

由KCL方程可求解出下述時(shí)刻相輸出電流平衡方程：

2 多目標(biāo)優(yōu)化求解算法

為實(shí)現(xiàn)有源配網(wǎng)功率平衡等多目標(biāo)優(yōu)化功能，本節(jié)建立了配網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型。

2.1 功率平衡優(yōu)化

本文提出的優(yōu)化模型可有效補(bǔ)償配網(wǎng)三相功率不平衡，優(yōu)化目標(biāo)為最小化PCC處三相功率不平衡度，該優(yōu)化目標(biāo)也可減少三相電流不平衡度，避免三相不平衡電流造成變壓器過(guò)流現(xiàn)象。三相不平衡功率滿(mǎn)足：

功率平衡優(yōu)化目標(biāo)方程為：1=Vp(14)

2.2 配網(wǎng)損耗優(yōu)化

在本模型中，通過(guò)管理系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度優(yōu)化配網(wǎng)系統(tǒng)損耗。時(shí)刻，系統(tǒng)損耗為：

2.3 峰值負(fù)荷優(yōu)化

則目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為：3=p(19)

3 仿真分析

3.1 系統(tǒng)描述

本文采用圖1所示的IEEE-13節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)[14]進(jìn)行仿真，該測(cè)試模型為三相功率不平衡系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)650為PCC點(diǎn)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)分別安裝于節(jié)點(diǎn)632、節(jié)點(diǎn)675處，分布式儲(chǔ)能的相關(guān)參數(shù)如表I所示，24 h負(fù)荷信息采用文獻(xiàn)[15]所示的IEEE可靠性測(cè)試系統(tǒng)（RTS）的負(fù)荷情形；假設(shè)RTS測(cè)試系統(tǒng)的原始負(fù)荷數(shù)據(jù)即為峰值負(fù)荷；節(jié)點(diǎn)電壓的上下限定為1.07 p.u.以及0.95 p.u.。各節(jié)點(diǎn)均由光伏電源接入，且滲透率為20%；則光伏電源接入后，系統(tǒng)最大可供電符合提升了20%；24 h光照強(qiáng)度信息如圖2所示。

圖 1 具有光伏電源和分布式儲(chǔ)能的IEEE-13節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)

圖 2 光照強(qiáng)度

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 不平衡功率優(yōu)化控制 圖3、圖4仿真了基于最小化三相功率不平衡度的電池充放電功率，基于本文提出的方法可將三相不平衡功率由186 kW優(yōu)化至103 kW。

圖 3 基于三相功率不平衡優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)632電池充放電功率

圖 4 基于三相功率不平衡優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)675電池充放電功率

圖5、圖6所示的為基于最大供電負(fù)荷優(yōu)化的電池充放電功率。本文提出的電池充放電優(yōu)化調(diào)度可將PCC最大供電負(fù)荷由3280 kW有效降低至2905 kW。

圖 5 基于最大供電負(fù)荷優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)632電池充放電功率

圖 6 基于最大供電負(fù)荷優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)675電池充放電功率

類(lèi)似地，本文測(cè)試了基于最小化網(wǎng)損的仿真情形。通過(guò)優(yōu)化電池充放電功率，可將系統(tǒng)總損耗由2802 kWh降低至2357.12 kWh，改善效果較為明顯。

4 結(jié)論

本文提出了一種利用分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有源配網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度控制的方法。本文建立了功率不平衡有源配網(wǎng)多時(shí)間尺度模型，并詳述了基于PCC處功率不平衡度、網(wǎng)絡(luò)損耗、最大供電負(fù)荷多目標(biāo)優(yōu)化模型，并通過(guò)具有光伏電源、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的IEEE-13節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度算法。由仿真結(jié)果可知，儲(chǔ)能電池充放電優(yōu)化控制策略由電池安裝位置和優(yōu)化目標(biāo)共同決定的。

[1] HeydtGT. The Next Generation of Power Distribution Systems[J]. IEEE Trans. Smart Grid, 2010,1(3):225-235

[2] PaudyalS, CanizaresCA, BhattacharyaK. Optimal Operation of Distribution Feeders in Smart Grids[J]. IEEE Trans. Ind. Electron., 2011,58(10):4495–4503

[3] 董曉峰,蘇義榮,吳健,等.支撐城市能源互聯(lián)網(wǎng)的主動(dòng)配電網(wǎng)方案設(shè)計(jì)及工程示范[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2018,38:75-85

[4] 劉海波,李鵬,顧偉,等.區(qū)域分布式電源集群監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2018,48(8):163-169

[5] 趙晉泉,劉緒,林昌年,等.單相光伏大量接入的三相不平衡配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(13):13-18,70

[6] 劉一兵,吳文傳,張伯明,等.基于有功—無(wú)功協(xié)調(diào)優(yōu)化的主動(dòng)配電網(wǎng)過(guò)電壓預(yù)防控制方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(9):184-191

[7] Sharma M, BozchaluiC, SharmaR. Analysis of unbalanced distribution systems with solar PV penetration[C]. In 2013 IEEE PES General Meeting, 2013

[8] 黃曉明,范志華,苗世洪,等.含儲(chǔ)能單元的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器功率協(xié)調(diào)控制策略[J].高電壓技術(shù),2018,44(10):3390-3398

[9] 薛金花,葉季蕾,陶瓊,等.電力儲(chǔ)能技術(shù)的適用性評(píng)價(jià)模型與方法研究[J].高電壓技術(shù),2018,44(7):2239-2246

[10] 楊錫運(yùn),董德華,李相俊,等.商業(yè)園區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷的有功功率協(xié)調(diào)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2018,42(8):2551-2561

[11] 楚皓翔,解大.考慮電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的電動(dòng)汽車(chē)充放儲(chǔ)一體化充換電站充放電控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2018,38(4):96-101

[12] 茆美琴,張永寧,王楊洋,等.削峰填谷策略下微電網(wǎng)多時(shí)間尺度能量?jī)?yōu)化[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2016,10(8):23-31

[13] 李建林,馬會(huì)萌,袁曉冬,等.規(guī)模化分布式儲(chǔ)能的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2017,41(10):3365-3375

[14] IEEE 13 Node Distribution Test Feeders[EB/OL](2012)[2018-12-14]. http://hdzj.cbpt.cnki.net/EditorEN/PromptPageInfo.aspx?t=v&c=3

[15] Grigg C. The IEEE Reliability Test System-1996[J]. IEEE Trans. Power Syst., 1999,14(3):1010–1020

Balanced Control for the Active Distribution Network Power Based on the Distributed Energy Storage System

WU Wan-jun

030000,

To explore an optimal dispatch control strategy being suitable for the distributed energy storage system of the active distribution network, the Mathematical models of distributed power and energy storage system was analyzed to establish the multi-objective optimization model including unbalanced Distribution Optimal Power Flow (DOPF), network losses and maximum power supply load and it was used to optimize the charge-discharge strategy and then the optimal dispatch control of active power distribution network was realized. IEEE-13 nodes test system with multiple solar photovoltaic power and distributed storage system verified the effectiveness and feasibility of the model for the active power distribution network integrated dispatching.

Active distributed network; distributed energy storage system; balanced control

TM762

A

1000-2324(2019)03-0482-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.027

2018-05-10

2018-06-03

吳萬(wàn)軍(1965-),男,碩士,副主任,研究方向是力系統(tǒng)及自動(dòng)化. E-mail:xf5888@126.com