于 達(dá),張 瑋*,王 輝

1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,山東 濟(jì)南 250353；2.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250000

近年來,隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)張,國家對(duì)環(huán)境保護(hù)重視程度越來越高,而且用戶對(duì)電能質(zhì)量的需求也逐步增高,基于利用分散清潔能源(風(fēng)能、太陽能等)所產(chǎn)生的一種新興的發(fā)電模式-分布式發(fā)電,被廣泛關(guān)注[1]。分布式發(fā)電就是指運(yùn)用中小型的發(fā)電裝置在可利用分散能源的基礎(chǔ)上,可以單獨(dú)運(yùn)行,為少量用戶供電或者并入電網(wǎng)為用戶提供電能[2]。這種發(fā)電方式的主要優(yōu)勢(shì)在于可以將分散的可利用能源像風(fēng)力、太陽能等資源充分利用,提高了能源的利用率[3],而且與主網(wǎng)互相作為后備供電,使供電穩(wěn)定性與安全性都有較好的改善[4]。分布式發(fā)電因其低能耗、靈活發(fā)電方式、與環(huán)境相兼容等優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中的占比越來越大,由分布式電源發(fā)出的電能在消耗的總電能中的占比也越來越多[5]。以山東為例,2020年度夏季期間,山東全網(wǎng)用電負(fù)荷、用電量連續(xù)兩日創(chuàng)歷史新高,全網(wǎng)最大用電負(fù)荷9.022 4×107kW,全網(wǎng)用電量1.919×1010kW·h,分別較去年增長7.27%和7.39%。預(yù)測(cè)2021年全網(wǎng)用電最大負(fù)荷9.6×107kW。

截至2020年11月底,山東的新能源并網(wǎng)容量3.531 8×107kW:風(fēng)電場179座,裝機(jī)容量為1 .504×107kW；光伏發(fā)電裝機(jī)容量2.027 8×107kW。其中,10 kW及以上并網(wǎng)分布式光伏電站937座,裝機(jī)容量3.323×106kW,占比26.3%；380/220 V并網(wǎng)用戶分布式38萬余戶,裝機(jī)容量達(dá)9.296×106kW,占比73.7%。2015—2020年山東電網(wǎng)新能源發(fā)電量占比2.96%增長至7.2%。但是當(dāng)分布式電源(distributed generation,DG)接入配電網(wǎng)的數(shù)量過大時(shí),分布式發(fā)電的容量和接入位置都會(huì)對(duì)饋電線路上的電壓分布造成很大的影響[6]。

本文結(jié)合了現(xiàn)有的研究狀況和成果,闡述了DG并入電網(wǎng)時(shí)對(duì)配電網(wǎng)的影響,對(duì)分布式電源的運(yùn)行控制做出了描述,并且分析了配電網(wǎng)電壓控制的主要手段,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)未來的電壓控制技術(shù)有待深入的方向做出了闡述。

1 分布式電源的接入對(duì)配電網(wǎng)的影響

分布式電源并入電網(wǎng)時(shí)會(huì)改變電網(wǎng)中的潮流流向,而不是傳統(tǒng)的單向流動(dòng)。輻射形是傳統(tǒng)配電網(wǎng)最主要的網(wǎng)絡(luò)形式,線路的潮流流向是電源側(cè)流入用戶側(cè)。而當(dāng)DG并入電網(wǎng)時(shí),DG的容量大小,接入的位置等因素都會(huì)影響潮流的大小和方向[7]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),其穩(wěn)態(tài)電壓的分布是由饋線向用戶側(cè)逐步下降,當(dāng)DG并入電網(wǎng)時(shí)會(huì)使用戶側(cè)出現(xiàn)電源,對(duì)線路的電壓分布造成影響[8]。而且DG中含有大量電力電子元件,并且通過逆變的形式并入到配電網(wǎng)中,會(huì)對(duì)電壓產(chǎn)生影響造成電壓波動(dòng)、閃變等問題[9],并且分布式電源的電能經(jīng)過逆變后并入公共配電網(wǎng)時(shí),將會(huì)影響電網(wǎng)安全檢修。傳統(tǒng)配電網(wǎng)當(dāng)線路某處出現(xiàn)故障時(shí),故障電流是從電源側(cè)向故障點(diǎn)流動(dòng),而當(dāng)DG并入電網(wǎng)時(shí),DG的類型以及接入的位置會(huì)對(duì)短路電流的方向和水平造成影響,可能導(dǎo)致保護(hù)的誤動(dòng)。在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中,如果上級(jí)電氣元件出現(xiàn)故障會(huì)對(duì)負(fù)荷供電造成影響,但在含DG的配電網(wǎng)中,如果上級(jí)電氣元件出現(xiàn)故障,在DG容量范圍內(nèi)的用電負(fù)荷可以脫離電網(wǎng)進(jìn)行孤島運(yùn)行[10]。當(dāng)分布式電源特別是風(fēng)電大量接入配電網(wǎng)時(shí),會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻、電壓穩(wěn)定性、系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[11]。

2 分布式電源的運(yùn)行控制

在分布式電源組成的微電網(wǎng)中,因?yàn)榉植际诫娫吹念愋?、發(fā)電原理存在差別,所以要針對(duì)類別不相同的DG選用恰當(dāng)?shù)目刂品绞?保證分布式電源的穩(wěn)定運(yùn)行。目前DG的控制策略有以下幾種:PQ控制、VF控制和下垂控制。

2.1 PQ控制

PQ控制是微電網(wǎng)控制中常見的措施,P和Q分別代表著微網(wǎng)中電源的有功功率和無功功率[13]。PQ控制就是微網(wǎng)系統(tǒng)提前設(shè)定好電源的有功功率與無功功率的標(biāo)準(zhǔn)值,電源按照這個(gè)提前設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行輸出,無論系統(tǒng)其他的電氣量怎么變,微電源依然在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值的附近進(jìn)行功率輸出。PQ控制原理如圖1所示。

圖1 PQ控制原理圖

微網(wǎng)系統(tǒng)中某一個(gè)電源在PQ控制下運(yùn)行,系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好的輸出有功功率為Pref,輸出的無功功率為Qref,這時(shí)系統(tǒng)的額定頻率為f0,此時(shí)DG逆變器的端口電壓為U0,這時(shí)系統(tǒng)在B點(diǎn)運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)的頻率增加到f1,逆變器端口的電壓上升到U1,此時(shí)系統(tǒng)輸出的有功功率與無功功率依然保持在設(shè)定值,系統(tǒng)在A點(diǎn)運(yùn)行[11]。當(dāng)系統(tǒng)頻率減少到f2時(shí),分布式電源逆變器電壓下降到U2,系統(tǒng)依然按照設(shè)定值輸出有功頻率與無功頻率,系統(tǒng)在C點(diǎn)運(yùn)行。

從上述原理我們可以得知,PQ控制只能使系統(tǒng)保證自身的頻率穩(wěn)定性,當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓和頻率同時(shí)發(fā)生異常時(shí),這時(shí)PQ控制則不能做出響應(yīng)。當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),可能會(huì)進(jìn)行孤島運(yùn)行,在孤島運(yùn)行時(shí)很多交流負(fù)載對(duì)電壓和頻率都有較高的要求,電壓與頻率與額定值偏差偏大的話會(huì)直接影響電器元件的使用壽命與工作狀態(tài),在PQ控制下無法保證電壓與頻率的穩(wěn)定,所以PQ控制需要通過較大的電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓與頻率,由此可知PQ控制主要適用于并網(wǎng)運(yùn)行。

2.2 VF控制

VF控制指的是恒壓恒頻控制,主要用于微網(wǎng)內(nèi)主電源的控制。V指的是微電源連接到微網(wǎng)的接口電壓,F指的是電源的端口頻率,一般選取50 Hz,VF控制就是用系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好的V和F的值進(jìn)行控制,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部其他電氣量參數(shù)發(fā)生變化時(shí),在VF控制下微電源的輸出電壓和端口頻率保持穩(wěn)定[7]。VF的控制原理如圖2所示。

圖2 VF控制原理圖

當(dāng)輸出的有功功率P在P0點(diǎn)無功功率Q在Q0時(shí),此時(shí)系統(tǒng)在B點(diǎn)運(yùn)行,電源輸出的電壓與頻率標(biāo)準(zhǔn)值分別是V0和f0,當(dāng)有功功率減少到P1時(shí),無功功率也減少到Q1,此時(shí)電源在A點(diǎn)運(yùn)行,輸出的頻率與電壓依然是標(biāo)準(zhǔn)值。同理可得,當(dāng)電源輸出的有功功率增加到P2的時(shí)候,無功功率也增加到Q2,電源依然按照電壓頻率的標(biāo)準(zhǔn)值在C點(diǎn)穩(wěn)定的運(yùn)行[15]。

VF控制就是使電源改變輸出功率來保持自身輸出電壓頻率的穩(wěn)定,為微網(wǎng)的運(yùn)行提供了穩(wěn)定的電壓和頻率。VF控制策略一般運(yùn)用于微網(wǎng)脫離電網(wǎng)的孤網(wǎng)運(yùn)行。VF控制中頻率參考值一般取50 Hz,電壓的參考值一般要根據(jù)所要并網(wǎng)的電壓等級(jí)取。所以在VF控制下的微電網(wǎng),當(dāng)從孤網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)到并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),對(duì)主電網(wǎng)的影響相對(duì)較小。但是這種控制方式下的微網(wǎng),當(dāng)其中的DG出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)使得在孤網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)候丟失電壓與頻率的參考值,甚至導(dǎo)致整個(gè)微網(wǎng)的癱瘓。

2.3 下垂控制(Droop控制)

在微電網(wǎng)的對(duì)等控制中主要運(yùn)用了下垂控制,它可以達(dá)到多個(gè)分布式電源出力的協(xié)調(diào)控制的目標(biāo),但這是一種有差控制,無法使微網(wǎng)的頻率和電壓恢復(fù)到并網(wǎng)時(shí)的水平[16]。它是模擬電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻來對(duì)分布式電源進(jìn)行調(diào)控,如圖3:

圖3 下垂控制原理圖

由圖3可以看出,當(dāng)有功功率P0增加到P1時(shí),有功負(fù)荷增大,有功功率不足導(dǎo)致頻率下降；當(dāng)無功功率從Q0增加到Q1時(shí),無功負(fù)荷增大,無功功率不足致使電壓U下降到U1。目前此控制主要有兩種方法:f-P、V-Q下垂控制法和P-f、Q-V下垂控制法。f-P、V-Q下垂控制法是通過調(diào)節(jié)電壓的頻率和幅值去調(diào)節(jié)功率,P-f、Q-V下垂控制法是通過調(diào)節(jié)輸出功率控制電壓的幅值和頻率[17]。

文獻(xiàn)[18]采用了一種基于自調(diào)節(jié)下垂控制的分布式電源并聯(lián)運(yùn)行技術(shù),以Q-V下垂控制作為基礎(chǔ),通過引入輸出無功功率的比例積分控制環(huán)節(jié)來使無功功率和線路阻抗無關(guān)從而達(dá)到抑制系統(tǒng)無功環(huán)流分量的作用。文獻(xiàn)[19]以下垂控制作為基礎(chǔ),增加了功率分配環(huán)節(jié)與下垂系數(shù)調(diào)增環(huán)節(jié)來達(dá)到DG對(duì)功率精準(zhǔn)分配,通過建模仿真,進(jìn)一步證實(shí)了這種方法會(huì)改善電網(wǎng)的運(yùn)行效率。

3 配電網(wǎng)電壓控制

針對(duì)于大量的DG接入電網(wǎng)造成的諸多問題,主要體現(xiàn)在當(dāng)高比例DG接入的時(shí)候,會(huì)給電網(wǎng)帶來電壓波動(dòng)、閃變和越限等問題[20]。而且,在微網(wǎng)的系統(tǒng)中,不同類別的電源都需要運(yùn)用不同的電力電子技術(shù)來達(dá)到用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求,不同的電力電子技術(shù)逆變器生成的諧波水平可能也不相同,微網(wǎng)在電網(wǎng)中占比越來越高,會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的諧波水平升高,此外在微網(wǎng)系統(tǒng)中有許多單相分布式電源,如果大量接入則會(huì)增加配電系統(tǒng)三相不平衡的影響[21]。這些問題影響了新能源發(fā)電的電能利用率,也給電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來了困擾。當(dāng)前,針對(duì)這些問題主要有3種控制策略: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

分布式控制的優(yōu)勢(shì)在于在進(jìn)行電壓控制時(shí)可以運(yùn)用本地信息進(jìn)行控制,控制速度快而且對(duì)通信系統(tǒng)要求比較低,但它的缺點(diǎn)是,參與控制的設(shè)備工作強(qiáng)度比較大,而且設(shè)備間缺乏協(xié)調(diào),運(yùn)行期間可能發(fā)生沖突,無法做到全局優(yōu)化,因無功流動(dòng)而造成的線路損耗的問題也無法解決[23]。目前配電系統(tǒng)一般采用兩種方案提高對(duì)分布式電源的接納能力,即無功控制方案與有功控制方案。

3.1.1 無功控制分布式電壓控制策略

文獻(xiàn)[23]提出了一種基于MAS和靈敏度理論的電壓控制算法,有效地消除了由于分布式電源的連接而造成的電壓偏差。這種算法可以計(jì)算特定電壓分布下的每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的補(bǔ)償,創(chuàng)建新的電壓分布,在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都生成一組新的補(bǔ)償,通過計(jì)算后的補(bǔ)償要保證最小無功功率來消除電壓誤差。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是,不需要中央控制器的干預(yù),通過相鄰智能體間的通信就可以消除電壓問題。文獻(xiàn)[24]運(yùn)用了一種九宮圖控制方法,根據(jù)電力系統(tǒng)中電壓、無功的上下限將電壓與無功組成的平面劃分成九塊分區(qū),如圖4所示:

圖4 九宮圖控制

在用九宮圖控制策略進(jìn)行控制時(shí),將負(fù)荷時(shí)段分成多個(gè)時(shí)段,假使每一個(gè)時(shí)段內(nèi)的電壓、無功都是固定的值,通過逆調(diào)壓對(duì)電壓的上下限進(jìn)行整定。這種方法可以實(shí)現(xiàn)電壓的實(shí)時(shí)控制及調(diào)節(jié),能夠改善電壓質(zhì)量降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的有功損耗。文獻(xiàn)[25]采用了一種分布式無功控制控制策略,采用這種策略可以使每個(gè)并入電網(wǎng)的分布式電源都可以吸收無功功率或發(fā)出無功功率,解決了電壓波動(dòng)的問題。

3.1.2 有功控制分布式電壓控制策略

通過改變分布式電源的有功輸出也可以改進(jìn)配電網(wǎng)的電壓水平,當(dāng)前分布式電源并入電網(wǎng)是運(yùn)用“硬連接”的方法,在所有情況都根據(jù)額定的有功進(jìn)行輸出,但是在用電量較少的情形下,將導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)電壓增加。所以將分布式電源參照接入點(diǎn)處的電壓調(diào)整有功輸出,可以改進(jìn)電網(wǎng)的電壓水平[26]。

文獻(xiàn)[27]采用的是一種兩階段有功、無功結(jié)合的控制方法。第一階段的電壓控制是用分布式電源本身的無功控制能力,如果無功控制的能力達(dá)不到控制的需求,則第二階段進(jìn)行有功控制。這種方法可以使電壓控制發(fā)揮到最大水平。

3.2 集中式電壓控制

集中式控制主要指調(diào)度中心運(yùn)用通信系統(tǒng)下達(dá)指令來操控系統(tǒng)中調(diào)壓裝置來進(jìn)行全局的電壓控制?？梢酝ㄟ^通信系統(tǒng)完整性,速率不同實(shí)現(xiàn)不同復(fù)雜度,不同性能的電壓控制,但是這種方法需要每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有通信的能力,而且計(jì)算量大,容易造成數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定,而且全局通信的可靠性隨著電網(wǎng)規(guī)模變大而降低[26]。

文獻(xiàn)[28]采用了一種集中式控制的方法,控制器是線性的,通過模型控制預(yù)測(cè)的方法,可以改善模型不準(zhǔn)確與測(cè)量噪音的問題。文獻(xiàn)[29]采用了分布式電源與OLTC作為對(duì)象的連續(xù)電壓控制法,將電壓穩(wěn)定在額定電壓的水準(zhǔn)。文獻(xiàn)[30]提出了一種主配網(wǎng)一體化無功優(yōu)化模型與算法,可以減少配電網(wǎng)三相不平衡性,降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗,優(yōu)化主配網(wǎng)全局無功資源。

3.3 集中-分布式控制

集中-分布式控制是一種將上述兩種控制方式結(jié)合起來的一種控制方法,這種控制方式既保證了控制的速率又考慮到了設(shè)備間的相互影響,從而更好地進(jìn)行全局優(yōu)化控制。目前集中-分布式控制主要有兩種控制策略:基于多代理技術(shù)控制策略與基于分層技術(shù)控制策略。

3.3.1 基于多代理技術(shù)

多代理系統(tǒng)是有很多個(gè)單個(gè)代理構(gòu)成,這些代理可以解決局部的問題,但不能做到單獨(dú)的達(dá)到全局目標(biāo),所以多代理技術(shù)實(shí)現(xiàn)全局控制是由一組協(xié)調(diào)代理協(xié)調(diào)其他分散的單個(gè)代理進(jìn)行控制。

文獻(xiàn)[31]在多代理技術(shù)的基礎(chǔ)上搭建了求解DPMC模型的多代理系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)中的子系統(tǒng)都可以單獨(dú)的完成各自目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化,利用數(shù)據(jù)的交換與協(xié)調(diào)從而實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化控制并建立預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)長期電壓穩(wěn)定的緊急控制。文獻(xiàn)[32]在多代理技術(shù)的基礎(chǔ)上搭建了不同類別需求響應(yīng)資源的負(fù)荷代理與電網(wǎng)調(diào)度中心的互動(dòng)調(diào)度模型,通過模型與算法分析得出了通過這種方法可以促進(jìn)間歇性能源的消納。但是基于多代理技術(shù)在系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各個(gè)代理間通信協(xié)調(diào)等方式的設(shè)計(jì)還不夠完善,所以這種方式在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用還處于初級(jí)階段。

3.3.2 基于分層控制

分層控制通常是以控制的區(qū)域維度與時(shí)間維度來劃分,上層是中央優(yōu)化的電壓控制,下層通常是分布式電壓控制[26]。

文獻(xiàn)[33]運(yùn)用了一種以雙層算法為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)全局優(yōu)化調(diào)度與饋電線路區(qū)域自治相配合的配電網(wǎng)分層結(jié)構(gòu),最上層為配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng),中間層的控制單元為分層分布控制器,底層的控制單元是源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器,用來獲取分層分布控制器的功率控制目標(biāo)再進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的分配。這種分層方式在時(shí)間層面上的配電網(wǎng)全局優(yōu)化與區(qū)域自治達(dá)到源-網(wǎng)-荷的協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。文獻(xiàn)[34]采用了一種基于多智能體一致性算法的分層結(jié)構(gòu),分為基于有功-頻率下垂的初級(jí)控制層、基于頻率補(bǔ)償?shù)亩慰刂茖?、基于功率分配的三次控制?將分布式的一致性算法運(yùn)用在每一層控制上,用少量的信息交換即可以實(shí)現(xiàn)全局控制,節(jié)省了通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投資同時(shí)也使系統(tǒng)變得更加靈活。文獻(xiàn)[35]將分布式電源參與系統(tǒng)優(yōu)化分為三層,第一層是成本優(yōu)化,通過調(diào)整分布式電源的有功功率使系統(tǒng)成本最小,第二層進(jìn)行有功功率的控制,運(yùn)用一致性協(xié)議的控制達(dá)到對(duì)調(diào)整過的有功功率的追蹤,第三層是系統(tǒng)頻率和電壓控制,加深對(duì)系統(tǒng)的頻率和電壓進(jìn)行控制來達(dá)到預(yù)取的目標(biāo)。文獻(xiàn)[36]分成兩層控制,一層為設(shè)備控制層采用分散控制,二層通過分布式的方式產(chǎn)生權(quán)重系數(shù),且權(quán)重系數(shù)可以調(diào)節(jié)。通過此控制策略脫離了對(duì)集中控制器的依托,使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

分層控制每一層都有各自的明確功能目標(biāo),減少了各層之間的依賴性,可根據(jù)電網(wǎng)的規(guī)模對(duì)控制層進(jìn)行擴(kuò)展,也容易將新的控制集成到不同的層中。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合現(xiàn)有的研究對(duì)分布式電源的運(yùn)行控制與DG并入電網(wǎng)時(shí)配電網(wǎng)并網(wǎng)的電壓控制做出了綜述,從目前的結(jié)果來看,對(duì)于DG并網(wǎng)的研究已經(jīng)有了新的進(jìn)展,隨著電網(wǎng)的規(guī)模逐漸增大,通過DG進(jìn)行發(fā)電作為一種最有競爭力的發(fā)電方式在電力系統(tǒng)中的占比也會(huì)逐漸升高,但越來越多的DG并入配電網(wǎng)中,會(huì)使運(yùn)行方式也多樣化,為了使分布式電源充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì),需要對(duì)分布式發(fā)電技術(shù)與DG并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究,使電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行,保證分布式發(fā)電在應(yīng)用中充分發(fā)揮作用。