- 頭條基于柔性直流互聯的多微網集成聚合運行優化及分析2019-10-12 作者：張釋中、裴瑋、楊艷紅、肖浩、孔力 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語中國科學院電工研究所、中國科學院大學電子電氣與通信工程學院的研究人員張釋中、裴瑋、楊艷紅、肖浩、孔力，在2019年第5期《電工技術學報》上撰文，為解決多微網集成聚合控制與運行管理問題，提出一種多微網柔性直流互聯方案及多目標優化調度方法。首先介紹了多微網柔性直流互聯結構和電壓源型變流器（VSC）模型。然后，以微網中電壓波動最小和系統網損最小為優化目標，綜合考慮交流系統、直流系統和VSC的運行約束，提出了基于柔性直流互聯多微網的多目標優化模型。最后，采用改進非劣排序多目標遺傳算法（NSGA-II）和交直流混合潮流算法對多目標優化模型進行求解，得到帕累托（Pareto）最優解集，針對Pareto最優解集中解的數量大的問題，提出采用模糊聚類法對Pareto最優解集進行篩選，得到最終優化調度方案。對算例進行了仿真分析，結果表明所提模型和算法能夠有效抑制微網電壓的波動，進而提高可再生能源的滲透率，同時保證系統的經濟運行。
隨著國家可再生能源發展規劃的推進以及城市環境和能源轉型的迫切需求，大量的新能源示范城市、綠色能源縣、可再生能源產業園區等建設將逐漸加快，分布式可再生能源滲透率的增加成為必然趨勢，其接入的運行控制與穩定性問題近年來也受到關注。
目前通過微網方案可以部分解決分布式電源（Distributed Generator, DG）接入的控制、功率平滑、運行以及管理等問題，但隨著交流配電網中微網數量的快速增長，如何將多個微網集成聚合起來以提高系統的可靠性，增強能源互補與能量管理，提升輔助服務等會受到越來越多的關注與研究。
目前的研究主要集中在主動配電網、虛擬電廠和交流互聯多微網等解決方案。主動配電網方案是將分散連接到多條交流饋線的微網進行統一運行調度與實施主動管理，協調微網間以及大電網的功率分配出力。虛擬電廠方案則是通過先進的信息通信技術和軟件系統實現不同微網、儲能、電動汽車、可控負荷等分布式資源的聚合和協調優化，以將其作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行。
這兩種方式均是基于現有網絡結構，通過采用先進的信息和控制技術，實現提升微網和配電網的運行能力和經濟性，但是受到固有結構限制，難以進一步在可再生能源功率波動分擔、潮流靈活控制、增強可靠性等方面發揮更大的作用。
同時，有學者提出在規劃設計時考慮不同微網間的相互配合以及微網故障的自愈能力，但受制于交流網架結構和可再生能源的地理分布，故障時相互支持的能力有限，廣域范圍多微網的互補特性難以充分發揮。
此外，還有學者提出通過交流線路互聯多個微網的方案，但是通過交流線路互聯，無法控制各個微網間的交換功率，難以實現潮流的自由調節，限制了多微網集成聚合運行的靈活性。并且文獻中所提方案都只從經濟性角度考慮，以發電成本最小或運行成本最小作為優化目標，但在最優經濟性運行的情況下，可再生能源出力過大可能會導致微網內及其并網點的電壓波動，甚至出現電壓越限的情況。
因此，通過柔性直流互聯多個微網進行集成聚合運行優化是一種新的技術方案，相較于交流互聯，通過電壓源型變流器（Voltage Source Converter,VSC）的柔性直流互聯多個微網，能夠實現對有功功率和無功功率的解耦控制，并且能夠控制多微網間的交換功率，提高多微網集成聚合運行的靈活性；可以在更大的時空范圍利用不同微網的風電、光伏的互補性，實現可再生能源更廣范圍的分散接入與波動均擔；同時能夠有效抑制可再生能源波動帶來的電壓波動和越限問題，從而進一步提高微網對可再生能源的消納能力。
目前，在配電系統中應用交直流混聯技術已成為國內外研究熱點。美國北卡羅來納州立大學的學者提出FREEDM交直流混合配電系統用于管理可再生能源和儲能等即插即用設備；美國弗吉尼亞理工大學CPES中心提出的樓宇交直流配電系統，可以提高可再生能源的接入比例和系統能效；歐洲丹麥奧爾堡大學的學者提出了交直流混合微電網多種工作模式轉換與控制方案。
總體來看，目前研究集中在多端直流領域的設備拓撲結構、閥控技術以及變換器控制等方面，并取得一定成果，交直流混合配電系統已具備了實際運行的基礎。
隨著中低壓柔性直流裝備以及控制技術的逐漸成熟和應用，交直流混合配電網將成為未來配電網的形態之一，尤其是在多微網接入的情況下，交直流混合配電將會是其重要的解決方案。但是如何更加合理地運用柔性直流來互聯多微網，進行多微網集成聚合優化運行，目前尚未有深入研究。
本文立足于此，提出將多個微網通過柔性直流互聯的方案，在每個微網按自身經濟性最優運行的情況下，采用柔性直流互聯方案靈活調控多微網間的交換功率，解決電壓波動和越限問題，從而提高微網對可再生能源的消納能力，同時進一步優化系統的網損問題。
本文以微網中電壓波動最小和系統網損最小為優化目標，從多目標優化的角度對VSC的功率優化調度問題進行了研究，提出了多微網柔性直流互聯的多目標優化模型，采用NSGA-Ⅱ算法、交直流混合潮流算法以及模糊聚類法對模型進行求解。最后通過單次潮流和連續潮流的仿真，從電壓水平、可再生能源滲透率和網絡損耗角度驗證了所提模型和算法的有效性。
圖1 基于VSC的多微網互聯結構
圖5 多微網互聯算例
結論
隨著配電網中微網數量的增加，面對微網中分布式電源出力的間歇性、波動性造成的電壓波動和電能質量下降，以及因此帶來的可再生能源滲透率難以提高的問題，本文提出通過柔性直流互聯多個微網集成聚合運行的技術方案。以微網中電壓與標稱電壓方差最小和系統網損功率最小為優化目標，提出了一種基于柔性直流互聯的多微網多目標優化模型，應用NSGA-Ⅱ算法和交直流混合潮流算法對模型進行了求解，并利用模糊聚類法對Pareto最優解集進行篩選，得到最終優化調度方案。
對算例進行了仿真分析，結果表明：所提模型和算法能夠有效抑制微網中電壓波動，進而提高可再生能源的滲透率，同時保證系統的經濟運行，對于多微網的集成聚合管理具有理論和實際意義。
交直流混合配電網是未來配電網的一個重要發展方向，在本文提出的基于柔性直流互聯多微網的技術方案基礎上，可以在直流電網中接入各類直流源荷和儲能裝備等，作為未來交直流混合配電網的一種運行方案。但是通過直流交換功率涉及不同微網間交易機制問題，相關方面仍有待進一步研究。
