研究背景

推動(dòng)可再生能源發(fā)展，構(gòu)建綠色、低碳、清潔能源體系，是我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化和能源安全的戰(zhàn)略選擇，在此背景下以風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電為代表的可再生能源得到快速發(fā)展。隨著配電系統(tǒng)中可再生分布式電源（Renewable Distributed Generator, RDG）滲透率的不斷提高，其出力可預(yù)測(cè)時(shí)域小，波動(dòng)帶寬大，混疊多類型負(fù)荷功率波動(dòng)，容易造成饋線電壓越限問題，給配電系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)分析帶來極大困難。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

配電網(wǎng)中常用無功調(diào)控設(shè)備有載調(diào)壓變壓器（On-Line Tap Changer, OLTC）、并聯(lián)電容器組（Shunt Capacitor Bank, SCB）等為離散調(diào)節(jié)，容量大、成本低，穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)效果顯著，但難以勝任快速無功補(bǔ)償；安裝靜止無功補(bǔ)償器、靜止無功發(fā)生器等動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，將增加配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）和光伏發(fā)電通過逆變器有功無功解耦控制，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)無功調(diào)節(jié)，且響應(yīng)速度快，滿足多時(shí)間尺度靈活調(diào)節(jié)需求，使得如何充分挖掘RDG無功調(diào)節(jié)能力、參與系統(tǒng)電壓無功調(diào)控成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

配電系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)和RDG隨機(jī)出力使功率波動(dòng)頻幅不斷增加，其在時(shí)域上可分解為大時(shí)間尺度平均功率及小時(shí)間尺度脈動(dòng)功率，對(duì)應(yīng)頻域上的低頻分量和高頻分量，需通過日前預(yù)測(cè)全局優(yōu)化與日內(nèi)斷面局部調(diào)控配合，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)優(yōu)化控制。

基于模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control, MPC）思想，通過預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，將預(yù)測(cè)信息及調(diào)控方式逐層細(xì)化，協(xié)調(diào)配電網(wǎng)無功電壓的大幅調(diào)節(jié)、小幅調(diào)控和反饋調(diào)整，可有效抑制不確定因素對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。

本文深入研究了風(fēng)速和光照的預(yù)測(cè)誤差對(duì)RDG無功調(diào)控能力的影響，并根據(jù)響應(yīng)速度迥異無功設(shè)備的配合方式及穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)無功調(diào)控需求，建立基于模型預(yù)測(cè)控制的配電網(wǎng)多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)無功優(yōu)化框架，包含日前優(yōu)化調(diào)節(jié)層和實(shí)時(shí)滾動(dòng)調(diào)控層，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)多時(shí)間尺度無功優(yōu)化框架

日前優(yōu)化調(diào)節(jié)提前1d給出配電系統(tǒng)未來24h無功運(yùn)行方案，優(yōu)化時(shí)間粒度取1h，側(cè)重于運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，通過不同調(diào)節(jié)速率無功設(shè)備間的協(xié)調(diào)配合，進(jìn)行大幅度無功調(diào)節(jié)；增加以滿足動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備為指標(biāo)的電壓穩(wěn)定概率約束，從而在日前方案中提前鎖定可靠性風(fēng)險(xiǎn)，降低實(shí)時(shí)調(diào)控難度。

實(shí)時(shí)滾動(dòng)調(diào)控取5min為時(shí)間粒度，以日前無功優(yōu)化方案為基準(zhǔn)，側(cè)重于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；保持OLTC、SCB等離散設(shè)備日前計(jì)劃運(yùn)行狀態(tài)，基于RDG出力、負(fù)荷超短期滾動(dòng)預(yù)測(cè)值，根據(jù)電壓靈敏度矩陣，優(yōu)化求解RDG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償量。應(yīng)用滑動(dòng)平均濾波方法，分離動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償曲線中的慢變分量和快變分量。

若慢變分量觸發(fā)反饋調(diào)整閾值，則根據(jù)反饋校正優(yōu)化目標(biāo)，修正當(dāng)前至周期末時(shí)域內(nèi)各調(diào)壓設(shè)備運(yùn)行計(jì)劃，歸并慢變分量至日前穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，快變分量由RDG承擔(dān)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)運(yùn)行實(shí)況的自啟動(dòng)反饋校正；若慢變分量未觸發(fā)反饋調(diào)整閾值，由RDG跟蹤無功補(bǔ)償曲線動(dòng)態(tài)調(diào)整無功出力。

實(shí)時(shí)滾動(dòng)調(diào)控中滑動(dòng)平均濾波時(shí)間窗口即為MPC預(yù)測(cè)時(shí)域，以有限時(shí)域內(nèi)預(yù)測(cè)控制支撐短期安全運(yùn)行，并通過反饋校正構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化控制，及時(shí)校正運(yùn)行結(jié)果偏差，最大限度消除不確定因素對(duì)運(yùn)行方案的影響，提高配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行精度。此外，電壓靈敏度矩陣依賴于配電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)（例如：重載或輕載運(yùn)行），在線更新難以匹配滾動(dòng)控制快速性，可在日前階段由離線潮流計(jì)算得到。

結(jié)論

本文針對(duì)配電系統(tǒng)中RDG滲透率不斷提高，其出力隨機(jī)性混疊負(fù)荷波動(dòng)性，容易帶來饋線電壓越限問題，提出了基于模型預(yù)測(cè)控制的多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)無功優(yōu)化模型。

相比于已有研究，本文在長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)注重運(yùn)行特性和響應(yīng)速度迥異的無功設(shè)備的協(xié)調(diào)配合，并充分考慮了RDG出力特性對(duì)無功電壓調(diào)控的影響，通過以動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備為指標(biāo)的電壓穩(wěn)定概率約束，將運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)鎖定在日前運(yùn)行計(jì)劃中，追求最佳經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)確保日內(nèi)可靠運(yùn)行；在日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化中，基于超短期預(yù)測(cè)實(shí)況決定反饋校正動(dòng)作，為實(shí)時(shí)運(yùn)行提供更加精確的調(diào)控基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)日前優(yōu)化方案向?qū)崟r(shí)運(yùn)行的平穩(wěn)過渡，進(jìn)一步削弱預(yù)測(cè)誤差的影響，提升系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

引用本文

顏湘武, 徐韻, 李若瑾, 金永盛, 李鐵. 基于模型預(yù)測(cè)控制含可再生分布式電源參與調(diào)控的配電網(wǎng)多時(shí)間尺度無功動(dòng)態(tài)優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(10): 2022-2037. Yan Xiangwu, Xu Yun, Li Ruojin, Jin Yongsheng, Li Tie. Multi-Time Scale Reactive Power Optimization of Distribution Grid Based on Model Predictive Control and Including RDG Regulation. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(10): 2022-2037.

團(tuán)隊(duì)介紹

顏湘武

博士，教授，博士生導(dǎo)師，“分布式儲(chǔ)能與微網(wǎng)”河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，河北電機(jī)工程學(xué)會(huì)理事，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)汽車充換電系統(tǒng)與試驗(yàn)專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)電源學(xué)會(huì)元器件專委會(huì)委員。先后主持和承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家科技支撐以及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目20余項(xiàng)。主要從事新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定與自治控制、分布式發(fā)電并網(wǎng)與系統(tǒng)特性分析、高效變換拓?fù)湟约半妱?dòng)汽車安全充電等方面的理論及其關(guān)鍵技術(shù)研究。已培養(yǎng)碩士、博士研究生50余人。先后在《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》、《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、IEEE Transaction on Power Electronics、Transaction on Energy Conversion、Energies、Science Applied等國(guó)內(nèi)外權(quán)威和核心期刊，以及IEEE核心國(guó)際會(huì)議等，發(fā)表SCI、EI收錄學(xué)術(shù)論文100余篇；獲得河北省科技進(jìn)步獎(jiǎng)2項(xiàng)，電力科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)1項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利30余項(xiàng)。

徐韻

博士研究生，研究方向包括可再生能源并網(wǎng)控制、電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。主要參與河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)慣量及一次調(diào)頻調(diào)壓控制方法研究）及國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司科技項(xiàng)目（考慮源、荷波動(dòng)特征的電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化策略和評(píng)價(jià)指標(biāo)研究）的技術(shù)研究。