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        交直流混合配電網調度與控制技術

        文章出處:責任編輯:人氣:-發表時間:2016-10-06 13:14【

        智能電網的發展趨勢,對配電網的可控性提出了更高的要求。傳統交流配電網的可控性較差,而在交直流混合配電網中,柔性直流換流器可以靈活地調節有功功率和無功功率,大大提升了電網的控制能力,與此同時,也對配電網的調度與控制提出了更高的要求。


        交直流混合配電網的調度方案


        交直流混合配電網的調度方案應當結合分布式電源、儲能設備以及實際的負荷特性進行制定。由于交直流混合配電網相對傳統配電網具有不同的拓撲結構以及運行方式,因此兩者的調度方式也有所不同,交直流混合配電網中可借助柔性互聯裝置,實現多區域間潮流的廣域調度。


        目前針對交直流混合配電網優化調度的研究相對較少,研究成果也相對集中在柔性交直流混合電網的最優潮流(optimalpowerflow,OPF)方面。文獻[52~54]分別利用遺傳算法、牛頓法以及二階錐規劃的相關技術對交直流混合電網OPF問題進行了建模和求解。在電力系統中,內點法是一種常用的優化算法,文獻[55]建立了交直流混合電網內點法OPF模型。在此基礎上,學者們進一步研究了考慮暫態穩定的交直流混合電網OPF等問題,推進了相關方法的實用化進程。在OPF研究的基礎上,已有部分研究人員對考慮多時段的交直流混合電網調度問題進行了研究,采用的方法包括通過簡化模型降低問題的求解難度,或者通過優化分解算法,將較復雜的交直流混合電網調度問題分解為若干子問題,分別進行求解等。


        在上述問題中,通過優化分解算法,采用分布式的思想構建交直流混合配電網的優化調度方案,是一個較有前景的研究方向。首先,交直流混合配電網分區清晰,易于劃分各個優化主體,并且利用柔性直流換流站的功率控制能力,也可降低各子優化問題的建模和求解難度;其次,各個交流配電網區域原本就獨立運行,極大地便利了分布式優化控制系統的部署,利用分布式優化也可以充分利用各個區域的自主運行能力,進行并行計算;最后,通過分布式優化,可以避免配電網內大量信息的遠距離報送,減小了通信的需求,也保護了內部運行信息的安全。


        供配電設計專家研究了交直流混合配電網的多源協同分層分布式優化調度方案,其結構見圖3。



        圖3交直流混合配電網的分層分布式優化調度策略


        該策略利用分層調度和分布式優化理論和方法,對含有多類型分布式發電的交直流混合主動配電網進行優化調度,以實現電能的高效生產和使用。在局部調度層,對可再生分布式能源發電結合儲能裝置進行聯合出力優化;在區域調度層,根據局部調度層的優化結果對配電網區域內的可控分布式發電以及區域間的交換功率進行調度,優化配電網的供電方式。通過仿真研究,可以證明該分層分布式優化調度策略的可行性和有效性,在局部調度層可以充分利用可再生能源,并有效利用儲能平抑波動;在區域調度層,通過分布式優化調度,可以得到整體交直流混合配電網的最優供電方案,且驗證了通過構建交直流混合配電網,可以更好地利用各個交流配電網區域不同的負荷特性,實現能量的廣域調度。


        在上述分層分布式優化調度策略中,本文采用了基于分析目標級聯的分布式優化方法,從而將交直流混合配電網的優化調度問題分解到交流配電網區域和直流配電網區域分別進行求解,見圖4。



        圖4交直流混合配電網的優化調度問題分解


        交直流混合配電網的協調控制策略


        多端柔性直流配電網將是構建交直流混合配電網的重要組成部分,其可靠的協調控制策略是交直流混合配電網能夠正常運行的重要保障。多端柔性直流配電網的運行控制通常采用分層的形式,分為系統級控制以及換流站級控制,其中系統級控制實現直流電網的功率平衡和電壓穩定,換流站級控制實現各個換流站快速跟隨上級運行指令,并調整其運行點。系統級控制、換流站級控制與3.1節所述調度級控制共同構成了交直流混合配電網的調度控制系統,見圖5。


        對于系統級控制,可進一步分為一次和二次控制層。其中二次控制層通過快速優化控制,可消除一次控制誤差,實現多端柔性直流系統的優化運行。加入二次控制層,還可以為系統級控制帶來諸多好處,例如,可通過二次優化控制為系統級一次協調控制提供參考;或在二次控制層中通過N-1校核等手段提高系統運行的可靠性。系統級一次控制常通過設定各個換流站之間的控制模式實現,包括主從控制、電壓偏差控制和下垂控制等。其中電壓偏差控制模式以及下垂控制模式由于具有更高的可靠性和更寬的系統運行范圍,因此更受到認可。相關研究多集中在對上述幾種控制模式的改進,以獲得更好的協調控制效果,研究思路包括將不同的控制模式加以結合,從而在系統運行點改變時選擇合適的協調模式;或通過附加控制環以自適應地修正協調控制參數,從而獲得更優的控制效果等。


        對于換流站級控制,矢量控制是目前最常用的控制形式,通過坐標變換將abc坐標系轉換至旋轉的dq坐標系,從而實現對有功功率和無功功率的直接控制。最常見的矢量控制形式利用比例—積分(proportional-integral,PI)控制器進行設計。這種形式的控制器可能存在因運行點大范圍變化而使控制效果變差的問題,因此,很多學者在其基礎上進行了改進,以改善其控制效果。


        本文研究了多端柔性直流系統的分散非線性控制策略,其“分散”的特性可以保證各換流站在較少通信的條件下仍可以自主協調運行,而“非線性”的特性可以保證在運行點大范圍變化的條件下仍具有良好的控制性能,從而能夠融合多端柔性直流系統的系統級一次控制和換流站級控制目標,獲得更優的協調控制效果。


        在交直流混合配電網中,間歇式分布式電源和負荷的功率波動會導致系統運行點在較大的范圍內發生變化,也給多端柔性直流配電網的控制的魯棒性和有效性提出了更高的要求。針對相關問題,有學者提出了“魯棒優化”等新興優化思想,其特點是可以保證運行點波動時結果的可行性和最優性,相關研究可為系統級二次控制層提供借鑒。此外,可進一步探索針對多端柔性直流系統的分散非線性控制方法,融合系統級一次控制與換流站級控制的功能,使多個換流站在分散、少通信的情況下,利用非線性控制保證在運行點大范圍變化的情況下仍具有良好的控制效果。上述角度將是多端柔性直流配電網協調控制層面需持續研究的問題,其結構見圖7。



        圖7多端柔性直流配電網協調控制策略展望


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