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交直流混合配电网调度与控制技术

文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2016-10-06 13:14【

智能电网的发展趋势,对配电网的可控性提出了更高的要求。传统交流配电网的可控性较差,而在交直流混合配电网中,柔性直流换流器可以灵活地调节有功功率和无功功率,大大提升了电网的控制能力,与此同时,也对配电网的调度与控制提出了更高的要求。


交直流混合配电网的调度方案


交直流混合配电网的调度方案应当结合分布式电源、储能设备以及实际的负荷特性进行制定。由于交直流混合配电网相对传统配电网具有不同的拓扑结构以及运行方式,因此两者的调度方式也有所不同,交直流混合配电网中可借助柔性互联装置,实现多区域间潮流的广域调度。


目前针对交直流混合配电网优化调度的研究相对较少,研究成果也相对集中在柔性交直流混合电网的最优潮流(optimalpowerflow,OPF)方面。文献[52~54]分别利用遗传算法、牛顿法以及二阶锥规划的相关技术对交直流混合电网OPF问题进行了建模和求解。在电力系统中,内点法是一种常用的优化算法,文献[55]建立了交直流混合电网内点法OPF模型。在此基础上,学者们进一步研究了考虑暂态稳定的交直流混合电网OPF等问题,推进了相关方法的实用化进程。在OPF研究的基础上,已有部分研究人员对考虑多时段的交直流混合电网调度问题进行了研究,采用的方法包括通过简化模型降低问题的求解难度,或者通过优化分解算法,将较复杂的交直流混合电网调度问题分解为若干子问题,分别进行求解等。


在上述问题中,通过优化分解算法,采用分布式的思想构建交直流混合配电网的优化调度方案,是一个较有前景的研究方向。首先,交直流混合配电网分区清晰,易于划分各个优化主体,并且利用柔性直流换流站的功率控制能力,也可降低各子优化问题的建模和求解难度;其次,各个交流配电网区域原本就独立运行,极大地便利了分布式优化控制系统的部署,利用分布式优化也可以充分利用各个区域的自主运行能力,进行并行计算;最后,通过分布式优化,可以避免配电网内大量信息的远距离报送,减小了通信的需求,也保护了内部运行信息的安全。


供配电设计专家研究了交直流混合配电网的多源协同分层分布式优化调度方案,其结构见图3。



图3交直流混合配电网的分层分布式优化调度策略


该策略利用分层调度和分布式优化理论和方法,对含有多类型分布式发电的交直流混合主动配电网进行优化调度,以实现电能的高效生产和使用。在局部调度层,对可再生分布式能源发电结合储能装置进行联合出力优化;在区域调度层,根据局部调度层的优化结果对配电网区域内的可控分布式发电以及区域间的交换功率进行调度,优化配电网的供电方式。通过仿真研究,可以证明该分层分布式优化调度策略的可行性和有效性,在局部调度层可以充分利用可再生能源,并有效利用储能平抑波动;在区域调度层,通过分布式优化调度,可以得到整体交直流混合配电网的最优供电方案,且验证了通过构建交直流混合配电网,可以更好地利用各个交流配电网区域不同的负荷特性,实现能量的广域调度。


在上述分层分布式优化调度策略中,本文采用了基于分析目标级联的分布式优化方法,从而将交直流混合配电网的优化调度问题分解到交流配电网区域和直流配电网区域分别进行求解,见图4。



图4交直流混合配电网的优化调度问题分解


交直流混合配电网的协调控制策略


多端柔性直流配电网将是构建交直流混合配电网的重要组成部分,其可靠的协调控制策略是交直流混合配电网能够正常运行的重要保障。多端柔性直流配电网的运行控制通常采用分层的形式,分为系统级控制以及换流站级控制,其中系统级控制实现直流电网的功率平衡和电压稳定,换流站级控制实现各个换流站快速跟随上级运行指令,并调整其运行点。系统级控制、换流站级控制与3.1节所述调度级控制共同构成了交直流混合配电网的调度控制系统,见图5。


对于系统级控制,可进一步分为一次和二次控制层。其中二次控制层通过快速优化控制,可消除一次控制误差,实现多端柔性直流系统的优化运行。加入二次控制层,还可以为系统级控制带来诸多好处,例如,可通过二次优化控制为系统级一次协调控制提供参考;或在二次控制层中通过N-1校核等手段提高系统运行的可靠性。系统级一次控制常通过设定各个换流站之间的控制模式实现,包括主从控制、电压偏差控制和下垂控制等。其中电压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宽的系统运行范围,因此更受到认可。相关研究多集中在对上述几种控制模式的改进,以获得更好的协调控制效果,研究思路包括将不同的控制模式加以结合,从而在系统运行点改变时选择合适的协调模式;或通过附加控制环以自适应地修正协调控制参数,从而获得更优的控制效果等。


对于换流站级控制,矢量控制是目前最常用的控制形式,通过坐标变换将abc坐标系转换至旋转的dq坐标系,从而实现对有功功率和无功功率的直接控制。最常见的矢量控制形式利用比例—积分(proportional-integral,PI)控制器进行设计。这种形式的控制器可能存在因运行点大范围变化而使控制效果变差的问题,因此,很多学者在其基础上进行了改进,以改善其控制效果。


本文研究了多端柔性直流系统的分散非线性控制策略,其“分散”的特性可以保证各换流站在较少通信的条件下仍可以自主协调运行,而“非线性”的特性可以保证在运行点大范围变化的条件下仍具有良好的控制性能,从而能够融合多端柔性直流系统的系统级一次控制和换流站级控制目标,获得更优的协调控制效果。


在交直流混合配电网中,间歇式分布式电源和负荷的功率波动会导致系统运行点在较大的范围内发生变化,也给多端柔性直流配电网的控制的鲁棒性和有效性提出了更高的要求。针对相关问题,有学者提出了“鲁棒优化”等新兴优化思想,其特点是可以保证运行点波动时结果的可行性和最优性,相关研究可为系统级二次控制层提供借鉴。此外,可进一步探索针对多端柔性直流系统的分散非线性控制方法,融合系统级一次控制与换流站级控制的功能,使多个换流站在分散、少通信的情况下,利用非线性控制保证在运行点大范围变化的情况下仍具有良好的控制效果。上述角度将是多端柔性直流配电网协调控制层面需持续研究的问题,其结构见图7。



图7多端柔性直流配电网协调控制策略展望


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