基于柔性负荷的主动配电网优化控制策略

查显辉

（池州华光电力工程有限公司）

随着对新能源控制技术研究的逐步深入，分布式电源作为新能源的一个重要组成部分，已经成功参与配电网运行，使得配电网具有智能性，资源的调度能力也不断强化，运行方式也具备多样化的特征，传统的配电网控制理论已经无法适应配电网的发展[1]。因此需要研究基于分布式电源、无功补偿设备、柔性负荷的配电网控制方法，提出适用于主动配电网的控制策略，实现降低配电网损耗、提高能源利用率、节能减排的目标[2]。本文研究主动配电网分布式电源、无功补偿设备、柔性负荷的优化控制策略。将配电网进行区域划分，在时间上构建长时和短时衔接的控制模式，长时进行全网优化控制，给出各个区域的优化目标；
短时负责区域内的协调校正控制，实现对区域优化目标的有效跟踪[3-4]。

1.1 协调控制模式

本文提出的主动配电网优化控制策略，在空间上基于馈线调压器或馈线分支处实现配电网区域划分，在时间上进行主动配电网域内长时间区段内优化计算，以确定有功功率和无功功率的目标值，以及不同区域的控制目标[5-6]。在进行全网范围内长时时间优化计算时，区域内部也要进行短时协调校正运算，充分调动区域内资源来抑制分布式电源和负荷产生的功率波动，并实时跟踪区域的运行目标[7-8]。

1.2 协调控制变量

基于主动配电网中有功和无功不是独立的，是互相耦合的，所以配电网内部区域的协调变量必须保证既覆盖有功方面又覆盖无功方面，协调变量的值由全网长时间优化计算得到，并传递到内部区域参与跟踪控制。选取馈线有功功率作为有功协调变量，选取馈线功率因数作为无功协调变量，选取馈线末端电压当作电压协调变量[9-10]。

1.3 协调控制方法

基于协调控制模式和协调控制变量总结出协调控制策略，如图1所示。

图1 协调控制方法原理

在长时运行周期内，根据配电网主电路拓扑以及分布式电源、储能单元、无功补偿设备的运行状态，进行全网协调运算，得到各个区域的控制目标参数，包括馈线有功功率目标参数、馈线功率因数目标参数、馈线末端电压目标[11]；
在短时运行周期内，控制区域内的可控资源进行全网优化控制目标跟踪，分布式电源和储能单元实现有功功率跟踪，分布式无功电源和无功补偿设备实现功率因数跟踪[12]。

2.1 目标函数建立

本文将主动配电网有功功率损耗控制到最低为目标，即配电网全部节点注入功率达到最小值：

式中，Ploss为配电网有功功率损耗；
n为配电网节点数量；
Pi为配电网节点i注入的有功功率的值。

2.2 约束条件选取

潮流方程以矩阵形式描述，对于配电网中的节点i存在：

式中，Si为注入到节点i的视在功率；
ei为元素i为1，其余元素为0的列向量；
U和I分别为电压列向量和电流列向量；
Y为导纳矩阵，为矩阵Y的第i列向量。

假定Qi=／2则得到约束条件：

式中，Pi为注入到节点i的有功功率；
Qi为注入到节点i的无功功率；
Pi.DG和Pi.Load为节点i上分布式电源和负荷的有功功率；
Qi.DG、Qi.SVC、Qi.Load分别为节点i上分布式电源、静止无功补偿器、负荷的无功功率；
μi为无功补偿电容器的级位；
Qi.C为无功补偿电容器的无功功率。

不等式约束条件为：

式中，Pmax.DG和Pmin.DG为分布式电源可调节有功功率的最大值和最小值；
Qmax.DG和Qmin.DG为分布式电源可调节无功功率的最大值和最小值；
Qmac.SVC和Qmin.SVC为静止无功补偿器可调节无功功率的最大值和最小值；
Mi为无功补偿电容器的级位的最大值；
Umax和Umin为节点i电压的最大值和最小值；
Smax.OC和Smin.OC为储能单元电荷状态的最大值和最小值。

3.1 有功控制策略

有功电源主要负责有功功率的控制，基于采样得到的有功功率值PM与给定功率PRef得到误差值 △P：

去顶功率误差参数是否满足有功电源的调节区间，用得到需要输出的有功率值PPower：

式中，PPower为之前一个控制周期运算得出的有功率值。

3.2 无功控制策略

无功控制包含电压控制和无功控制两部分，分别由调压器和无功电源来承担控制功能。电压控制比较电压协调变量的给定值URef与馈线末端电压值UEnd，调压器的调节策略为：

式中，μ和μ′为调压器级位调节前后的位置，UTh为预定义的电压降阈值。

无功控制是将功率因数值与功率因数给定值进行比较得到偏差来计算无功功率的偏差值，从而控制分布式无功电源、无功补偿设备等的输出，经无功功率值保持在给定值附近，采用离散设备控制较大的无功偏差，采用连续设备控制较小的偏差。

3.3 负荷控制策略

对于电压敏感性负荷，其与负荷功率与负荷电压都具有一定的关联性，通过控制调压器级位降低馈线上负荷节点电压，从而实现对负荷功率的有效控制，达到节约能源、降低负荷尖峰的目的。

节点i上的负荷有功功率、无功功率和电压的关系为：

式中，Zi、Ii、S′分别为节点i上所连接负荷的阻抗、电流、视在功率等参数；
xi、yi、zi分别为不同类型负荷所具有的权重参数。当确定功率因数角θi后，节点电压Ui的变化就会引起有功功率和无功功率的跟随变化，并且是等比例变化。当调节调压器级位时，馈线上两个节点之间电压存在关系：

式中，Ri和Xi分别为两个节点之间的电阻和电抗值。经过化简得到：

假设调压器几位调节后节点i电压存在降低现象，并且降低的电压u要远小于节点i电压，则可以得到调压器级位调节后相邻节点的电压降落值为：

由此便可以计算得到调压器级位调节前后馈线上节点电压变化量基本不存在。同理可以得到有功功率和无功功率在调压器调节后节点i的功率：

则得到调压器级位调节前后节点i的有功功率的变化量为：

由此便可知，调压器的级位在调节前后，节点的有功率变化情况与节点电压的变化情况存在正向关联关系：

所以得到ρ的值便知道降低有功功率时所需要对应降低的节点电压值。

基于上述分析便得到了控制策略：

实时采集馈线末端电压参数UEnd和区域内馈线有功功率参数PΣ，再通过区域潮流分布计算得到馈线末端最低电压值UEnd.min时的馈线有功率PΣ,min，这样便可以得到斜率值：

计算当前时刻，区域内馈线的有功功率实时值PΣ，与给定功率实时值PRef的差值△P，并确定在负荷的允许调节范围内：

再计算得到与各条馈线上节点电压相匹配的配置调节量，这样就通过计算得到末端馈线电压的给定值参数URef，从而确保实现调压器自动化调节，并对负荷进行了控制。

3.4 校正控制策略

科学控制主动配电网内的分布式电源、无功补偿设备、负荷等实现协调校正控制，跟踪全网优化控制，具体的控制流程如下：

1）获取全网优化控制目标，即有功功率、功率因数、馈线末端电压。

2）如果有功功率发生变化，优先通过分布式电源或负荷进行调节。

3）判断功率因数是否达标，确定是否启动无功功率控制。

4）计算经过调节后的有功功率是否达标，如果不满足，则启动调压器进行调节。

选取IEEE33节点系统作为主电路拓扑进行验证，节点6和节点25位置配置调压器；
节点6至节点17馈线作为受控区A，节点25至节点32作为受控区B，节点7和节点27位置配置无功补偿电容器组，主电路拓扑如图2所示。

图2 主电路拓扑结构

本文选取30min当作长时间周期进行全网优化控制，以3min为短时间周期实现区域协调控制。在初始时刻进行全网优化计算，得到配电网功率损耗为79.6kW，经过优化后功率损耗为65.3kW，优化后的控制目标、有功功率和无功功率如下表所示。

表 全网优化计算结果

主动配电网具备对分布式电源进行消纳的能力，是促进配电网高效运行的一种重要方法。本文对主动配电网的控制策略进行优化升级，在长时间周期控制中基于配电网现有资源实现功率损耗最低的控制目标，在短时间周期控制中合理协调区域内的无功补偿设备、分布式电源、负荷等发挥校正控制作用，对配电网产生的功率波动进行有效抑制，并对全网优化控制运算出的运行目标进行快速跟踪。经过算例仿真验证了本文提出控制策略的有效性，可以进行大规模推广应用的价值。

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