吳俊勇， 裴叢仙子， 邊國潮

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 北京 100044)

光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)中柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的優(yōu)化運(yùn)行控制策略研究

吳俊勇， 裴叢仙子， 邊國潮

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 北京 100044)

分布式光伏發(fā)電的快速普及，使得配電網(wǎng)中光伏發(fā)電的比例日益提高。但大量光伏發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行卻給配電網(wǎng)帶來了一系列的電能質(zhì)量問題。如何解決光伏大量接入帶來的電壓越限問題已經(jīng)成為一個(gè)重點(diǎn)研究方向。柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)可以主動(dòng)調(diào)節(jié)配電網(wǎng)的潮流，本文主要研究在光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)中柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的優(yōu)化運(yùn)行控制策略，重點(diǎn)解決電壓越限問題。本文首先介紹了基于電壓源型變流器的柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的原理，分析了柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)穩(wěn)定運(yùn)行的約束條件，提出了一種基于擾動(dòng)觀察法的柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)實(shí)時(shí)優(yōu)化運(yùn)行控制策略，該方法不需要預(yù)先知道配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。最后通過兩個(gè)算例，驗(yàn)證了柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)有助于將光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)的電壓維持在正常水平內(nèi)。

柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)； 配電網(wǎng)； 電壓越限； 優(yōu)化運(yùn)行控制

1 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，全球能源消耗速度驚人，人類正面臨著日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)問題。而且隨著經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)，人民生活水平不斷提高，能源消耗將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)，能源短缺問題將會(huì)變得越來越突出[1]。從全球來看，光伏發(fā)電量占總發(fā)電量的比例正逐步提高。2011年，意大利有3.46%的電力需求由光伏發(fā)電滿足，捷克、德國和西班牙的這一份額依次為3.14%、3.05%和2.93%。根據(jù)截至2011年實(shí)現(xiàn)的并網(wǎng)裝機(jī)容量測(cè)算，光伏發(fā)電大約能夠滿足歐洲2%的總電力需求和4%的高峰電力需求，能夠滿足全球0.5%的總電力需求和1%的高峰電力需求[2]。為了規(guī)范和促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，我國出臺(tái)了一系列政策法規(guī)，提出加強(qiáng)光伏發(fā)電的應(yīng)用規(guī)劃工作、鼓勵(lì)開展多種形式的光伏發(fā)電應(yīng)用、完善光伏發(fā)電的發(fā)展模式、完善光伏發(fā)電接網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行的服務(wù)、加強(qiáng)配套電網(wǎng)技術(shù)和管理體系的建設(shè)等多個(gè)方面的相關(guān)政策。

但是光伏發(fā)電與傳統(tǒng)的火力發(fā)電、水力發(fā)電在固有特性以及接納方式等方面有著很大的不同，其并網(wǎng)運(yùn)行給傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來了一系列電能質(zhì)量問題。大規(guī)模光伏接入電網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題主要包括電壓、諧波以及頻率問題。這些問題都制約著更多光伏電源的接入，但是就目前的電網(wǎng)而言，制約光伏發(fā)電進(jìn)一步大規(guī)模接入的關(guān)鍵問題還是電壓偏差過大所帶來的電壓越限問題[3]。所以解決光伏接入引起的電壓越限問題就變得至關(guān)重要。

國內(nèi)外專家也對(duì)于這個(gè)問題展開了研究，文獻(xiàn)[4]研究了柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)(Soft Normally-Open Point，SNOP)在提高配電網(wǎng)負(fù)荷承載能力以及提高光伏滲透率上的作用，并給出了相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，算例結(jié)果表明，柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)可以提高配電網(wǎng)可承載負(fù)荷的比例和配電網(wǎng)的光伏滲透率。文獻(xiàn)[5]研究了利用靜止無功補(bǔ)償器 (Static Var Compensator，SVC)和柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)控制含有分布式發(fā)電的配電網(wǎng)的電壓，對(duì)于SVC和柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)分別給出了不同的控制方法，比較了不同分布式發(fā)電滲透率下，兩者在控制電壓方面發(fā)揮的作用。文獻(xiàn)[6]提出了一種含柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型，用以研究柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)在降低配電網(wǎng)損耗、改善電壓水平以及應(yīng)對(duì)分布式電源出力突變上的作用。文獻(xiàn)[7]提出了一種柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的運(yùn)行控制方法，可以有效改善含有大量光伏發(fā)電的饋線的電壓質(zhì)量，但是需要柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)有一個(gè)端口連接一條大容量的工業(yè)饋線，并通過該饋線來實(shí)現(xiàn)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口之間必須滿足的有功功率平衡約束條件。

綜上所述，柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)饋線上潮流的主動(dòng)控制，并最終通過改變配電網(wǎng)的潮流來實(shí)現(xiàn)不同的配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)。本文首先詳細(xì)介紹了柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的工作原理和穩(wěn)定運(yùn)行約束條件，分析了利用柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)來解決光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)時(shí)對(duì)電壓的影響，本文提出了一種基于擾動(dòng)觀察法的柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化運(yùn)行控制策略，最后用兩個(gè)算例驗(yàn)證了該策略可以有效改善含光伏發(fā)電配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，使配電網(wǎng)運(yùn)行在正常電壓水平范圍內(nèi)。

2 柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)

柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)一般可以通過全控型電力電子器件實(shí)現(xiàn)，目前背靠背電壓源型變流器和統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)是實(shí)現(xiàn)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)比較理想的選擇。文獻(xiàn)[8]介紹了這兩種柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)模型，并研究了這兩種模型在中壓配電網(wǎng)中平衡饋線間負(fù)荷的作用。文獻(xiàn)[9]研究了柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)在平衡配電網(wǎng)饋線間負(fù)荷的作用，特點(diǎn)是所研究的配電網(wǎng)中含有大量的光伏發(fā)電，基于真實(shí)配電網(wǎng)的算例實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)可以有效實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)饋線間的負(fù)荷平衡，同時(shí)還可以減少配電系統(tǒng)的損耗。

可以實(shí)現(xiàn)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)功能的電路結(jié)構(gòu)有多種，本文通過多個(gè)電壓源型變流器來實(shí)現(xiàn)不同端口數(shù)量的柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)。

2.1柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的工作原理

兩端口柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)可以通過背靠背電壓源型變流器實(shí)現(xiàn)，柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)與有源交流配電網(wǎng)相連時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 與有源交流配電網(wǎng)相連時(shí)的柔性環(huán)網(wǎng)開 關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram for SNOP connecting to distribution network

柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)兩端都采用電壓源型變流器，且結(jié)構(gòu)完全相同，兩者通過中間的直流環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起。圖1中L1和L2為換流電抗器，是變流器與交流電源進(jìn)行能量交換的紐帶，同時(shí)起到濾波作用；R1和R2為換流電抗器和變流器開關(guān)管損耗的總等效電阻；C為直流側(cè)電容，起直流電壓支撐、緩沖橋臂關(guān)斷時(shí)的沖擊電流及減小直流側(cè)諧波的作用[10]。

由于柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)兩端結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，所以本文僅分析左側(cè)變流器VSC1，且只考慮其在基波下的穩(wěn)態(tài)特性。左側(cè)交流側(cè)電源電壓基波相量為E1，變流器電網(wǎng)側(cè)輸出電壓基波相量為U1，且U1滯后E1的角度為δ1。忽略損耗總等效電阻R1，可得到交流電源流入變流器的有功功率和無功功率分別為：

(1)

(2)

由式(1)可知，有功功率的傳輸主要取決于δ1，控制δ1就可以控制有功潮流的方向以及輸送功率的大小。當(dāng)δ1>0時(shí)，變流器吸收有功功率，即變流器作為整流器運(yùn)行；當(dāng)δ1<0時(shí)，變流器發(fā)出有功功率，即變流器作為逆變器運(yùn)行。

由式(2)可知，無功功率的傳輸主要取決于(E1-U1cosδ1)，而且通過控制U1大小就可以控制變流器吸收或發(fā)出無功功率以及無功功率值的大小[11]。

VSC1采用PWM技術(shù)控制，由脈寬調(diào)制原理可知，δ1和U1的大小可以由調(diào)制波的相角和調(diào)制度決定，所以通過控制調(diào)制波即可控制VSC1輸出的有功功率和無功功率值。

VSC1穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的相量圖如圖2所示。圖2中，取E1相量與Q軸重合，由于幅值U1和相角δ1可控，相量U1的終點(diǎn)可以落在PQ坐標(biāo)系4個(gè)象限的任一象限中。當(dāng)δ1>0，即E1超前U1時(shí)，由式(1)可知P1>0，此時(shí)U1終點(diǎn)落在第一象限和第四象限；當(dāng)δ1<0時(shí)，P1<0，此時(shí)U1終點(diǎn)落在第二、三象限。而當(dāng)E1>U1cosδ1時(shí)，由式(2)可知Q1>0，此時(shí)U1終點(diǎn)落在第三、四象限中；當(dāng)E1

圖2 VSC1穩(wěn)態(tài)運(yùn)行相量圖Fig.2 Phasor diagram of VSC1

從交流系統(tǒng)的角度出發(fā)，由上述分析可知，柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)中的變流器可以看作一個(gè)無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，幾乎可以瞬時(shí)地實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的四象限獨(dú)立控制，這個(gè)基本特性使得柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用具有十分卓越的性能。

2.2柔性環(huán)流開關(guān)控制策略與約束條件

現(xiàn)有的PWM變流器控制策略主要可分為以下幾類：直接電流控制策略、直接功率控制策略以及其他一些非線性控制策略。

其中直接電流控制以快速電流反饋控制為特征，是比較成熟、占主導(dǎo)地位的控制策略[12]。柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)中的變流器采用直接電流控制策略進(jìn)行控制，該策略控制系統(tǒng)為雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，即功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。對(duì)于整流側(cè)變流器，功率外環(huán)的作用是根據(jù)系統(tǒng)的控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)定直流電壓控制以及定無功功率控制；對(duì)于逆變側(cè)變流器，功率外環(huán)的作用則是根據(jù)系統(tǒng)的控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)定有功功率控制和定無功功率控制。而電流內(nèi)環(huán)的作用則均是按功率外環(huán)輸出的電流指令對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行控制。由于網(wǎng)側(cè)采用了電流閉環(huán)控制，使變流器網(wǎng)側(cè)電流動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能得到了提高，同時(shí)也使網(wǎng)側(cè)電流控制對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，從而增強(qiáng)了電流控制系統(tǒng)的魯棒性。

對(duì)于三個(gè)端口及以上的多端口柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)，采用通過直流側(cè)接入更多的變流器來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于控制方式，這些新增加的變流器均采用定有功功率控制和定無功功率控制。

配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，含n個(gè)端口的柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)與配電網(wǎng)饋線相連的示意圖如圖3所示。需要說明的是圖3并不嚴(yán)格區(qū)分柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)是直接或者通過變壓器間接接入配電網(wǎng)。

圖3 多端口SNOP示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi-port SNOP

圖3中柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)每個(gè)端口處的變流器對(duì)應(yīng)控制一條饋線上有功功率和無功功率，本文取有功功率和無功功率流入柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)方向?yàn)檎较颉?/p>

柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)穩(wěn)定運(yùn)行需滿足以下約束條件：

(1)有功功率約束

維持柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)直流母線電壓恒定是保證其穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，為了使直流母線電壓保持恒定，流入和流出直流母線的有功功率必須相等，即：

(3)

(2)各端口變流器容量約束

柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口變流器都有各自的額定容量，變流器運(yùn)行時(shí)的視在功率不能超過其額定容量值，即：

(4)

式中，Pi和Qi分別為柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)端口i處的有功功率和無功功率控制量；Si為柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)端口i處變流器的容量。

柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口上的有功功率和無功功率可以實(shí)現(xiàn)解耦控制，光伏大量接入主要改變的是配電網(wǎng)中的有功潮流，并最終使部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓越限，針對(duì)配電網(wǎng)中有功潮流的改變，可以僅通過控制柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口的有功功率來改善配電網(wǎng)的有功潮流，使電壓越限的節(jié)點(diǎn)恢復(fù)到正常水平；此外，基于無功功率在改善配網(wǎng)系統(tǒng)電壓水平上的有效性，以及為了更充分利用柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口處變流器的容量，還可以通過同時(shí)控制柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口的有功功率和無功功率來改善配電網(wǎng)的電壓水平，使各節(jié)點(diǎn)電壓維持在正常范圍之內(nèi)。

3 基于柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的擾動(dòng)觀察法

柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)端口所在節(jié)點(diǎn)上的有功功率和無功功率發(fā)生變化，節(jié)點(diǎn)上的電壓也會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)可以得到節(jié)點(diǎn)的電壓幅值對(duì)有功功率的靈敏度KP和電壓幅值對(duì)無功功率的靈敏度KQ，即：

(5)

對(duì)于求解配電網(wǎng)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)i的KP和KQ值，可以先將配電網(wǎng)簡(jiǎn)化成如圖4所示的等值電路。

圖4 配電網(wǎng)等值電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of distribution network

圖4中VS為配電網(wǎng)電源母線電壓，Vi為節(jié)點(diǎn)i處的電壓，P+jQ為節(jié)點(diǎn)i處的負(fù)荷，R+jX為節(jié)點(diǎn)i與配電網(wǎng)電源節(jié)點(diǎn)之間的等效阻抗，后續(xù)計(jì)算時(shí)忽略該阻抗上的功率損耗。

節(jié)點(diǎn)i上的功率沒有發(fā)生改變時(shí)，節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值為：

(6)

節(jié)點(diǎn)i上的功率發(fā)生改變，變?yōu)?P+ΔP)+j(Q+ΔQ)后，節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值變?yōu)椋?/p>

(7)

由式(7)-式(6)可得：

(8)

由式(8)可得：

(9)

由式(9)可得：

(10)

由式(10)可以看出，在某一確定的時(shí)間斷面下，節(jié)點(diǎn)電壓幅值對(duì)有功功率的靈敏度KP和節(jié)點(diǎn)電壓幅值對(duì)無功功率的靈敏度KQ是一個(gè)定值。

由式(9)可知，在該時(shí)間斷面下，節(jié)點(diǎn)電壓幅值與節(jié)點(diǎn)功率之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系如圖5所示。所以得到了這個(gè)時(shí)間斷面下節(jié)點(diǎn)i的KP和KQ值后，該節(jié)點(diǎn)的電壓幅值就可以通過柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)改變節(jié)點(diǎn)功率來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖5 節(jié)點(diǎn)電壓幅值與節(jié)點(diǎn)功率關(guān)系圖Fig.5 Relationship between node voltage amplitude and node power

由于配電網(wǎng)中的負(fù)荷、光伏的出力甚至是配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都會(huì)隨著時(shí)間的變化發(fā)生改變，使得等效阻抗R+jX也隨著時(shí)間變化，因此KP和KQ值也會(huì)隨著時(shí)間逐漸地發(fā)生變化，即不同時(shí)間斷面下，KP和KQ值是不同的。圖6和圖7分別給出了IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)18和節(jié)點(diǎn)33的KP、KQ值全天變化曲線。從圖6和圖7可以看出，KP和KQ的值會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生改變。

圖6 節(jié)點(diǎn)18的KP和KQ值Fig.6 Values of KP and KQ at node 18

圖7 節(jié)點(diǎn)33的KP和KQ值Fig.7 Values of KP and KQ at node 33

為了利用式(9)對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲取節(jié)點(diǎn)KP和KQ值的方法就變得至關(guān)重要。顯然，KP和KQ的值可以通過潮流計(jì)算的方法求得，但由于配電網(wǎng)中的負(fù)荷及光伏出力隨著時(shí)間變化，使得配電網(wǎng)潮流計(jì)算所需的部分參數(shù)時(shí)刻在發(fā)生變化，如果通過實(shí)時(shí)的潮流計(jì)算來獲得這兩個(gè)參數(shù)就需要能夠?qū)崟r(shí)獲得負(fù)荷、光伏出力等配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，這對(duì)配電網(wǎng)的智能化程度、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的可靠性等要求都非常高，尤其當(dāng)要處理的配電網(wǎng)非常龐大、非常復(fù)雜時(shí)，這兩個(gè)參數(shù)的獲取將會(huì)非常困難。

本文提出一種擾動(dòng)觀察法來實(shí)時(shí)地獲取柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口的KP和KQ參數(shù)。該方法并不需要知道配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)，在不同時(shí)間斷面下，只需通過柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)對(duì)各端口節(jié)點(diǎn)分別施加有功功率擾動(dòng)和無功功率擾動(dòng)即可得到KP和KQ值。

利用該方法來獲取某一時(shí)間斷面下的KP和KQ值的具體步驟如下：

(1)測(cè)量柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)每一個(gè)端口調(diào)節(jié)前的節(jié)點(diǎn)電壓幅值Vi(0)。

(2)在滿足柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)穩(wěn)定運(yùn)行約束的條件下，將柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)每一個(gè)端口的有功控制指令由原來的Pi調(diào)整為Pi+ΔPi，即對(duì)每一個(gè)端口所在節(jié)點(diǎn)施加一個(gè)小的有功功率擾動(dòng)ΔPi，測(cè)量加入有功功率擾動(dòng)后各端口節(jié)點(diǎn)的電壓幅值VPi，得到電壓幅值的增量ΔVPi=VPi-Vi(0)。

(3)與步驟(2)類似，在滿足柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)穩(wěn)定運(yùn)行約束的條件下，利用柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)對(duì)每一個(gè)端口所在節(jié)點(diǎn)施加一個(gè)小的無功功率擾動(dòng)ΔQi，測(cè)量加入無功功率擾動(dòng)后各端口節(jié)點(diǎn)的電壓幅值VQi，得到電壓幅值的增量ΔVQi=VQi-Vi(0)。

(4)計(jì)算得到各端口節(jié)點(diǎn)的電壓幅值對(duì)有功功率的靈敏度KPi和電壓幅值對(duì)無功功率的靈敏度KQi值：KPi=ΔVPi/ΔPi，KQi=ΔVQi/ΔQi。

基于該擾動(dòng)觀察法可以實(shí)時(shí)地、在線地得到柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的各端口KP和KQ，具備了工程實(shí)用價(jià)值，為柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

4 基于擾動(dòng)觀察法的優(yōu)化運(yùn)行控制策略

由上述分析可知，采用擾動(dòng)觀察法可以獲得任意時(shí)間斷面下，柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口的節(jié)點(diǎn)電壓幅值對(duì)有功功率的靈敏度KP和對(duì)無功功率的靈敏度KQ。這樣，根據(jù)式(9)通過柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)改變其各端口所在節(jié)點(diǎn)的有功功率和無功功率值，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些節(jié)點(diǎn)電壓的控制，從而有助于改善整個(gè)饋線節(jié)點(diǎn)的電壓質(zhì)量。本文提出了一種基于擾動(dòng)觀察法的含光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)多端口柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化運(yùn)行控制策略。

4.1優(yōu)化運(yùn)行控制策略數(shù)學(xué)模型

(1)目標(biāo)函數(shù)

由于配電網(wǎng)的末端節(jié)點(diǎn)電壓一般是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中偏離正常范圍最嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)，也是柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的接入節(jié)點(diǎn)，通過柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的主動(dòng)潮流控制使這些端點(diǎn)電壓回歸允許的正常范圍，由于節(jié)點(diǎn)電壓的線性變化，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)電壓品質(zhì)也會(huì)大幅改善。因此，本文提出的優(yōu)化運(yùn)行控制策略是以柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口所在節(jié)點(diǎn)的電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

(11)

(2)約束條件

在求解目標(biāo)函數(shù)的過程中，需要滿足以下約束條件：

1)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)穩(wěn)定運(yùn)行約束條件：

有功功率約束：

(12)

各端口變流器容量約束：

(13)

2)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口接入節(jié)點(diǎn)的電壓約束：

Vi,min≤Vi≤Vi,max

(14)

式中，Vi,min和Vi,max分別為端口i處節(jié)點(diǎn)電壓的下限值和上限值。

4.2優(yōu)化運(yùn)行控制的實(shí)施步驟

該優(yōu)化運(yùn)行控制策略首先通過擾動(dòng)觀察法得到某時(shí)刻柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口所在節(jié)點(diǎn)的電壓幅值對(duì)有功功率的靈敏度KP和節(jié)點(diǎn)電壓幅值對(duì)無功功率的靈敏度KQ，然后通過線性規(guī)劃算法求解目標(biāo)函數(shù)，得到該時(shí)刻柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口的最佳有功和無功控制指令，最后柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)按得到的控制指令工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)電壓的控制。

SNOP優(yōu)化運(yùn)行控制策略的具體步驟如下：

(1)測(cè)量SNOP每一個(gè)端口t時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)電壓幅值Vi(t)。

(2)利用SNOP對(duì)每一個(gè)端口節(jié)點(diǎn)施加有功擾動(dòng)ΔPi。

(3)測(cè)量SNOP每一個(gè)端口所在節(jié)點(diǎn)電壓幅值VPi，得到有功電壓增量ΔVPi=VPi-Vi(t)。

(4)利用SNOP對(duì)每一個(gè)端口節(jié)點(diǎn)施加無功擾動(dòng)ΔQi。

(5)測(cè)量SNOP每一個(gè)端點(diǎn)所在節(jié)點(diǎn)的電壓幅值VQi，得到無功電壓增量ΔVQi=VQi-Vi(t)。

(6)采用線性規(guī)劃法求解目標(biāo)函數(shù)，得到SNOP各端口的最優(yōu)控制指令：Pi(t′)，Qi(t′)，SNOP按照控制指令運(yùn)行。

(7)SNOP進(jìn)入下一個(gè)功率調(diào)節(jié)時(shí)刻t=t+Δt，重復(fù)以上步驟。

5 算例分析

5.133節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行

含光伏和柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)如圖8所示，其中柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)兩端口變流器的容量均為1MVA,分別接入18節(jié)點(diǎn)和33節(jié)點(diǎn)。3個(gè)光伏的安裝容量為：PPV1=1890.104kW，PPV2=1305.108kW，PPV3=1480.347kW。

圖8 含光伏和柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Diagram of 33 nodes distribution network with PV generation and SNOP

實(shí)際光伏發(fā)電功率輸出具有一定波動(dòng)性，這三個(gè)光伏發(fā)電單元的日有功輸出曲線如圖9所示。

圖9 三個(gè)光伏發(fā)電單元的日有功輸出曲線Fig.9 Three photovoltaic generation daily output curves

圖10給出了配電網(wǎng)中不含柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)(優(yōu)化前)以及配電網(wǎng)中含有柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)且按優(yōu)化運(yùn)行控制策略運(yùn)行(優(yōu)化后)時(shí)的18節(jié)點(diǎn)和33節(jié)點(diǎn)24h電壓變化曲線。由圖10可以看出，當(dāng)配電網(wǎng)中不含柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)時(shí)，隨著光伏輸出功率的逐漸增大，18節(jié)點(diǎn)和33節(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)逐漸上升并越過配電網(wǎng)允許的電壓上限值，使得配電網(wǎng)運(yùn)行于不正常狀態(tài)；而當(dāng)配電網(wǎng)中安裝了柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)，且柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)按照優(yōu)化運(yùn)行控制策略運(yùn)行時(shí)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓始終維持在配電網(wǎng)所允許的電壓范圍內(nèi)。仿真結(jié)果表明，配電網(wǎng)其余節(jié)點(diǎn)24h的電壓也均能維持在正常水平。由此可見，該優(yōu)化運(yùn)行控制策略是切實(shí)可行的。

圖10 18和33節(jié)點(diǎn)24h電壓變化曲線Fig.10 Voltage change curve of node 18 and 33 in 24 hours

圖11和圖12分別給出了24h柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)有功功率和無功功率控制量的變化圖，由圖11和圖12可以看出，隨著配電網(wǎng)的負(fù)荷以及光伏的出力按時(shí)間不斷的變化，柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)按照優(yōu)化運(yùn)行控制策略實(shí)時(shí)地調(diào)整了有功功率控制量以及無功功率控制量，從而有效地控制了18節(jié)點(diǎn)和33節(jié)點(diǎn)的電壓值，大大提高了配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

圖11 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)24h有功控制量Fig.11 Daily active power control parameters of SNOP in 33 nodes distribution network

全天24h柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口變流器的容量利用率如圖13所示，即使用容量占額定容量的百分比。由圖13對(duì)比圖10的電壓變化曲線可以看出，當(dāng)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口變流器有剩余可使用容量時(shí)，可以將該端口所在節(jié)點(diǎn)的電壓控制在電壓參考值1.0；而當(dāng)變流器容量被100%使用，沒有剩余時(shí)，18節(jié)點(diǎn)和33節(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)隨著光伏輸出功率和負(fù)荷功率的變化而偏離電壓參考值。而且，從圖13中也可以看出，一天中，在光伏輸出大量有功功率以及配電網(wǎng)負(fù)荷高峰這兩個(gè)時(shí)段，柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)容量利用率較高，因?yàn)樵谶@兩個(gè)時(shí)段由于光伏的大功率輸出以及配電網(wǎng)攜帶大量負(fù)荷，導(dǎo)致電壓嚴(yán)重偏離參考值，需要依靠柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)大幅改變配電網(wǎng)潮流才能使得電壓偏差減小。

圖12 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)24h無功控制量Fig.12 Daily reactive power control parameters of SNOP in 33 nodes distribution network

圖13 柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口變流器容量利用率Fig.13 Capacity utilization percentage of each port converter in SNOP

5.2102節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行

含光伏和柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的102節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)如圖14所示，采用同樣的方法對(duì)102節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行，其中柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口變流器的容量均為1MVA，分別接入18節(jié)點(diǎn)、60節(jié)點(diǎn)和87節(jié)點(diǎn)。6個(gè)光伏的安裝容量為：PPV1=1177.902kW，PPV2=1299.030kW，PPV3=905.821kW，PPV4=241.711kW，PPV5=124.109kW，PPV6=2566.976kW。

圖14 含光伏和柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的102節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)Fig.14 Diagram of 102 nodes distribution network with PV generation and SNOP

6個(gè)光伏發(fā)電單元的日有功功率輸出曲線如圖15所示。

圖15 六個(gè)光伏發(fā)電單元的日有功輸出曲線Fig.15 Six photovoltaic generation daily output curves

圖16給出了配電網(wǎng)中不含柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)(優(yōu)化前)以及配電網(wǎng)中含有柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)且按優(yōu)化運(yùn)行控制策略運(yùn)行(優(yōu)化后)時(shí)的18節(jié)點(diǎn)、60節(jié)點(diǎn)和87節(jié)點(diǎn)24h電壓變化曲線。由圖16可以看出，當(dāng)配電網(wǎng)中不含柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)時(shí)，隨著光伏輸出功率的逐漸增大，18節(jié)點(diǎn)、60節(jié)點(diǎn)和87節(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)逐漸升高并越過配電網(wǎng)允許的電壓上限值，使得配電網(wǎng)運(yùn)行于不正常狀態(tài)；而當(dāng)配電網(wǎng)中安裝了柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)，且柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)按照優(yōu)化運(yùn)行控制策略運(yùn)行時(shí)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓能始終維持在配電網(wǎng)所允許的電壓范圍內(nèi)。仿真結(jié)果表明，配電網(wǎng)其余節(jié)點(diǎn)24h的電壓也均能維持在正常水平。由此可見，該優(yōu)化運(yùn)行控制策略是切實(shí)可行的。

圖16 18、60和87節(jié)點(diǎn)24h電壓變化曲線Fig.16 Voltage change curve of node 18, 60 and 87 in 24 hours

圖17和圖18分別給出了24h柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)有功功率和無功功率控制量的變化圖，由圖17和圖18可以看出，隨著配電網(wǎng)的負(fù)荷以及光伏的出力按時(shí)間不斷的變化，柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)按照優(yōu)化運(yùn)行控制策略實(shí)時(shí)地調(diào)整了有功功率控制量以及無功功率控制量，從而有效地控制了18節(jié)點(diǎn)、60節(jié)點(diǎn)和87節(jié)點(diǎn)的電壓值，大大提高了配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

圖17 102節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)24h有功控制量Fig.17 Daily active power control parameters of SNOP in 102 nodes distribution network

圖18 102節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)24h 無功控制量Fig.18 Daily reactive power control parameters of SNOP in 102 nodes distribution network

全天24h柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口變流器的容量利用率如圖19所示。由圖19對(duì)比圖16的電壓變化曲線可以看出，當(dāng)柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口變流器有剩余可使用容量時(shí)，可以將該端口所在節(jié)點(diǎn)的電壓控制在電壓參考值1.0附近；而當(dāng)變流器容量被100%使用，沒有剩余時(shí)，18節(jié)點(diǎn)、60節(jié)點(diǎn)和87節(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)隨著光伏輸出功率和負(fù)荷功率的變化而偏離電壓參考值。同樣地，從圖19中還可以看出，一天中，在光伏發(fā)電輸出大量有功功率以及配電網(wǎng)負(fù)荷高峰這兩個(gè)時(shí)段，柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)容量利用率非常高，并且其中絕大部分時(shí)間柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)全容量運(yùn)行，而原因同樣是由于在這兩個(gè)時(shí)段光伏發(fā)電的大功率輸出以及配電網(wǎng)攜帶大量負(fù)荷，導(dǎo)致電壓嚴(yán)重偏離參考值，需要依靠柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)大幅改變配電網(wǎng)潮流才能使得電壓偏差減小。

圖19 柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口變流器容量利用率Fig.19 Capacity utilization percentage of each port converter in SNOP

6 結(jié)論

本文首先介紹了柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的原理和約束條件，提出了擾動(dòng)觀察法來實(shí)時(shí)在線地獲取柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)各端口節(jié)點(diǎn)的電壓幅值對(duì)有功變化量的靈敏度和對(duì)無功變化量的靈敏度。該方法不需要事先已知配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、線路阻抗、負(fù)荷以及光伏出力等參數(shù)，在不同時(shí)間斷面下，只需通過柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)對(duì)各端口節(jié)點(diǎn)分別施加有功功率擾動(dòng)和無功功率擾動(dòng)，即可實(shí)時(shí)在線地獲得這些節(jié)點(diǎn)的電壓幅值對(duì)有功功率的靈敏度和對(duì)無功功率的靈敏度，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

在此基礎(chǔ)上，提出了基于擾動(dòng)觀察法的多端口柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的優(yōu)化運(yùn)行控制策略，通過優(yōu)化柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)和各饋線的潮流分布來控制饋線末端節(jié)點(diǎn)電壓在給定的范圍內(nèi)，從而有助于改善整個(gè)含光伏發(fā)電配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，并通過兩個(gè)算例驗(yàn)證了該優(yōu)化運(yùn)行控制策略的正確性和有效性。

[1] 殷帥 (Yin Shuai). 我國光伏發(fā)電項(xiàng)目規(guī)模化發(fā)展研究(Study on scale development of photovoltaic generation project in China) [D]. 北京: 北京交通大學(xué)(Beijing: Beijing Jiaotong University), 2012.

[2] 王文祥, 史言信 (Wang Wenxiang, Shi Yanxin). 我國光伏產(chǎn)業(yè)困境的形成: 路徑, 機(jī)理與政策反思 (The formation of China’s photovoltaic industry dilemma: path, mechanism and policy reflection) [J]. 當(dāng)代財(cái)經(jīng) (Contemporary Finance & Economics), 2014 (1): 87-97.

[3] Kupzog F, Brunner H, Prüggler W, et al. DG demonet-concept-a new algorithm for active distribution grid operation facilitating high dg penetration [A]. 2007 5th IEEE International Conference on Industrial Informatics [C]. 2007, 2: 1197-1202.

[4] Romero-Ramos E, Gomez-Exposito A, Marano-Marcolini A, et al. Assessing the loadability of active distribution networks in the presence of DC controllable links [J]. IET generation, transmission & distribution, 2011, 5(11): 1105-1113.

[5] Hatta H, Uemura S, Kobayashi H. Demonstrative study of control system for distribution system with distributed generation [A]. 2009 IEEE/PES Power Systems Conference and Exposition [C]. 2009. 1-6.

[6] 王成山, 孫充勃, 李鵬, 等 (Wang Chengshan, Sun Chongbo, Li Peng, et al.). 基于 SNOP 的配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化及分析 (SNOP-base operation optimization and analysis of distribution networks) [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化 (Automation of Electric Power Systems), 2015, 39(9): 82-87.

[7] Chaudhary S K, Guerrero J M, Teodorescu R. Enhancing the capacity of the AC distribution system using DC interlinks-a step toward future DC grid [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, 6(4): 1722-1729.

[8] Cao W, Wu J, Jenkins N. Feeder load balancing in MV distribution networks using soft normally-open points [A]. IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies [C]. 2014.1-6.

[9] Chen C S, Tsai C T, Lin C H, et al. Loading balance of distribution feeders with loop power controllers considering photovoltaic generation [J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2011, 26(3): 1762-1768.

[10] 沈陽武, 彭曉濤, 孫元章 (Shen Yangwu, Peng Xiaotao, Sun Yuanzhang). 背靠背雙PWM變流器的協(xié)調(diào)控制策略 (Study on cooperative control strategies of back-to-back dual-PWM converter) [J]. 電網(wǎng)技術(shù) (Power System Technology), 2012, 36(1): 146-152.

[11] 陳海榮, 徐政 (Chen Hairong, Xu Zheng). 基于同步坐標(biāo)變換的VSC-HVDC暫態(tài)模型及其控制器 (Transient model and controller design for VSC-HVDC based on synchronous reference frame) [J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào) (Transactions of China Electrotechnical Society), 2007, 22(2): 121-126.

[12] Kazmierkowski M P, Malesani L. Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters: a survey [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1998, 45(5): 691-703.

Studyoncontrolstrategyforoptimumoperationofsoftnormally-openpoints(SNOPs)indistributionnetworkwithPVgeneration

WU Jun-yong, PEI Cong-xian-zi, BIAN Guo-chao

(School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China)

With the rapid development of photovoltaic (PV) generation industry, the proportion of PV generation in power network is increasing. However, with a large number of PV generation connected to the distribution network, there came a series of power quality problems. How to solve this issue has become a key research direction. The soft normally-open point (SNOP) can control the power flow of the distribution network. The paper mainly studies control strategy for optimum operation of SNOPs in distribution network with PV generation. It is focused on the voltage violation issues. Firstly, the principle of SNOP based on voltage source converters is introduced, the constraints that the SNOP must satisfy are analyzed, and a new optimal operation control strategy of the SNOP based on Perturbation and Observation approach is proposed. Finally, the simulation results of two cases indicate that, by adopting the proposed control strategy, the SNOP can keep the voltage of distribution network within normal level.

SNOP; distribution network; voltage violation; optimal operation control strategy

2017-04-18

吳俊勇(1966-)， 男， 湖北籍， 教授， 博士， 研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)， 主動(dòng)配電網(wǎng)， 能源互聯(lián)網(wǎng)； 裴叢仙子(1993-)， 女， 湖北籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)樾枨髠?cè)響應(yīng)仿真與協(xié)調(diào)控制策略研究。

10.12067/ATEEE1704055

： 1003-3076(2017)09-0020-09

： TM71