寇凌峰，熊 雄，侯小剛，牛 耕，屈小云，陳 凡

（1中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601）

在我國能源政策和電力電子技術(shù)進步的推動下，大規(guī)模分布式電源和電力電子裝置迅速涌入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)的潮流分布、電能質(zhì)量、繼電保護和可靠性產(chǎn)生了重大影響[1-4]。大量分散、間歇性、隨機性的分布式電源接入電網(wǎng)，可能會危害系統(tǒng)正常運行和降低電網(wǎng)運行經(jīng)濟性，產(chǎn)生如潮流倒送、電壓越限、短路電流過大和網(wǎng)絡(luò)損耗增加等問題，極大地增加了電網(wǎng)復(fù)雜性和管控難度，對電網(wǎng)的規(guī)劃、裝備、調(diào)控等帶來巨大挑戰(zhàn)[5]。因而，如何在配電網(wǎng)中合理規(guī)劃分布式電源將是新的研究命題，不同類型分布式電源的協(xié)調(diào)和有效地利用將是未來配電網(wǎng)規(guī)劃中不可或缺的組成部分。文獻[6]從規(guī)劃角度出發(fā)，提出了一種分散型分布式光伏集群劃分方法，為解決大規(guī)模分布式光伏集群優(yōu)化管控奠定了基礎(chǔ)。文獻[7-8]在并網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃、靈活并網(wǎng)裝備、優(yōu)化調(diào)度、仿真測試、工程實踐等方面進行了深入廣泛地研究，為分布式可再生能源規(guī)劃建設(shè)提供了系統(tǒng)性解決方案。

對于高滲透率分布式光伏帶來的電能質(zhì)量、電網(wǎng)損耗、諧波治理和分布式電源效益低等問題，目前主要的應(yīng)對策略是配置儲能電站、電能質(zhì)量治理裝置和配電網(wǎng)建設(shè)與改造等手段，取得了一定成效，但存在投資成本高、設(shè)備利用率低、整體效益低等難題。在眾多解決方案中，構(gòu)建微電網(wǎng)/微網(wǎng)群的形式進行統(tǒng)一管控，是保證大量光伏有序接入、有序消納的有效途徑。目前世界范圍內(nèi)已有很多用微電網(wǎng)來解決大規(guī)模分布式電源無序接入帶來負面影響的案例[9-10]。

本文以臺區(qū)供電區(qū)域內(nèi)的各類傳統(tǒng)負荷、包含蓄冷蓄熱和電動汽車在內(nèi)的可控負荷、分布式光伏為基礎(chǔ)，配置一定容量的儲能設(shè)備，構(gòu)成微電網(wǎng)，實現(xiàn)配電低壓臺區(qū)內(nèi)“網(wǎng)-源-荷-儲”的靈活互動、協(xié)調(diào)控制和能量優(yōu)化，滿足分布式光伏的就地高效消納、負荷的友好互動。

1 臺區(qū)微電網(wǎng)設(shè)計

根據(jù)中華人民共和國國家標準《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 33589—2017）[11]要求，常規(guī)微電網(wǎng)需要滿足源荷儲平衡，滿足離網(wǎng)運行2小時的要求，微電網(wǎng)建設(shè)投入偏高。臺區(qū)微電網(wǎng)定位主要為電網(wǎng)和用戶服務(wù)，目的是統(tǒng)籌低壓各類負荷和分布式電源，對于離網(wǎng)運行時間沒有過高要求。臺區(qū)微電網(wǎng)物理構(gòu)成與常規(guī)微電網(wǎng)基本相同，以低壓配電臺區(qū)為單位進行建設(shè)，在臺區(qū)低壓380 V饋線進行并網(wǎng)，聚合臺區(qū)低壓側(cè)的負荷（剛性負荷和電動汽車等）、分布式電源（分布式光伏和小型風(fēng)機）、小型儲能裝置、蓄冷蓄熱單元等。

1.1 臺區(qū)微電網(wǎng)功能架構(gòu)

臺區(qū)微電網(wǎng)的功能主要根據(jù)臺區(qū)管理的實際需求進行配置，一般主要分為基本功能和擴展功能，基本功能包括電能質(zhì)量監(jiān)測、臺區(qū)低壓用戶監(jiān)測、低壓出線監(jiān)測、低壓拓撲管理、雙向信息即插即用等，擴展功能包括電動汽車模塊、無功電壓安全、源荷儲控制、負荷控制、分布式電源監(jiān)測等。微電網(wǎng)與各個單元之間的通信可以采用寬帶載波、RS485、無線、Lora等。見圖1。

1.2 臺區(qū)微電網(wǎng)控制目標及系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 低壓配變臺區(qū)微電網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Microgrid architecture of low voltage distribution transformer station area

從控制目標來看，臺區(qū)微電網(wǎng)與常規(guī)微電網(wǎng)差異較大，控制目標主要分為三層：微電網(wǎng)自治控制；微電網(wǎng)間協(xié)調(diào)控制；微電網(wǎng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制。臺區(qū)微電網(wǎng)自治控制主要利用儲能、蓄冷、蓄熱、電動汽車等可控單元，通過協(xié)調(diào)控制最大程度保證臺區(qū)內(nèi)功率平衡，實現(xiàn)自治控制；微電網(wǎng)間協(xié)調(diào)控制主要通過臺區(qū)間協(xié)調(diào)互濟，提升配電網(wǎng)對分布式電源消納能力；微電網(wǎng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制主要通過臺區(qū)-主網(wǎng)兩級聯(lián)合調(diào)度，實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)同，實現(xiàn)系統(tǒng)多目標優(yōu)化。常規(guī)微電網(wǎng)側(cè)重于微電網(wǎng)自治控制，臺區(qū)微電網(wǎng)側(cè)重于后兩者，重點解決臺區(qū)側(cè)存在的問題，如提升臺區(qū)分布式電源消納能力、供電電壓質(zhì)量和設(shè)備利用效率等。

從控制系統(tǒng)架構(gòu)來看，臺區(qū)微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)主要分為三層：單元層、臺區(qū)層、配電網(wǎng)層，單元層包括可控單元和測控終端，接受臺區(qū)層控制指令，執(zhí)行可控單元就地控制和信息量測；臺區(qū)層接受配電網(wǎng)層優(yōu)化策略，下發(fā)單元層控制指令；配電網(wǎng)層主要接受電網(wǎng)調(diào)度制定，下發(fā)優(yōu)化調(diào)度策略。見圖2、見圖3。

2 低壓配變臺區(qū)微電網(wǎng)控制模式

2.1 基于兩階段優(yōu)化的自治消納控制

臺區(qū)內(nèi)通過配置儲能或混合儲能系統(tǒng)，基于時域或頻域的平抑算法，可最大程度平滑分布式光伏并網(wǎng)輸出功率的波動性，減小臺區(qū)微電網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率的大小和波動性，實現(xiàn)臺區(qū)內(nèi)分布式電源的最大化消納，實現(xiàn)臺區(qū)內(nèi)功率自治控制。本文構(gòu)建了基于兩階段優(yōu)化的臺區(qū)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制架構(gòu)，包含短期優(yōu)化控制和超短期優(yōu)化控制兩部分。短期優(yōu)化調(diào)度階段以微電網(wǎng)運行成本最小為優(yōu)化目標，超短期優(yōu)化調(diào)度階段以可調(diào)度單元出力偏差最小為優(yōu)化目標。

2.1.1 目標函數(shù)

短期優(yōu)化調(diào)度階段以1 h為時間間隔，以系統(tǒng)運行成本最小為優(yōu)化目標，給出未來4 h時段的調(diào)度計劃值。短期優(yōu)化調(diào)度目標函數(shù)定義如下

式中，m為短期優(yōu)化滾動系數(shù)；ΔT為短期優(yōu)化時間間隔；MΔT為短期優(yōu)化滾動周期；為t時刻儲能設(shè)備運行成本；為t時刻光伏發(fā)電運行成本；為t時刻水力發(fā)電運行成本；為t時刻微電網(wǎng)并網(wǎng)交互成本；為t時刻柔性負荷運行總成本。

（1）儲能設(shè)備運行總成本

式中，AESS、BESS為儲能系統(tǒng)運維成本系數(shù)；為t時刻能量型儲能的存儲/發(fā)出功率。

（2）水力發(fā)電運行成本

式中，AHE、BHE為水力發(fā)電系統(tǒng)運維成本系數(shù)；為t時刻的水電出力。

（3）光伏發(fā)電運行成本

式中，APV、BPV為柔性負荷運維成本系數(shù)；為t時刻的被控制柔性負的有功功率。

（4）微電網(wǎng)從配電網(wǎng)購電成本

式中，ρtgril為t時刻微電網(wǎng)并網(wǎng)交互電價；為t時刻的主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率。

（5）柔性負荷調(diào)度成本

圖2 低壓配變臺區(qū)微電網(wǎng)功能架構(gòu)Fig.2 Functional architecture of low voltage distribution and transformer microgrid

圖3 系統(tǒng)控制架構(gòu)Fig.3 System control architecture

式中，ACL、BCL為柔性負荷運維成本系數(shù)；為t時刻的被控制柔性負的有功功率。

2.1.2 超短期優(yōu)化調(diào)度目標函數(shù)

超短期優(yōu)化調(diào)度階段以儲能出力調(diào)整量最小為目標函數(shù)，以短期優(yōu)化調(diào)度階段的滾動預(yù)測值為輸入變量，以微電網(wǎng)中儲能實際出力為初始值，每15 min優(yōu)化一次，對未來1 h進行滾動求解。

超短期優(yōu)化調(diào)度目標函數(shù)定義如下

式中，n為短時間尺度滾動系數(shù)；Δt為短時間尺度時間間隔；NΔt為短時間尺度滾動周期；PESS為預(yù)測未來nΔt時刻的儲能有功出力集合；為nΔt時刻儲能有功出力集合參考值。

對于預(yù)測未來nΔt時刻的儲能有功出力，分別具體為

式中，為nΔt時刻儲能有功出力集合初始值；ΔPESS為預(yù)測未來nΔt時刻的儲能有功出力集合變化量。

2.1.3 約束條件

對于含高滲透率分布式電源的臺區(qū)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度模型，其約束條件主要包括支路潮流約束、節(jié)點電壓約束、支路電流約束、分布式電源無功出力約束、儲能充放電約束、水力發(fā)電約束、柔性負荷約束[12]。

2.2 功率協(xié)調(diào)控制

在配電網(wǎng)內(nèi)構(gòu)建多個微電網(wǎng)，臺區(qū)微電網(wǎng)間可以通過廣域?qū)Φ然ヂ?lián)和自治消納控制主要實現(xiàn)兩個方面的功能，一方面對內(nèi)可最大程度適應(yīng)大規(guī)模光伏接入配電系統(tǒng)的動態(tài)特性；另一方面對外可實現(xiàn)更多輔助服務(wù)功能，以微電網(wǎng)群的方式參與系統(tǒng)優(yōu)化。臺區(qū)間集群調(diào)控系統(tǒng)作為臺區(qū)調(diào)控系統(tǒng)的延伸，即在原有控制架構(gòu)上疊加一層臺區(qū)集群調(diào)控層。

臺區(qū)微電網(wǎng)群間有功-無功協(xié)調(diào)的實時調(diào)度的目的是要考慮有功-無功耦合和可再生能源的不確定性，給出有功出力決策，實時控制各臺區(qū)微電網(wǎng)和直接管控設(shè)備的有功功率，同時為無功電壓控制留下余量，保證系統(tǒng)安全。構(gòu)建目標函數(shù)如下

目標函數(shù)為最小化成本，包括發(fā)電成本和控制成本，Ci(PGi)是每個發(fā)電機的發(fā)電成本，R(Qi)代表電壓控制成本。

2.3 協(xié)同優(yōu)化控制

配電網(wǎng)因主網(wǎng)發(fā)生故障失去電壓頻率支撐后，通過孤島劃分，各子區(qū)域由臺區(qū)微電網(wǎng)作vf節(jié)點來支撐子區(qū)域電壓。構(gòu)建目標函數(shù)如下

輸配協(xié)同無功電壓控制模型以輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的總網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標，目標函數(shù)如式(10)所示

式中，上角標(.)t代表輸電網(wǎng)的變量，上角標(.)d,k代表第k個配電網(wǎng)的變量，PGi代表節(jié)點i處的發(fā)電機有功注入，PDi代表節(jié)點i處的有功負荷，集合I代表節(jié)點索引集合，集合DIST代表配電網(wǎng)索引集合。

3 算例驗證

考慮到目前低壓臺區(qū)接線方式，臺區(qū)微電網(wǎng)主要為單母線輻射狀，采用典型農(nóng)村臺區(qū)算例模型結(jié)構(gòu)和設(shè)備參數(shù)分別如圖4和表1所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)以最大功率點跟蹤模式運行，通過光伏逆變器將電能傳遞到0.38 kV交流母線；水力發(fā)電系統(tǒng)作為可控電源通過變流器接入到交流母線；儲能系統(tǒng)通過雙向儲能逆變器接入到交流母線，既可吸收電能又能發(fā)出電能。同時整個臺區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)通過交流母線與配電網(wǎng)連接，無論是從配電網(wǎng)吸收電能還是外送電能到配電網(wǎng)，其主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線阻抗會消耗一部分能量。

以成本最低為目標進行短期預(yù)測，同時在滾動周期內(nèi)，加入電壓偏差最小目標進行超短期優(yōu)化校正?？紤]到各可調(diào)設(shè)備，分布式電源，負荷的特性，在滾動優(yōu)化階段，選取周期時間為1小時，時間窗口長度為4小時。經(jīng)過短期優(yōu)化和超短期反饋矯正后，臺區(qū)微電網(wǎng)分布式電源出力，各可調(diào)設(shè)備與總負荷預(yù)測數(shù)據(jù)曲線。

圖5和6分別為滾動優(yōu)化下的可調(diào)度單元有功出力和無功出力曲線。儲能充電狀態(tài)主要集中在白天光伏出力高峰時段，包括可平移負荷也大部分平移至該時段，以最大化消納光伏能源。儲能放電狀態(tài)主要集中在夜晚負荷高峰時段，包括小水電出力也集中在這一時段，降低電網(wǎng)損耗，如圖7所示。圖8為PCC電壓滾動值與反饋值曲線。在光伏出力高峰時段和負荷高峰時段，分別出現(xiàn)了PCC電壓偏離的情況，偏差均控制在5%以內(nèi)，實現(xiàn)了局部電網(wǎng)的電壓自平衡。加入實時反饋后，母線電壓明顯穩(wěn)定在380 V額定電壓附近，達到了超短期優(yōu)化校正的效果，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。

表1 可調(diào)度單元調(diào)節(jié)參數(shù)Table1 Schedulable unit adjustment parameters

圖4 臺區(qū)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Microgrid structural diagram of station area

圖9和圖10分別為微電網(wǎng)運行成本和分布式能源利用率曲線。從圖中可以看出，微電網(wǎng)在各個時段的運行成本均有所降低，并且分布式能源的利用率有大幅提升，尤其是在光伏出力的高峰時段。仿真結(jié)果可以看出，采用基于短期與超短期模型預(yù)測控制相結(jié)合的臺區(qū)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，在降低系統(tǒng)運營成本的同時，能有效提高微電網(wǎng)公共連接點電壓合格率及分布式能源的消納水平。

圖5 臺區(qū)微電網(wǎng)可調(diào)度單元有功出力Fig.5 Active power output of dispatchable unit in microgrid

圖6 臺區(qū)微電網(wǎng)可調(diào)度單元無功出力Fig.6 Reactive power output of dispatchable units in microgrid

圖7 臺區(qū)微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線凈有功功率Fig.7 Net active power of tie line in microgrid

圖8 優(yōu)化前后微電網(wǎng)母線電壓Fig.8 Bus voltage of microgrid before and after optimization

圖9 優(yōu)化前后微電網(wǎng)運行成本Fig.9 Operation cost of microgrid before and after optimization

圖10 優(yōu)化前后微電網(wǎng)分布式能源利用率Fig.10 Distributed energy efficiency of microgrid before and after optimization

4 結(jié) 論

針對大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)帶來的功率倒送、電能質(zhì)量和供電可靠性等問題，提出了在低壓配變臺區(qū)構(gòu)建微電網(wǎng)的技術(shù)方案，提出了臺區(qū)微電網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)、控制目標和控制架構(gòu)，通過仿真計算分析了兩階段控制模型對于提升分布式電源消納能力的效果，取得的主要結(jié)論如下。

（1）提出構(gòu)建臺區(qū)微電網(wǎng)，通過有效聚合臺區(qū)內(nèi)的源荷儲資源，進一步有效提升分布式電源消納能力。

（2）提出了臺區(qū)微電網(wǎng)的三種控制目標，給出了不同控制模式的目標函數(shù)，實現(xiàn)微電網(wǎng)自治控制、微電網(wǎng)間協(xié)調(diào)控制、微電網(wǎng)與主網(wǎng)協(xié)調(diào)互動等目標。

（3）提出了針對臺區(qū)微電網(wǎng)的兩階段優(yōu)化的協(xié)調(diào)調(diào)控模型，通過仿真計算，臺區(qū)微電網(wǎng)可以有效提升供電質(zhì)量、降低電網(wǎng)損耗、提升分布式電源消納能力。