劉瑞清

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司興國(guó)縣供電分公司，江西 興國(guó) 342400）

0 引 言

近年來(lái)，分布式電源以其清潔、高效、靈活等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。然而，分布式電源的間歇性和波動(dòng)性給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)。電池儲(chǔ)能技術(shù)可有效緩解分布式電源的不確定性，提升電網(wǎng)的可靠性。文章針對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套基于電池儲(chǔ)能的智能控制系統(tǒng)，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和有效性。

1 分布式電源類型及其特點(diǎn)

分布式電源指分布在用電區(qū)域附近的小型發(fā)電設(shè)施，主要包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、小水電及燃料電池等。以光伏發(fā)電為例，其利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，具有無(wú)污染、無(wú)噪音、可再生等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而，光伏發(fā)電受日照強(qiáng)度和溫度等因素影響，其輸出功率呈現(xiàn)間歇性和波動(dòng)性，短期功率波動(dòng)可達(dá)30%以上。風(fēng)力發(fā)電同樣面臨風(fēng)速變化導(dǎo)致的功率波動(dòng)問(wèn)題，其輸出功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)速變化10%將引起功率波動(dòng)30%。微型燃?xì)廨啓C(jī)啟停頻繁，其熱回收蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)時(shí)間需要30 ～60 min，而一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間僅為數(shù)秒。小水電受水流量影響，其輸出功率與水頭和流量成正比，枯水期發(fā)電量驟減?？梢?jiàn)，分布式電源普遍存在功率間歇性波動(dòng)大和一次調(diào)頻響應(yīng)慢等特點(diǎn)，給配電網(wǎng)的穩(wěn)定控制帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此，需要引入電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用其快速充放電能力平滑分布式電源波動(dòng)，維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，提升供電可靠性。

2 基于分布式電源的配電網(wǎng)電池儲(chǔ)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能調(diào)度算法設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)分布式電源和電池儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，文章設(shè)計(jì)一種基于模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）的智能調(diào)度算法。該算法以滾動(dòng)優(yōu)化的方式，在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)求解一個(gè)多時(shí)間尺度的優(yōu)化問(wèn)題，目標(biāo)函數(shù)包括經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性等多個(gè)方面[2]。其中，經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)考慮電池儲(chǔ)能的充放電成本和效率，以及分布式電源的發(fā)電成本；安全性目標(biāo)考慮電網(wǎng)的頻率和電壓偏差，以及線路潮流限制；環(huán)保性目標(biāo)考慮分布式電源的碳排放強(qiáng)度。在約束條件中，考慮電池儲(chǔ)能的充電狀態(tài)（State of Charge，SoC）限制、充放電功率限制以及分布式電源的爬坡率限制等。優(yōu)化模型可表示為

式中：Pt為各個(gè)電源和儲(chǔ)能在時(shí)刻t的出力；C為發(fā)電和儲(chǔ)能成本函數(shù)；Δft和ΔVt分別為t時(shí)刻頻率和電壓偏差；E為碳排放函數(shù)；λ1、λ2、λ3為權(quán)重系數(shù)；T為時(shí)間序列，表示優(yōu)化問(wèn)題考慮的一段時(shí)間范圍內(nèi)各個(gè)時(shí)刻。

求解式（1），可以得到未來(lái)T個(gè)時(shí)刻的最優(yōu)出力計(jì)劃，并將第一個(gè)時(shí)刻的控制量作為當(dāng)前時(shí)刻的控制指令下發(fā)給各個(gè)分布式電源和電池儲(chǔ)能單元，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化的智能調(diào)度。

2.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

為精準(zhǔn)執(zhí)行智能調(diào)度算法，需要建設(shè)一套完善的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分層分布式架構(gòu)，主要包括現(xiàn)場(chǎng)層、站控層及調(diào)度層共3 個(gè)層次[3]?，F(xiàn)場(chǎng)層主要由智能電表、量測(cè)單元（Phasor Measurement Unit，PMU）、微型氣象站等設(shè)備組成，負(fù)責(zé)采集分布式電源的實(shí)時(shí)發(fā)電功率、電池儲(chǔ)能的SoC、節(jié)點(diǎn)的電壓以及節(jié)點(diǎn)的頻率等數(shù)據(jù)，并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)或光纖將數(shù)據(jù)上傳至站控層。站控層采用基于高級(jí)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)機(jī)器（Advanced Reduced Instruction Set Computer Machines，ARM）Cortex-A9 的嵌入式平臺(tái)，運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS），對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、轉(zhuǎn)換及預(yù)處理，并通過(guò)IEC 61850 協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度層。調(diào)度層采用基于x86 架構(gòu)的工業(yè)服務(wù)器，運(yùn)行高性能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（Real-Time Database，RTDB）和監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、展示和分析海量運(yùn)行數(shù)據(jù)，并為智能調(diào)度算法提供數(shù)據(jù)支撐。其中，RTDB 采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，支持毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)讀寫，其數(shù)據(jù)模型可表示為

式中：x(t)為t時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量；PDG(t)和PESS(t)分別為分布式電源和電池儲(chǔ)能的實(shí)時(shí)功率；V(t)和f(t)分別為節(jié)點(diǎn)電壓和頻率。

監(jiān)控系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，支持跨平臺(tái)訪問(wèn)，提供了豐富的數(shù)據(jù)可視化和分析功能，如趨勢(shì)曲線、報(bào)警日志、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等，有效提升了系統(tǒng)的可觀性和可控性。

2.3 安全性與穩(wěn)定性考慮

分布式電源和電池儲(chǔ)能接入配電網(wǎng)，可能導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓、頻率等指標(biāo)超限，引發(fā)安全穩(wěn)定問(wèn)題。為此，文章在智能調(diào)度算法中引入電壓穩(wěn)定裕度（Voltage Stability Margin，VSM）和頻率穩(wěn)定裕度（Frequency Stability Margin，F(xiàn)SM）等指標(biāo)，并以此為約束條件，確保系統(tǒng)在調(diào)度過(guò)程中始終滿足安全穩(wěn)定要求。其中，VSM 表示電壓崩潰點(diǎn)與當(dāng)前工作點(diǎn)之間的距離，可通過(guò)連續(xù)潮流方程和分岔理論計(jì)算得到；FSM 表示系統(tǒng)頻率響應(yīng)的阻尼比和超調(diào)量，可通過(guò)求解擺動(dòng)方程得到。為應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障等突發(fā)事件，提升系統(tǒng)的健壯性，文章還設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃（Adaptive Dynamic Programming，ADP）的應(yīng)急控制策略。該策略通過(guò)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，自適應(yīng)調(diào)整控制器參數(shù)，使其在面對(duì)不確定擾動(dòng)時(shí)仍能快速收斂至最優(yōu)控制策略，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。其數(shù)學(xué)模型可表示為

式中：c(t)和u(t)分別為系統(tǒng)狀態(tài)向量和控制向量；Q和R為加權(quán)矩陣。

式（3）的目標(biāo)是最小化系統(tǒng)狀態(tài)變量和控制變量的加權(quán)平方和，使得系統(tǒng)在最短時(shí)間內(nèi)回到穩(wěn)態(tài)，同時(shí)控制量不會(huì)過(guò)大，避免對(duì)系統(tǒng)造成二次沖擊。通過(guò)求解該最優(yōu)控制問(wèn)題，可以得到一個(gè)最優(yōu)反饋控制律，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 通信與互聯(lián)互通

為實(shí)現(xiàn)分布式電源、電池儲(chǔ)能與配電網(wǎng)之間的信息交互和協(xié)同控制，需要構(gòu)建一個(gè)高可靠、低時(shí)延、多業(yè)務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)[4-5]。文章采用基于IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站通信架構(gòu)，利用通用面向?qū)ο笞冸娬臼录℅eneric Object Oriented Substation Event，GOOSE）和采樣值（Sampled Value，SV）等高速報(bào)文，實(shí)時(shí)傳輸保護(hù)、測(cè)控、調(diào)度等業(yè)務(wù)。同時(shí)，為提高通信網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可擴(kuò)展性，引入基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，通過(guò)集中式控制器靈活調(diào)度和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，提高網(wǎng)絡(luò)的利用率和適應(yīng)性，其核心是一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題，可表示為

式中：xij為節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的流量；cij為鏈路（i，j）的單位傳輸代價(jià)；N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

該問(wèn)題的目標(biāo)是最小化網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目偞鷥r(jià)，同時(shí)需要滿足流量守恒和鏈路容量等約束條件。求解該問(wèn)題可以得到最優(yōu)的流量分配方案，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。此外，為實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備間的互聯(lián)互通，需要遵循IEC 61970/61968 等標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的信息模型和數(shù)據(jù)交換模型，無(wú)縫集成設(shè)備、系統(tǒng)、應(yīng)用間?；谝陨贤ㄐ偶軜?gòu)和技術(shù)，可以構(gòu)建一個(gè)高效、可靠、靈活的配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，為智能調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 仿真驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基于分布式電源的配電網(wǎng)電池儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的可行性和有效性，搭建一個(gè)硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop，HIL）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由一臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（Real Time Digital Simulator，RTDS）、一臺(tái)工控機(jī)、若干智能電表以及保護(hù)裝置組成。其中，RTDS 采用RSCAD 軟件，可以實(shí)時(shí)模擬分布式電源、電池儲(chǔ)能、配電網(wǎng)等設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性，并通過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換接口與外部設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。工控機(jī)采用了基于x86 架構(gòu)的嵌入式平臺(tái)，安裝了Linux 操作系統(tǒng)和自主開(kāi)發(fā)的智能調(diào)度軟件，可以通過(guò)Modbus 傳輸控制協(xié)議（Modbus-Transmission Control Protocol，Modbus-TCP）與RTDS 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制分布式電源和電池儲(chǔ)能。智能電表和保護(hù)裝置采用符合IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的智能終端，可以通過(guò)GOOSE報(bào)文與RTDS實(shí)時(shí)交換狀態(tài)量和控制量。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，針對(duì)典型的工況，如分布式電源波動(dòng)、負(fù)荷突變、通信中斷等，設(shè)計(jì)一系列測(cè)試案例，并全面評(píng)估系統(tǒng)的控制性能、通信時(shí)延、故障響應(yīng)等指標(biāo)，驗(yàn)證所提出的控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。

3.2 仿真結(jié)果分析

在搭建的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，針對(duì)不同的典型工況，開(kāi)展了一系列的仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)。分布式光伏電源的主要參數(shù)設(shè)置，如表1 所示。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變?nèi)照諒?qiáng)度和溫度等參數(shù)，模擬光伏發(fā)電的波動(dòng)特性。同時(shí)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量為1 MW·h，額定功率為500 kW，充放電效率為95%，SoC 上下限分別為90%和10%。電池儲(chǔ)能在不同工況下的充放電功率和SoC 變化情況，如表2 所示。由表2 可知，所設(shè)計(jì)的智能調(diào)度算法能夠根據(jù)光伏發(fā)電和負(fù)荷需求的變化，及時(shí)調(diào)整電池儲(chǔ)能的充放電功率，有效平滑光伏發(fā)電的波動(dòng)，維持了負(fù)荷側(cè)的功率平衡。在光伏發(fā)電出力驟降時(shí)，電池儲(chǔ)能能夠快速響應(yīng)，及時(shí)補(bǔ)償功率缺口，避免負(fù)荷側(cè)的功率中斷。而在光伏發(fā)電出力過(guò)剩時(shí)，電池儲(chǔ)能則能夠及時(shí)吸收多余功率，避免電能的浪費(fèi)。同時(shí)，電池儲(chǔ)能的SoC 始終保持在合理范圍內(nèi)，避免發(fā)生過(guò)充過(guò)放等問(wèn)題。此外，在通信中斷等故障情況下，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)也表現(xiàn)出較強(qiáng)的健壯性和自恢復(fù)能力，能夠在通信恢復(fù)后快速收斂至最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于分布式電源的配電網(wǎng)電池儲(chǔ)能控制系統(tǒng)能夠有效增強(qiáng)配電網(wǎng)的可再生能源消納能力，提升供電質(zhì)量，具有良好的工程應(yīng)用前景。

表1 光伏電源參數(shù)設(shè)置

表2 電池儲(chǔ)能充放電功率和SoC 變化情況

4 結(jié) 論

文章針對(duì)配電網(wǎng)中分布式電源和電池儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制的智能調(diào)度策略。通過(guò)構(gòu)建精確的系統(tǒng)模型和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式電源和電池儲(chǔ)能的最優(yōu)調(diào)度，提升配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性及可靠性。同時(shí)，搭建硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行全面的性能測(cè)試和驗(yàn)證，為工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。