研究背景

推動可再生能源發展，構建綠色、低碳、清潔能源體系，是我國應對氣候變化和能源安全的戰略選擇，在此背景下以風電、太陽能發電為代表的可再生能源得到快速發展。隨著配電系統中可再生分布式電源（Renewable Distributed Generator, RDG）滲透率的不斷提高，其出力可預測時域小，波動帶寬大，混疊多類型負荷功率波動，容易造成饋線電壓越限問題，給配電系統運行態勢預測分析帶來極大困難。

論文方法及創新點

配電網中常用無功調控設備有載調壓變壓器（On-Line Tap Changer, OLTC）、并聯電容器組（Shunt Capacitor Bank, SCB）等為離散調節，容量大、成本低，穩態調節效果顯著，但難以勝任快速無功補償；安裝靜止無功補償器、靜止無功發生器等動態無功補償裝置，將增加配電系統經濟負擔。

雙饋感應風電機組（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）和光伏發電通過逆變器有功無功解耦控制，可實現連續無功調節，且響應速度快，滿足多時間尺度靈活調節需求，使得如何充分挖掘RDG無功調節能力、參與系統電壓無功調控成為當前研究熱點。

配電系統內負荷波動和RDG隨機出力使功率波動頻幅不斷增加，其在時域上可分解為大時間尺度平均功率及小時間尺度脈動功率，對應頻域上的低頻分量和高頻分量，需通過日前預測全局優化與日內斷面局部調控配合，實現配電系統運行態勢優化控制。

基于模型預測控制（Model Predictive Control, MPC）思想，通過預測模型、滾動優化和反饋校正，將預測信息及調控方式逐層細化，協調配電網無功電壓的大幅調節、小幅調控和反饋調整，可有效抑制不確定因素對配電網電壓穩定性的影響。

本文深入研究了風速和光照的預測誤差對RDG無功調控能力的影響，并根據響應速度迥異無功設備的配合方式及穩態和動態無功調控需求，建立基于模型預測控制的配電網多時間尺度動態無功優化框架，包含日前優化調節層和實時滾動調控層，如圖1所示。

圖1 配電網多時間尺度無功優化框架

日前優化調節提前1d給出配電系統未來24h無功運行方案，優化時間粒度取1h，側重于運行經濟性，通過不同調節速率無功設備間的協調配合，進行大幅度無功調節；增加以滿足動態無功儲備為指標的電壓穩定概率約束，從而在日前方案中提前鎖定可靠性風險，降低實時調控難度。

實時滾動調控取5min為時間粒度，以日前無功優化方案為基準，側重于系統電壓穩定性；保持OLTC、SCB等離散設備日前計劃運行狀態，基于RDG出力、負荷超短期滾動預測值，根據電壓靈敏度矩陣，優化求解RDG動態無功補償量。應用滑動平均濾波方法，分離動態無功補償曲線中的慢變分量和快變分量。

若慢變分量觸發反饋調整閾值，則根據反饋校正優化目標，修正當前至周期末時域內各調壓設備運行計劃，歸并慢變分量至日前穩態調節范圍內，快變分量由RDG承擔，實現根據運行實況的自啟動反饋校正；若慢變分量未觸發反饋調整閾值，由RDG跟蹤無功補償曲線動態調整無功出力。

實時滾動調控中滑動平均濾波時間窗口即為MPC預測時域，以有限時域內預測控制支撐短期安全運行，并通過反饋校正構成閉環優化控制，及時校正運行結果偏差，最大限度消除不確定因素對運行方案的影響，提高配電網優化運行精度。此外，電壓靈敏度矩陣依賴于配電網當前運行狀態（例如：重載或輕載運行），在線更新難以匹配滾動控制快速性，可在日前階段由離線潮流計算得到。

結論

本文針對配電系統中RDG滲透率不斷提高，其出力隨機性混疊負荷波動性，容易帶來饋線電壓越限問題，提出了基于模型預測控制的多時間尺度動態無功優化模型。

相比于已有研究，本文在長時間尺度內注重運行特性和響應速度迥異的無功設備的協調配合，并充分考慮了RDG出力特性對無功電壓調控的影響，通過以動態無功儲備為指標的電壓穩定概率約束，將運行風險鎖定在日前運行計劃中，追求最佳經濟性的同時確保日內可靠運行；在日內滾動優化中，基于超短期預測實況決定反饋校正動作，為實時運行提供更加精確的調控基準，實現日前優化方案向實時運行的平穩過渡，進一步削弱預測誤差的影響，提升系統的抗風險能力。

引用本文

顏湘武, 徐韻, 李若瑾, 金永盛, 李鐵. 基于模型預測控制含可再生分布式電源參與調控的配電網多時間尺度無功動態優化[J]. 電工技術學報, 2019, 34(10): 2022-2037. Yan Xiangwu, Xu Yun, Li Ruojin, Jin Yongsheng, Li Tie. Multi-Time Scale Reactive Power Optimization of Distribution Grid Based on Model Predictive Control and Including RDG Regulation. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(10): 2022-2037.

團隊介紹

顏湘武

博士，教授，博士生導師，“分布式儲能與微網”河北省重點實驗室副主任，河北電機工程學會理事，中國電工技術學會電動汽車充換電系統與試驗專業委員會委員，中國電源學會元器件專委會委員。先后主持和承擔國家863計劃、國家科技支撐以及國家自然科學基金項目20余項。主要從事新能源電力系統穩定與自治控制、分布式發電并網與系統特性分析、高效變換拓撲以及電動汽車安全充電等方面的理論及其關鍵技術研究。已培養碩士、博士研究生50余人。先后在《中國電機工程學報》、《電工技術學報》、電力系統自動化、IEEE Transaction on Power Electronics、Transaction on Energy Conversion、Energies、Science Applied等國內外權威和核心期刊，以及IEEE核心國際會議等，發表SCI、EI收錄學術論文100余篇；獲得河北省科技進步獎2項，電力科學技術獎1項，授權國家發明專利30余項。

徐韻

博士研究生，研究方向包括可再生能源并網控制、電力系統優化調度。主要參與河北省自然科學基金項目（雙饋感應風力發電機慣量及一次調頻調壓控制方法研究）及國網遼寧省電力有限公司科技項目（考慮源、荷波動特征的電網無功電壓優化策略和評價指標研究）的技術研究。