研究背景

推動可再生能源發(fā)展，構(gòu)建綠色、低碳、清潔能源體系，是我國應(yīng)對氣候變化和能源安全的戰(zhàn)略選擇，在此背景下以風電、太陽能發(fā)電為代表的可再生能源得到快速發(fā)展。隨著配電系統(tǒng)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(yù)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(tǒng)運行態(tài)勢預(yù)測分析帶來極大困難。

論文方法及創(chuàng)新點

配電網(wǎng)中常用無功調(diào)控設(shè)備有載調(diào)壓變壓器（On-Line Tap Changer, OLTC）、并聯(lián)電容器組（Shunt Capacitor Bank, SCB）等為離散調(diào)節(jié)，容量大、成本低，穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)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(fā)生器等動態(tài)無功補償裝置，將增加配電系統(tǒng)經(jīng)濟負擔。

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

配電系統(tǒng)內(nèi)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(yīng)頻域上的低頻分量和高頻分量，需通過日前預(yù)測全局優(yōu)化與日內(nèi)斷面局部調(diào)控配合，實現(xiàn)配電系統(tǒng)運行態(tài)勢優(yōu)化控制。

基于模型預(yù)測控制（Model Predictive Control, MPC）思想，通過預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正，將預(yù)測信息及調(diào)控方式逐層細化，協(xié)調(diào)配電網(wǎng)無功電壓的大幅調(diào)節(jié)、小幅調(diào)控和反饋調(diào)整，可有效抑制不確定因素對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。

本文深入研究了風速和光照的預(yù)測誤差對RDG無功調(diào)控能力的影響，并根據(jù)響應(yīng)速度迥異無功設(shè)備的配合方式及穩(wěn)態(tài)和動態(tài)無功調(diào)控需求，建立基于模型預(yù)測控制的配電網(wǎng)多時間尺度動態(tài)無功優(yōu)化框架，包含日前優(yōu)化調(diào)節(jié)層和實時滾動調(diào)控層，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)多時間尺度無功優(yōu)化框架

日前優(yōu)化調(diào)節(jié)提前1d給出配電系統(tǒng)未來24h無功運行方案，優(yōu)化時間粒度取1h，側(cè)重于運行經(jīng)濟性，通過不同調(diào)節(jié)速率無功設(shè)備間的協(xié)調(diào)配合，進行大幅度無功調(diào)節(jié)；增加以滿足動態(tài)無功儲備為指標的電壓穩(wěn)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(diào)控難度。

實時滾動調(diào)控取5min為時間粒度，以日前無功優(yōu)化方案為基準，側(cè)重于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；保持OLTC、SCB等離散設(shè)備日前計劃運行狀態(tài)，基于RDG出力、負荷超短期滾動預(yù)測值，根據(jù)電壓靈敏度矩陣，優(yōu)化求解RDG動態(tài)無功補償量。應(yīng)用滑動平均濾波方法，分離動態(tài)無功補償曲線中的慢變分量和快變分量。

若慢變分量觸發(fā)反饋調(diào)整閾值，則根據(jù)反饋校正優(yōu)化目標，修正當前至周期末時域內(nèi)各調(diào)壓設(shè)備運行計劃，歸并慢變分量至日前穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，快變分量由RDG承擔，實現(xiàn)根據(jù)運行實況的自啟動反饋校正；若慢變分量未觸發(fā)反饋調(diào)整閾值，由RDG跟蹤無功補償曲線動態(tài)調(diào)整無功出力。

實時滾動調(diào)控中滑動平均濾波時間窗口即為MPC預(yù)測時域，以有限時域內(nèi)預(yù)測控制支撐短期安全運行，并通過反饋校正構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化控制，及時校正運行結(jié)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(wǎng)優(yōu)化運行精度。此外，電壓靈敏度矩陣依賴于配電網(wǎng)當前運行狀態(tài)（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(jié)論

本文針對配電系統(tǒng)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(yù)測控制的多時間尺度動態(tài)無功優(yōu)化模型。

相比于已有研究，本文在長時間尺度內(nèi)注重運行特性和響應(yīng)速度迥異的無功設(shè)備的協(xié)調(diào)配合，并充分考慮了RDG出力特性對無功電壓調(diào)控的影響，通過以動態(tài)無功儲備為指標的電壓穩(wěn)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(jīng)濟性的同時確保日內(nèi)可靠運行；在日內(nèi)滾動優(yōu)化中，基于超短期預(yù)測實況決定反饋校正動作，為實時運行提供更加精確的調(diào)控基準，實現(xiàn)日前優(yōu)化方案向?qū)崟r運行的平穩(wěn)過渡，進一步削弱預(yù)測誤差的影響，提升系統(tǒng)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(yù)測控制含可再生分布式電源參與調(diào)控的配電網(wǎng)多時間尺度無功動態(tài)優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)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(dǎo)師，“分布式儲能與微網(wǎng)”河北省重點實驗室副主任，河北電機工程學(xué)會理事，中國電工技術(shù)學(xué)會電動汽車充換電系統(tǒng)與試驗專業(yè)委員會委員，中國電源學(xué)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(xué)基金項目20余項。主要從事新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定與自治控制、分布式發(fā)電并網(wǎng)與系統(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)研究。已培養(yǎng)碩士、博士研究生50余人。先后在《中國電機工程學(xué)報》、《電工技術(shù)學(xué)報》、電力系統(tǒng)自動化、IEEE Transaction on Power Electronics、Transaction on Energy Conversion、Energies、Science Applied等國內(nèi)外權(quán)威和核心期刊，以及IEEE核心國際會議等，發(fā)表SCI、EI收錄學(xué)術(shù)論文100余篇；獲得河北省科技進步獎2項，電力科學(xué)技術(shù)獎1項，授權(quán)國家發(fā)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(wǎng)控制、電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。主要參與河北省自然科學(xué)基金項目（雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機慣量及一次調(diào)頻調(diào)壓控制方法研究）及國網(wǎng)遼寧省電力有限公司科技項目（考慮源、荷波動特征的電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化策略和評價指標研究）的技術(shù)研究。