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  • 頭條配電網(wǎng)多時間尺度無功動態(tài)優(yōu)化的新方法,可有效抑制饋線電壓越限
    2020-05-02 作者:顏湘武, 徐韻, 李若瑾, 金永盛, 李鐵  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語本文在挖掘可再生分布式電源(RDG)無功調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)上建立了基于模型預(yù)測控制的配電網(wǎng)多時間尺度無功優(yōu)化模型,包含日前優(yōu)化調(diào)節(jié)層和實(shí)時滾動調(diào)控層,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(xì)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,有效抑制不確定因素導(dǎo)致的電壓越限。

    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(fēng)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(fù)荷功率波動,容易造成饋線電壓越限問題,給配電系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢預(yù)測分析帶來極大困難。

    論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

    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(bǔ)償;安裝靜止無功補(bǔ)償器、靜止無功發(fā)生器等動態(tài)無功補(bǔ)償裝置,將增加配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

    雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)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(shí)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(dāng)前研究熱點(diǎn)。

    配電系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷波動和RDG隨機(jī)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(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)運(yùn)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(xì)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(fēng)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(shí)時滾動調(diào)控層,如圖1所示。

    配電網(wǎng)多時間尺度無功動態(tài)優(yōu)化的新方法,可有效抑制饋線電壓越限

    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(yùn)行方案,優(yōu)化時間粒度取1h,側(cè)重于運(yùn)行經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(biāo)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(fēng)險(xiǎn),降低實(shí)時調(diào)控難度。

    實(shí)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(zhǔn),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(jì)劃運(yùn)行狀態(tài),基于RDG出力、負(fù)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(bǔ)償量。應(yīng)用滑動平均濾波方法,分離動態(tài)無功補(bǔ)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(biāo),修正當(dāng)前至周期末時域內(nèi)各調(diào)壓設(shè)備運(yùn)行計(jì)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(dān),實(shí)現(xiàn)根據(jù)運(yùn)行實(shí)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(bǔ)償曲線動態(tài)調(diào)整無功出力。

    實(shí)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(yùn)行,并通過反饋校正構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化控制,及時校正運(yùn)行結(jié)果偏差,最大限度消除不確定因素對運(yùn)行方案的影響,提高配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行精度。此外,電壓靈敏度矩陣依賴于配電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)(例如:重載或輕載運(yùn)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(jì)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(jī)性混疊負(fù)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(yùn)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(biāo)的電壓穩(wěn)定概率約束,將運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)鎖定在日前運(yùn)行計(jì)劃中,追求最佳經(jīng)濟(jì)性的同時確保日內(nèi)可靠運(yùn)行;在日內(nèi)滾動優(yōu)化中,基于超短期預(yù)測實(shí)況決定反饋校正動作,為實(shí)時運(yùn)行提供更加精確的調(diào)控基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)日前優(yōu)化方案向?qū)崟r運(yùn)行的平穩(wěn)過渡,進(jìn)一步削弱預(yù)測誤差的影響,提升系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)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(bào), 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(tuán)隊(duì)介紹

    配電網(wǎng)多時間尺度無功動態(tài)優(yōu)化的新方法,可有效抑制饋線電壓越限

    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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任,河北電機(jī)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(yàn)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(dān)國家863計(jì)劃、國家科技支撐以及國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目20余項(xiàng)。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?fù)湟约半妱悠嚢踩潆姷确矫娴睦碚摷捌潢P(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(jī)工程學(xué)報(bào)》、《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》、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(jìn)步獎2項(xiàng),電力科學(xué)技術(shù)獎1項(xiàng),授權(quán)國家發(fā)明專利30余項(xiàng)。

    配電網(wǎng)多時間尺度無功動態(tài)優(yōu)化的新方法,可有效抑制饋線電壓越限

    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(xiàng)目(雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(xiàng)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(jià)指標(biāo)研究)的技術(shù)研究。

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