孙碣，吴富杰, 杨世峰

(1.国网内蒙古东部电力有限公司经济技术研究院，内蒙古 呼和浩特010020；2.国网山西省电力公司检修公司，山西 太原 030000)

0　引　言

分布式能源(DER)的大量接入将对配电网电压水平、短路容量、继电保护、供电可靠性以及电能质量等方面造成较大的影响，因此传统“被动”配电网的运行控制方法已难以应对新的发展需求[1]。主动配电网(ADN)是具备对分布式电源(DG)、储能系统(ESS)、可控负荷(CL)、以及需求侧管理(DSM)等有综合控制功能的新型配电网，其能在保证用户电能质量的前提下，提高配电网接纳可再生能源的能力以及能源综合利用效率[2-3]。ADN的投运，将对资源进行合理的优化配置，提高地区清洁能源和可再生能源的渗透率，尽可能实现可再生能源的全部消纳。在解决可再生能源的消纳问题的同时，亦可实现电力工业的低碳化，大范围改善环境污染问题。

就ADN的发展来说，如何能更为高效、灵活地调控其内部的可控设备，保持经济稳定运行，一直是该领域研究的热点[4-6]。目前，针对于主动配电网的优化运行以及控制技术，所采用的控制方案不尽相同。文献[7-8]提出采取集中控制和分散自治相结合的方式来平衡大规模分布式电源接入ADN后的功率波动。文献[9]充分考虑到ADN中储能的调节作用，提出了以储能装置接入配电网来为其灵活的运行控制模式提供支撑；文献[10]提出了ADN的分层能量管理与协调控制框架。以上理论为ADN的优化控制方法提供了新的思路，但是针对区域自治，缺乏对ADN内部可调设备优先级和启动时序方面的考虑，实际运行中加大了调控的复杂度。

本文基于ADN的双层运行控制系统，充分发挥“源-储-荷”的协调控制作用，对ADN自治区域受到的扰动进行实时调节，依据上层全局优化系统下发的出力计划值进行实时反馈校正，维持区域内部的功率平衡。为了减小调控复杂度，将扰动量的大小与内部可调设备的备用容量进行比较，设定了可控设备的优先级以及启动条件，实现馈线功率控制误差[11]109为零的区域自治控制目标。

1　ADN源/储/荷协调控制系统的架构体系

1.1　基于源/储/荷协调控制的ADN分层控制架构

图1　ADN的源/储/荷协调控制结构

基于源/储/荷的ADN分层协调控制系统架构如图1所示。

为了实现主动配电网对于DG功率的快速、主动消纳，提出了双层控制方案。在上层控制中心，根据ADN所含DG的出力预测数据来进行全局的多目标优化，进行有功无功的协调控制，并给出控制目标的参考值；在下层控制中心，根据上级给定的参考值对DG的出力、ESS的充放电以及CL的减载容量进行多时间尺度的协调互补控制，以实现ADN对于DG出力的快速、主动消纳。下层控制中心参与调控的源/储/荷控制技术具体为：

(1)DG的功率控制

DG的功率输出往往通过调整其逆变器中的参数来完成，对需求响应的速度较慢。一般来说，在配电网发生扰动时，依靠调节DG的输出来平抑系统的功率波动，效果往往不太理想。因此，DG功率的调控通常需要与ESS协作完成，与此同时，追求较高的可再生能源利用率是ADN的内涵所在，DG的功率输出一般设置为最大功率跟踪模式，只有扰动极大时，即ESS和可控负荷无法满足调控时，采用切机运行模式。

(2)ESS的充放电控制

在恒压/恒频的控制方式下，ESS能够主动快速地响应ADN的功率波动，将其作为系统的备用容量，尤其适合平抑较小的扰动。受到内部容量的限制，ESS无法长期存储或者释放电能，因此，在优化模型的建立中，往往需要考虑储能系统的容量约束。当ADN中的扰动较大时，应考虑与DG以及柔性可控负荷进行协调配合，来维持系统的功率稳定。

(3)可控负荷(CL)的柔性控制

ADN的运行过程中，应该尽量满足CL的用电需求。在扰动较为剧烈时，通过控制柔性负荷在ADN中的投入或减载，综合考虑不同类别负荷的协调管理方法，并与DG、ESS进行配合调控，可以最大程度地平抑分布式能源的间歇性波动或者系统扰动，保证DG输出功率的就地消纳。

1.2　ADN区域自治控制框架

图2　ADN区域自治控制框架

在ADN两次全局优化的间隙，需要根据上层给定的计划值，经由区域功率控制器对区域功率进行实时校准。自治系统框架如图2所示。

ADN的区域自治系统的核心部分是由馈线功率控制误差(FCE)控制器和功率协调控制器构成，其中，FCE控制器负责采集区域交换功率的计划值与实际功率的偏差，并通过内部的比例积分控制来确定调控功率的大小，再按照功率协调控制器内部设定的控制策略，对调控功率进行协调分配，实现区域的有功平衡。

2　ADN区域自治控制策略

ADN运行过程中，长时间尺度下的全局优化耗时较长，无法满足实时状况下的功率波动，与此同时，过于复杂的算法难以满足实际工况的快速响应。这种情况下，需要采取适宜的区域自治策略来满足系统运行的要求。

2.1　FCE指标在ADN区域自治中的应用

面向电力系统的实时优化控制，文献[11]提出了馈线功率控制误差(FCE)指标：FCE为配电网与外电网的交换功率实际值与最优值或全局优化的计划值之差[11]109，即:

Pf=PE.C-PE.S

(1)

式中：PE.S为交换功率的全局优化参考值，PE.C为运行过程中交换功率的实际值。

ADN的区域自治的本质是一个反馈校准的过程，FCE指标量化地描述了ADN交换功率实际值与计划值之间的差异，以馈线功率控制误差为零作为目标进行反馈校正，并据此设计FCE反馈调节控制器，用于短时间尺度下的区域功率校正。在ADN上层的相邻两次全局优化的时间间隔范围之内，当自治区域受到扰动时，根据扰动量的大小进行反馈调节，来调节自治区域内可控设备的功率输出，再经过区域功率协调控制器的作用，对“源-储-荷”的备用功率输出进行合理调配，使FCE值快速回零。

2.2　区域自治控制目标

ADN的上层优化系统向自治区域下达出力计划指令后，自治区域则按照系统设定好的控制模式，对实际运行工况中的扰动进行实时响应，进一步调控区域内的“源-储-荷”，实现无差控制，保证在尽可能完全消纳清洁能源发电的同时，维持系统功率平衡和电压稳定。自治区域z的控制目标设置为使馈线功率控制误差(FCE)等于0的函数，表示如下：

FCE=kz·ΔPf+ΔPz

(2)

(3)

式中：ΔPf为馈线的实际交换功率与参考值的偏差；ΔPz为自治区域n等效为分布式电源之后，与馈线间的实际交换功率与计划值的偏差；kz为自治区域z参与调控的功率协调系数，其大小由自治区域本身的备用容量决定，Pz-back是区域z的备用可调容量。FCE的第一部分kz·ΔPf表示馈线上受到扰动时区域z需要承担的功率调整量；第二部分ΔPz表示区域z自身受到扰动时需要调节的功率值。

2.3　ADN区域自治控制策略

ADN在实际运行中，首先需满足常规负荷以及可控负荷的用电需求；其次尽可能保证DG发电的完全消纳，减小运行过程中的切机量；与此同时，充分利用储能装置(ESS)在ADN中的灵活功率调节能力；尽可能的实现本区域就地平衡，防止跨区域功率平衡产生的恶性连锁反应。由以上分析，结合实际运行要求，设定可调设备的优先级，提出合理有效的主动投切策略。

自治区域内多主体协调的系统控制方程如下：

(4)

式中：Ki为常数；ΔPk为ADN中自治区域内部“源-储-荷”的有功调节量。

在ADN的运行控制中，首先要满足所有负荷(包含可控负荷)的正常用电，其次要尽可能保证DG出力的全部消纳，整个过程中，ESS发挥灵活的充放电功率调控作用。此外，现实中DG的出力受外界环境的影响，人为进行控制时，所发功率超出上限时，只能采取切机的措施；所发功率无法满足当前系统要求时，本身却无法增发功率。

根据以上分析，设定区域自治过程中的调控时序：受到扰动时，首先调节ESS的充放电，其次调节可控负荷的接入容量，最后考虑调节DG的切机量。在此控制时序下，设Pr为扰动量，Pk为系统元件的备用可调容量，将扰动量的大小与系统元件的备用可调容量进行比较，可以得到以下控制模式：

1)扰动为正，即区域内部突增负荷或DG出力突然减小

(1)当Pr≤Pk(ESS)时，储能系统独立调控；

(2)当Pr>Pk(ESS)且Pr≤Pk(ESS+CL)时，储能(ESS)与可控负荷(CL)协同调控。

2)扰动为负，即区域内负荷断开或者DG出力增大

(1)当Pk(ESS)≥-Pr时，储能系统独立调控；

(2)当Pk(ESS)≤-Pr且Pk(ESS+CL)≥-Pr时，储能(ESS)与可控负荷(CL)协同调控；

(3)当Pk(ESS+CL)<-Pr且Pk(ESS+CL+DG)≥-Pr时，储能(ESS)、可控负荷(CL)以及分布式电源(DG)三者协同调控。

当扰动为上述之外的其他情况时，则需要与沿馈线方向的相邻自治区域进行拓展，与馈线功率流动方向上的相邻下一区域扩展整合，重新确定新的区域备用可调容量，重复以上调控模式。区域内若包含有多个同类可调装置，则需根据其备用容量的大小按比例进行功率分配。具体控制策略见表1。

表1　ADN的区域自治调控策略

该策略在保证清洁能源的最大化利用的同时，尽可能满足了柔性可调负荷的正常用电需求，并且充分考虑了不同类别分布式能源之间相互配合的效果，很好地实现自治区域内部功率就地平衡。

3　算例仿真与分析

以图3所示ADN自治区域算例进行仿真分析，其内部接有2个DG，4个常规负荷，1个可控负荷，2个ESS装置。DG容量各为400 kW，CL功率各为200 kW，ESS充放电容量各为±180 kW，考虑储能装置的运行寿命，设定充放电上下限为±160 kW。

图3　自治区域算例

区域自治控制器设计如图4所示。

图4 区域自治控制器原理图

其中Kz为区域所占馈线功率的比例系数，FEC为馈线功率控制误差，Dead Zone用作过滤微小误差，防止控制功率的频繁波动，Delay用作延时模块儿，输出的信号再经过PI控制器后将控制值输入区域功率协调控制器，根据设定好的控制策略分配各自的功率调整值。

本文提出的ADN区域自治控制策略，用于响应系统上层下发的计划指令，不着重去研究“源-储-荷”内部具体的控制方式。在仿真过程中，可以认为可调设备可以根据给定的参考值自动地进行功率校准。

3.1　单储能调控模式

扰动较小时，即Pr≤Pk(ESS)时，采用单储能调控模式。首先，经全局优化得到以上算例区域的计划值，当节点4发生功率扰动时，在0 s时有功增加0.23 MW，在3 s时有功减小0.23 MW，在6 s时有功增加0.23 MW，FCE曲线如图5所示。

图5　ESS与可控负荷协同调控下的FCE曲线

可以看出，在0 s、3 s、6 s时刻，区域受到扰动时，FCE曲线波动明显，此时，自治区域内部ESS装置发挥灵活调节作用，调节自身的充放电，FCE值剧烈波动后快速恢复，实现了ADN自治区域应对功率波动的实时调控能力。控制过程中ESS的充放电曲线变化如图6所示。

图6　单储能调控下的ESS充放电曲线

3.2 协同调控模式

扰动较大时，单储能调控已经无法满足上层给定的目标值，需要在充分利用ESS充放电的基础上，进行合理的CL减载操作，甚至是DG的切机运行。当节点5发生扰动，0 s时有功增加0.47 MW，3 s时减小0.47 MW，6 s时增加0.47 MW，区域的FCE曲线变化趋向与扰动较小时大致相同。

此扰动下，可知Pr>Pk(ESS)且Pr≤Pk(ESS+CL)。经过区域协调控制器决策，可采取ESS与CL进行协同控制，在ESS在自身充放电限值范围内，持续最大出力，同时对CL进行减载控制，来实现上层优化下发的区域出力参考值，维持电网功率平衡。可控负荷的减载曲线如图7所示。

图7　ESS与可控负荷协同调控下的CL、ESS功率变化曲线

DG出力突增时，有功输出在0 s时增加0.42 MW，3 s时减小0.42 MW，6 s时增加0.42 MW，此时，Pk(ESS+CL)<-Pr且Pk(ESS+CL+DG)≥-Pr。在ESS装置最大程度进行充电的基础上，可控负荷全部投入运行，系统还需采取DG切机模式进行控制。DG的有功切除曲线如图8所示。

4　结束语

本文研究了主动配电网双层控制下的区域自治控制策略，充分利用“源-储-荷”的协调控制来对上层控制系统给定的计划出力进行调控。针对不同的控制对象，设定了功率调整的启动顺序，使其控制过程更具合理性。在不同情景下的运行结果表明：文中方法能够实现ADN下层自治区域功率的实时自动校正，提升主动配电网应对扰动的能力，更好地维持系统的稳定，保证供电的可靠性。此外，文中关于主动配电网相邻自治区域的拓展调控方面还需要做进一步的研究。

图8　DG切机模式下的DG、ESS功率曲线

参考文献：

[ 1 ] 余贻鑫，栾文鹏．智能电网述评[J]．中国电机工程学报，2009，29(34)：1-8．

[ 2 ] 卢强，梅生伟．面向2l世纪的电力系统重大基础研究[J]．2000，10(10)：870-876．

[ 3 ] 王成山，李鹏．分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J]．电力系统自动化，2010，34(2)：10-14，23．

[ 4 ] P P BARKER，R W DE MELLO．Determining the impact of distributed generation on power systems．I．Radial distribution systems[C]//Power Engineering Society Summer Meeting，2000，(3)：1645-1656．

[ 5 ] R A WALLING，R SAINT，R C DUGAN，et al．Summary of distributed resources impact on power delivery systems[J]．IEEE Trans Power Delivery，2008，23(3)：1636-1644．

[ 6 ] F PILO，G PISANO，G G SOMA．Advanced DMS to manage active distribution networks[C]//PowerTech，2009 IEEE Bucharest，2009：1-8．

[ 7 ] P DJAPIC，C RAMSAY，D PUDJIANTO，et al．Taking an active approach[J]．IEEE Power and Energy Magazine．2007，5(4)：68-77．

[ 8 ] J MUTALE．Benefits of active management of distribution networks with distributed generation[C]//Power Systems Conference and Exposition，2006． IEEE PES，2006，VOL1：601-606．

[ 9 ] 尤毅，刘东，钟清，等．主动配电网储能系统的多目标优化配置[J]．电力系统自动化，2014，38(18)：46-52．

[10] 刘东，陈云，黄玉辉，等．主动配电网的分层能量管理与协调控制[J]．中国电机工程学报，2014，34(31)：5500-5506．

[11] 于文鹏，刘东，余南华．馈线控制误差及其在主动配电网协调控制中的应用[J]．中国电机工程学报，2013，33(13)：108-115．