作者特稿：配电网多时间尺度无功动态优化的新方法，可有效抑制馈线电压越限
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
本文在挖掘可再生分布式电源（RDG）无功调节能力的基础上建立了基于模型预测控制的配电网多时间尺度无功优化模型，包含日前优化调节层和实时滚动调控层，通过预测模型、滚动优化和反馈校正，将预测信息及调控方式逐层细化，协调配电网无功电压的大幅调节、小幅调控和反馈调整，有效抑制不确定因素导致的电压越限。
► DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.181605 ◀
推动可再生能源发展，构建绿色、低碳、清洁能源体系，是我国应对气候变化和能源安全的战略选择，在此背景下以风电、太阳能发电为代表的可再生能源得到快速发展。随着配电系统中可再生分布式电源（Renewable Distributed Generator, RDG）渗透率的不断提高，其出力可预测时域小，波动带宽大，混叠多类型负荷功率波动，容易造成馈线电压越限问题，给配电系统运行态势预测分析带来极大困难。
配电网中常用无功调控设备有载调压变压器（On-Line Tap Changer, OLTC）、并联电容器组（Shunt Capacitor Bank, SCB）等为离散调节，容量大、成本低，稳态调节效果显著，但难以胜任快速无功补偿；安装静止无功补偿器、静止无功发生器等动态无功补偿装置，将增加配电系统经济负担。
双馈感应风电机组（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）和光伏发电通过逆变器有功无功解耦控制，可实现连续无功调节，且响应速度快，满足多时间尺度灵活调节需求，使得如何充分挖掘RDG无功调节能力、参与系统电压无功调控成为当前研究热点。
配电系统内负荷波动和RDG随机出力使功率波动频幅不断增加，其在时域上可分解为大时间尺度平均功率及小时间尺度脉动功率，对应频域上的低频分量和高频分量，需通过日前预测全局优化与日内断面局部调控配合，实现配电系统运行态势优化控制。
基于模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）思想，通过预测模型、滚动优化和反馈校正，将预测信息及调控方式逐层细化，协调配电网无功电压的大幅调节、小幅调控和反馈调整，可有效抑制不确定因素对配电网电压稳定性的影响。
本文深入研究了风速和光照的预测误差对RDG无功调控能力的影响，并根据响应速度迥异无功设备的配合方式及稳态和动态无功调控需求，建立基于模型预测控制的配电网多时间尺度动态无功优化框架，包含日前优化调节层和实时滚动调控层，如图1所示。
图1 配电网多时间尺度无功优化框架
日前优化调节提前1d给出配电系统未来24h无功运行方案，优化时间粒度取1h，侧重于运行经济性，通过不同调节速率无功设备间的协调配合，进行大幅度无功调节；增加以满足动态无功储备为指标的电压稳定概率约束，从而在日前方案中提前锁定可靠性风险，降低实时调控难度。
实时滚动调控取5min为时间粒度，以日前无功优化方案为基准，侧重于系统电压稳定性；保持OLTC、SCB等离散设备日前计划运行状态，基于RDG出力、负荷超短期滚动预测值，根据电压灵敏度矩阵，优化求解RDG动态无功补偿量。应用滑动平均滤波方法，分离动态无功补偿曲线中的慢变分量和快变分量。
若慢变分量触发反馈调整阈值，则根据反馈校正优化目标，修正当前至周期末时域内各调压设备运行计划，归并慢变分量至日前稳态调节范围内，快变分量由RDG承担，实现根据运行实况的自启动反馈校正；若慢变分量未触发反馈调整阈值，由RDG跟踪无功补偿曲线动态调整无功出力。
实时滚动调控中滑动平均滤波时间窗口即为MPC预测时域，以有限时域内预测控制支撑短期安全运行，并通过反馈校正构成闭环优化控制，及时校正运行结果偏差，最大限度消除不确定因素对运行方案的影响，提高配电网优化运行精度。此外，电压灵敏度矩阵依赖于配电网当前运行状态（例如：重载或轻载运行），在线更新难以匹配滚动控制快速性，可在日前阶段由离线潮流计算得到。
本文针对配电系统中RDG渗透率不断提高，其出力随机性混叠负荷波动性，容易带来馈线电压越限问题，提出了基于模型预测控制的多时间尺度动态无功优化模型。
相比于已有研究，本文在长时间尺度内注重运行特性和响应速度迥异的无功设备的协调配合，并充分考虑了RDG出力特性对无功电压调控的影响，通过以动态无功储备为指标的电压稳定概率约束，将运行风险锁定在日前运行计划中，追求最佳经济性的同时确保日内可靠运行；在日内滚动优化中，基于超短期预测实况决定反馈校正动作，为实时运行提供更加精确的调控基准，实现日前优化方案向实时运行的平稳过渡，进一步削弱预测误差的影响，提升系统的抗风险能力。
颜湘武, 徐韵, 李若瑾, 金永盛, 李铁. 基于模型预测控制含可再生分布式电源参与调控的配电网多时间尺度无功动态优化[J]. 电工技术学报, 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.
团队介绍
颜湘武
博士，教授，博士生导师，“分布式储能与微网”河北省重点实验室副主任，河北电机工程学会理事，中国电工技术学会电动汽车充换电系统与试验专业委员会委员，中国电源学会元器件专委会委员。先后主持和承担国家863计划、国家科技支撑以及国家自然科学基金项目20余项。主要从事新能源电力系统稳定与自治控制、分布式发电并网与系统特性分析、高效变换拓扑以及电动汽车安全充电等方面的理论及其关键技术研究。已培养硕士、博士研究生50余人。先后在《中国电机工程学报》、《电工技术学报》、电力系统自动化、IEEE Transaction on Power Electronics、Transaction on Energy Conversion、Energies、Science Applied等国内外权威和核心期刊，以及IEEE核心国际会议等，发表SCI、EI收录学术论文100余篇；获得河北省科技进步奖2项，电力科学技术奖1项，授权国家发明专利30余项。
徐韵
博士研究生，研究方向包括可再生能源并网控制、电力系统优化调度。主要参与河北省自然科学基金项目（双馈感应风力发电机惯量及一次调频调压控制方法研究）及国网辽宁省电力有限公司科技项目（考虑源、荷波动特征的电网无功电压优化策略和评价指标研究）的技术研究。