張 磊，劉中書

(1. 國網(wǎng)陜西省電力公司咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000；2. 國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，西安 710065)

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基于混雜控制理論的包含分布式發(fā)電的區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量控制

張 磊1，劉中書2

(1. 國網(wǎng)陜西省電力公司咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000；2. 國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，西安 710065)

針對具有分布式發(fā)電的區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量控制問題進行了基于混雜控制理論的研究探索。首先針對分布式電源接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)后對電能質(zhì)量帶來的影響問題進行了分析，然后介紹了混雜控制的基本理論，根據(jù)含有分布式發(fā)電的電網(wǎng)混雜系統(tǒng)進行了模型構(gòu)建和分析，最后針對IEEE14節(jié)點模型的分布式電源改造模型進行了混雜控制系統(tǒng)的仿真，并針對機組故障的電壓緊急調(diào)控和負荷變動機組出力調(diào)整兩個問題進行了仿真分析。通過仿真結(jié)果可以看出，混雜控制系統(tǒng)的調(diào)控能力在應(yīng)付分布式電源接入后導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)潮流多變，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度提升，調(diào)控難度增加等問題上具有較好的解決效果。

分布式電源；混雜控制；電能質(zhì)量；Petri網(wǎng)；區(qū)域電網(wǎng)

1 概述

近年來，隨著國家對分布式發(fā)電、可再生新能源的關(guān)注度和投入逐漸增加，越來越多的分布式可再生能源、微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)系統(tǒng)中。分布式可再生能源發(fā)電能夠有效的減少化石能源的消耗及降低火電等傳統(tǒng)發(fā)電能源對大氣環(huán)境等污染。分布式可再生能源具有能夠在偏遠無電地區(qū)及農(nóng)村、海島等地區(qū)能夠容易的接入電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)點。

但是隨著近年來大量分布式發(fā)電電源接入電力系統(tǒng)，新能源發(fā)電所帶來的問題越來越突出，如何能夠確保分布式電源的接入電能質(zhì)量(即電壓、頻率等指標(biāo))和電網(wǎng)穩(wěn)定性成為了分布式發(fā)電發(fā)展必須要解決的重要問題。由于智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，大量的可控電力電子設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，在對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響的同時，也帶了電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度的整體提升。對于具有分布式發(fā)電的區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)控由于分布式電源和大量電力電子設(shè)備的引入，傳統(tǒng)的調(diào)控方法以無法滿足如此結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動態(tài)的新型電網(wǎng)體系。

由于分布式電源是由用戶來控制的,因此將根據(jù)自身的需要啟動和停運分布式電源,這可能使配電網(wǎng)的電壓經(jīng)常發(fā)生波動。分布式電源的頻繁啟動會使配電線路上的負荷潮流變化大,從而加大電壓調(diào)整的難度,電壓調(diào)節(jié)不好會使電壓超標(biāo)。由于分布式電源的接入使得饋線上接入節(jié)點電壓抬升，區(qū)域電網(wǎng)潮流走向由原來的單向變?yōu)殡p向，使得區(qū)域電網(wǎng)及配網(wǎng)系統(tǒng)的控制復(fù)雜度大為提升[1-2]。

針對微電網(wǎng)、分布式發(fā)電今年來的研究熱點主要集中在設(shè)備層面、控制策略及能量管理等幾個主要方向。針對設(shè)備層面目前國內(nèi)研究熱點主要集中于適用于分布式發(fā)電低壓環(huán)境下的逆變器研究如參考文獻[3]、儲能雙向逆變器方面的研究如參考文獻[4]、電網(wǎng)的諧波污染檢測和治理如參考文獻[5]。針對控制策略及能量管理問題的研究主要集中與基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如參考文獻[6]、模擬退火算法、蟻群算法和粒子群如參考文獻[7]等智能算法的控制優(yōu)化策略研究。

本文針對具有分布式發(fā)電和大量可控電力電子設(shè)備引入了基于混雜控制理論的一體化控制方法。針對復(fù)雜電力系統(tǒng)的。

2 包含分布式發(fā)電的區(qū)域電網(wǎng)特性

目前，由于大量的分布式綠色能源接入電網(wǎng)，其最終導(dǎo)致的結(jié)果必然使電壓調(diào)節(jié)方式和控制方式有別于傳統(tǒng)常規(guī)方式，主要為電網(wǎng)的有功和無功分別進行調(diào)節(jié)。由于分布式電源的安裝位置、容量大小都會導(dǎo)致并網(wǎng)點饋線的電壓抬升,從而對其并網(wǎng)點處的配電網(wǎng)饋線的電壓驟降有一定幫助。此外,電力電子型的分布式電源易產(chǎn)生諧波,造成諧波污染，又需要安裝一定的濾波及補償裝置來治理區(qū)域電網(wǎng)、配電網(wǎng)的電能質(zhì)量[8-9]。

分布式發(fā)電系統(tǒng)中任何由于諧波、瞬態(tài)、電壓凹陷和擾動引起的波動都會導(dǎo)致電能質(zhì)量降低，甚至導(dǎo)致分布式電源脫網(wǎng)停機等故障。盡管電能質(zhì)量對居民生活來說沒有太大的影響,但是對工業(yè)生產(chǎn)和公司工作卻有著巨大的影響。片刻電能的丟失和陷落都會導(dǎo)致生產(chǎn)制造工序和計算機的重新啟動,這樣就會造成難以估計的損失[10]。

3 基于混在控制理論的緊急控制方法

混雜控制系統(tǒng)(Hybrid Control System，簡稱HCS)指的是將兩種本質(zhì)上不同的對象或控制方法結(jié)合起來的控制系統(tǒng)，其通常由離散高層決策層和現(xiàn)場連續(xù)控制層交互作用共同構(gòu)成，為自主系統(tǒng)和智能系統(tǒng)提供了基本框架和方法。在實際控制中，通常出現(xiàn)多個不同類型的控制器(如連續(xù)、離散、線性等)通過某種邏輯設(shè)備來實現(xiàn)不同控制器之間的切換，使得系統(tǒng)獲得更好的性能[11-12]。在不同領(lǐng)域里，對于混雜控制系統(tǒng)處理方法各不相同，混雜控制系統(tǒng)可獲得比單個控制器更好的性能，并可以解決傳統(tǒng)控制器無法解決的問題。因此，混雜控制系統(tǒng)表現(xiàn)出顯著的非純一(heterogeneous)特性?；祀s控制系統(tǒng)典型功能結(jié)構(gòu)圖[13-14]，如圖1所示。

圖1 典型混雜控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)功能圖

從圖1中可以看出混雜控制系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)和信息耦合關(guān)系決定了不可能用單一的建模方法和分析方法來解決問題。通常在進行混雜控制系統(tǒng)理論分析時可采用多層面的互補嵌套與綜合集成的方法，運用多種理論工具和技術(shù)手段來綜合的對混雜控制系統(tǒng)進行建模和分析[15]。

針對具有分布式發(fā)電接入的區(qū)域電網(wǎng)來說，構(gòu)建基于混雜控制系統(tǒng)的電壓緊急控制系統(tǒng)能夠有效的降低分布式新能源系統(tǒng)間歇性特性所帶來的危害。在圖1的基礎(chǔ)上構(gòu)建出圖2所述的混雜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 分布式發(fā)電接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)緊急控制混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上層DEDS采用Petri網(wǎng)離散事件監(jiān)控器。Petri網(wǎng)監(jiān)控器由時間監(jiān)控器(Gp)和接口(γ，μ)構(gòu)成，其中Gp由有限位置集P、有限變遷集T、輸入函數(shù)IT、輸出函數(shù)OT、跟蹤集GT、初始標(biāo)識M、token狀態(tài)位置的時延Θ構(gòu)成。

GP=(P,T,IT,OT,GT,M,θ)

(1)

接口γ表示為γ：Ed→Bd開關(guān)函數(shù)，其中E為監(jiān)控事件集，B={0,1}為Gp中變遷的個數(shù)。接口μ表示為μ：Ec→Bc狀態(tài)轉(zhuǎn)移使能函數(shù)，控制開關(guān){0,1}nd→Rl是將Petri網(wǎng)監(jiān)控器產(chǎn)生的決策命令轉(zhuǎn)換為分段連續(xù)控制命令。

在Gp中用Am(t)表示為Am(t)=(a0(τk),a1(τk),…,an(τk))，是M(k)下的狀態(tài)位置token的到達時間。其中

(2)

4 混雜系統(tǒng)分層介紹

針對含有分布式電源的具體調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)含有分布式電源的區(qū)域配網(wǎng)結(jié)構(gòu)及混雜控制系統(tǒng)的自身結(jié)構(gòu)特點，具體可劃分為3層：底層、中間層、上層決策層。

圖3 含分布式電源區(qū)域電網(wǎng)混雜控制結(jié)構(gòu)圖

圖3包含分布式電源并網(wǎng)的區(qū)域電網(wǎng)混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其與傳統(tǒng)區(qū)域電網(wǎng)的區(qū)別僅在于實際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中加入了分布式電源，網(wǎng)絡(luò)潮流走向由原先的單向方式演變?yōu)殡p向混合方式，導(dǎo)致系統(tǒng)控制策略復(fù)雜度上升，故障種類及控制策略發(fā)生變化，現(xiàn)場底層控制層的離散控制器和連續(xù)控制器參數(shù)需要進行動態(tài)跟蹤和實時整定，使得系統(tǒng)整體混雜度大幅提升[16-17]。

(1)底層控制

底層控制是由實際電網(wǎng)和現(xiàn)場控制器構(gòu)成，連續(xù)控制器主要功能負責(zé)調(diào)整常規(guī)發(fā)電機組和分布式發(fā)電機組的出力。離散控制器主要功能通過切、并負荷來調(diào)整負荷大小、重構(gòu)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變潮流走向，在必要情況下將分布式電源視作可控負荷進行調(diào)度。在第三節(jié)的基礎(chǔ)上，底層控制增加離散控制器集函數(shù)DM：

DM={ICM;DPD;KCD;LSD}

(3)

式中ICD——輸入命令子集；DPD——動態(tài)參數(shù)子集；KCD——負荷狀態(tài)子集；LSD——系統(tǒng)狀態(tài)跟蹤子集。

底層現(xiàn)場連續(xù)控制器集函數(shù)CM：

CM={IOC;DPC;KCC;LSC}

(4)

式中IOC——輸入命令子集；DPC——動態(tài)參數(shù)子集；KCC——發(fā)電機組和分布式電源狀態(tài)子集；LSC——系統(tǒng)發(fā)電單元狀態(tài)跟蹤子集。

(2)中間層控制

中間控制層為接口轉(zhuǎn)換層，包含故障診斷與辨識模塊、規(guī)律生成器。故障診斷與辨識模塊的主要功能在于將現(xiàn)場系統(tǒng)狀態(tài)子集IS中檢測跟蹤的數(shù)據(jù)進行分析處理，提前進行故障預(yù)估和故障辨識分類。最終將故障狀態(tài)分類信息及必要參數(shù)上傳至離散決策層中。系統(tǒng)狀態(tài)子集為

IS={IST;ISS;ISL;ISP}

(5)

式中IST——時間子集；ISS——系統(tǒng)跟蹤狀態(tài)子集；ISL——系統(tǒng)故障特征子集；ISP——系統(tǒng)故障段特征參數(shù)子集。

規(guī)律生成器主要負責(zé)將上層決策層中的調(diào)度控制方案由連續(xù)轉(zhuǎn)換為下層控制器可理解的連續(xù)離散控制命令，從而達到將上層與下層連接貫通、命令執(zhí)行的目的。

(3)上層控制

上層控制層包含狀態(tài)分析、控制決策、模式控制器3個模塊。其中狀態(tài)分析模塊根據(jù)故障診斷與辨識模塊上傳而來的IS集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理與分析，并將故障原因、類型、具體系統(tǒng)參數(shù)、狀態(tài)上傳至控制決策模塊中?？刂茮Q策模塊主要功能在于將狀態(tài)分析模塊上傳的數(shù)據(jù)進行Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓撲，通過Petri網(wǎng)計算得到可行的控制決策方案。并將控制決策方案以公式1的形式下發(fā)至模式控制器中，模式控制器將控制決策方案進行分類，取出需要操作的設(shè)備編號及參數(shù)下發(fā)至中間層規(guī)律生成其中進行底層控制[1-2]

5 建模與仿真

本文仿真采用IEEE14節(jié)點模型作為仿真模型進行測試，由于電能質(zhì)量涉及參數(shù)較多，文章篇幅所限，針對含有分布式電源的區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量的兩種典型情況和指標(biāo)進行仿真。如圖4所示為參考文獻[18]中所述IEEE14節(jié)點模型基礎(chǔ)上針對包含分布式電源的區(qū)域配網(wǎng)進行的改造結(jié)構(gòu)圖，在節(jié)點N4、N13、N10分別接入常規(guī)機組，其中N13為備用旋轉(zhuǎn)機組。N2和N6分別接入分布式風(fēng)力和光伏發(fā)電電源。由于傳統(tǒng)大機組在消耗分布式能源的容量能量較強，為了驗證本混雜控制系統(tǒng)的調(diào)控能力，本文所選用常規(guī)機組容量為小型發(fā)電機組，與分布式電源容量相當(dāng)，來進行混雜控制系統(tǒng)的混雜控制驗證研究。

圖4 IEEE14節(jié)點改造仿真結(jié)構(gòu)圖

(1)電壓緊急調(diào)控

設(shè)置節(jié)點N10在0.1s時機組出現(xiàn)故障突出發(fā)電，節(jié)點N10在電壓緊急控制后仿真圖如圖5所示，圖中縱坐標(biāo)電壓表示其歸一化處理后的情況。

圖5 節(jié)點常規(guī)機組故障電壓緊急調(diào)控對比圖

圖5中，藍線為本文所介紹的混雜系統(tǒng)調(diào)控方法仿真效果曲線，紅線為常規(guī)調(diào)控方法，從圖中可以看出，利用本文所介紹方法調(diào)控，節(jié)點電壓較常規(guī)方法調(diào)控速度更快，電壓歸一化指數(shù)更高。

(2)機組與負荷出力調(diào)節(jié)

設(shè)置節(jié)點N2在風(fēng)力間歇性出力的情況下進行仿真，則系統(tǒng)全天總出力調(diào)控，各機組出力如下圖6所示，本部分仿真數(shù)據(jù)參考參考文獻[19]。

圖6 全天24時跟蹤總負荷調(diào)控功率對比圖

圖6中可以看出，在使用hybrid混雜控制進行負荷跟蹤后，系統(tǒng)出力總值與負荷變化跟蹤較為密切。

圖7 hybrid混雜控制系統(tǒng)全天24時段機組出力分配情況

從圖7中可以看到通過hybrid混雜控制系統(tǒng)的各機組全天出力分配情況，圖中針對分布式光伏和風(fēng)力發(fā)電電源的間歇性發(fā)電特性進行了動態(tài)的機組出力調(diào)整和啟用備用機組等控制手段，從圖6中可以看出調(diào)控較為靈敏，速度較快。

6 結(jié)語

通過上述仿真結(jié)構(gòu)可以看出，混雜控制系統(tǒng)在調(diào)控速度、精度等方面較傳統(tǒng)的調(diào)控方式有明顯的優(yōu)勢，當(dāng)然受篇幅所限本文僅針對含有分布式電源區(qū)域電網(wǎng)的電壓故障和功率機組出力調(diào)控進行了仿真，且受限因素較多。

混雜控制這種將傳統(tǒng)的離散、連續(xù)、高層決策有機整合與一體的新型控制方法具有較高的研究價值，選擇合適的高層決策和底層控制方法通過高兼容性的接口轉(zhuǎn)換機制能大大提升混雜控制系統(tǒng)的控制效果。針對含有分布式電源的新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，復(fù)雜度、調(diào)控難度都較傳統(tǒng)電網(wǎng)有了較大提升，利用混雜控制系統(tǒng)可以有效的將底層控制系統(tǒng)進行集成整合，并高效實現(xiàn)上下一體調(diào)控，在應(yīng)對及解決由于分布式發(fā)電接入帶來新的故障、保護問題上具有較為明顯的優(yōu)勢。

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(本文編輯：嚴(yán) 加)

Power Quality Control of Regional Grid Containing Distributed Generation Based on Hybrid Control Theory

ZHANG Lei1, LIU Zhong-shu2

(1. Xianyang Power Supply Company, Shaanxi Electric Power Co., Ltd., Xianyang 712000, China;2. Institute of Economy and Technology, Shaanxi Electric Power Co., Ltd., Xi′an 710065, China)

This paper researches power quality control of regional grid containing distributed generation based on hybrid control theory. Firstly, it analyzes the impact of distributed power access to regional grid on power quality control, introduces the basic theory of hybrid control, then constructs and analyzes model for the hybrid control system of power grid with distributed generation, and finally simulats the hybrid control system based on IEEE14 of distributed power transformation model, and analyzes the unit breakdown voltage emergency control and unit output regulation with variable load. The simulation results show that the hybrid control system is effective in regulating the flexible network tide, increased structure complexity and regulation difficulty after the distributed power access.

distributed power; hybrid control; power quality; Petri network; regional power grid

10.11973/dlyny201506005

張 磊(1983)，男，碩士，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制，電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的工作。

TM711

A

2095-1256(2015)06-0765-05

2015-10-15