劉瑞清

（國網江西省電力有限公司興國縣供電分公司，江西 興國 342400）

0 引 言

近年來，分布式電源以其清潔、高效、靈活等優(yōu)點受到廣泛關注。然而，分布式電源的間歇性和波動性給電網的安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。電池儲能技術可有效緩解分布式電源的不確定性，提升電網的可靠性。文章針對分布式電源接入配電網的特點，設計一套基于電池儲能的智能控制系統(tǒng)，并通過仿真和實驗驗證了其可行性和有效性。

1 分布式電源類型及其特點

分布式電源指分布在用電區(qū)域附近的小型發(fā)電設施，主要包括光伏發(fā)電、風力發(fā)電、小水電及燃料電池等。以光伏發(fā)電為例，其利用光伏效應將太陽能直接轉換為電能，具有無污染、無噪音、可再生等優(yōu)點[1]。然而，光伏發(fā)電受日照強度和溫度等因素影響，其輸出功率呈現間歇性和波動性，短期功率波動可達30%以上。風力發(fā)電同樣面臨風速變化導致的功率波動問題，其輸出功率與風速的三次方成正比，風速變化10%將引起功率波動30%。微型燃氣輪機啟停頻繁，其熱回收蒸汽發(fā)生器啟動時間需要30 ～60 min，而一次調頻響應時間僅為數秒。小水電受水流量影響，其輸出功率與水頭和流量成正比，枯水期發(fā)電量驟減。可見，分布式電源普遍存在功率間歇性波動大和一次調頻響應慢等特點，給配電網的穩(wěn)定控制帶來挑戰(zhàn)。因此，需要引入電池儲能系統(tǒng)，利用其快速充放電能力平滑分布式電源波動，維持電網頻率穩(wěn)定，提升供電可靠性。

2 基于分布式電源的配電網電池儲能控制系統(tǒng)設計

2.1 智能調度算法設計

為實現分布式電源和電池儲能的協調優(yōu)化調度，文章設計一種基于模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）的智能調度算法。該算法以滾動優(yōu)化的方式，在每個調度周期內求解一個多時間尺度的優(yōu)化問題，目標函數包括經濟性、安全性和環(huán)保性等多個方面[2]。其中，經濟性目標考慮電池儲能的充放電成本和效率，以及分布式電源的發(fā)電成本；安全性目標考慮電網的頻率和電壓偏差，以及線路潮流限制；環(huán)保性目標考慮分布式電源的碳排放強度。在約束條件中，考慮電池儲能的充電狀態(tài)（State of Charge，SoC）限制、充放電功率限制以及分布式電源的爬坡率限制等。優(yōu)化模型可表示為

式中：Pt為各個電源和儲能在時刻t的出力；C為發(fā)電和儲能成本函數；Δft和ΔVt分別為t時刻頻率和電壓偏差；E為碳排放函數；λ1、λ2、λ3為權重系數；T為時間序列，表示優(yōu)化問題考慮的一段時間范圍內各個時刻。

求解式（1），可以得到未來T個時刻的最優(yōu)出力計劃，并將第一個時刻的控制量作為當前時刻的控制指令下發(fā)給各個分布式電源和電池儲能單元，從而實現滾動優(yōu)化的智能調度。

2.2 數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)建設

為精準執(zhí)行智能調度算法，需要建設一套完善的數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分層分布式架構，主要包括現場層、站控層及調度層共3 個層次[3]?，F場層主要由智能電表、量測單元（Phasor Measurement Unit，PMU）、微型氣象站等設備組成，負責采集分布式電源的實時發(fā)電功率、電池儲能的SoC、節(jié)點的電壓以及節(jié)點的頻率等數據，并通過工業(yè)以太網或光纖將數據上傳至站控層。站控層采用基于高級精簡指令集計算機機器（Advanced Reduced Instruction Set Computer Machines，ARM）Cortex-A9 的嵌入式平臺，運行實時操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS），對現場層數據進行濾波、轉換及預處理，并通過IEC 61850 協議將數據上傳至調度層。調度層采用基于x86 架構的工業(yè)服務器，運行高性能實時數據庫（Real-Time Database，RTDB）和監(jiān)控系統(tǒng)，負責存儲、展示和分析海量運行數據，并為智能調度算法提供數據支撐。其中，RTDB 采用內存數據庫技術，支持毫秒級的數據讀寫，其數據模型可表示為

式中：x(t)為t時刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量；PDG(t)和PESS(t)分別為分布式電源和電池儲能的實時功率；V(t)和f(t)分別為節(jié)點電壓和頻率。

監(jiān)控系統(tǒng)采用瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構，支持跨平臺訪問，提供了豐富的數據可視化和分析功能，如趨勢曲線、報警日志、統(tǒng)計報表等，有效提升了系統(tǒng)的可觀性和可控性。

2.3 安全性與穩(wěn)定性考慮

分布式電源和電池儲能接入配電網，可能導致電網的電壓、頻率等指標超限，引發(fā)安全穩(wěn)定問題。為此，文章在智能調度算法中引入電壓穩(wěn)定裕度（Voltage Stability Margin，VSM）和頻率穩(wěn)定裕度（Frequency Stability Margin，FSM）等指標，并以此為約束條件，確保系統(tǒng)在調度過程中始終滿足安全穩(wěn)定要求。其中，VSM 表示電壓崩潰點與當前工作點之間的距離，可通過連續(xù)潮流方程和分岔理論計算得到；FSM 表示系統(tǒng)頻率響應的阻尼比和超調量，可通過求解擺動方程得到。為應對電網故障等突發(fā)事件，提升系統(tǒng)的健壯性，文章還設計了基于自適應動態(tài)規(guī)劃（Adaptive Dynamic Programming，ADP）的應急控制策略。該策略通過在線學習系統(tǒng)的動態(tài)特性，自適應調整控制器參數，使其在面對不確定擾動時仍能快速收斂至最優(yōu)控制策略，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。其數學模型可表示為

式中：c(t)和u(t)分別為系統(tǒng)狀態(tài)向量和控制向量；Q和R為加權矩陣。

式（3）的目標是最小化系統(tǒng)狀態(tài)變量和控制變量的加權平方和，使得系統(tǒng)在最短時間內回到穩(wěn)態(tài)，同時控制量不會過大，避免對系統(tǒng)造成二次沖擊。通過求解該最優(yōu)控制問題，可以得到一個最優(yōu)反饋控制律，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

2.4 通信與互聯互通

為實現分布式電源、電池儲能與配電網之間的信息交互和協同控制，需要構建一個高可靠、低時延、多業(yè)務的通信網絡[4-5]。文章采用基于IEC 61850 標準的智能變電站通信架構，利用通用面向對象變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）和采樣值（Sampled Value，SV）等高速報文，實時傳輸保護、測控、調度等業(yè)務。同時，為提高通信網絡的健壯性和可擴展性，引入基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）的動態(tài)組網技術。該技術將網絡控制平面與數據平面分離，通過集中式控制器靈活調度和優(yōu)化網絡資源，提高網絡的利用率和適應性，其核心是一個最優(yōu)化問題，可表示為

式中：xij為節(jié)點i到節(jié)點j的流量；cij為鏈路（i，j）的單位傳輸代價；N為網絡節(jié)點數。

該問題的目標是最小化網絡傳輸的總代價，同時需要滿足流量守恒和鏈路容量等約束條件。求解該問題可以得到最優(yōu)的流量分配方案，實現網絡資源的高效利用。此外，為實現不同廠商設備間的互聯互通，需要遵循IEC 61970/61968 等標準，構建一個統(tǒng)一的信息模型和數據交換模型，無縫集成設備、系統(tǒng)、應用間?；谝陨贤ㄐ偶軜嫼图夹g，可以構建一個高效、可靠、靈活的配電網通信網絡，為智能調度系統(tǒng)的實現提供堅實的基礎。

3 仿真驗證與實驗結果分析

3.1 實驗平臺搭建與實驗設計

為驗證所設計的基于分布式電源的配電網電池儲能控制系統(tǒng)的可行性和有效性，搭建一個硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop，HIL）實驗平臺。該平臺由一臺實時數字仿真器（Real Time Digital Simulator，RTDS）、一臺工控機、若干智能電表以及保護裝置組成。其中，RTDS 采用RSCAD 軟件，可以實時模擬分布式電源、電池儲能、配電網等設備的動態(tài)特性，并通過模擬/數字轉換接口與外部設備進行實時交互。工控機采用了基于x86 架構的嵌入式平臺，安裝了Linux 操作系統(tǒng)和自主開發(fā)的智能調度軟件，可以通過Modbus 傳輸控制協議（Modbus-Transmission Control Protocol，Modbus-TCP）與RTDS 進行數據通信，實現協調控制分布式電源和電池儲能。智能電表和保護裝置采用符合IEC 61850 標準的智能終端，可以通過GOOSE報文與RTDS實時交換狀態(tài)量和控制量。在實驗設計中，針對典型的工況，如分布式電源波動、負荷突變、通信中斷等，設計一系列測試案例，并全面評估系統(tǒng)的控制性能、通信時延、故障響應等指標，驗證所提出的控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。

3.2 仿真結果分析

在搭建的硬件在環(huán)實驗平臺上，針對不同的典型工況，開展了一系列的仿真測試實驗。分布式光伏電源的主要參數設置，如表1 所示。在實驗過程中，通過改變日照強度和溫度等參數，模擬光伏發(fā)電的波動特性。同時，電池儲能系統(tǒng)的額定容量為1 MW·h，額定功率為500 kW，充放電效率為95%，SoC 上下限分別為90%和10%。電池儲能在不同工況下的充放電功率和SoC 變化情況，如表2 所示。由表2 可知，所設計的智能調度算法能夠根據光伏發(fā)電和負荷需求的變化，及時調整電池儲能的充放電功率，有效平滑光伏發(fā)電的波動，維持了負荷側的功率平衡。在光伏發(fā)電出力驟降時，電池儲能能夠快速響應，及時補償功率缺口，避免負荷側的功率中斷。而在光伏發(fā)電出力過剩時，電池儲能則能夠及時吸收多余功率，避免電能的浪費。同時，電池儲能的SoC 始終保持在合理范圍內，避免發(fā)生過充過放等問題。此外，在通信中斷等故障情況下，所設計的控制系統(tǒng)也表現出較強的健壯性和自恢復能力，能夠在通信恢復后快速收斂至最優(yōu)運行狀態(tài)。仿真結果表明，所設計的基于分布式電源的配電網電池儲能控制系統(tǒng)能夠有效增強配電網的可再生能源消納能力，提升供電質量，具有良好的工程應用前景。

表1 光伏電源參數設置

表2 電池儲能充放電功率和SoC 變化情況

4 結 論

文章針對配電網中分布式電源和電池儲能的協調控制問題，提出一種基于模型預測控制的智能調度策略。通過構建精確的系統(tǒng)模型和優(yōu)化目標函數，實現分布式電源和電池儲能的最優(yōu)調度，提升配電網的經濟性、安全性及可靠性。同時，搭建硬件在環(huán)仿真平臺，對所提出的控制策略進行全面的性能測試和驗證，為工程應用奠定基礎。