智能电网环境下分布式电源的协调控制与优化算法研究

为了应对日益严重的能源危机和环境问题,电力工业的重心正在逐渐由集中式的化石能源发电向分布式新能源发电转移。高渗透率新能源接入电网已被公认为未来智能电网的重要特征之一。然而,由于太阳能、风能等新能源发电出力具有随机性与波动性,且无法提供电力系统稳定运行所需的转动惯量,故不具备"电网友好型能源"的特征。这极大程度上限制了电网接纳新能源的能力,同时也为电力系统调度、运行与控制带来了严峻的挑战。本文主要以具有大量新能源机组接入的配电网和微电网为研究对象,通过对分布式电源(Distributed Generator,DG)出力进行主动控制,将其纳入整个电力系统运行与控制的框架内,并且提供电网运行所需的辅助服务,从而提高新能源发电的"电网友好,,特性。主要完成的工作可以概括为以下三个部分:第一,在独立新能源机组分散式控制方面,提出了基于牛顿二次插值法和扰动观察法的光伏发电系统(PhotovoItaic System,PV)有功功率控制方法,以应对系统内部储能容量不足,无法提供系统所需辅助服务的场合。当给定的光伏参考输出功率小于其实时最大可用功率时,PV运行于恒定功率输出模式,且输出功率等于参考输出功率;否则,PV能够自适应地切换至最大功率输出模式。基于所提出的功率控制方法,PV能够通过灵活调节有功出力,提供系统稳定运行必须的频率支持:当系统中的扰动较小时,PV运行在频率下垂控制模式,缩小系统稳态运行时的频率偏差;当系统中的扰动较大时,PV运行于紧急控制模式,通过快速削减出力,抑制系统频率的暂态波动。基于微电网的时域仿真验证了该控制策略的有效性。第二,在多分布式电源协调控制方面,主要从集中式控制模式和分布式控制模式两个角度,研究了由多DG构成的虚拟发电厂控制方法。其控制目标为:新能源整体行为响应电网、内部分散自趋优。论文围绕这一问题,主要从以下三个方面进行了相关研究:1.针对集中控制模式,提出一种PV和可控负荷(Controllable Load,CL)协调控制方法,该方法利用PV出力可快速调节特性以及CL容量较大的特点,通过求解混合整数优化问题,确定各台PV的实时出力,以及各台CL的运行状态,从而实现协调控制系统总体输出功率的灵活可调,同时满足经济效益最大化。当微电网并网运行时,协调控制系统可以参与到电力系统的经济调度中;当微电网孤立运行时,协调控制系统可以提供维持系统稳定运行的辅助服务。最后,基于海岛微电网的仿真算例,验证了协调控制系统提供频率支撑的有效性。2.当受控对象数量较多时,采用集中式控制模式的经济成本较高,难以满足实时控制的要求和DG "即插即用"的需要。为此,基于智能家庭中发电单元(包含屋顶PV和CL)构成的虚拟发电厂,提出一种分布式的发电容量估计和功率控制方法。各发电单元通过与邻近的其他单元进行局部通信,可以实现虚拟发电厂出力的总体出力调度以及其内部各发电单元出力的公平分配。该方法仅要求少数发电单元已知总体出力调度命令,且通信拓扑满足强连通要求。基于IEEE34节点馈线系统,验证了该控制策略在不同运行工况下的有效性。3.分布式控制虽然能够满足多新能源机组协调控制的需要,但是由于其安全等级通常较低,容易受到网络攻击的侵害而无法实现既定的控制目标。为此,提出一种可抵御网络攻击的多DG协同控制策略。这种策略不仅能够实现与上述方法相类似的控制目标,而且可以抵御各类非共谋的网络攻击以及通信中断。其基本思路为:各受控对象通过观测系统监视与其通信的受控对象,当检测到状态异常时,则逐渐将可疑对象从网络控制系统隔离。这样一来,其余正常受控对象仍然能够实现既定的控制目标。基于IEEE 34节点馈线系统,验证了该控制策略抵御不同类型网络攻击的有效性。第三,在智能电网最优控制方面,提出一种分布式的实时最优潮流控制策略。与传统电力系统分层控制效果依赖于负荷预测的精度不同,所提出的控制策略基于分布式通信与测量,实时闭环调整电网中各个可控发电单元的有功出力,使得电网稳定运行时,系统频率偏差收敛至0,且各发电单元的有功出力满足最优潮流解,从而实现电力系统分层控制(包括一次控制、二次控制和三次控制)的功能一体化。基于由IEEE34节点配电系统孤立运行得到的微电网和IEEE 10机39节点大电网的算例分析验证了所提出方法的有效性与准确性。