面向低压配变台区的微电网技术

寇凌峰，熊 雄，侯小刚，牛 耕，屈小云，陈 凡

（1中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601）

在我国能源政策和电力电子技术进步的推动下，大规模分布式电源和电力电子装置迅速涌入配电网，对配电网的潮流分布、电能质量、继电保护和可靠性产生了重大影响[1-4]。大量分散、间歇性、随机性的分布式电源接入电网，可能会危害系统正常运行和降低电网运行经济性，产生如潮流倒送、电压越限、短路电流过大和网络损耗增加等问题，极大地增加了电网复杂性和管控难度，对电网的规划、装备、调控等带来巨大挑战[5]。因而，如何在配电网中合理规划分布式电源将是新的研究命题，不同类型分布式电源的协调和有效地利用将是未来配电网规划中不可或缺的组成部分。文献[6]从规划角度出发，提出了一种分散型分布式光伏集群划分方法，为解决大规模分布式光伏集群优化管控奠定了基础。文献[7-8]在并网优化规划、灵活并网装备、优化调度、仿真测试、工程实践等方面进行了深入广泛地研究，为分布式可再生能源规划建设提供了系统性解决方案。

对于高渗透率分布式光伏带来的电能质量、电网损耗、谐波治理和分布式电源效益低等问题，目前主要的应对策略是配置储能电站、电能质量治理装置和配电网建设与改造等手段，取得了一定成效，但存在投资成本高、设备利用率低、整体效益低等难题。在众多解决方案中，构建微电网/微网群的形式进行统一管控，是保证大量光伏有序接入、有序消纳的有效途径。目前世界范围内已有很多用微电网来解决大规模分布式电源无序接入带来负面影响的案例[9-10]。

本文以台区供电区域内的各类传统负荷、包含蓄冷蓄热和电动汽车在内的可控负荷、分布式光伏为基础，配置一定容量的储能设备，构成微电网，实现配电低压台区内“网-源-荷-储”的灵活互动、协调控制和能量优化，满足分布式光伏的就地高效消纳、负荷的友好互动。

1 台区微电网设计

根据中华人民共和国国家标准《微电网接入电力系统技术规定》（GB/T 33589—2017）[11]要求，常规微电网需要满足源荷储平衡，满足离网运行2小时的要求，微电网建设投入偏高。台区微电网定位主要为电网和用户服务，目的是统筹低压各类负荷和分布式电源，对于离网运行时间没有过高要求。台区微电网物理构成与常规微电网基本相同，以低压配电台区为单位进行建设，在台区低压380 V馈线进行并网，聚合台区低压侧的负荷（刚性负荷和电动汽车等）、分布式电源（分布式光伏和小型风机）、小型储能装置、蓄冷蓄热单元等。

1.1 台区微电网功能架构

台区微电网的功能主要根据台区管理的实际需求进行配置，一般主要分为基本功能和扩展功能，基本功能包括电能质量监测、台区低压用户监测、低压出线监测、低压拓扑管理、双向信息即插即用等，扩展功能包括电动汽车模块、无功电压安全、源荷储控制、负荷控制、分布式电源监测等。微电网与各个单元之间的通信可以采用宽带载波、RS485、无线、Lora等。见图1。

1.2 台区微电网控制目标及系统架构

图1 低压配变台区微电网架构Fig.1 Microgrid architecture of low voltage distribution transformer station area

从控制目标来看，台区微电网与常规微电网差异较大，控制目标主要分为三层：微电网自治控制；微电网间协调控制；微电网与电网协调控制。台区微电网自治控制主要利用储能、蓄冷、蓄热、电动汽车等可控单元，通过协调控制最大程度保证台区内功率平衡，实现自治控制；微电网间协调控制主要通过台区间协调互济，提升配电网对分布式电源消纳能力；微电网与电网协调控制主要通过台区-主网两级联合调度，实现“源-网-荷-储”协同，实现系统多目标优化。常规微电网侧重于微电网自治控制，台区微电网侧重于后两者，重点解决台区侧存在的问题，如提升台区分布式电源消纳能力、供电电压质量和设备利用效率等。

从控制系统架构来看，台区微电网的控制系统主要分为三层：单元层、台区层、配电网层，单元层包括可控单元和测控终端，接受台区层控制指令，执行可控单元就地控制和信息量测；台区层接受配电网层优化策略，下发单元层控制指令；配电网层主要接受电网调度制定，下发优化调度策略。见图2、见图3。

2 低压配变台区微电网控制模式

2.1 基于两阶段优化的自治消纳控制

台区内通过配置储能或混合储能系统，基于时域或频域的平抑算法，可最大程度平滑分布式光伏并网输出功率的波动性，减小台区微电网与主网交换功率的大小和波动性，实现台区内分布式电源的最大化消纳，实现台区内功率自治控制。本文构建了基于两阶段优化的台区微电网协调控制架构，包含短期优化控制和超短期优化控制两部分。短期优化调度阶段以微电网运行成本最小为优化目标，超短期优化调度阶段以可调度单元出力偏差最小为优化目标。

2.1.1 目标函数

短期优化调度阶段以1 h为时间间隔，以系统运行成本最小为优化目标，给出未来4 h时段的调度计划值。短期优化调度目标函数定义如下

式中，m为短期优化滚动系数；ΔT为短期优化时间间隔；MΔT为短期优化滚动周期；为t时刻储能设备运行成本；为t时刻光伏发电运行成本；为t时刻水力发电运行成本；为t时刻微电网并网交互成本；为t时刻柔性负荷运行总成本。

（1）储能设备运行总成本

式中，AESS、BESS为储能系统运维成本系数；为t时刻能量型储能的存储/发出功率。

（2）水力发电运行成本

式中，AHE、BHE为水力发电系统运维成本系数；为t时刻的水电出力。

（3）光伏发电运行成本

式中，APV、BPV为柔性负荷运维成本系数；为t时刻的被控制柔性负的有功功率。

（4）微电网从配电网购电成本

式中，ρtgril为t时刻微电网并网交互电价；为t时刻的主网联络线功率。

（5）柔性负荷调度成本

图2 低压配变台区微电网功能架构Fig.2 Functional architecture of low voltage distribution and transformer microgrid

图3 系统控制架构Fig.3 System control architecture

式中，ACL、BCL为柔性负荷运维成本系数；为t时刻的被控制柔性负的有功功率。

2.1.2 超短期优化调度目标函数

超短期优化调度阶段以储能出力调整量最小为目标函数，以短期优化调度阶段的滚动预测值为输入变量，以微电网中储能实际出力为初始值，每15 min优化一次，对未来1 h进行滚动求解。

超短期优化调度目标函数定义如下

式中，n为短时间尺度滚动系数；Δt为短时间尺度时间间隔；NΔt为短时间尺度滚动周期；PESS为预测未来nΔt时刻的储能有功出力集合；为nΔt时刻储能有功出力集合参考值。

对于预测未来nΔt时刻的储能有功出力，分别具体为

式中，为nΔt时刻储能有功出力集合初始值；ΔPESS为预测未来nΔt时刻的储能有功出力集合变化量。

2.1.3 约束条件

对于含高渗透率分布式电源的台区微电网协调调度模型，其约束条件主要包括支路潮流约束、节点电压约束、支路电流约束、分布式电源无功出力约束、储能充放电约束、水力发电约束、柔性负荷约束[12]。

2.2 功率协调控制

在配电网内构建多个微电网，台区微电网间可以通过广域对等互联和自治消纳控制主要实现两个方面的功能，一方面对内可最大程度适应大规模光伏接入配电系统的动态特性；另一方面对外可实现更多辅助服务功能，以微电网群的方式参与系统优化。台区间集群调控系统作为台区调控系统的延伸，即在原有控制架构上叠加一层台区集群调控层。

台区微电网群间有功-无功协调的实时调度的目的是要考虑有功-无功耦合和可再生能源的不确定性，给出有功出力决策，实时控制各台区微电网和直接管控设备的有功功率，同时为无功电压控制留下余量，保证系统安全。构建目标函数如下

目标函数为最小化成本，包括发电成本和控制成本，Ci(PGi)是每个发电机的发电成本，R(Qi)代表电压控制成本。

2.3 协同优化控制

配电网因主网发生故障失去电压频率支撑后，通过孤岛划分，各子区域由台区微电网作vf节点来支撑子区域电压。构建目标函数如下

输配协同无功电压控制模型以输电网和配电网的总网络损耗最小为目标，目标函数如式(10)所示

式中，上角标(.)t代表输电网的变量，上角标(.)d,k代表第k个配电网的变量，PGi代表节点i处的发电机有功注入，PDi代表节点i处的有功负荷，集合I代表节点索引集合，集合DIST代表配电网索引集合。

3 算例验证

考虑到目前低压台区接线方式，台区微电网主要为单母线辐射状，采用典型农村台区算例模型结构和设备参数分别如图4和表1所示。光伏发电系统以最大功率点跟踪模式运行，通过光伏逆变器将电能传递到0.38 kV交流母线；水力发电系统作为可控电源通过变流器接入到交流母线；储能系统通过双向储能逆变器接入到交流母线，既可吸收电能又能发出电能。同时整个台区微电网系统通过交流母线与配电网连接，无论是从配电网吸收电能还是外送电能到配电网，其主网联络线阻抗会消耗一部分能量。

以成本最低为目标进行短期预测，同时在滚动周期内，加入电压偏差最小目标进行超短期优化校正。考虑到各可调设备，分布式电源，负荷的特性，在滚动优化阶段，选取周期时间为1小时，时间窗口长度为4小时。经过短期优化和超短期反馈矫正后，台区微电网分布式电源出力，各可调设备与总负荷预测数据曲线。

图5和6分别为滚动优化下的可调度单元有功出力和无功出力曲线。储能充电状态主要集中在白天光伏出力高峰时段，包括可平移负荷也大部分平移至该时段，以最大化消纳光伏能源。储能放电状态主要集中在夜晚负荷高峰时段，包括小水电出力也集中在这一时段，降低电网损耗，如图7所示。图8为PCC电压滚动值与反馈值曲线。在光伏出力高峰时段和负荷高峰时段，分别出现了PCC电压偏离的情况，偏差均控制在5%以内，实现了局部电网的电压自平衡。加入实时反馈后，母线电压明显稳定在380 V额定电压附近，达到了超短期优化校正的效果，提高了供电系统的可靠性。

表1 可调度单元调节参数Table1 Schedulable unit adjustment parameters

图4 台区微电网结构图Fig.4 Microgrid structural diagram of station area

图9和图10分别为微电网运行成本和分布式能源利用率曲线。从图中可以看出，微电网在各个时段的运行成本均有所降低，并且分布式能源的利用率有大幅提升，尤其是在光伏出力的高峰时段。仿真结果可以看出，采用基于短期与超短期模型预测控制相结合的台区微电网协调控制策略，在降低系统运营成本的同时，能有效提高微电网公共连接点电压合格率及分布式能源的消纳水平。

图5 台区微电网可调度单元有功出力Fig.5 Active power output of dispatchable unit in microgrid

图6 台区微电网可调度单元无功出力Fig.6 Reactive power output of dispatchable units in microgrid

图7 台区微电网联络线净有功功率Fig.7 Net active power of tie line in microgrid

图8 优化前后微电网母线电压Fig.8 Bus voltage of microgrid before and after optimization

图9 优化前后微电网运行成本Fig.9 Operation cost of microgrid before and after optimization

图10 优化前后微电网分布式能源利用率Fig.10 Distributed energy efficiency of microgrid before and after optimization

4 结 论

针对大规模分布式电源接入配电网带来的功率倒送、电能质量和供电可靠性等问题，提出了在低压配变台区构建微电网的技术方案，提出了台区微电网的技术架构、控制目标和控制架构，通过仿真计算分析了两阶段控制模型对于提升分布式电源消纳能力的效果，取得的主要结论如下。

（1）提出构建台区微电网，通过有效聚合台区内的源荷储资源，进一步有效提升分布式电源消纳能力。

（2）提出了台区微电网的三种控制目标，给出了不同控制模式的目标函数，实现微电网自治控制、微电网间协调控制、微电网与主网协调互动等目标。

（3）提出了针对台区微电网的两阶段优化的协调调控模型，通过仿真计算，台区微电网可以有效提升供电质量、降低电网损耗、提升分布式电源消纳能力。