隨著化石能源的日益枯竭，風電、光伏發電等可再生能源、儲能系統、電動汽車等新技術逐漸得到人們的重視。但它們在併網時會產生不可避免的換流損耗，而直流配電網在降低新能源換流成本、提高其能量利用率等方而具有較為明顯的優勢，且通過對換流器運行指令的合理有效設計，可以實現直流配電網的安全、經濟、高效運行。首先介紹了直流配電網的特點與優勢，並對其系統結構進行了簡要說明；然後對直流配電網能量最佳化管理技術以及基於最佳化指令的換流接口協調控制技術的最新研究進展進行了綜述；最後討論了仍有待進一步改進和完善的相關研究方向。
基本介紹
- 中文名：直流配電網能量最佳化控制技術
- 外文名：Energy Optimization Control Technologyof DC Distribution Network
- 學科：電氣工程
- 領域：能源利用
- 特點：考慮分散式電源
- 功能：提高能源利用率、系統可靠性
背景,直流配電網系統結構,直流配電網能量最佳化管理,直流配電網潮流計算,系統能量最佳化策略,最佳化指令協調控制,潮流控制,控制器仿真建模,結語,
背景
21世紀以來，隨著電力電子技術瓶頸的不斷突破，柔性直流系統在公共配電領域以其固有的“直流”優勢逐漸引起了國內外眾多專家與學者的重視。Uregory F. Reed等學者通過一系列的文獻調研與仿真研究，指出直流配電系統是包含中壓配電網和用戶側配電網的公共配電網路，其中中壓直流配電網作為高壓輸電網與低壓配電網間的重要銜接環節，具有廣闊的套用前景。由於新能源發電、儲能系統和電動汽車等技術主要以直流作為本地電能載體，因此發展直流配電技術並利用其對於分散式新能源和儲能系統的良好兼容性，可以有效地減少換流站的建設成本與換流過程中的能量損耗曰，進而促進能源的合理、經濟利用。隨著新能源滲透率的日漸提升，可以預見，直流配電網在減少傳統發電對環境的影響等方而將有顯著效果。
從目前用電負荷的發展來看，隨著信息化時代的到來，與計算機相關的數據中心、計算中心、網路中心等直流負荷的廣泛套用己經成為這個時代的標誌，有研究統計了美國目前的樓宇用電情況，指出全美樓宇總用電量的30%在供上述設備使用前要經換流設備轉換為直流，並且該比重在未來的10-15年內將達到8000。由此，當考慮換流過程的電能損耗以及換流設備的購置成本與空間價值時，直流配電網在降低負荷用電成本方而具有明顯的經濟與效率優勢。
就直流系統線路本身的送電性能方而考慮，由於交流系統在電能傳輸時其無功功率存在自然損耗，而有功功率則會在電纜金屬護套中產生渦流，因此在相同電壓等級、電流密度條件下，直流系統單位長度的線損僅為交流系統的1500-5000，而當採用雙極直流系統送電時，其容量可達到交流系統的1. 5倍。此外，對由鋰電池、超級電容器組成的多類型儲能系統以及光伏發電等特殊單元進行了仿真研究，指出包含上述單元的直流系統可以為用戶提供高質量的電能，是未來電能質量研究的重要方向。除上述特性外，通過對“San Francisco Bay”直流工程的研究，直流系統因其相較於交流的弱電磁場環境，在對人口和工業密集的城市進行電能配電這方而具有明顯的優勢，為直流配電網的發展提供了工程經驗的支持。
近年來，國內外越來越多的研究關注於中壓直流配電網的未來發展，但針對直流配電系統的能量最佳化管理和基於最佳化指令的換流接口協調控制等相關技術的研究仍有待進一步深入研究。
直流配電網系統結構
通過對未來中壓直流配電網的併網電源與負荷進行了討論和展望，直流配電系統的設計應考慮可再生能源發電、儲能設備套用、智慧型電網接入等新技術的融合，並且充分利用直流系統高水平電能質量的供電優勢，以適應不同技術條件下的負荷用電需求。因此，綜合上述直流系統的特點與優勢可知，直流配電網在未來發展中將作為“嵌入式”網路為配電網內負荷密度較大區域或重要、敏感負荷提供電能，其系統能量結構如圖1所示。該系統在併網運行時以交(直)流輸電網經換流(變壓)接口後的直流輸出作為配電網主要電源，可以通過多個換流接口與其他交流配電網進行能量互動，有包括風電、光伏發電等可再生新能源和柴油發電機、燃料電池等可控型分散式電源以及儲能系統、電動汽車充(換)電站等電能存儲單元接入，同時考慮交(直)流敏感負荷和用戶側低壓直流配電網等用電負荷的併網運行川。當輸電網或其所接換流站發生短時故障而導致配電網系統脫網運行時，為保證重要負荷供電的連續可靠，直流配電網將對系統內部的分散式電源及儲能單元進行能量最佳化管理，增大電能輸出並切除部分負荷及配電網互聯接口，以使系統具有一定的故障穿越能力。
圖1 中壓直流配電網結構
基於圖1所示的系統結構，有研究對20 kV中壓直流配電系統進行了簡化和初步仿真研究，展示了基於中性點鉗位5電平交流一直流換流器的直流系統運行輸出波形。在此基礎上對電動汽車充電行為進行了仿真建模研究，在系統中加入儲能單元，驗證了直流配電系統對於電動汽車充電具有更高的效率。但是上述研究在控制指令確立時沒有考慮系統的建設、運行維護等經濟成本，因此其實際套用價值仍有待進一步的驗證;並且仿真系統中的負荷模型較為簡單，對於配電網負荷靈活多變的用電行為和併網單元間電能質量的互動影響等問題有待更為深入的研究。
此外，實際的中壓直流配電網作為連線高壓與低壓直流系統的中間網路，應具有多個電壓等級少，以滿足不同電源的接入和負荷的用電需求。因此，針對多電壓等級直流配電網建立電壓等級序列及評價體系，為實現系統能量的最佳化管理，從直流配電網新能源接納能力、送電容量、供電距離(半徑)和電氣絕緣保護等可靠性方而以及新能源能量有效利用、方便其滲透率提升及減少運行控制中電力電子裝備成本代價等經濟性方而綜合評估和建立多電壓等級運行標準}。在多電壓等級配電網拓撲的基礎上，針對系統運行潮流及配電網電源、負荷的運行特點建立數學模型，根據系統不同運行狀態制定系統能量最佳化管理策略，設計合理算法以得到各併網單元的能量最佳化控制指令；在得到系統能量最佳化控制指令後，開展系統併網單元及各個換流器間的協調控制研究，建立系統運行的電磁暫態仿真模型，將是直流配電網未來發展的重要研究方向。
直流配電網能量最佳化管理
由於公共直流配電網運行狀態多變且功能結構複雜，除多端直流系統潮流和併網接口換流約束外，在併網單元建模時還需從系統的角度考慮可再生能源的不確定性出力、儲能系統的充放電行為以及負荷的隨機性用電需求等運行約束，因此如何在滿足系統安全可靠運行的條件下，設計合理的系統能量管理策略及調度算法，最佳化各個接入單元的運行狀態與控制指令，實現有限資源的高效、可靠利用，是直流配電網能量最佳化管理研究有待解決的核心技術難題。
直流配電網潮流計算
總結國內外研究成果可知，考慮換流過程的多端直流系統潮流計算研究主要存在以下3個問題：①平衡節點選擇；②潮流方程求解；③系統換流過程等效計算。其中換流過程的等效計算作為直流配電網潮流求解中一項特殊的重要步驟，是該問題的研究難點。
由現有工程經驗可知，輸電系統相較於分散式電源具有更大的容量和更好的穩定性，因此仍將是未來直流配電網的主要電能來源。而輸電網的上述特點可以滿足平衡節點保持母線電壓恆定和靈活輸出功率以補償系統能量缺額的要求，因此輸電網側換流輸出將是平衡節點的首要選擇即。但就目前的工程套用而言，出於經濟、安全以及建設周期等考慮，現階段普遍採用輸電網電能經多個換流接口注入直流系統的方式少，此時相應換流站動態回響特性和備用容量就成為平衡節點選擇的重要考量依據。
對於系統潮流方程求解，由於系統中光伏、風電等分散式電源以及儲能設備的存在，使得直流配電網具有潮流雙向流動的發展需要。目前，交替求解法與統一求解法是解決多端柔性直流系統潮流計算問題的2種較為成熟的方法，前者可以有效地兼容己有的交流計算軟體，因此相比於後者在算法複雜度和計算資源占用等方而具有一定的優勢;而後者相比於前者則在程式擴展性和計算收斂性等方而具有較為明顯的優勢。基於交替求解法提出了典型的多端柔性直流系統潮流計算模型和數學求解方法，該模型可以同時滿足多個直流系統與交流系統的能量互動，且直流網路拓撲結構不受限制，故對於直流配電網的潮流計算研究將起到較好的借鑑作用。
在換流損耗方而，換流損耗在數學模型上可由常量與變數兩部分表示:前者可以等效為直流配電線路上的並聯阻抗所造成的有功損耗，在形成節點導納矩陣時給予修正，而後者與交流側電流平方成正比，可等效為交流側換流變壓器的阻抗增量。該方法在直流配電網併網運行時可以較為準確地計算換流過程的能量損耗，但在直流平衡節點處由於系統互動功率未知且損耗計算方式複雜，故將大大增加潮流程式的計算量，因此有待進一步改進和驗證。
系統能量最佳化策略
現階段，直流系統能量最佳化管理策略中的算法模型主要由約束條件和最佳化目標兩部分組成。前者要求管理策略在不同的運行條件下都能保證系統的穩定與安全，並滿足併網單元和重要設備的安全可靠運行要求;而後者則要求在滿足約束條件的前提下，針對問題特點對目標進行數學模型描述，並選擇有效的解決手段以實現系統預定的目標最最佳化計算。
（1）系統能量平衡策略
如前所述，鑒於直流配電網在併網和脫網2種運行狀態下由不同的電源、負荷組成，所以該系統在不同能量平衡關係下應具有不同的運行約束及經濟最佳化模式;此外，由於直流配電系統中的可再生能源受自然條件影響其出力具有不確定性，並且電動汽車併網和負荷用電也具有隨機性，故系統能量平衡狀態將存在較為嚴重的波動，這一波動在危害系統電能質量和運行安全的同時，也相應增加了硬體設備的性能要求和建設成本。因此，如何合理有效地平抑系統能量平衡狀態的波動，建立不同能量平衡關係下的系統能量管理策略是直流配電網能量最佳化管理研究的首要問題。在系統能量平衡狀態波動平抑方而，鑒於光伏發電與風電存在自然的互補優勢，有研究在目標函式中引入能量波動懲罰因子，實現風電、光伏發電出力最大化和可再生能源聯合出力波動最小化目標的兼顧最佳化;但是，該方法在日前層完成系統能量波動平抑調度，而對於系統運行的實際干擾和突發情況無法做出反應，因此，其波動抑制的實際效果有待進一步驗證，可考慮與實時平抑方法相結合。基於模型預測控制技術提出風電場功率波動平抑最佳化控制算法，以較少的儲能容量實現了系統的實時經濟最優控制。但是，該算法的預測時長僅為10 s，在該時段內風電波動較小，故其最佳化作用不明顯。因此，如何在滿足系統實時控制要求的前提下，對最佳化細節做適當取捨並利用有限的計算資源實現較長時段的滾動最佳化，以增強算法的最佳化效果是一個值得改進的研究問題。
當系統能量關係改變時，有研究指出直流母線電壓穩定是系統能量平衡和穩定運行的重要前提，因此提出了考慮系統電壓穩定的直流系統能量最佳化管理策略。該策略利用儲能電池充放電運行對3種系統能量平衡關係下的直流系統進行最佳化控制，並提出了在脫網重負荷或持續脫網情況下考慮母線電壓穩定閡值的負荷切除策略，最大限度減少負荷的切除量並滿足重要負荷持續可靠安全用電要求。但是該模型沒有考慮儲能設備充放電損耗，因此其最佳化結果的經濟性有待進一步驗證。出於系統運行成本的考慮，針對系統脫網運行狀態，考慮系統容量備用、負荷斷電和儲能設備充放電狀態等多種運行約束，計及儲能系統充放電損耗成本並引入棄風懲罰因子和負荷斷電補償因子以總運行成本最小為目標，建立系統能量最佳化管理策略;對比了相同額定容量下，電池儲能系統和電動汽車換電站在作為系統儲能裝置時的系統功率平衡效果，證明了後者在可再生能源接納能力和系統經濟性提升等方而具有明顯的優勢。但是該研究模型沒有考慮儲能設備的容量成本，其“滿充滿放”管理機制使得儲能設備的利用率較低，並且對於最佳化過程中的儲能容量選取缺少科學有效的論證，因此有待進一步完善。
（2）多時間尺度能量管理
由於能量最佳化管理問題同時包含了分散式電源機組組合、儲能系統運行計畫和系統能量實時管理等諸多方而，因此僅考慮系統單一時間尺度下的不同能量平衡關係仍較難保證其經濟性最優運行。因此，近年來基於多時間尺度的系統能量最佳化管理研究受到越來越多的關注。從現有研究結果不難發現，多時間尺度系統能量最佳化管理問題主要包括日前計畫、實時調度2個階段。
在日前計畫階段，可再生能源發電預測和系統負荷預測是2項尤為重要的研究內容，直接關係到系統發電成本、電源備用容量和儲能系統運行計畫等經濟指標，習。目前較為成熟的預測方法可大致分為功率曲線預測和建模預測2類;而後者因其對實際變化的快速回響能力在近年來得到更多的關注與套用，其建模類型主要包括以下3種，即物理建模、信息統計建模和學習型建模。
有文獻基於日前預測所得數據，提出多時間尺度能量最佳化管理策略，利用調度中心指令最佳化與本地控制最佳化相結合的方法，有效地解決了日前計畫與實時功率平衡的協調最佳化問題;該模型考慮了儲能電池充放電損耗的經濟性，將儲能電池每天一次充放循環作為最佳化目標，以期提高電池使用壽命，降低系統運行維護成本。然而，該模型對儲能充放電深度的設定缺少科學論證，並且模型中經預測所得結果與實際系統運行狀態必然存在一定的誤差，因此相應修正策略將會增加程式的計算壓力和複雜程度。鑒於此，有研究提出一種基於系統數據及電力市場信息的實時最佳化控制策略，以電動汽車作為儲能單元參與系統的功率平衡與控制。針對電動汽車運營策略，提出一種計及充電費用和電池損耗的充放電盈利模式。該策略可以根據系統實時電價等信息得出當前系統的最優決策，對缺少歷史運行數據的新系統具有良好的適應性，並且對系統實時調度層的電動汽車管理策略有較好的借鑑作用。但是由於經濟模型中的“放電回報係數”很大程度上決定了電動汽車的積極性以及配電網的經濟收益，所以如何對該參數進行合理選取將是該運營策略成功的關鍵，有待進一步研究。
在系統不同能量平衡關係的多時間尺度最佳化研究方而，有研究針對併網、脫網2種運行狀態提出具有日前計畫和實時調度雙層最佳化結構的多時間尺度能量管理策略;通過計算日前層儲能備用容量以補償日前計畫中可再生能源發電和負荷用電的預測誤差，並且在併網和脫網不同情況下採用不同最佳化目標，從而實現系統能量最佳化管理。但是該算法僅根據可再生能源的預測容量確定日前層儲能備用，勢必將造成儲能資源的浪費，因此如何根據系統實時運行情況對儲能備用進行短時最佳化調整以減少儲能容量需求是一個值得進一步研究的問題。此外，由於該策略中調度層指令間隔是分鐘級，無法滿足系統波動平抑要求，因此在現有基礎上添加更短時間尺度下的系統能量波動平抑控制層，實現3層協調最佳化是本研究值得進一步深入的方向。
最佳化指令協調控制
直流配電網能量最佳化與控制技術是一個系統層而的控制問題，其能量最佳化計算結果作為上層調度指令下達至下層的換流控制器。因此，如何在系統能量最佳化控制的框架下，根據上層最佳化指令，克服實際運行時的突發乾擾和系統併網負荷及可再生能源的用電、出力波動，實現下層換流器之間的協調穩定快速回響，是直流配電網能量最佳化控制研究中的又一重要內容。
有研究對多饋入直流系統的協調控制層次結構進行了討論，並對基本協調控制的實現方式進行了介紹。也有文獻在艦船中壓直流配電系統中考慮系統出現故障後潮流變化對其餘工作設備的衝擊和危害，提出電壓敏感特性算法，以最佳化換流器電壓和功率指令值。在母線電壓穩定控制方而，根據網路規模及系統通信條件的不同，目前換流接口間的基本協調控制模式主要包括電壓下垂控制和主從控制2種。
國內外研究結果表明，協調控制中電壓下垂特性的實現可以從程式控制和控制器仿真建模2個層而進行考慮。前者在潮流計算過程中引入下垂參考值，而後者則在控制器中引入獨立的指令修正環節或是帶有下垂等效電阻的反饋環節以協調控制多個換流器，從而滿足系統能量需求。
潮流控制
有文獻對基於電壓下垂協調控制的多個換流站所組成的直流系統進行了潮流研究;考慮部分換流站故障情況下的協調運行，在交替求解法的框架下對潮流算法進行了理論模型的分析和改進，模型引入下垂參考量後，可以線上設定系統換流站的電壓下垂指令值，以達到更多電源參與系統功率平衡調節的目的。但該模型沒有考慮換流器的實際容量限制，認為換流器的電壓下垂控制曲線始終保持線性，該假設在母線電壓波動較大時會造成系統換流站的越限運行，故其模擬結果可信度低，不能對實際問題有良好的指導作用。此外，雖考慮了換流損耗，但在換流過程中該模型將換流回響延遲、通信時間延遲以及換流誤差等問題理想化，不考慮母線上的電壓偏差，因此對於換流回響的實現，還有待進一步的完善。針對上述穩定問題，
控制器仿真建模
在控制器仿真建模方而，有文獻考慮了換流器的通信延遲、直流母線能量損耗、換流損耗以及反饋信息選取對於換流站電壓控制和功率輸出的影響，得到了預想的換流電壓和功率輸出回響波形。但該模型仍存在電壓跌落越限的問題，當實際系統受到較大擾動或者負荷增加過大時將導致系統電壓跌落超過允許範圍，因此仍有待進一步解決。
當配電系統通信條件有限時，調度指令與換流站實際運行狀態間存在較大延時，此時在本地控制器層而引入下垂協調控制具有較為明顯的優勢，可以自動滿足通信滯後期間系統的功率平衡需求。並且，由於下垂係數的取值對協調控制效果具有很大的影響.〕，因此在程式設計層而最佳化選取下垂控制參數具有一定的研究意義。
結語
直流配電網的能量最佳化控制是一個有待解決的複雜問題。從現有文獻可知，直流配電網的特殊性除直流潮流約束外，主要體現在換流器的使用、控制方而，其輸出約束、損耗計算和調節裕量等問題需要在研究中加以特殊考慮。與此同時，雖然直流配電網的系統能量最佳化管理策略存在特殊性，但仍可借鑑交流系統中較為成熟的最佳化模型和最佳化方法，並考慮上述特殊性對其進行改進和驗證，以適應直流配電網的運行特點和技術要求。對國內外關於直流配電網能量最佳化控制問題的研究進展和重要研究成果進行了綜述，提出如下的研究方向以供參考。
1)直流配電網能量最佳化管理策略研究。研究多時間尺度直流配電網能量最佳化策略，考慮可再生能源出力、電動汽車充放電等行為的隨機性與波動性，綜合利用儲能系統對直流配電網能量進行最佳化;研究引入直流配電系統後對原有交流配電網的影響，考慮分散式電源出力與負荷用電的不確定性，對交直流系統隨機潮流進行研究;並在此基礎上建立系統網損、儲能充放電損耗等用電成本經濟模型，對系統能量進行最佳化管理。
2)直流配電網實時控制方法研究。研究可再生能源發電、儲能系統和電動汽車充電站等特殊單元併網對直流配電系統暫態運行的影響，改進多換流接口間的直流側電壓穩定協調控制方法;此外，最佳化下垂特性參數，兼顧其功率調節性能與系統的穩定，也是直流配電系統實時控制研究中的一項重要內容。
3)穩態分析與暫態仿真相結合的系統分析研究。結合系統能量最佳化管理策略和實時控制方法，建立穩態分析與暫態仿真的平台接口，將最佳化結果作為暫態仿真中的控制指令，將仿真結果作為穩態分析中的系統狀態，對直流配電系統進行分析，實現實時仿真最佳化。
可以預見，直流配電系統的建立必將大大提高配電系統的能量利用效率，最大程度地實現資源的合理利用，並且降低對環境的影響，從而最佳化配電網能量結構，進而從根本上改變目前電力市場的經濟運行模式。
