学术︱基于模型预测控制的主动配电网电压控制
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”，并设“智能制造与电工装备行业的转型升级”“智能开关设备的关键技术与最新发展”两个分论坛。
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清华大学电机与应用电子技术系、北京电力技术经济研究院的研究人员蔡宇、林今等，在2015年第23期《电工技术学报》上撰文，为解决主动配电网中分布式可再生能源和储能系统造成的电压波动影响，基于模型预测控制理论提出了主动配电网电压调节控制策略，充分利用主动配电网中分布式电源、储能系统和有载调压变压器，实现采用最小控制成本的控制方案进行电压控制。
该控制方案基于模型预测控制采用多步滚动优化，使得电压控制过程更为灵活平滑，控制模型求解采用二次规划。通过IEEE33节点辐射状配电网系统算例分析，证明了所提电压控制策略的可行性和有效性。
近年来随着新能源和分布式发电技术的快速发展，分布式电源（Distribution Generation，DG）在主动配电网中的发展既带来了机遇又带来了新的挑战[1,2]。由于分布式新能源的间歇性引起主动配电网中时常出现过电压或低电压等问题，使得配电网用电用户电能质量受到负面影响[3]。
针对配电网电压控制问题通常调节有载调压变压器（On Load Tap Changer, OLTC）或投切电容器实现电压控制。但是这些控制措施都具有离散性，不能灵活的进行电压调节，若增加如SVG等调压措施又给配电网带来较大的经济负担。为此，本文基于主动配电网现有的分布式电源、储能、OLTC等，研究了一种适合主动配电网的电压控制策略，既可灵活的实现电压调节，又能延缓配电网工程建设的投资。
文献[4-8]研究了DG接入后主动配电网中的电压问题。文献[4]对DG接入配电网后对电压的影响进行了全面分析，研究表明所接入DG的类型、出力、位置及负荷水平等均对配电网系统电压水平有直接影响。文献[5]定性分析了基于线性负荷指数不同负荷模型的辐射状配电网电压稳定问题。
文献[6]从电网电压降落角度研究了光伏发电接入配电网后的电压问题，并提出了包括电抗器补偿、线路中央控制与逆变器无功控制结合和安装储能装置等控制措施。文献[7]使用储能装置来实现配电网电压调节，提出一种基于多种低碳技术的电压控制策略。
文献[8]提出一种以控制变量变化最小为目标的日内调节DG出力的控制策略，并保证电压满足日前给定运行范围。
随着模型预测控制理论的发展，基于多步滚动优化模型的预测控制在许多工程问题中得到应用。模型预测控制作为研究新能源接入后系统潮流控制的一种研究方法得到广泛的重视。如文献[9-11]将模型预测控制理论应用于电力系统研究了输电网长期电压稳定控制问题。文献[12]基于模型预测控制理论对含DG配电网的能量管理系统进行了研究。
本文针对主动配电网的电压问题，基于模型预测控制理论提出了一种电压控制策略。该控制策略充分利用了主动配电网中分布式电源、有载调压变压器和储能系统，以实现灵活有效的电压控制。该控制策略以控制成本最小为目标，考虑储能使用寿命，保证母线电压运行在正常运行范围内。
图1 模型预测控制原理图
结论
本文针对配电网电压波动问题，基于模型预测控制提出了一种主动配电网电压控制策略。该策略中利用灵敏度矩阵建立了配电网电压和储能充放电状态的预测模型，基于多步滚动优化平滑地实现了配电网母线电压调节。
控制策略中采用预测步长内逐渐缩紧和增加松弛变量处理约束条件，避免了无可行解情况的出现。通过算例分析，证明了该控制器能对配网中低电压、过电压和外网故障引起的电压问题进行有效的调节。