自然基金申请正文部分.doc

（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）： 1. 项目的立项依据1.1 项目的研究意义当前世界各国在解决经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的共同必然选择是提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源的利用。同时以光伏发电、风力发电、生物质能发电和燃料电池发电等可再生能源发电为代表的分布式供能技术，不仅是解决能源短缺与环境污染的最佳手段，同时其与大电网超高压远距离输电互补，更被国内外专家公认为是节省投资、降低能耗、提高电力系统安全性与灵活性的重要有效途径1。在以安全、经济和高效地利用可再生能源发电为目标的研究和应用过程中，分布式电源(DG, Distribution Generations)接入配电网运行模式的发展经历了如下几个主要阶段：最初采用的是相对小型的发电装置分散布置于用户现场或附近的供能方式。这种方式充分利用了分布式电源位置灵活分散的特点，适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输配电网升级换代所需的巨额投资，同时其与大电网互为备用也极大提高了供电可靠性。但这种接入方式本身也存在诸多问题，例如单机接入成本高、控制困难等。同时某些分布式电源功率输出存在较大波动，对电网而言是一个不可控源，系统往往采取限制或隔离的方式来应对其接入，以期减小其对电网的冲击。例如IEEE1547中规定2：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，这将极大限制分布式能源的充分利用。因此，为协调大电网与分布式能源效能之间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户带来的价值和效益，在本世纪初，又出现了微电网(MG, Micro-grid)的概念3,4。微电网是一个由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷以及监控自动保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能实现自我控制、保护和管理的自治系统。它既可与外部电网并网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。微电网在协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益等方面具有优势，将在全世界未来电网的发展中发挥极其重要的作用，也是目前国内外公认的研究和发展趋势5。但从当前国内对微电网研究和应用的情况来看，无论是在技术、经济还是在管理与市场层面，微电网的发展都遇到了一定的瓶颈和阻碍，其未来发展呈现出很大程度的不确定性，主要表现在：目前对微电网研究的重点集中于微电网内部各分布式电源的控制策略、各分布式电源之间的协调控制以及微电网并网/孤岛运行控制等方面，而电网运行管理部门最为关注的是微电网并网运行时对系统造成的冲击和影响。尽管单一微电网与系统的功率交换相对系统供电容量很小，但在微电网渗透率逐步提高和数量不断增多的情况下，这种冲击和影响将无法忽略。同时微电网均为独立自治控制，目前尚无有效的措施来协调微电网之间的运行以缓解和消除对电网运行的影响，电网运行管理部门出于对系统安全稳定运行的忧虑，对微电网的并网运行呈现出消极甚至是抵制的情绪。此外，微电网的经济效益评估和量化是微电网吸引力的最直接表达，目前虽已有对热电联产效益及可靠性量化指标等进行评估，但至今尚无有效方法将微电网对用户、电力部门及社会的效益全面量化。同时微电网在实施过程中一定程度上仍受到地理条件的限制，需要采用就近原则来形成用户群，尚不能最大程度发挥分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，这种经济效益的不确定性和受限使得来自各方对微电网发展的推动力出现了停滞不前的状况。此外，微电网的发展使得电网、微电网所有者和用户之间形成了新型的关系，尽管微电网的形成与发展绝不是对传统集中式、大规模电网的革命与挑战，而是代表电力行业服务意识、能源利用意识和环保意识的一种改变与提高，但在相应用电和供电管理体系、电力市场机制和管理政策与法规均尚未建立的情况下，微电网的发展还存在很多管理和政策上的阻碍。正是认识到上述微电网发展中存在的问题，为了更加安全、经济和高效地完善分布式发电在经济和生态方面的影响，近年来又建立了所谓的“虚拟发电厂(VPP, Virtual Power Plants)”的概念。虚拟发电厂是由能量管理系统监控的小型和超小型分布式发电机组、可控负荷以及储能装置的集合。其主要目的是虚拟电厂的拥有者和操作者可通过分布式能源管理系统来获得技术、经济和生态方面的益处6。相比较微电网和虚拟发电厂而言，两者都可看作是分布式电源、可控负荷以及储能装置的集合，但也存在一些非常重要的区别。一般而言，微电网范围内的各种设备具有地理上的集中性，各分布式电源之间可实现协调控制，并通过统一的接口接入电网运行。而虚拟发电厂是一个更加宽泛的概念，它可以实现分散于电网中不同节点的各种不同电源的协调运行。微电网可以与电网政策性地交换电能，更加关注技术和整个电网运行的平衡，目的在于减少对输电和高压配电设备的需求；而虚拟发电厂可直接在批发市场中交易其分布式电源，更加关注经济效益，目的在于交易电能或提供系统支持服务。本人及课题组通过前期研究发现，若从技术角度出发，虚拟发电厂较微电网的概念有两个重要的提升：一方面虚拟发电厂的形成是以建立一个电能管理系统控制中心以及介于分布式电源与该中心直接的双向通信网络为前提。这种具有控制中心和通信网络的方式使得协调地理位置分散的各分布式电源的运行成为可能，将极大缓解并最终消除来自电网安全稳定运行的忧虑。另外，微电网中的各分布式电源最终是通过一个物理接口接入电网运行，而虚拟发电厂的各分布式电源可通过不同的物理接口接入，其所拥有的丰富操作模式和可用性的分布式电源，将消除微电网中的地理位置就近的限制，为最大限度发挥分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益提供了重要保障，使得经济效益能更加明确并进一步提高。因此本人认为从技术经济层面而言，虚拟发电厂将是实现分布式电源接入电网运行的更合理更高级的阶段，将是下一步研究的重点和热点。同时从配电网的角度出发，微电网整体可被看作是一个分布式电源，可作为一个独立单元加入至虚拟发电厂。因此本人扩展上述虚拟发电厂的概念，将包括微电网这样一种特殊分布式电源的虚拟发电厂定义为广义虚拟发电厂。这种更具一般性的定义使得对分布式电源接入配电网的研究不仅能以最新的虚拟发电厂概念为基础，同时能充分利用现有对微电网的各种研究成果，具有较好的前瞻性和现实意义。在广义虚拟发电厂的理念下，未来配电网的相关研究领域将非常广泛而丰富，本人拟以前期相关研究成果为基础，在本项目中以进行广义虚拟发电厂运行模式下配电网的电压分散协调优化控制为重点研究内容，前瞻性地开展配电网电压协调控制体系的研究、电网稳态特性和静态电压稳定性的研究、电压分散协调控制优化方法的研究，对于从配电网电压调节和控制这个重要角度来确保未来高渗透率分布式电源接入时配电网的安全、稳定和经济运行具有重要理论和应用价值，能为后续陆续开展诸如可靠性、电能质量控制等研究提供必要的基础和依据，对于提升我国在分布式能源领域的研究应用水平，引领未来相关标准的制订，实现我国能源可持续发展战略均具有重大现实意义。1.2 国内外研究现状从研究并实现基于广义虚拟发电厂模式的配电网电压分散协调优化控制的技术层面而言，主要将涉及到分布式电源和微电源的稳态模型研究、含多个电源点配电网的功率和电压分布计算、静态电压稳定性分析、分散协调控制理论及其在电力系统电压控制中的应用等诸多领域的问题。国内外学者们在近30年里对上述问题开展了广泛而深入的研究，在研究方法和工程应用领域都取得了不少成果。下面就将国内外对上述领域相关的研究情况，紧密围绕广义虚拟发电厂的理念以及配电网电压协调优化控制分为以下几类进行重点回顾和介绍。1.2.1 虚拟发电厂概念及其相关研究随着可再生能源和清洁能源发电技术的不断进步，电力系统将逐步由单一自上而下的结构发展为双向能量流动的智能型系统。集中发电、远距离输电、高耗能的大型互联网络系统将逐渐被提供双向电力服务、优质电能质量和兼容各类可再生能源的智能电网所替代。在智能电网中，为了实现分布式电源的整合与控制，近年来学者们提出了虚拟发电厂的概念，即通过分布式电力管理系统将配电网中分布式电源、可控负荷和储能系统合并作为一个特别的电厂参与电网运行，从而很好地协调智能电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。虚拟发电厂概念的提出，使得分布式电源大范围投入电网运行成为可能.目前关于虚拟发电厂的相关研究尚处于起步阶段，不同的文献提到了关于虚拟发电厂的不同定义。文献7将虚拟发电厂定义为一种由多个连接至低压配电网络的热电联产微单元的集会。而在文献8中，虚拟发电厂被定义为一个不同类型的可能分散在中压配电网不同节点的分布式电源的集合。文献9,10中虚拟发电厂被定义为负荷技术和动态异质性的实体。在欧洲的Fenix项目中，虚拟发电厂是能够使他们可以连接至配电网的不同节点的大量拥有各种操作模式和可用性的技术的集合11,12。根据这个定义，虚拟发电厂是对分布式电源投资组合的一种灵活表述，可以用来在批发市场形成合同和为系统操作员提供服务。文献13指出，要实现虚拟发电厂的概念和运行模式，为了达到其技术、经济和生态效益，至少需要以下的一些条件：电力管理系统，用于监视、计划和优化分散电力机组的操作；负荷预测系统，可以进行很短时间和短时间内的负荷预测；可再生能源机组的发电预测，用于根据天气等因素预测风力发电和光伏发电等的发电量；电力数据管理系统，用来收集和保存优化和预测中所需的数据，如发电量、负荷的情况和用户需求的合约数据；强大的前端平台，用于由分散机组的电力管理系统内部的通信等。在虚拟发电厂的管理体系和相关理论研究方面，文献13提出了将现有分布式电源整合至电力系统的虚拟发电厂框架，分别给出了基于技术与商业层面的虚拟发电厂运行方案，并利用最优潮流算法加以实现。同时按照虚拟发电厂结构和相关的信息指示方式的不同，提出了其可能具有的三种基本控制方式：集中控制、分散控制和完全分散控制，并指出完全分散控制的VPP应该是更适应于在市场中投入运行的模式。文献14研究了以小型热电联产机组和风电场为核心而建立的虚拟发电厂，提出了一种在线协调方案，通过控制虚拟发电厂从实质上降低了风力发电的失衡容量与费用，分别达到73%和38%。该文中还将一个完全分散控制的虚拟发电站视作是分布式发电成功迈向全面运营的基础。文献15提出了以面向服务架构的虚拟发电厂的执行软件框架。文献16介绍了欧洲虚拟发电厂Fenix项目，通过智能接口将分布式能源接入到大型虚拟电厂，并开发出了相应的配电管理系统和能量管理系统。目前，虚拟发电厂的工程应用试点也已经开始。在欧洲，虚拟发电厂的提出成为了应对各类分布式电源控制问题的解决方案，在一些地区大规模的虚拟发电厂作为实验项目已经开始运行。例如在英国渥金，虚拟电厂理念已经付诸实践；在西班牙阿拉瓦省，虚拟电厂项目已经于2009年9月正式启动。该项目也是欧盟第六框架计划下2005-2009年之间完成的Fenix项目的一部分。项目进行过程中，Fenix项目团队利用当地可再生能源发电产生的实时数据，研究如何将可再生能源电力重新打包进入虚拟电厂。德国多特蒙德市的EUS有限公司和乌纳市水电公司一起合作设计出了一个分散的能量发生器的联网方案，它是由五个热发电站以及风力发电站和光电压发电站组成。目的在于将它们连接成所谓的“虚拟发电厂”并进行中央控制，利用一个运行计划可以在电量需求大时将热发电站启动，发出的电可以在自由的电市场上得到销售。整体来讲，虚拟发电厂研究和应用仍处于起步阶段，尤其在应用方面，因为通信系统的缺乏，现有的建设也主要是基于大型电力机组。未来随着通信手段的更简单和更便宜，通过使用小型热电联产机组，虚拟电厂将可以包含有几百个发电机组。目前，虚拟发电厂的控制方式一直是研究中的重点与难点。首先，虚拟电厂的特殊结构造成运用数学模型进行最优化计算上的困难，研究过程中对模型的简化可能会产生电力系统无法实现的最优化结果。此外，最优化中的余量只有在此优化方法在所定的时间段中能确定解决方案时才能使用。同时由于虚拟发电厂必须提供一个分散机组在线控制的自动化方式，例如补偿不平衡电能，目前尚没有操作者能实时监测并修正方案。综上所述，在虚拟发电厂的研究和应用领域中存在大量亟待解决的理论、技术、管理和工程实践方面的问题。本项目拟在不对研究结果的正确性和有效性产生原理性影响的情况下，忽略目前尚无研究定论的诸如管理体制和政策法规的限制，同时以诸如通信体系和能量管理系统等技术条件完全具备研究的要求为前提，重点开展利用虚拟发电厂的运行模式进行配电网电压的协调优化控制的理论和方法研究。1.2.2分布式电源、微电网的稳态模型及配电网潮流计算 分布式电源和微电网的相关理论研究和工程应用是当前可再生能源领域的研究重点和热点，研究成果很多。本项目将结合研究的需要，重点集中于对分布式电源、微电网的模型和配电网潮流计算研究现状的分析。 目前研究较多和较常规的分布式电源主要有风力发电、燃料电池、光伏发电和燃气轮机等，也包含储能装置。从研究对电网影响的角度，一般根据其容量和并网形式进行划分，根据容量可划分为小型(1MW)17。根据其并网方式可划分为直接与系统相联（机电式）和通过逆变器与系统相联两大类18。前者又可划分为异步发电机接口，如小型风力发电；同步发电机接口，如小型燃气轮机、地热发电和水电等。而逆变器型DG通常指的是发出直流电的DG，如光伏发电、燃料电池及各种电能存储技术。分布式电源和微电网的稳态模型研究中，主要是根据其工作原理，得出其有功功率和无功功率相对于接入点电压和其它控制变量的函数关系。并且根据所得的函数关系来决定其在潮流计算中所代表的节点类型。与传统配电网中单向的负荷潮流方向不同，为满足分布式发电及负荷优化的要求，智能电网中的潮流已不再是简单的单向流动，而有可能是双向且时变的，因此需要对配电网络的潮流分布进行重新分析计算19。在含多个DG的配电网潮流计算问题中，目前国内外学者将该课题从DG的出力可控与否划分为两个方向：概率性潮流计算20和确定性潮流计算21。文献22,23分析了负荷分布影响潮流的3种情况：分布式电源的接入没有改变潮流的方向；分布式电源的引入有可能会使线路潮流产生逆流，导致出现双向潮流；如果所有分布式电源的发电总量小于两倍的负荷总量，那么分布式电源的影响与第二种情况相同，否则将使配电网的功率损耗增加。并指出一些传统的配电网潮流计算方法由于不能处理分布式电源的影响将失效。鉴于分布式发电的引入会造成配电网潮流的复杂变化，国内外学者纷纷针对此问题进行了研究，并取得了一些研究成果。文献24基于分布式发电的随机和波动性，提出了随机潮流算法，对接入分布式电源的配电侧，通过采用基于半不量法的随机潮流算法，运用概率统计方法处理系统中的随机变化因素，给出系统运行电压、支路潮流等概率分布情况，深刻揭示系统运行状况，从而为系统安全运行决策、配电网电压影响提供完整信息。文献25从DG与电网互联的3种常见接口形式的角度，研究并建立了异步发电机、无励磁调节能力的同步发电机和燃料电池等几种典型DG在潮流计算中的数学模型，提出了基于灵敏度补偿的配电网潮流计算方法。文献26以一个接有太阳能光伏发电单元和风力发电系统的配电系统为例，提出一种基于多代理控制系统的、通过协调控制柴油机发电系统和储能电容器组的输出量来补偿光伏发电和风力发电系统的输出变化及负荷变化从而使线路上潮流不变的负荷跟踪控制方法。文献27-29分别提出了将风力发电机组视为PQ节点的模型；考虑风电场无功功率受节点电压影响等因素建立的风电场RX模型；充分考虑风力发电机的输出功率特性所建立的PZ和PV模型等。文献30依据分布式电源的不平衡电流建立了一种基于网络结构的分布式平衡母线模型，在用牛顿法进行配电网三相潮流计算中，引入了“参与因子”的概念。文中将分布式电源作为PV节点并用牛顿拉夫逊法求取其有功功率参与因数，并对含有不同数量分布式电源的配电系统潮流进行了计算比较。文献31将风力发电机组的有功出力视为风速的函数，将无功出力视为有功功率和节点电压的函数，建立了基于异步发电机等值电路的风力发电机组PQ稳态模型，实现了计及风力发电机组的配电网潮流计算。文献32研究了风电场电源并入配电系统后的系统潮流计算问题，针对应用比较广泛的直接并网感应发电机型风力发电系统，发展了配电系统三相潮流计算新方法，并在IEEE33母线系统上对改进的算法进行了仿真验证。文献33对包含异步发电机和太阳能电池的两种典型分布式电源的配电网进行了研究，在建立各自潮流计算数学模型的基础上，提出了计及两种分布式电源的交直流混合迭代潮流计算方法。文献34分析了不同类型的分布式电源结构及运行特性，给出了它们在配电网潮流计算中适用的模型。介绍了不同类型分布式电源的节点处理方法，文中将风电机组、光伏电池和燃料电池、微型燃气轮机分别处理为PQ节点、PQ节点、PV节点，实现了含4种分布式电源的配电网潮流计算，并对分布式电源并网特性进行了仿真分析。文献35在对灵敏度矩阵进行补偿的基础上，采用直接法对含多种分布式电源类型的配电网进行了潮流计算分析。文献36分析了几种常见分布式电源各自在潮流计算中的模型，在前推回代法的基础上，提出了注入无功补偿法以适应DG并入配电系统后的潮流计算。文献37详细分析了风力发电、光伏发电、燃料电池、蓄电池、热电联产等多种分布式电源在配网中潮流计算中的模型，在此基础上提出一种新的前后搜索潮流算法使其满足配电网三相不平衡电流及其辐射状的结构运行的特点，并通过典型配电网算例验证了算法的有效性和合理性。文献38基于前推回代法，提出了可处理PV或PQ节点模型的计及DG的三相不平衡潮流算法，利用支路分层方法加快了潮流计算的速度。文献39对一个辐射状配电网的关联阻抗矩阵进行了扩展，使之能够处理含分布式电源的三相不平衡潮流计算，在潮流计算中把分布式电源等效为PQ和PV节点，并对两种节点类型的分布式电源并网对配电网的影响进行了对比分析。文献40根据各种分布式电源的工作特点以及并网的方式，建立了在配电网潮流计算中各种分布式电源的数学模型，并基于前推回推潮流算法，发展了一种考虑分布式电源影响的针对辐射状配电网的三相不平衡潮流新算法。该方法简单、快捷，能把各种分布式电源单元作为PV或者PQ节点进行潮流计算。文献41提出了一种有功管理模式，基于该模式提出一种配电网多周期交流潮流优化，并用该方法进行分布式电源的最佳容量规划，实现了定节点电压控制，自适应调节功率因数和能源供给。最后在英国一个中等电压配电网上对提出的方法进行了验证。文献42提出一种新的不平衡辐射状配电网三相潮流计算方法，该方法基于回路阻抗法，以阻抗的形式进行直接迭代。在该潮流计算方法中应用到了图论和注入电流的技术，使得该算法具有快速高效、鲁棒性好的特点。文献43在建立凡种分布式电源潮流计算模型的基础上，提出了改进的前推回代算法用于配电网潮流计算。针对PV节点潮流计算过程中收敛困难的问题，利用改进的戴维南等值阻抗矩阵法，提出快速网络搜索法形成与PV节点相关，节点阻抗矩阵来修正PV节点注入的无功功率。综上所述，在计及分布式电源的配电网潮流计算方法方面，国内外学者已经做了很多工作，并取得了丰硕的成果。但是目前所用到的各种潮流计算方法并不是十分完善的，例如在计算配电网潮流应用比较广泛的前推回推法具有简单、灵活、方便等优点，但是在处理环状配电网潮流时，前推回推法存在着收敛困难的问题。而改进的牛顿法虽然具有二阶收敛性能，可方便地应用于配电系统的状态估计等优点，但是它本身也存在计算量较大，且要求潮流方程可导等缺点。在本项目拟直接应用目前相关研究成果来实现潮流计算，将结果作为其他研究内容的基础和依据。1.2.3 分布式电源、微电网接入对配电网电压影响的研究目前针对该问题的研究主要从分布式电源、微电网接入运行后对系统电压产生不利的影响和利用DG和微电网的接入提高配电网的供电电压质量两个方面开展。前者主要集中于诸如电压管理、电压跌落、电压不平衡、电压闪变和电压骤升等，后者包括电压支持、提高电压稳定性及减小功率损失等44,45。目前在分布式电源对配电网电压影响研究较多的是分布式电源类型、容量、接入位置以及与系统其它设备之间的配合的系统的影响程度分析，并在研究结果的基础上对上述因素进行控制和优化。文献36分析了在DG类型不同、是否参与电压调节、控制策略不同、线路参数不同等条件下DG抑制电压暂降的能力。文献45研究了DG的容量对配电网的电压闪变和电压跌落的影响，分析了不同容量的DG对不同类型的配电网的电压闪变和电压跌落的影响，结果显示DG容量不同，对配电网的电压闪变和电压跌落会产生的影响也不同。文献46针对分布式电源接入配电网的特点建立了电压暂降分析模型，并通过仿真分析了同步发电机和逆变器在不同条件下抑制电压暂将的能力。研究结果总结了分布式电源类型和控制策略、系统网络参数以及扰动源与监测点之间的电气距离都会对电压暂降产生一定的影响。但是文献没有对异步发电机抑制电压暂降的能力进行分析。文献47评估了分布式电源并网带来的电能质量问题和传统电网电能质量问题的区别。文献48主要对风电并网造成的电压波动和闪变进行了讨论。文献49,50对比讨论了逆变器和同步电机分别并网的分布式电源对配电网电压质量的影响，指出逆变器分布式电源在改善电压质量方面有更好的优势。上述文献的分析，大多从时域仿真的角度考虑。文献51分析了分布式电源加入配电网对其电压跌落的影响并提出了电压跌落引起的失电损失分摊的新方法，在传统的损失分摊基础上考虑了分布式电源的影响，但其研究中假设故障为永久性故障，没有考虑到瞬时故障对电压暂态的影响。文献52提出利用短路比和刚性率来评估分布式电源对配网供电电压质量影响的方法，具体分析旋转型分布式电源和逆变型分布式电源对系统供电电压的不同影响。但其重点关注了分布式电源并网的控制方式，而对其位置和容量没有具体分析。文献53针对分布式电源接入后对系统电压所造成的影响，提出一种利用灵敏度分析的方法，运用这种方法找出了系统电压的支撑点和薄弱点，并认为从电压支撑点接入分布式电源对系统电压影响效果最好。文献54针对开式配电网，运用潮流程序对分布式电源接入后电压分布进行了计算。研究了分布式电源接入放射状链式配电网络前后负荷节点电压的变化。但其中没有涉及到分布式电源的功率因数以及之后电压越限后的调压措施。文献55分析了DG的接入对配网的电压调节器以及电压分布有不利的影响，随着接入DG容量的增加，这种不利影响将更加严重，因此提出了DG需要与配网的电压控制设备建立通讯，通过两者的协调配合来减小DG对配网造成的不利影响。文献56运用潮流程序进行了多个DG接入辐射性配电网络前后负荷节点电压的变化，提出了专门评价节点电压前后变化的指标，得出DG的出力以及位置变化会对节点电压产生不同程度的影响。文献57指出DG、微电网对电网的影响除了与其自身的位置，容量有关系以外，还和电网的参数以及DG、微电网与系统设备的配合有很大的关联，电网中电压控制方式、电网的短路电流以及X/R比率不同时，DG、微电网的接入对电网的影响也不尽相同。文献58介绍了DG接入配电网会导致电网电压的快速变化,并且计算电压改变因子ku的变化范围，分析了DG同步过程中的电压/频率和相角偏移、PCC点的短路容量Sk和电网电压相角yk以及发电机/变压器参数的变化对ku的影响。文献59分析了当三相配电网中接入单相DG时连接相的电压分布状况以及由于中性点的转移，其它两相的电压将会受到影响同时系统电压将变得不平衡。DG的存在也会对微电网内部的电压质量产生影响，文献60提出DG接入配电网后，其引入的电容、非线性阻抗，改变了电网的参数，也改变了电网发生过电压的条件61。在特定条件下，如配网中发生故障、开关动作、雷击等都可能会激发过电压。DG接入大电网运行后，还会因为开关脱落，断路器跳闸等事故与主网解列，由于DG可能还继续供电若干时间，形成一个孤岛电网。此时，孤岛电网中分布式电源本身存在的发电机电抗、变压器非线性电感和孤岛电网中的电容可能满足参数匹配条件，引发各种形式的谐振过电压62。DG的接入除了给系统带来不稳定因素以外，还可以提高系统的电压质量。文献63仿真分析了利用逆变器分布式电源并入低压配电网来改善电能质量。文献64针对含有DG的辐射状配电网络提出了一种无功功率和有功功率优化的方式来提高电压指标。以电压调整、电压稳定和减少网络损耗为目标，利用遗传算法对DG的容量和安装位置做出优化。文献65同时使用高渗透率的DG来抑制配电网中的电压跌落，通过采用不同的控制策略，在配电网电压跌落时利用DG注入的无功来提高跌落点的电压，使电压提升到可接受的范围。文献66指出DG的能量输送流动是导致电压质量问题的主要原因，而且在高阻抗X/R线路中，有功功率发生变化时，将会导致电压质量问题。通过调节基于逆变器结构的DG的注入功率可以提高电压质量问题。文献67,68研究了在不平衡配电网中DG的位置对系统电压分布的影响，通过优化DG的位置，提高电压分布、减小电压损失、增加电压稳定裕度。在三相不平衡系统中，DG、微电网的接入对电网也将产生积极或消极的影响，文献69研究了DG对微电网内部的电压质量的影响，包括电压波动、电压跌落、电压骤升、电压抬升、谐波共振等。通过对这些电压质量的特性的研究，得出微电网内部DG的存在有利于提高系统电压扰动的响应，旋转型DG可以减轻由负荷快速变化引起的电压波动、带有电压调整功能的逆变型DG也可以减轻电压波动。DG的接入不仅对配电网，对输电网也会产生影响，文献70简要分析了DG对配电网的有利影响，详细分析了DG的接入对径向运行的配电网可能造成的冲击及其成因，其中包括电压调节和损失、电压波动和闪变、DG所产生的谐波、DG对短路电流水平的影响、由DG的运行所产生的不可控的孤岛、为提高系统可靠性而有意形成的孤岛对配电网可靠性所造成的影响。文献71提出一种基于PI控制，利用变电站处潮流信息和DG所在母线的负荷信息调节可控的DG系统的输出量来补偿系统负荷波动，从而抑制系统电压波动。文献72提出可以在配电网中安装基于电力电子技术的电压补偿设备，如静止无功补偿器，通过SVC与配电网中现存的电压控制设备SVR的相互协调来抑制各种陡然变化的电压波动。该方法并没有利用较大容量的SVC完全替换已经安装在配电网上的SVR，而是选用容量较小的SVC与SVR协调控制，既弥补了由于SVR的时延性而不能迅速响应陡峭的电压波动的缺点，又具备很好的经济性，是一种比较实际可行的方法。文献73针对一组DG突然退出运行而造成系统电压波动的情况，提出可以通过投入经优化组合的电容器组来抑制系统电压的波动。除上述方法外，还可以利用输出量可控的DG系统（如燃料电池、汽轮机）补偿输出量不可控的DG系统（如风力发电、光伏系统）的输出量的波动及负荷的波动，从而抑制系统电压的波动。少量的小容量DG对电网的影响也可以忽略，但是大量的分布式电源接入到输配电网络中并网运行时会对电力系统的动态特性产生显著影响74,75。文献 76指出，DG的接入改变了配电网只是单纯从主网接收和消耗电能的方式，但在配电网中可能会出现暂态稳定问题。当这些分布式电源相对于配电网的容量足够大时，将视配电网为有源网络，从而使配电网的稳定性变得更为复杂：在配电网出现短路等大扰动时，配电网中的发电机将逐渐加速，若在短路故障切除后不能再同步，将会导致功角稳定性被破坏77。文献78概述了关于DG并网后对系统暂态稳定的影响。分析了目前为研究高渗透率DG的系统的暂态稳定所采用的动态模型的精度和有效性。文献79使用配电网静态电压稳定分析中的指标，分析了不同类型的DG以及在配电网中的不同安装位置对系统静态电压稳定性的影响。文献80研究了大规模的DG接入输电网时对输电网电压安全裕度(VSM)的影响，分析了大规模的DG接入容量和位置不同时，对输电网的电压安全裕度指标的影响。文献81研究了超导储能（SMES）装置对于电力系统暂态稳定性的影响以及储能装置的有功和无功功率响应过程，结果表明SMES能够快速输出或吸收功率，改善系统暂态稳定性，抑制系统振荡，并且储能装置应装设在系统故障时最先失稳的发电机母线处，可较好地提高系统暂态稳定性。文献82,83详细研究了高渗透率水平下，各种DG技术、网络结构和运行方式对系统功角稳定性、电压稳定性及频率稳定性的影响。另外，分布式发电系统中广泛使用的光伏发电、燃料电池等静止型电源具有很小的惯性时间常数，减少了系统中的旋转储能，在系统发生大扰动时需要和储能设备配合提供有效的功率支撑，和传统以旋转电机为主体的能量交换方式有本质区别84。在分析分布式发电系统稳定性算法的研究中，重点关注的是系统的慢动态过程，由于忽略电网内部快速电磁暂态过程，网络元件一般采用准稳态模型进行描述85，同时对电力电子器件忽略开关动态过程，也采用准稳态模型描述86。对于分布式发电系统稳定性建模与仿真，目前主要针对以下两种情况进行研究：第一种情况，分布式电源设备采用交流电机直接并入电网的稳定性仿真计算研究，以燃气轮机和风力发电系统最为普遍，这种稳定性仿真算法中动态元件的建模和网络的建模方法和原有输电系统暂态稳定性算法没有本质的区别，主要是网络电压等级和拓扑结构有所不同，比较适合于中高压配电系统接入分布式电源的稳定性仿真研究。第二种情况，分布式电源或者储能装置接入低压配电系统的稳定性仿真研究83,84。这种情况下，分布式电源和储能装置一般采用电力电子设备并入配电网络，电力电子设备的使用减少了系统中的旋转储能，同时光伏发电、燃料电池等静止型电源具有很小的惯性，在系统发生大扰动时无法提供有效的功率支撑，要配合储能元件共同维持系统的全局稳定性87。这与传统大电网主要依靠发电机和电动机的旋转备用储能来维持系统稳定性的方式截然不同。文献83探讨了电力电子设备接入之后系统的“零惯性”特征，以及电力电子装置与分布式电源、电网之间的交互影响过程。文献85着重探讨了逆变器主导型低压微网稳定性算法，“逆变器主导”的含义是指网络的主导动态过程由逆变器的控制系统决定，在这种情况下可以将逆变器视为一种特殊的发电机，其系统稳定性主要由并网逆变器的控制策略决定，如恒功率控制86、恒频恒压控制、下垂控制88等，由于仅仅对逆变器动态进行建模，系统刚性程度不高，因此文中采用显式交替求解算法进行仿真求解，若考虑将稳定性仿真算法扩展到分布式电源或者储能装置的动态建模，需要采用数值稳定性更高的数值计算方法。分布式发电系统结构特殊性导致了其稳定性计算方法需要解决新的问题，分布式发电系统网络模型的复杂性导致了动态元件和网络接口方法更加复杂，如果采用隐式算法，DAE系统的联立方程对应迭代雅克比矩阵求取异常困难。当所涉及的模型或函数具备较强的变结构或变参数特征时，将使仿真系统的开发工作大大复杂化。为了解决雅克比矩阵求解问题，众多学者提出了很多新方法，例如文献89采用自动微分法，可以直接给出函数对各变量的导数值，计算效率较高，但要求原函数能够分解为初等函数以及初等运算，当被仿真的系统结构发生显著变化时，形成雅克比矩阵的计算量大为增加；文献90,91提出了利用Krylov子空间方法中的通用最小留数法-GMRES方法研究电力系统暂态稳定性仿真算法中的线性方程组迭代求解问题，实质上是采用一种不精确牛顿法计算线性方程组的解，不需要显式求解系统的Jacobian矩阵，而是采用有限差分的方式实现Jacobian矩阵和向量乘积计算，但是对于矩阵需要进行预处理，才能提高迭代的收敛性能。此外在小扰动稳定性分析中，可以采用数值微分法求取雅克比矩阵92。综上所述，目前对分布式电源接入时对配电网电压的影响分析还缺乏严格的理论推导，很多研究仅从大量仿真计算来得出定性的结论。在应用传统电网稳定性分析方法和手段进行多分布式电源配电网电压稳定性分析时还存在较多尚未解决的问题，本项目将针对此问题开展重点研究。1.2.4分散协调控制理论及其在电力系统控制中的应用就本项目提出的基于广义虚拟发电厂的配电网电压分散协调优化控制的研究目标而言，其具有很高的复杂性，主要表现为：多变量耦合，分布式电源的功率特性与接入点电压密切相关，分布式电源和微电网的运行控制策略和参数也将影响功率输出和接入点电压。因此在研究中需要研究多影响因素之间的解耦分析方法的问题；多目标相关联，基于广义虚拟发电厂的运行模式，要求在不同的运行状况下，协调控制系统需要满足不同的优化目标。例如在满足配电网安全稳定运行情况下，同时需要提高虚拟发电厂的运行经济性；在进行电压调节的任务下，需要满足电压调节精确稳定的目标，同时确保配电网运行的安全性和经济性。这些优化目标的相互关联，在满足某一优化目标时，需要充分考虑其他目标的次优化问题；可控对象本质上的非线性和时变性，表现为不仅传统配电网自身的非线性和时变性，而且不同类型分布式电源、微电网的功率输出也呈现不同的非线性和时变性。因此必须考虑控制算法的自适应性以及鲁棒性；控制对象多时间跨度的延时性，主要表现为配电网传统电压控制手段自身具有不同的响应速度，而且逆变型和电机型接口的分布式电源的响应速度也存在明显的时间刻度差异。近几年来，在解决类似研究问题的研究中，分散递阶控制即分散协调控制越来越多的引起专家学者的重视，其分散协调的控制思想可以使电力系统的整体性能得到提高。其主要思想是在分散控制的基础上建立一个上层的动态协调控制器来帮助确定各子系统控制器的控制策略，或在分散控制中引入部分全局信号，构成分散递阶的控制结构，就可以将分散控制和集中控制的优点结合起来。例如文献93建立了一个两层的分布式控制结构，第一层每个发电机都有一个本地控制器进行分散控制，第二层由一个多变量的中心控制层进行协调控制。第二层的协调控制器使用来自所有发电机的广域信号合成解耦控制信号帮助提高本地控制器的性能。文献94细致地研究了电力系统中最优暂态稳定控制的解决方法和应用，并提出了一种利用分布控制策略的协作电力系统稳定器。文献95针对大规模电力系统暂态稳定问题提出了一种实用的反馈控制策略。整个设计分为两步：首先，设计了与每个子系统相关联的的独立的本地控制器用以修正系统间的互联。然后，基于这些互联变量和非线性条件设计了一个高层的分布式控制层。以上所有结果都表明基于广域信号的分布式分散协调控制对电力系统的动态稳定性的改善是一个非常可行、有效的控制策略。在实现协调控制的算法研究方面，主要分为基于最优思想的协调控制、基于无源系统稳定控制的鲁棒控制以及基于模糊神经网络的分散协调控制等。其中基于最优控制思想的控制又可分为线性和非线性分散协调控制。可选择控制结构的最优分散协调控制和关联测量分散协调控制96,97。文献98以全系统模型为基础设计各局部控制器，但对各局部控制器的控制结构加入了分散的约束。文献99采用线性最优原理实现发电机励磁调节器与直流系统之间的协调控制。文献100将最优分散协调控制与模糊智能控制相结合，利用模糊智能控制实现系统的二次协调，确定状态权矩阵，而最优分散协调控制完成系统的一次协调。最终使得整个系统的二次型的性能指标极小，实现系统动态最优目标。控制器参数优化、直接反馈线性化和微分几何方法以及最优变目标控制是基于最优思想的实现非线性分散协调控制的重要方法。文献101将各直流系统之间的协调问题归结为控制器结构已知，但有若干与各交流联络线的有功功率和各发电机的功角相关的未定参数可观优化的数学规划问题，并实现对这些参数的优化。文献102基于直接反馈线性化方法实现了单机无穷大系统三阶励磁系统的反馈线性化。文献103基于微分几何方法实现了多机系统励磁控制的分散化控制。基于无源系统稳定控制的鲁棒控制算法是当今基于模型的分散协调控制的另一重要分支104。其被用于降低控制策略对精确数学模型的依赖，在电力系统中的最典型应用是将子系统之间的关联当做扰动处理，通过设计鲁棒控制器来消除其影响，而并不以显式的方式对其进行考虑。文献105采用估计的状态和定义为一个虚拟状态的扰动来反映系统的非线性、不确定性和各子系统的外部动态的综合作用。文献106通过引入自适应非线性阻尼项来抑制系统非线性不确定参数和未知有界扰动的影响，分别设计了分散控制器。模糊神经控制是实现分散协调控制的另一重要思想。文献107基于区域内振荡暂态能量函数，以其下降为目标，通过削弱系统的振荡能量来提高交直流互联电力系统的动态稳定水平，设计了模糊协调阻尼控制器。在文献108中，线性时不变控制和模糊控制器应用T-S模糊模型理论表达被用于电力系统鲁棒控制，并通过一个线性矩阵不等式求解广义特征值问题从而得到相应的电力系统鲁棒控制器设计。但基于模糊理论等的智能控制必须要建立在电力系统的精确建模基础之上，且其训练数据样本不易之间从实际中获得，一般将其作为辅助控制手段与其他方法配合使用。以上研究成果为设计基于广义虚拟发电厂的配电网电压分散协调优化控制提供了重要的思想和实现方法。但一方面上述研究基本是针对大系统和大电网所进行，源自于大系统理论的理论研究和实际应用。而在广义虚拟发电厂背景下的分散协调控制涉及控制对象的数目较上述应用中的更多，同时个体特性对总体性能的影响不大，但多个个体相结合后又能对系统性能产生重要作用。这种特点的系统基本符合目前控制科学领域研究的网络化多智能体系统的特征。多智能体系统(multi-agent systems)与所熟知的大系统(large-seales ystems)有很多相同和不同的地方。相同之处在于，多智能体系统和大系统都是用来对复杂系统进行建模。通过设计协调控制器，一个多智能体系统可以形成一个稳定的大系统。但从系统控制的观点来看，多智能体系统又不同于大系统。传统的大系统理论主要关注的研究对象是具有高维数、结构复杂、强耦合特点的大系统，处理大系统的一个最基本的方法是分散控制，也就是说把一个系统分散成许多相对独立的子系统进行控制，只要系统整体可控且各子系统均可控，则可以通过局部状态反馈任意增大子系统的镇定性强度，而关联项在局部反馈下保持不变，这样系统就可以被分散镇定。这种控制方法的优点是针对性比较强，信息传递的效率很高，系统的适应性比较强。但同时也有很多缺点，比如说具有的信息不完整，整体协调比较困难等等，这种方法不利于发挥关联的作用。然而，在多智能体系统中，各个智能体工作在一个分散化的控制区域中，需要通过智能体之间的信息交流以及相互协调使之形成一个稳定的系统。因此，多智能体系统强调了智能体之间的相互协作与交流，关注的主要问题是如何在多个系统之间建立关联，并通过系统之间的关联和协调来实现组合大系统的稳定和镇定，是系统之间的综合问题。目的是具有更快更好的控制效果，并且具有单一一个智能体所不能具有的能力，因此可以完成更加复杂、更加有意义的任务。目前多智能体系统相关研究成果在含分布式电源的电力系统中应用的研究也开始起步，文献109提出了基于多代理系统的3层微电网控制框架，并对其中各agent的具体功能及其协调控制策略进行了讨论。文献110基于多agent系统理论，构建了一个多agent的机组优化组合系统。111提出将多agent技术应用于构建高效、可靠、灵活的新一代能量管理支持平台。同时多项研究将多代理技术应用于电力系统的保护控制112、无功优化113,114等。但是通过对上述研究尤其是国内文献的分析发现，这些文献中均将“multi-agent”翻译为“多代理”，而中国科学界近年来逐步将其统一为“多智能体”，本人认为，这种翻译上的差异实质体现了目前电力系统中应用多智能体系统理论上存在的不足，即这些研究都还仅处于简单应用多智能体系统理论中关于体系结构、控制体系等的研究成果，而均未提出将其中的系统分析理论和控制策略设计技术等应用于电力系统。通过前期研究发现，多智能体系统理论中关于一致性问题研究的成果能为具体实现电力系统中多智能体的分散协调控制提供较好的理论指导和实现方法。近几年，人们更多地研究了多智能体系统的一致性。通过一致性协议，使多个智能体达到同一个常量，而这个常量依赖于所有智能体的初始状态以及各个智能体之间的信息交流。多可控对象的协调控制问题与多智能体的一致性问题具有很多相似的地方，在协调控制中，不稳定的智能体最终需要渐近稳定于零点，而在一致性问题中，智能体最终需要渐近稳定于一个任意期望的数值。因此可以将解决多可控对象的协调控制问题与多智能体的一致性问题归为一类问题来解决。一致性问题在信息科学领域，尤其在自动化理论和分布计算领域已经有悠久的研究历史115。它最初始于201丝纪70年代的管理科学和统计学。在系统与控制理论领域中，1982年，Borkar等应用分布式决策方法对于渐近同步一致性问题进行了系统的研究116。经过许多年的研究发展，对于离散多智能体系统的研究己经在理沦和应用取得了很大的进展。多智能体系统一个最大的优势，也可以说是最大的一个就是:系统中的每一个智能体状态各异、能力有限，但是当许多这样的智能合在一起，通过智能体之间的相互作用、相互协调，可以产生更加强大的力去完成每一个智能体所不可能完成的任务117。因此，在对多智能体系统的研究中，一个最关键的问题就是如何正确设计控制策略，使得多智能体系统可以完给定的各项任务。2003年，Jadbabaie等通过引入图论和矩阵论的知识，对Viesek模型中性的特性给出了理论的解释，并且指出系统随时间变化的过程中，每个自主邻居集也是变化的118。2004年，Olfati-Sabe等基于代数图论的方法，研究了多智能体具有确定扑结构和切换拓扑结构的一致性问题，还研究了具有通信时滞和确定拓扑结构无向网络的一致性问题119。国内学者研究了在线性一协议下二阶多智能体系统的一致性问题120。从不同的切入点出发，他们考虑了输入时滞和通时滞对多智能体系统一致性所产生的影响。2008年，xiao和wang对线性一致性协议进行了创新性地改进，提出了非线性有限时的一致性协议，打破了研究编队问题传统的三种方法，即领导服从的方法口、基于行为的方法以及虚拟结构的方法，并指出在这个非线性协议下多智能体的一致性具有更快的收敛率。最近几年，有更多的学者提出了有效的一致性协议，使多智能体系统的一致性研究更加趋于完善和成熟121。对于离散多智能体系统，由于本身具有比连续系统更广泛的应用，例如图像处理，时间序列分析，二次优化问题等等，因此也受到了很多学者的关注122。综上所述，无论是从系统组成、个体动态行为和总体控制目标而言，多分布式电源接入运行时配电网将在很大程度上具有的多智能体系统理论应用对象的特性。应用多智能体系统一致性理论和方法来具体解决实现配电网电压分散协调优化控制中分散协调控制器的设计和参数优化