高 輝, 徐 晴， 歐陽曾愷，宋 樂

( 1. 南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210023;2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

近年，我國(guó)能源生產(chǎn)量和消費(fèi)量均已居世界前列，但在能源供給和利用方式上存在系列問題，如能源結(jié)構(gòu)不合理、能源利用效率不高、可再生能源開發(fā)利用比例低、能源安全利用水平有待進(jìn)一步提高等。能源已經(jīng)成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸，能源利用方式需從傳統(tǒng)粗放型向精細(xì)化、集約化、可持續(xù)轉(zhuǎn)變，加快能源生產(chǎn)和利用方式變革，強(qiáng)化節(jié)能優(yōu)先戰(zhàn)略，全面提高能源開發(fā)轉(zhuǎn)化和利用效率，合理控制能源消費(fèi)總量，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系[1]。

在面臨能源短缺困難及節(jié)能減排的壓力下，建設(shè)清潔、可靠、互動(dòng)、高效的智能電網(wǎng)成為推動(dòng)時(shí)代經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要手段。含分布式電源的智能配電網(wǎng)建設(shè)尤為關(guān)鍵，其并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、能效互動(dòng)機(jī)制和協(xié)調(diào)控制等研究工作及工程建設(shè)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[2—3]梳理了國(guó)內(nèi)外分布式電源和微電網(wǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，并指明國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要差異；文獻(xiàn)[4—5]對(duì)新能源并網(wǎng)電能質(zhì)量問題進(jìn)行分析并指出解決電能質(zhì)量問題的潛在優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[6]研究了多時(shí)間尺度下基于主動(dòng)配電網(wǎng)的分布式電源協(xié)調(diào)控制策略，提出了基于最優(yōu)潮流的主動(dòng)配電網(wǎng)全局優(yōu)化算法和基于功率控制誤差的主動(dòng)配電網(wǎng)區(qū)域自治控制算法，保證了其用于主動(dòng)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度的有效性；文獻(xiàn)[7]通過研究中國(guó)分布式電源發(fā)展對(duì)各相關(guān)主體的影響，提出了針對(duì)我國(guó)分布式電源產(chǎn)業(yè)的包含接網(wǎng)費(fèi)用、輔助服務(wù)費(fèi)用、設(shè)備補(bǔ)貼、發(fā)電量補(bǔ)貼等多維度的綜合補(bǔ)償體系，保障了分布式電源業(yè)主、電網(wǎng)公司、發(fā)電企業(yè)等相關(guān)主體的合理利益,并提出促進(jìn)分布式電源產(chǎn)業(yè)健康有序、快速、可持續(xù)發(fā)展的政策建議；文獻(xiàn)[8]基于配電網(wǎng)源網(wǎng)荷不對(duì)稱現(xiàn)象，建立了配電網(wǎng)常規(guī)元件及分布式電源的穩(wěn)/暫態(tài)模型，開發(fā)了智能配電網(wǎng)運(yùn)行仿真平臺(tái)，并驗(yàn)證了所提方法及研制系統(tǒng)的合理性、有效性；文獻(xiàn)[9]針對(duì)分布式電源輸出功率的隨機(jī)性問題，提出基于點(diǎn)估計(jì)法的含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估模型，可有效實(shí)現(xiàn)分布式電源輸出功率和配電網(wǎng)負(fù)荷水平不確定性的模擬；文獻(xiàn)[10]從分布式電源高密度接入、交直流混聯(lián)等特點(diǎn)分析入手，介紹了未來配電網(wǎng)故障分析亟待探索的關(guān)鍵問題；另外，文獻(xiàn)[11—14]從合作博弈論以及潮流特征方面研究了分布式電源對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響及對(duì)應(yīng)策略。

國(guó)外研究主要集中在分布式電源并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方面，文獻(xiàn)[13]研究了不同微點(diǎn)電網(wǎng)場(chǎng)景下分布式電源接入的分布式控制策略，可提高電網(wǎng)電壓和頻率調(diào)節(jié)性能；文獻(xiàn)[14]提出一種基于電壓控制器和快速電流控制器組合的分散控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)快速跟蹤、穩(wěn)健性和快速瞬態(tài)恢復(fù)功能。上述研究成果對(duì)推動(dòng)分布式電源接入配電網(wǎng)具有很好的理論及工程意義，但是對(duì)于規(guī)?；植际诫娫捶謱臃謪^(qū)接入配電網(wǎng)相關(guān)研究較少。

針對(duì)規(guī)?；呙芏确植际诫娫捶謱臃謪^(qū)接入配電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，為了提高源網(wǎng)多元利用效率，文中介紹了含分布式電源的多級(jí)能源互動(dòng)場(chǎng)景，并制定了符合多級(jí)互動(dòng)場(chǎng)景的多時(shí)空尺度互動(dòng)機(jī)制，空間尺度從下到上包括臺(tái)區(qū)、饋線、配網(wǎng)及主網(wǎng)等層次，時(shí)間尺度以天為優(yōu)化單位包括準(zhǔn)實(shí)時(shí)、超短期及短期等尺度，以多時(shí)空尺度為基準(zhǔn)建立了含大型風(fēng)電廠、燃?xì)廨啓C(jī)和集中式大容量?jī)?chǔ)能等分布式電源的源網(wǎng)多元互動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型，所研究策略為規(guī)?；呙芏确植际诫娫唇尤腚娋W(wǎng)提供優(yōu)化控制依據(jù)。

1 多級(jí)能源互動(dòng)場(chǎng)景及互動(dòng)機(jī)制

1.1 互動(dòng)控制場(chǎng)景

含分布式電源的源網(wǎng)多級(jí)能源互動(dòng)控制場(chǎng)景如圖1所示，將區(qū)電網(wǎng)分為臺(tái)區(qū)級(jí)、饋線級(jí)、配網(wǎng)級(jí)及主網(wǎng)級(jí)。

圖1 多級(jí)能源互動(dòng)控制場(chǎng)景Fig.1 Multi-level energy interaction control scenario

臺(tái)區(qū)級(jí)協(xié)調(diào)對(duì)象包括微網(wǎng)系統(tǒng)、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)和自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)提供的關(guān)口數(shù)據(jù)等；饋線級(jí)協(xié)調(diào)對(duì)象包括臺(tái)區(qū)級(jí)的綜合負(fù)荷和可調(diào)度容量信息以及中壓側(cè)的分布式電源、分布式儲(chǔ)能數(shù)據(jù)；配網(wǎng)級(jí)協(xié)調(diào)控制對(duì)象包括饋線級(jí)的綜合負(fù)荷和可調(diào)度容量信息以及高壓側(cè)的分布式電源、分布式儲(chǔ)能數(shù)據(jù)；主網(wǎng)級(jí)包含所有配網(wǎng)能量流、信息流、業(yè)務(wù)流。四級(jí)之間的協(xié)調(diào)控制策略為：上級(jí)向下級(jí)下發(fā)控制指令和目標(biāo)曲線，下級(jí)向上級(jí)提交可調(diào)度容量、負(fù)荷信息以及反饋信號(hào)。

1.2 互動(dòng)機(jī)制分析

從空間及時(shí)間尺度上進(jìn)行互動(dòng)機(jī)制分析，其中空間分層互動(dòng)協(xié)調(diào)控制如圖2所示。

容量分析，自下而上進(jìn)行容量上報(bào)：(1) 臺(tái)區(qū)級(jí)，小型分布式電源優(yōu)先考慮區(qū)間內(nèi)負(fù)荷供電，即就地消納，在滿足臺(tái)區(qū)內(nèi)就地平衡基礎(chǔ)上響應(yīng)目標(biāo)曲線，多余容量逐級(jí)上傳；(2) 饋線和配網(wǎng)級(jí)，高密度分布式電源優(yōu)先考慮配網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷轉(zhuǎn)供并就地消納，在滿足配網(wǎng)內(nèi)就地平衡基礎(chǔ)上響應(yīng)目標(biāo)曲線，多余容量上傳至主網(wǎng)，統(tǒng)一分配；(3) 主網(wǎng)級(jí)，考慮規(guī)模化分布式電源的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，滿足主網(wǎng)區(qū)域間互供及整體消納目標(biāo)。

能量調(diào)度，自上而下計(jì)劃下發(fā)：(1) 主網(wǎng)級(jí)，調(diào)配中心通過主網(wǎng)調(diào)度容量分析，制定多級(jí)需求響應(yīng)目標(biāo)并逐級(jí)下發(fā)最優(yōu)功率目標(biāo)曲線；(2) 饋線和配網(wǎng)級(jí)，通過分析配網(wǎng)及其饋線內(nèi)可調(diào)容量，并參考主網(wǎng)最優(yōu)功率目標(biāo)曲線，制定配網(wǎng)及饋線層優(yōu)化目標(biāo)并修正最優(yōu)功率曲線；(3) 臺(tái)區(qū)級(jí)，通過臺(tái)區(qū)內(nèi)可調(diào)容量分析，并參考配網(wǎng)及饋線層面最優(yōu)功率目標(biāo)曲線，制定臺(tái)區(qū)優(yōu)化目標(biāo)并修正最優(yōu)功率曲線。最終，實(shí)現(xiàn)區(qū)域主網(wǎng)可調(diào)度容量?jī)?yōu)化分配。

圖2 多空間尺度上互動(dòng)分析架構(gòu)Fig.2 Multi-spatial scale interactive analysis architecture

在時(shí)間尺度上，建立準(zhǔn)實(shí)時(shí)、超短期和短期三種時(shí)間尺度的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)整體高效運(yùn)行，如圖3所示。

圖3 多時(shí)間尺度上互動(dòng)分析架構(gòu)Fig.3 Multi-time scale interactive analysis architecture

(1) 短期(1 d)。短期協(xié)調(diào)優(yōu)化控制時(shí)間周期為1 d，首先根據(jù)歷史負(fù)荷預(yù)測(cè)主網(wǎng)當(dāng)天功率曲線，作為主網(wǎng)規(guī)?；植际诫娫磪⑴c短期(1 d)互動(dòng)的一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，該優(yōu)化目標(biāo)作為超短期優(yōu)化控制的參考約束曲線，并在超短期優(yōu)化過程中作為一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行修正。

(2) 超短期(4 h)。超短期協(xié)調(diào)優(yōu)化控制時(shí)間周期為4 h，參考主網(wǎng)功率曲線，修正該曲線，并根據(jù)小型分布式電源和高密度分布式電源不同特點(diǎn)，提出滿足超短期要求的其他相關(guān)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，保證高密度和小型分布式電源規(guī)模化參與互動(dòng)情況下主網(wǎng)功率曲線最優(yōu)。

(3) 準(zhǔn)實(shí)時(shí)(15 min)。準(zhǔn)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制時(shí)間周期為15 min，參考每個(gè)超短期內(nèi)優(yōu)化功率曲線，并修正該曲線，并根據(jù)小型分布式電源和高密度分布式電源不同特點(diǎn)，提出滿足準(zhǔn)實(shí)時(shí)要求的其他相關(guān)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，目的同樣是保證高密度和小型分布式電源規(guī)模化參與互動(dòng)情況下主網(wǎng)功率曲線最優(yōu)。

2 含分布式電源的多元互動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

(1) 有功功率波動(dòng)最小。

(1)

式中：PGn為接入的集中式大容量分布式電源的發(fā)電輸出有功功率；PDm為接入規(guī)?；稍偕茉吹陌l(fā)電輸出有功功率；Ploss是系統(tǒng)總網(wǎng)損。

(2) 系統(tǒng)網(wǎng)損最小。

(2)

式中：K是節(jié)點(diǎn)數(shù)；Gij是連接母線i和j的線路的電導(dǎo)；Ui和Uj是母線i和母線j的電壓；θij是母線i和母線j電壓的相角差。

(3) 經(jīng)濟(jì)效益最大。

maxJ=Jr+Jf-Joc-Jof-Jp

(3)

式中：Jr為燃?xì)廨啓C(jī)售電收入；Jf為風(fēng)電場(chǎng)售電收入；Joc為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行費(fèi)用；Jof為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行費(fèi)用；Jp為聯(lián)絡(luò)線交換功率偏差懲罰費(fèi)用，計(jì)算如下[6，8]：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ΔT為時(shí)間間隔，分為準(zhǔn)實(shí)時(shí)、超短期和短期3類；t為控制時(shí)域內(nèi)的時(shí)間序列；T為1 d，即24 h；λr為燃?xì)廨啓C(jī)售電價(jià)格；λf為風(fēng)電廠售電價(jià)格；λA和λB分別為燃?xì)廨啓C(jī)固定運(yùn)行費(fèi)用和單位發(fā)電燃料費(fèi)用；λC和λD分別為風(fēng)機(jī)固定運(yùn)行費(fèi)用和單位發(fā)電成本；λp是出力偏差懲罰電價(jià)；Pg為燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組出力；Pf為風(fēng)電廠出力；Pl為下發(fā)負(fù)荷原始風(fēng)功率；Pd為電動(dòng)汽車充電功率。

2.2 約束條件分析

(1) 節(jié)點(diǎn)潮流約束[12]。

(9)

式中：QGn為接入的集中式大容量分布式電源的發(fā)電輸出無功功率；QDm為接入規(guī)?；稍偕茉吹陌l(fā)電輸出無功功率，零值則表示該支路未接入分布式電源。

(2) 燃機(jī)輪機(jī)出力約束。

Pg_min≤Pg(t)≤Pg_max

(10)

式中：Pg_min，Pg_max分別為燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組出力下限和上限。

(3) 風(fēng)電廠出力約束。

Pf_min≤Pf(t)≤Pf_max

(11)

式中：Pf_min，Pf_max分別為風(fēng)機(jī)出力下限和上限。

(4) 燃機(jī)出力爬坡率約束。

Rg_min≤Pg(t+1)-Pg(t)≤Rg_max

(12)

式中：Rg_min，Rg_max分別為燃機(jī)機(jī)組出力爬坡率下限和上限。

(5) 風(fēng)機(jī)出力爬坡率約束。

Rf_min≤Pf(t+1)-Pf(t)≤Rf_max

(13)

式中：Rf_min，Rf_max分別為風(fēng)機(jī)出力爬坡率下限和上限。

(6) 負(fù)荷功率約束。

Pload_down≤Pl(t)+Pd(t)≤Pload_up

(14)

式中：Pload_down，Pload_up分別為可調(diào)負(fù)荷功率下限，可調(diào)負(fù)荷功率上限。

2.3 協(xié)調(diào)優(yōu)化流程

互動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化過程如圖2、3所示，從空間尺度和時(shí)間尺度上針對(duì)輸電層開展協(xié)調(diào)優(yōu)化控制?？臻g尺度上，以全網(wǎng)有功功率輸出平衡為目標(biāo)曲線，通過多空間尺度下發(fā)至配網(wǎng)、饋線和臺(tái)區(qū)，在滿足就地新能源消納基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)、饋線和配網(wǎng)多級(jí)多余能量的上送；時(shí)間尺度上，以日預(yù)測(cè)功率曲線為優(yōu)化目標(biāo)，通過4 h(超短期)和15 min(準(zhǔn)實(shí)時(shí))的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)1 d(短期)協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)。

3 算例分析

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)

應(yīng)用場(chǎng)景如圖4所示。其中，DS為大型儲(chǔ)能設(shè)備；WT為大型風(fēng)電場(chǎng)；MT為大型燃?xì)廨啓C(jī)，均接入配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；DE為大型電動(dòng)汽車充換電站，波峰階段作為儲(chǔ)能設(shè)備向電網(wǎng)饋電，波谷階段從電網(wǎng)充電，接入饋線級(jí)節(jié)點(diǎn)?？芍袛嘭?fù)荷及單個(gè)電動(dòng)汽車充電屬于臺(tái)區(qū)級(jí)控制。

圖4 分布式電源接入主網(wǎng)簡(jiǎn)圖Fig.4 The distributed power supply is connected to the main network schematic

(1) 負(fù)荷需求?？傌?fù)荷最大值98 MW，其中10 kV及以下負(fù)荷最大值為84 MW，高壓負(fù)荷為14 MW。

(2) 峰谷時(shí)段劃分。峰時(shí)段(6：00—22：00)為：0.617元/(kW·h)，谷時(shí)段(22：00—次日6：00)為：0.307元/(kW·h)。

(3) 輸電網(wǎng)層面各電源發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)。風(fēng)電：0.56元/(kW·h)，燃機(jī)：0.35元/(kW·h)。

(4) 微電網(wǎng)層面的各單元成本。(1) 6×100 kW燃料電池。采用6塊燃料電池，燃料蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如下：容量為1500 kW·h，充放電功率為100 kW，放電成本為0.5元/(kW·h)。(2) 500×3.3 kW電動(dòng)汽車。假定該微網(wǎng)內(nèi)有500輛電動(dòng)汽車，采用鋰電池放電成本為0.915元/(kW·h)，EV電池容量為30 kW·h，充放電功率為3.3 kW。谷時(shí)段，電動(dòng)汽車充電。(3) 可中斷負(fù)荷補(bǔ)償成本，為0.6元/(kW·h)。

仿真中優(yōu)化協(xié)調(diào)控制周期根據(jù)多時(shí)空機(jī)制劃分為短期(1 d)、超短期(4 h)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)(15 min)3個(gè)方式，即1 d分為96個(gè)時(shí)段，每段時(shí)長(zhǎng)為15 min，與準(zhǔn)實(shí)時(shí)時(shí)間尺度吻合，采用MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)。含高密度大功率分布式電源的配電網(wǎng)日功率預(yù)測(cè)曲線如圖5所示。

圖5 接入分布式電源的輸電網(wǎng)日功率預(yù)測(cè)Fig.5 Power transmission grid daily power forecast for distributed power supply

該日基礎(chǔ)負(fù)荷曲線中包含一個(gè)用電低谷和兩個(gè)用電高峰，可知該曲線服從三段式正態(tài)分布，經(jīng)過擬合運(yùn)算得出其概率密度函數(shù)為：

(15)

式中各變量具體取值如下：

(16)

該日功率預(yù)測(cè)曲線概率密度函數(shù)可為后續(xù)分布式電源參與電網(wǎng)互動(dòng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略的執(zhí)行提供參考。各分布式電源的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 分布式電源的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of distributed power supply

3.2 仿真結(jié)果分析

輸電層分布式電源參與互動(dòng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化功率曲線對(duì)比如圖6所示。

圖6 DG參與互動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化功率曲線對(duì)比Fig.6 DG participates in the interaction and coordination optimization power curve comparison

由圖可知，若僅執(zhí)行短期(1 d)優(yōu)化，相對(duì)于日預(yù)測(cè)功率曲線優(yōu)化后的波峰功率有所減小、波谷功率有所增大，顯示了削峰填谷效果；但是超短期和準(zhǔn)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)優(yōu)化削峰填谷效果更為顯著，協(xié)調(diào)控制周期越短，削峰填谷效果越明顯。且協(xié)調(diào)優(yōu)化后，大型風(fēng)燃出力相對(duì)于圖5顯著下降，減少污染排放。

分布式電源參與電網(wǎng)互動(dòng)后，系統(tǒng)網(wǎng)損與未接入分布式電源時(shí)的系統(tǒng)網(wǎng)損對(duì)比如圖7所示。

圖7 DG參與互動(dòng)前后系統(tǒng)網(wǎng)損對(duì)比Fig.7 DG participated in the system network loss comparison before and after the interaction

由圖7可知，分布式電源接入主網(wǎng)后的每個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)損比分布式電源未接入前的每個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)損小，說明規(guī)?；植际诫娫唇尤牒缶W(wǎng)損降低。

通過公式(3)計(jì)算優(yōu)化后的最大經(jīng)濟(jì)效益為49.96萬元，相比優(yōu)化前12.34萬元(崇明供電公司提供的分布式電源參與供電的經(jīng)濟(jì)效益)，增加了37.62萬元收益。

4 結(jié)語

文中主要研究了含分布式電源接入的電網(wǎng)源網(wǎng)多元智能協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，建立了以多時(shí)空尺度為基準(zhǔn)的源網(wǎng)多元互動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型，以上海崇明島為例分析了不同分布式電源接入后整個(gè)輸電網(wǎng)層面優(yōu)化功率曲線、風(fēng)燃出力曲線以及最大經(jīng)濟(jì)效益等目標(biāo)，驗(yàn)證了所提優(yōu)化控制策略的有效性，可為規(guī)?；呙芏确植际诫娫唇尤腚娋W(wǎng)提供優(yōu)化控制依據(jù)。