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        面向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)及協(xié)調(diào)調(diào)度研究

        2018-08-08 04:45:56邢海軍洪紹云范宏趙曉莉
        電力建設(shè) 2018年8期
        關(guān)鍵詞:損耗儲(chǔ)能約束

        邢海軍,洪紹云,范宏,趙曉莉

        (1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院,上海市 200090;2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司建設(shè)分公司,南昌市 330001)

        0 引 言

        截至2018年一季度末,我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到6.66億kW,其中,風(fēng)電裝機(jī)1.68億kW、光伏發(fā)電裝機(jī)1.4億kW。分布式電源(distributed generation,DG)大規(guī)模接入,給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)一系列的問(wèn)題,如諧波污染、接入點(diǎn)電壓升高、系統(tǒng)雙向潮流、新能源消納困難等[1-2]。

        隨著配電網(wǎng)改造、智能配電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn),現(xiàn)代配電網(wǎng)已發(fā)生了翻天覆地的變化?,F(xiàn)代配電網(wǎng)除了承擔(dān)分配電能的任務(wù),還安裝了大量的終端測(cè)量器件用于實(shí)時(shí)掌握配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),優(yōu)化配電網(wǎng)的運(yùn)行,如高級(jí)量測(cè)裝置(advanced metering infrastructure,AMI)、遠(yuǎn)程終端單元(remote te2rminal unit,RTU)、智能配電終端單元(intelligent distribution terminal unit,IDU)等。這些器件為分布式電源、配電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能等設(shè)備的主動(dòng)管理和控制提供了保障[3-5]。

        主動(dòng)配電網(wǎng)(active distribution network,ADN)主動(dòng)管理策略包括:“源端”的DG出力調(diào)度、電動(dòng)汽車(chē)充放電控制;“網(wǎng)端”的電容器組無(wú)功補(bǔ)償、有載調(diào)壓變壓器(on-load tap changer,OLTC)調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu);“荷端”的需求側(cè)管理;“儲(chǔ)端”的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system,BESS)優(yōu)化運(yùn)行等。ADN“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行主要考慮通過(guò)各位置上的可控設(shè)備相互協(xié)調(diào)優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),包括:提高系統(tǒng)的性能指標(biāo),如降低網(wǎng)絡(luò)損耗、提高可靠性等;適應(yīng)DG、負(fù)荷等的不確定性;提高間歇性能源的消納;降低DG等新能源對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響。

        近些年,面向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行研究較熱。文獻(xiàn)[6]通過(guò)提高需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)資源的協(xié)調(diào)可控性來(lái)應(yīng)對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)雙側(cè)隨機(jī)問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上提出以系統(tǒng)成本及污染排放最小化為目標(biāo)函數(shù)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[7]提出了一種“源-網(wǎng)-荷”相協(xié)調(diào)的主動(dòng)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法,該方法計(jì)及購(gòu)電成本、損耗成本、需求側(cè)管理成本,建立了以配電網(wǎng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[8]綜合考慮了主動(dòng)配電網(wǎng)中的多種可調(diào)資源,以周期內(nèi)系統(tǒng)總運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù)建立了主動(dòng)配電網(wǎng)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[9]提出了一種交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)的分層分布式多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度體系。在局部調(diào)度層,針對(duì)分布式電源,結(jié)合儲(chǔ)能單元進(jìn)行聯(lián)合出力優(yōu)化,其結(jié)果上報(bào)給區(qū)域調(diào)度層,在區(qū)域調(diào)度層,充分尊重并利用配電網(wǎng)各交、直流區(qū)域的自主運(yùn)行特性。文獻(xiàn)[10]建立了考慮分布式電源特性與電價(jià)影響的主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化決策模型,并利用序優(yōu)化方法進(jìn)行快速高效求解。文獻(xiàn)[11]提出了一種主動(dòng)配電網(wǎng)魯棒優(yōu)化調(diào)度方法,運(yùn)用需求響應(yīng)技術(shù),通過(guò)電價(jià)激勵(lì)達(dá)到調(diào)控負(fù)荷的目的,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷削峰填谷的作用,其運(yùn)用兩層規(guī)劃模型將可再生能源的無(wú)功調(diào)節(jié)能力與配電網(wǎng)傳統(tǒng)調(diào)控手段相配合。文獻(xiàn)[12]的數(shù)學(xué)模型除了考慮有載調(diào)壓、DG調(diào)度等普通的主動(dòng)管理策略外,還加入了儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)度,由于儲(chǔ)能的時(shí)序特性,文獻(xiàn)[12]中引入了電池電量約束及相鄰時(shí)刻充放電約束。

        由于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)變量的多維度性,已有文獻(xiàn)很少將網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)加入到主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行中。本文面向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)及協(xié)調(diào)調(diào)度,考慮風(fēng)電、光伏接入ADN,主要的創(chuàng)新之處包括:采用多時(shí)段網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行相結(jié)合等主動(dòng)管理策略達(dá)到協(xié)調(diào)優(yōu)化;建立面向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的ADN優(yōu)化重構(gòu)及協(xié)調(diào)調(diào)度的二階錐規(guī)劃(second order cone programming,SOCP)模型。最后通過(guò)IEEE 33節(jié)點(diǎn)算例[13]進(jìn)行驗(yàn)證。

        1 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及儲(chǔ)能運(yùn)行優(yōu)化

        1.1 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

        網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是在配電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下,通過(guò)分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的操作進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化,降低網(wǎng)損、提高供電可靠性;在故障狀態(tài)下,通過(guò)開(kāi)關(guān)操作恢復(fù)故障停電區(qū)域供電[14-15]。配電網(wǎng)重構(gòu)不需要進(jìn)行新設(shè)備的投資,卻能夠帶來(lái)電網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)性、安全性等多方面的提升,是較經(jīng)濟(jì)的主動(dòng)管理策略。

        傳統(tǒng)文獻(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案多數(shù)是靜態(tài)重構(gòu),即給出適應(yīng)該時(shí)刻的滿(mǎn)足重構(gòu)目標(biāo)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)方案。本文考慮網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是對(duì)應(yīng)配電網(wǎng)絡(luò)日前調(diào)度下找到適應(yīng)負(fù)荷及分布式電源24個(gè)時(shí)刻變化的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案。具體的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)在第2節(jié)模型中體現(xiàn)。

        1.2 儲(chǔ)能優(yōu)化運(yùn)行

        BESS在日常使用過(guò)程中需要根據(jù)儲(chǔ)能效率、循環(huán)壽命、能量密度、功率密度、響應(yīng)時(shí)間、環(huán)境適應(yīng)能力、充放電效率、自放電率、深放電能力等技術(shù)條件進(jìn)行選擇。本文電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)學(xué)模型如下詳述[16]。其中:式(1)為BESS放電功率的上下限約束;式(2)為BESS充電功率的上下限約束;式(3)為BESS荷電狀態(tài)約束;式(4)為BESS相鄰時(shí)刻容量約束;式(5)為BESS功率爬坡率約束。

        (1)

        (2)

        (3)

        2 ADN“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行

        2.1 數(shù)學(xué)模型

        本文考慮ADN日前優(yōu)化運(yùn)行,以最小化24 h內(nèi)配電網(wǎng)絡(luò)總的有功損耗作為目標(biāo)函數(shù)。約束條件包括配電網(wǎng)絡(luò)前推回代潮流方程約束式(7)—(9)、節(jié)點(diǎn)電壓上下限約束式(10)、支路電流上限約束式(11)、DG出力上下限約束式(12)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輻射狀約束式(13)、儲(chǔ)能運(yùn)行約束式(1)—(5)。

        (6)

        s.t.

        (8)

        (13)

        2.2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)二階錐規(guī)劃模型及求解

        (15)

        式中‖·‖2為歐幾里德范數(shù),文獻(xiàn)[16-17]對(duì)式(15)的松弛有詳細(xì)介紹,式(15)的松弛不影響模型求解的最終結(jié)果。

        SOCP模型的求解具有眾多優(yōu)點(diǎn),如SOCP模型是凸規(guī)劃模型,能夠保證得到全局最優(yōu)解。本文采用基于MATLAB的CVX[19]建模工具包及GUROBI[20]商業(yè)解法器進(jìn)行模型求解。

        3 算例分析

        3.1 IEEE 33節(jié)點(diǎn)算例

        采用文獻(xiàn)[13]中算例對(duì)本文模型進(jìn)行驗(yàn)證,算例網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)12.66 kV單電源配電系統(tǒng),含33個(gè)節(jié)點(diǎn)與5條聯(lián)絡(luò)線(xiàn),總負(fù)荷為3 715 kW,2 300 kV·A。網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)絡(luò)線(xiàn)為7—20、8—14、11—21、17—32、24—28。日前優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度假設(shè)風(fēng)電(wind turbine generation,WTG)出力、光伏(photovoltaic generation,PVG)出力及負(fù)荷預(yù)測(cè)已給定,具體如圖2所示。功率基準(zhǔn)值取10 MV·A,電壓基準(zhǔn)值取12.66 kV。節(jié)點(diǎn)電壓約束為0.95~1.05 pu,支路功率約束為5 MV·A。電池儲(chǔ)能自放電率為每月2%,充、放電效率為0.95,荷電狀態(tài)上限和下限分別為100%、40%。DG及儲(chǔ)能主要安裝在線(xiàn)路末端,具體討論2種安裝場(chǎng)景。

        圖1 IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)Fig.1 IEEE 33-node distribution network

        圖2 風(fēng)電、光伏及負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 Forecasting data of WTG, PVG and load

        場(chǎng)景1節(jié)點(diǎn)17安裝800 kW風(fēng)機(jī)及500 kW/2 MW·h的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BESS1;節(jié)點(diǎn)24安裝200 kW光伏;節(jié)點(diǎn)32安裝500 kW光伏及500 kW/2 MW·h的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BESS2。

        場(chǎng)景2節(jié)點(diǎn)17安裝300 kW風(fēng)機(jī)及200 kW/800 kW·h電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BESS1;節(jié)點(diǎn)24安裝 100 kW光伏;節(jié)點(diǎn)32安裝200 kW光伏及200 kW/800 kW·h電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BESS2。

        3.2 結(jié)果分析

        表1給出了“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。場(chǎng)景1中,24 h內(nèi)總的網(wǎng)絡(luò)損耗為1.204 MW·h,其不考慮網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)情況下的網(wǎng)絡(luò)損耗為1.677 MW·h,相比下降了28.2%。場(chǎng)景2中,24 h內(nèi)總的網(wǎng)絡(luò)損耗為1.724 MW·h,不考慮網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)情況下的網(wǎng)絡(luò)損耗為2.455 MW·h,相比下降了29.8%??梢钥闯觯骸熬W(wǎng)側(cè)”的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對(duì)于系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行具有重要影響。原始網(wǎng)絡(luò)不考慮儲(chǔ)能及DG接入時(shí)的網(wǎng)絡(luò)損耗為3.195 MW·h,相比可知“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行可以大幅減小系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗,優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行。

        表1協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果
        Table1Coordinativeoperationresults

        圖3、4分別給出了場(chǎng)景1、場(chǎng)景2下BESS協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。場(chǎng)景1中,BESS1與WTG安裝在同一節(jié)點(diǎn),由于WTG在01:00—04:00功率較大,在該時(shí)段內(nèi)BESS1充電功率高;BESS2與PVG安裝在同一節(jié)點(diǎn),由于PVG中午時(shí)段功率較大,在該時(shí)段內(nèi)BESS2充電功率較大。場(chǎng)景2中,由于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變,節(jié)點(diǎn)17、32負(fù)荷供電由原來(lái)的饋線(xiàn)1—21轉(zhuǎn)換為2—24,同時(shí)DG及儲(chǔ)能的容量都發(fā)生了變化,為了滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)損耗最小的目標(biāo),BESS的充放電功率有所調(diào)整。BESS1、BESS2主要的放電時(shí)刻在18:00—22:00,該時(shí)段內(nèi)負(fù)荷處于高峰時(shí)刻,同時(shí)光伏出力消失,需要儲(chǔ)能放電給負(fù)荷供電,從而達(dá)到降低功率在線(xiàn)路中的傳輸,減少系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗。

        圖3 場(chǎng)景1下BESS協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果Fig.3 Coordinative operation result of the BESS in case 1

        圖4 場(chǎng)景2下BESS協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果Fig.4 Coordinative operation result of the BESS in case 2

        圖5為場(chǎng)景1下,節(jié)點(diǎn)17及節(jié)點(diǎn)32在1天24 h的電壓曲線(xiàn),圖6為場(chǎng)景1在19:00及03:00時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的電壓曲線(xiàn)。由圖5可知:本文“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化能夠保證各節(jié)點(diǎn)各時(shí)刻的電壓均在電壓約束0.95~1.05 pu范圍內(nèi)。圖6中,負(fù)荷較低的03:00,在不考慮網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及不考慮BESS、DG接入的情況下,均能夠達(dá)到電壓約束要求。在負(fù)荷較高的19:00,不考慮網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)已無(wú)法滿(mǎn)足電壓約束,最低節(jié)點(diǎn)電壓已降低為0.921 7 pu,節(jié)點(diǎn)為32;若繼續(xù)不考慮BESS、DG的接入,最低節(jié)點(diǎn)電壓已降低為0.913 1 pu,節(jié)點(diǎn)為17。

        圖5 場(chǎng)景1下,節(jié)點(diǎn)17及節(jié)點(diǎn)32的電壓曲線(xiàn)Fig.5 Voltage profiles of node 17 and 32 in case 1

        圖6 場(chǎng)景1下,19:00及03:00電壓曲線(xiàn)Fig.6 Voltage profile at 19:00 and 03:00 in case 1

        4 結(jié) 論

        本文面向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題,提出了考慮DG、BESS接入下的ADN優(yōu)化重構(gòu)及日前協(xié)調(diào)調(diào)度模型,分析了不同DG、BESS接入容量下ADN協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。

        場(chǎng)景1下,24 h內(nèi)總的網(wǎng)絡(luò)損耗為1.204 MW·h,相比不考慮動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)下降了28.2%。場(chǎng)景2下,24 h內(nèi)總的網(wǎng)絡(luò)損耗為1.724 MW·h,相比不考慮動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)下降了29.8%。

        BESS能夠通過(guò)削峰填谷提高系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo),“網(wǎng)側(cè)”的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及儲(chǔ)能相結(jié)合對(duì)于系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行具有重要影響,同時(shí)能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行約束?!霸?網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行可以大幅減小系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗,提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。

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