楊志淳，沈煜，楊帆

(國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，武漢430077)

0 引 言

配電網(wǎng)的分布式光伏消納能力以及相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃已成為當(dāng)前各方共同關(guān)注的問題[1-2]。針對光伏發(fā)電出力的間歇性和隨機性，開展配電網(wǎng)光伏消納能力的研究，可提高現(xiàn)有配電網(wǎng)調(diào)度控制策略和運行方式制定的合理性和科學(xué)性，同時也可為編制具有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的配電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃方案提供重要依據(jù)[3]。

針對配電網(wǎng)光伏發(fā)電消納能力研究，文獻(xiàn)[4]基于隨機場景法計算配電饋線的光伏發(fā)電消納能力，量化比較了有無儲能裝置的配電網(wǎng)消納能力。文獻(xiàn)[5]采用了類高斯分布抽樣法提高隨機場景的有效性，并基于改進(jìn)隨機場景確定配電網(wǎng)的光伏發(fā)電消納能力。文獻(xiàn)[6]分析了高滲透率光伏發(fā)電接入背景下電網(wǎng)的運行和控制存在的問題，通過優(yōu)化控制數(shù)十千瓦單級并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置的有功和無功功率來確保電網(wǎng)的正常運行。提高配電網(wǎng)光伏發(fā)電消納能力的方法也是當(dāng)前研究的熱點。文獻(xiàn)[7]研究了小容量光伏發(fā)電接入對配電網(wǎng)線路電壓的影響，提出了安裝儲能以及接入補償電抗器和逆變器電壓控制的方法，以解決光伏發(fā)電接入引起的配電網(wǎng)電壓越限問題。文獻(xiàn)[8-10]采用增加儲能裝置和轉(zhuǎn)移線路負(fù)荷兩種方法以提高配電網(wǎng)對分布式光伏發(fā)電的消納能力，結(jié)果表明前者效果更為顯著。文獻(xiàn)[11-12]研究了光伏發(fā)電接入不同位置時對配電網(wǎng)電壓的影響，并評估了配電網(wǎng)最大光伏消納容量，提出了建立光伏受電電網(wǎng)、光伏發(fā)電出力控制、變壓器調(diào)壓和改變用戶用電行為等提高消納能力的措施。目前的研究僅考慮特定技術(shù)手段來提高配電網(wǎng)光伏發(fā)電的消納能力，未從全局性的配電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃角度進(jìn)行光伏發(fā)電消納問題的研究。

文中首先采用粒子群尋優(yōu)算法(PSO)進(jìn)行配電網(wǎng)光伏發(fā)電消納能力的評估，通過與傳統(tǒng)方法所得結(jié)果的比較說明了本文方法的有效性。在現(xiàn)有配電網(wǎng)無法提供所需的光伏發(fā)電消納的情況下，采用基于全周期壽命成本方法進(jìn)行配電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃方案的優(yōu)化，以提高發(fā)展規(guī)劃方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。最后通過具體算例說明了本文方法的應(yīng)用。

1 基于PSO的光伏消納能力評估

1.1 方法原理及實現(xiàn)

PSO 算法屬于進(jìn)化算法的一種，與模擬退火算法的原理相似，它也是從某一個初始的隨機解出發(fā)，通過歷史迭代尋找最優(yōu)解，通過適應(yīng)度函數(shù)來評價解的品質(zhì)。PSO算法只追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)值來尋找全局最優(yōu)?？紤]到求解配電網(wǎng)光伏消納問題實際上是非線性優(yōu)化問題，因此本文應(yīng)用PSO 算法進(jìn)行配電網(wǎng)最大光伏消納能力的求解中，發(fā)揮其實現(xiàn)容易、精度高、收斂快等優(yōu)點。

PSO算法假設(shè)在一個D維的問題解空間中有n個粒子組成的種群X=(X1,X2, … ,Xn)。其中第i個粒子表示為一個D維向量Xi=(xi1,xi2,…,xiD)T，代表第i個粒子在D維解空間中的位置情況，亦代表具體問題的一個可行解。通過求解適應(yīng)度函數(shù)得到的適應(yīng)度來評價每個粒子在位置Xi的優(yōu)劣。設(shè)第i個粒子的速度為Vi=(Vi1,Vi2,…,ViD)T，其個體極值為Pi=(Pi1,Pi2,…,PiD)T，種群的群體極值為Pg=(Pg1,Pg2,…,PgD)T。

在每次迭代過程中，粒子的速度和位置情況更新如下：

(1)

(2)

式中ω為慣性權(quán)重；d=1, 2,...,D;i=1,2,…,n;k為當(dāng)前迭代次數(shù)。非負(fù)常數(shù)c1和c2為加速度因子；r1和r2是分布于[0, 1]的隨機數(shù)。為防止粒子的盲目搜索，提高尋優(yōu)問題的精度和效率，粒子位置和速度需限制在一定的區(qū)間內(nèi)。

1.2 算例及性能比較

本文以某縣35 kV變電站兩條10 kV饋線作為分析對象，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。兩條饋線負(fù)荷總量為 1008+j756 (kV·A)，共包含27個負(fù)荷節(jié)點。表1為饋線各節(jié)點變壓器容量。

圖1 35 kV變電站10 kV饋線結(jié)構(gòu)

節(jié)點號節(jié)點名稱容量節(jié)點號節(jié)點名稱容量1咸水變11 3002咸水5# 變303鄭院6#變504鄭院4#變205鄭院5#變206鄭院2#變207鄭院3#變208鄭院1#變509壩子2#變2010壩子1#變5011壩子3#變5012馬槽園變3013前灣變3014咸水3# 變30節(jié)點號節(jié)點名稱容量15咸水4# 變3016咸水移動專變2017咸水2# 變5018咸水沙場專變40019咸水6# 變5020咸水1# 變3021書洞1# 變3022書洞2# 變3023書洞3# 變3024鄭家坪1#變2025黃土包超檢專變5026鄭家坪2#變5027鄭家坪3#變50

算例中采用的適應(yīng)度函數(shù)為分段函數(shù)形式，即當(dāng)前推回代潮流法計算出配電網(wǎng)最大節(jié)點電壓標(biāo)幺值超出1.05時，適應(yīng)度為0，否則為各節(jié)點接入光伏發(fā)電的容量，如式(3)所示。粒子群優(yōu)化算法的參數(shù)為：種群粒子數(shù)為20，每個粒子的維度為支路數(shù)26，算法迭代進(jìn)化次數(shù)為300。

(3)

式中Pg(i)為第i個節(jié)點接入的光伏發(fā)電容量。

圖2給出了PSO算法中最優(yōu)個體適應(yīng)度，由可以看出，兩條饋線最大光伏發(fā)電消納能力為9 128.3 kW。表2為PSO尋優(yōu)后各節(jié)點的光伏發(fā)電接入容量。

圖2 最優(yōu)個體適應(yīng)度值

采用基于隨機場景的光伏消納能力求解方法[4]，可求得最大光伏發(fā)電消納容量為7 320 kW，該方法得到的各節(jié)點光伏發(fā)電接入容量如表3所示。

對比表2和表3可知，PSO算法得到的最大光伏發(fā)電消納能力為9 128.3 kW，相比隨機場景法得到的7 320 kW提高了24.7%。圖3為兩種方法計算出光伏發(fā)電接入后節(jié)點電壓的對比。其中橫坐標(biāo)為饋線節(jié)點編號，縱坐標(biāo)為各節(jié)點電壓。

表2 基于PSO方法的各節(jié)點光伏發(fā)電接入容量 (kW)

表3 基于隨機場景法的各節(jié)點光伏發(fā)電接入容量 (kW)

由圖3可以看出，饋線光伏消納能力的控制性節(jié)點均出現(xiàn)在饋線末端，即13號節(jié)點。采用兩種方法所得到光伏接入容量下饋線節(jié)點均未出現(xiàn)超標(biāo)情況，但PSO算法對各節(jié)點電壓裕度的利用度更高，使得可消納光伏的容量大大提高。

圖3 節(jié)點電壓對比

2 基于LCC的配電網(wǎng)規(guī)劃方案優(yōu)化

當(dāng)配電網(wǎng)目前的結(jié)構(gòu)和運行方式無法滿足光伏消納需求時，需要考慮進(jìn)行配電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃。本文采用全壽命周期管理(LCC)理論，以追求全壽命周期費用最小為目標(biāo)，對高滲透率分布式光伏發(fā)電接入時配電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析評估。

對于某個發(fā)展規(guī)劃方案，其全壽命周期成本的組成包括：

(1) 一次投資成本。

一次投資成本主要包含設(shè)備購置成本和安裝成本。采用如下公式計算某個配電網(wǎng)改造規(guī)劃方案的一次投資成本：

LineAux(h)×LineDiff(h)

(4)

其中Trans, Pole以及Line分別代表配電變壓器，電桿以及裸導(dǎo)線/絕緣導(dǎo)線；n、m和h分別為配電變壓器，電桿以及導(dǎo)線數(shù)量。下標(biāo)Cap：對于變壓器而言為變壓器容量；對電線桿而言為其數(shù)量；對導(dǎo)線而言為其長度。下標(biāo)price代表設(shè)備價格；下標(biāo)Aux代表該設(shè)備溢價比；下標(biāo)Diff代表設(shè)備安裝施工難度系數(shù)。

(2) 運行損耗成本。

對于配電網(wǎng)而言運行損耗主要是線損。文中采用基于快速潮流計算的網(wǎng)損分析方法[13]。在直角坐標(biāo)系中將配電網(wǎng)某一具體時刻的線損表達(dá)為狀態(tài)變量的二次型。對某一時刻狀態(tài)變量x0而言，線損可精確表達(dá)為：

(5)

則運行損耗成本為：

OC=Ploss×Eprice×T

(6)

式中Eprice為平均電價；T為計算時間段；

(3) 運行維護(hù)成本。

運行維護(hù)成本主要包括：運維人員工資；運維過程中的工具使用費用；備品的維護(hù)管理費用；突發(fā)情況下的故障搶修費用以及車輛使用費用、辦公費用等。

將運維成本均攤，得到配電網(wǎng)線路的粗略維護(hù)費用為：

(7)

式中L為需計算的線路電壓等級數(shù)；Cprice，l為第l個電壓等級線路折算后單位長度運維成本；Lengthl為第l個電壓等級線路長度。

(4) 退役成本。

退役成本目前實際管理中容易被人們忽視。而實際工程應(yīng)用中，一般可將電桿和導(dǎo)線進(jìn)行回收，而配電網(wǎng)變壓器的回收較難，殘值較低。退役成本通常以一次投資成本的某個比例估算。

對于制定的若干個發(fā)展規(guī)劃方案而言，其 LCC 等年值費用為所有費用綜合，包含設(shè)備一次投資費用、運行損耗費用、運行維護(hù)費用、退役成本。對可選方案進(jìn)行LCC評估后，其值最小的即為最優(yōu)方案。

3 算例分析

以1.2節(jié)中兩條10 kV饋線作為算例對象。為增大這兩條饋線對光伏發(fā)電的消納能力，提出如下兩個規(guī)劃方案。方案一：在節(jié)點2和3之間再增加一個節(jié)點28，即在咸水5#變和鄭院6#變之間新增一個容量為50 kV·A的變壓器；方案二：在節(jié)點27之后再增加一個節(jié)點28，即在鄭家坪3#變之后新增一個容量為40 kV·A的變壓器。設(shè)每公里所需桿塔數(shù)為25，選取全壽命周期為十年。

方案一所需的線路長度為2公里，則一次投資成本為：

IC=50×120+2 000/25×700+2×9 000=80 000 (元)

運行損耗成本為：

OC=0.002 9×10×103×24×365×10×0.57=

1 448 028(元)

運行維護(hù)成本為：

MC=125 000×2=250 000 (元)

退役成本為：

DC=5 840 (元)

該方案的LCC成本為1 783 868元；根據(jù)基于PSO的消納能力計算方法，改造后兩條饋線的最大光伏消納容量為9 996.4 kW。

方案二所需的線路長度為1.5公里，則一次投資成本為：

IC=40×120+1 500/25×700+1.5×9 000=

60 300 (元)

運行損耗成本為：

OC=0.003 2×10×103×24×365×10×0.57=

1 597 824 (元)

運行維護(hù)成本為：

MC=125 000×1.5=187 500 (元)

退役成本為：

DC=4 383 (元)

該方案的LCC成本為1 850 007元，根據(jù)基于PSO的消納能力計算方法，改造后的兩條饋線的最大光伏消納容量為9 267.3 kW。

方案一相對于原饋線而言，消納光伏發(fā)電容量提高了814.1 kW，耗資1 783 868元，方案二對消納光伏發(fā)電容量提高了85 kW，耗資1 850 007元。方案一單位消納容量提高耗資2191.2元，即2 191.2元/kW，而方案二單位消納容量提高耗資21 764.7元，即21 764.7元/kW，綜合判斷方案一更優(yōu)。

4 結(jié)束語

本文基于全壽命周期成本管理的思想，對考慮分布式光伏發(fā)電接入的配電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行了研究。提出基于PSO的光伏發(fā)電消納能力分析方法，可提供更加準(zhǔn)確的配電網(wǎng)消納能力信息，相對于隨機場景方法具有更大的靈活性且更符合實際。當(dāng)需要消納的光伏發(fā)電容量超過配電網(wǎng)最大消納能力時，采用基于全壽命周期成本管理對配電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃方案進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高了方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。