權(quán) 然，金國彬 ，陳 慶，李國慶 ，潘 狄，石 超

（1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室（東北電力大學(xué)），吉林 132012；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 211000）

隨著清潔可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中直流源、荷接入電網(wǎng)的比例日益提升[1?5]。在此背景下，相比于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)方便直流源、荷接入，減少換流器使用，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，已成為國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)[6?7]。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以直接通過DC/DC變換器接入直流配網(wǎng)中，這對系統(tǒng)的投入成本和運(yùn)行損耗有極大的改善[8]。但是，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動性和隨機(jī)性也引發(fā)了光伏發(fā)電的消納問題，從而使得直流配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問題更為復(fù)雜化[9]。如何改善系統(tǒng)的運(yùn)行，設(shè)計出適合直流配電網(wǎng)的優(yōu)化模型，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化運(yùn)行是目前亟待解決的問題。

目前針對配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，主要集中在微網(wǎng)和交直流混合配電網(wǎng)層面。文獻(xiàn)[10]對交直流混合微網(wǎng)提出了計及儲能運(yùn)行特性的優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)[11]提出了考慮電價型需求響應(yīng)的交直流混合配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法，并將非線性模型進(jìn)行線性化處理以便于求解；文獻(xiàn)[12]提出一種將海水抽蓄電站作為儲能設(shè)備，配合風(fēng)電場、柴油機(jī)組運(yùn)行的海島微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方案；文獻(xiàn)[13]提出一種基于分時電價機(jī)制下，儲能單元調(diào)度策略與可控微源動態(tài)優(yōu)化調(diào)度相結(jié)合的微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度方法。以上研究是較為成熟的微網(wǎng)和交直流混合配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型、優(yōu)化方法以及調(diào)度策略，可以成為研究直流配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的借鑒。但在實際研究中需要考慮直流配電網(wǎng)中大量分布式電源接入機(jī)組組合、儲能裝置運(yùn)行計劃、可再生能源不確定性出力及多電壓等級網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等諸多方面問題。

在目前直流配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度研究中，文獻(xiàn)[14]考慮在直流配電網(wǎng)中接入分布式電源對系統(tǒng)的影響，但并未考慮分布式電源接入系統(tǒng)后，其波動性和隨機(jī)性對優(yōu)化結(jié)果所造成的影響，未考慮相應(yīng)的改善方法；文獻(xiàn)[15]提出一種新的能量管理策略，電動汽車充電站起到儲能作用，充分利用可再生能源出力，減少功率波動，最小化直流配電系統(tǒng)中的運(yùn)行成本。但是在單電壓等級中進(jìn)行分析，網(wǎng)絡(luò)模型過小，所考慮的優(yōu)化情景不夠豐富，缺乏對比驗證分析。

現(xiàn)有研究表明：針對直流配網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的相關(guān)研究較少，特別是對含分布式電源的直流配網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法有待進(jìn)一步研究；同時，因其運(yùn)行情況多變、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對優(yōu)化模型的建立、運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)計有待進(jìn)一步完善。與交流配網(wǎng)相比，直流配網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)電壓和各支路功率可以方便的通過變換器進(jìn)行調(diào)控；直流配網(wǎng)可以根據(jù)實際情況及要求進(jìn)行網(wǎng)架互聯(lián)互動，這是直流配網(wǎng)明顯區(qū)別于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的特征。

鑒于上述分析，針對含有光伏發(fā)電系統(tǒng)的多電壓等級直流配電網(wǎng)進(jìn)行研究，本文建立了基于源網(wǎng)荷儲互動的直流配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，并采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解。多種運(yùn)行工況的仿真結(jié)果驗證了調(diào)度模型的有效性。

1 直流配電網(wǎng)分析

典型的多電壓等級直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[16]如圖1所示，其中，交流系統(tǒng)通過電壓源型換流器VSC（voltage source converter）將交流電轉(zhuǎn)換為中壓直流電，至少有一端VSC采用定電壓控制策略，并作為平衡節(jié)點(diǎn)維持直流母線電壓穩(wěn)定，通過直流線路傳輸轉(zhuǎn)換后電能；DC/DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)不同電壓等級配電和新能源接入。圖1所示的直流配電網(wǎng)中，包含典型的光伏發(fā)電單元、負(fù)荷及儲能系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電可以直接通過太陽能電池將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，并經(jīng)直流母線并入直流配電網(wǎng)，轉(zhuǎn)化過程不排放任何污染物質(zhì)，是一種可持續(xù)發(fā)展的清潔能源。但是，由于太陽光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等外在因素會使光伏發(fā)電的輸出功率隨之變化，這將使得光伏發(fā)電出力存在波動性和隨機(jī)性。

圖1 直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of DC distribution network

同樣，接入直流配網(wǎng)的負(fù)荷通常也具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動特性。這些都是影響直流配電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。因此，在直流配電網(wǎng)中引入儲能系統(tǒng)ESS（energy storage system）。儲能系統(tǒng)的合理配置可以提高有源配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，憑借電力電子裝置快速調(diào)節(jié)能力，成為解決光伏出力波動的有效途徑，并配合光伏進(jìn)行削峰填谷。

2 源網(wǎng)荷儲互動系統(tǒng)分析及建模

隨著智能電網(wǎng)的深入發(fā)展和靈活設(shè)備的大規(guī)模接入，在多電壓等級直流配電網(wǎng)中，實現(xiàn)了直流配電系統(tǒng)中源側(cè)、負(fù)荷側(cè)和儲能側(cè)能量和信息的雙向傳輸，網(wǎng)側(cè)通過DC/DC變換器進(jìn)行互動優(yōu)化，形成了廣泛的源網(wǎng)荷儲互動，如圖2所示。一個成熟的源網(wǎng)荷儲交互研究將為控制未來直流配電網(wǎng)并指導(dǎo)其發(fā)展提供理論依據(jù)。這種廣泛的交互系統(tǒng)將改變傳統(tǒng)源側(cè)和網(wǎng)側(cè)根據(jù)用戶行為被動調(diào)整的情況，在安全性和可靠性指標(biāo)前提下，可平衡發(fā)電和能源消耗狀況。

圖2 源網(wǎng)荷儲互動模式Fig.2 Interactive mode of source-grid-load-storage

在直流配電網(wǎng)中，除常規(guī)電源外，源側(cè)還包括間歇電源和其他新型電源；在負(fù)荷側(cè)，除了傳統(tǒng)負(fù)荷之外，還有如電動車輛，智能家用電器之類的靈活可控的負(fù)荷。在規(guī)劃過程中充分考慮不同的負(fù)載特性，并引入互動負(fù)荷管理，合理規(guī)劃儲能，實現(xiàn)分布式電源和儲能系統(tǒng)的主動管理和控制。在配網(wǎng)中，同電壓等級和不同電壓等級間使用可調(diào)控DC/DC變換器進(jìn)行優(yōu)化互動，使母線電壓和傳輸功率能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況做出相應(yīng)調(diào)整，最終實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲互相協(xié)調(diào)，達(dá)到直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行。

2.1 互動負(fù)荷特性

互動負(fù)荷按類型分為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷時間靈活，工作需求可在一定時間內(nèi)完成，可通過避峰生產(chǎn)等措施將用電需求轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)負(fù)荷低谷時段，例如電動汽車換電站以及部分居民負(fù)荷等[17]。令CTL表示這種類型的電氣設(shè)備，則其特性描述為

式中：VA為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷A的負(fù)荷特性；為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷A的最小功率和最大功率；為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷A的起始運(yùn)行時間和終止運(yùn)行時間；為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷A規(guī)定所需完成的最少用電量。

可中斷負(fù)荷根據(jù)供用電雙方事先協(xié)商后所簽訂的協(xié)議，在電網(wǎng)用電高峰期供電不足情況下，為滿足電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行，中斷對事先指定負(fù)荷的短時供電且不會影響正常工作和生活。例如大型工業(yè)用戶以及灌溉設(shè)備等，其特性描述為

2.2 儲能系統(tǒng)和互動負(fù)荷對光伏消納影響

光伏發(fā)電因其自身出力具有波動性和隨機(jī)性，限制了系統(tǒng)對光伏的接納能力，不得不導(dǎo)致光伏出力一定程度的削減，存在一定程度的“棄光”現(xiàn)象。因此，需要通過一定手段的主動控制和有效管理，在滿足系統(tǒng)可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的條件下，提高對光伏的消納能力。光伏的消納能力可表示為

式中：Rpv為光伏的消納率；Eload為由負(fù)荷所消納的光伏發(fā)電電能；Eess為儲能所消納的光伏電能；Epv為光伏的總發(fā)電量。

儲能系統(tǒng)具備電源和負(fù)荷雙重性質(zhì)，在光伏發(fā)電大于負(fù)荷需求時，消納多余的光伏資源將功率進(jìn)行存儲，提高光伏利用率；而在光伏發(fā)電不足時能夠維持功率平衡，將所存儲電量釋放出來為系統(tǒng)供電。并且通過合理的引導(dǎo)和調(diào)度互動負(fù)荷，使可轉(zhuǎn)移負(fù)荷避開用電高峰時段，在光伏發(fā)電過多的用電低谷時段運(yùn)行，相當(dāng)于為系統(tǒng)增加了負(fù)備用容量。可中斷負(fù)荷在用電高峰時段，能夠使其中斷，減小負(fù)荷需求量，相當(dāng)于為系統(tǒng)增加了正備用容量，使系統(tǒng)滿足功率平衡要求，減小了光伏對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

2.3 網(wǎng)側(cè)互動建模分析

直流配電網(wǎng)中網(wǎng)側(cè)互動主要通過可調(diào)控的DC/DC變換器進(jìn)行，其中，連接不同電壓等級的變換器通過調(diào)控輸出電壓或功率參與優(yōu)化互動。在一定電壓裕度范圍內(nèi)，對系統(tǒng)中定電壓節(jié)點(diǎn)通過變換器進(jìn)行調(diào)壓，升高節(jié)點(diǎn)電壓能夠降低網(wǎng)損，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。DC/DC變換器具體模型可參照文獻(xiàn)[18]設(shè)計，對其進(jìn)行相應(yīng)電壓和功率限制，避免超限，則約束可表示為

式中：Ucimax和Ucimin分別為DC/DC變換器電壓上、下限；Pcimax和Pcimin分別為DC/DC變換器容量上、下限。

低壓配網(wǎng)在直流系統(tǒng)中可以綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性，通過功率可調(diào)控的DC/DC變換器進(jìn)行互聯(lián)?？煽啃灾饕菫榈蛪贺?fù)荷提供另一回路供電電源，對于分布式電源提供另一條同電壓等級的就地功率消納通道；經(jīng)濟(jì)性需要考慮聯(lián)網(wǎng)投入成本，尤其是考慮在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過預(yù)測源?荷?儲趨勢進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控聯(lián)網(wǎng)變換器的傳輸功率方向和大小，從而提升多電壓等級直流配網(wǎng)運(yùn)行效率。此外，低壓直流網(wǎng)的互聯(lián)也能為低壓負(fù)荷提供優(yōu)質(zhì)的電壓質(zhì)量。

低壓互聯(lián)互動模型如圖3所示，在相同電壓等級下DC/DC變換器對于功率送端節(jié)點(diǎn)A，相當(dāng)于可中斷負(fù)荷；對于受端節(jié)點(diǎn)B，相當(dāng)于可調(diào)控儲能。DC/DC變換器通過調(diào)控傳輸功率方向和大小參與配網(wǎng)優(yōu)化互動。兩節(jié)點(diǎn)通過互聯(lián)支路所傳輸功率不能超過DC/DC變換器容量限制，DC/DC變換器功率調(diào)整范圍約束如式（7）所示。

圖3 低壓互聯(lián)互動模型Fig.3 Low-voltage interconnected interactive model

3 直流配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

1）運(yùn)行成本

直流配電網(wǎng)的運(yùn)行成本主要包括光伏成本Fpv、儲能成本Fess、向大電網(wǎng)購電成本Fgrid、網(wǎng)損成本Floss和互動負(fù)荷成本Fil，即

式中：T為調(diào)度周期；Ni為設(shè)備數(shù)量；cpv、cess、cbuy、csell、closs、cls、ccu分別為光伏系統(tǒng)單位發(fā)電成本、儲能系統(tǒng)單位發(fā)電成本、購電電價、售電電價、網(wǎng)損成本、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷補(bǔ)償成本、可中斷負(fù)荷補(bǔ)償成本；Ppv,i、Pess,i、Pbuy、Psell、Ploss、Pls,sub、Pcu,sub分別為光伏發(fā)電功率、儲能系統(tǒng)充放電功率、購電電量、售電電量、網(wǎng)絡(luò)總損耗、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷功率、可中斷負(fù)荷功率。

2）電壓偏差

光伏發(fā)電的波動性和隨機(jī)性影響直流配電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量，電壓偏差是衡量電能質(zhì)量的關(guān)鍵因素，若電壓偏差超過合理范圍則會影響用電設(shè)備的壽命和效率，電壓偏差越大，越容易造成電壓越限。因此將電壓偏差最小作為目標(biāo)函數(shù)，可表示為

式中：Ui,t為t時段節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值；Uei為節(jié)點(diǎn)i的額定電壓。

3）網(wǎng)損率

系統(tǒng)中引入互動負(fù)荷，勢必會對電網(wǎng)的潮流分布造成影響，進(jìn)而系統(tǒng)中的網(wǎng)損也會受到相應(yīng)的影響。因此將網(wǎng)損率最小作為目標(biāo)函數(shù)，可表示為

式中：PLi,loss為線路i的損耗；PTj,loss為變壓器j上的損耗；Ptotal為全網(wǎng)輸入的總有功功率。

3.2 約束條件

（1）功率平衡約束為

（2）節(jié)點(diǎn)電壓約束為

式中：Ui,t為t時段節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值；為t時段節(jié)點(diǎn)i電壓的上、下限。

（3）線路傳輸功率約束為

式中：Pij,t為t時段線路ij上的傳輸功率；為t時段線路ij上的最大傳輸功率。

（4）儲能系統(tǒng)約束如下。充放電深度影響儲能系統(tǒng)中蓄電池的壽命，過沖過放都會造成蓄電池壽命的損耗，所以需要對蓄電池荷電狀態(tài)SOC（t）進(jìn)行約束，即

（5）光伏發(fā)電約束。為了更好地適應(yīng)分布式光伏的并網(wǎng)發(fā)展，直流配電網(wǎng)中光伏的輸出功率和消納率應(yīng)有相應(yīng)的約束，即

式中：Rpv,min為光伏消納率的最小值；Ppv(t)為光伏系統(tǒng)t時段輸出功率；為光伏系統(tǒng)t時段輸出功率最大值。

（6）配網(wǎng)與外網(wǎng)交互功率約束。過大的功率交互會對電網(wǎng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此應(yīng)對直流配電網(wǎng)的功率交互有相應(yīng)的約束，即

（7）互動負(fù)荷約束。只是針對互動負(fù)荷中的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行約束，互動進(jìn)行期間內(nèi)負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移量不得超出可轉(zhuǎn)移負(fù)荷自身容量，即

式中：mload為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)移量；Mload為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷容量。

4 多目標(biāo)優(yōu)化解決方案

在多目標(biāo)優(yōu)化中，由于每個指標(biāo)的作用、地位不相同，實際控制分配系統(tǒng)考察的優(yōu)化目標(biāo)往往是綜合的而非單一的，甚至出現(xiàn)沖突和矛盾。因此，必須根據(jù)每個指標(biāo)的重要程度合理地賦予不同的權(quán)重。要實現(xiàn)控制權(quán)重系數(shù)滿足所有目標(biāo)均達(dá)到最優(yōu)通常是很難實現(xiàn)的，還需采取折中方案，通過決策者對各目標(biāo)重要性的“權(quán)衡”獲取一組使各目標(biāo)都盡可能優(yōu)的最優(yōu)解。權(quán)重系數(shù)對優(yōu)化過程的性能和效率具有重要影響，采用不同權(quán)重系數(shù)控制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化算法的保證，本文綜合考慮總運(yùn)行成本、電壓偏差和網(wǎng)損率3個目標(biāo)函數(shù)對優(yōu)化的影響，建立權(quán)重系數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型，即

式中：μ1、μ2、μ3為數(shù)量級系數(shù)；a1、a2、a3和c1、c2、c3、c4、c5為權(quán)重系數(shù)，并且滿足方程a1+a2+a3=1，c1+c2+c3+c4+c5=1。綜合考慮光伏出力和負(fù)荷功率的預(yù)測結(jié)果，依據(jù)直流配電網(wǎng)運(yùn)行策略，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法[19]對所提出模型進(jìn)行求解，具體求解步驟如圖4所示。

圖4 粒子群算法流程Fig.4 Flowchartofparticleswarmoptimizationalgorithm

5 算例分析

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文直流配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度在某地區(qū)示范工程框架下進(jìn)行，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用雙端環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在±10 kV和±0.375 kV兩個電壓等級下運(yùn)行，共包含19個節(jié)點(diǎn)。其中，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2通過AC/DC換流器與交流電網(wǎng)相連；系統(tǒng)中光伏和儲能所接DC/DC變換器，其目的是將一個電壓值的直流電變成可調(diào)電壓的直流電；節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)10通過DC/DC變換器進(jìn)行電壓等級轉(zhuǎn)換，此處是將±10 kV變?yōu)椤?.375 kV；節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)9分別為電動汽車換電站和小區(qū)負(fù)荷，因其負(fù)荷特性被設(shè)置為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)8為工業(yè)園區(qū)，根據(jù)所簽訂協(xié)議可在一定時間段內(nèi)暫停生產(chǎn)，被設(shè)置為可中斷負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。本文的儲能設(shè)備以鋰離子電池為研究對象，為能夠更好地解決光伏消納的問題，儲能電站位置選取在光伏系統(tǒng)附近，儲能的容量配置應(yīng)選取足夠的容量，在綜合考慮儲能成本的情況下，針對確定的儲能功率輸出，基于文獻(xiàn)[20]方法進(jìn)行儲能選容。SOC的調(diào)節(jié)范圍均為2%～95%，充放電效率均為95%。節(jié)點(diǎn)類型及參數(shù)如表1所示，其余節(jié)點(diǎn)為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，負(fù)荷如圖5中標(biāo)注所示。區(qū)域1和區(qū)域2為低電壓等級中兩端不同區(qū)域，通過DC/DC變換器將節(jié)點(diǎn)13—節(jié)點(diǎn)17進(jìn)行互聯(lián)。

圖5 某算例直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of DC distribution network of one example

表1 直流配電網(wǎng)參數(shù)Tab.1 Parameters of DC distribution network

分析圖5所示直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，首先預(yù)測出24 h內(nèi)光伏發(fā)電和負(fù)荷的出力曲線，如圖6和圖7所示。以典型光伏出力預(yù)測曲線和典型負(fù)荷預(yù)測曲線為例進(jìn)行優(yōu)化算例驗證。

圖6 光伏出力預(yù)測曲線Fig.6 Prediction curves of photovoltaic output

圖7 總負(fù)荷功率預(yù)測曲線Fig.7 Prediction curve of total load power

各支路電阻如表2所示，目標(biāo)函數(shù)中電壓偏差標(biāo)準(zhǔn)取國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值±7%[21]。本文中直流配電系統(tǒng)考慮設(shè)置分時電價情況，具體電價信息如表3所示。在Matlab仿真平臺進(jìn)行優(yōu)化測試，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法對優(yōu)化模型進(jìn)行求解，通過上文所述權(quán)重系數(shù)式（21），設(shè)置a1=0.4，a2=a3=0.3；c1、c2、c3、c4、c5為同等權(quán)重系數(shù)均為0.2，并將各目標(biāo)歸算至統(tǒng)一數(shù)量級μ1=1，μ2=104，μ3=104。

表2 支路電阻Tab.2 Branch resistance

表3 直流配電網(wǎng)分時電價情況Tab.3 Time-of-use tariff of DC distribution network

5.2 源-荷-儲互動優(yōu)化系統(tǒng)分析

源?荷?儲互動優(yōu)化系統(tǒng)通過系統(tǒng)中儲能和互動負(fù)荷協(xié)同優(yōu)化，能夠有效提高系統(tǒng)中分布式電源消納能力。本文通過設(shè)置4種不同情景進(jìn)行對比分析如表4所示，考慮加入儲能系統(tǒng)和互動負(fù)荷后對直流配電網(wǎng)中優(yōu)化模型的影響，證明本文所建立的整體優(yōu)化思路有效性和正確性。

表4 對比情景設(shè)置Tab.4 Setting of contrastive scenarios

將4種不同情景分別進(jìn)行優(yōu)化仿真，得出如表5所示各種情景下的不同優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。對比情景1和情景2可得出，加入儲能系統(tǒng)可有效提高光伏消納率，運(yùn)行成本同樣有所降低。盡管初期投入和后期運(yùn)行維護(hù)需要一定成本，但儲能系統(tǒng)通過白天對光伏進(jìn)行消納充電，在夜間用電高峰進(jìn)行放電，能夠減少系統(tǒng)在峰時電價階段從大電網(wǎng)購電成本并增加售電收入，使系統(tǒng)總運(yùn)行成本得到降低，因此通過合理的配置儲能系統(tǒng)可以對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性一定程度地提升。

表5 4種情景下優(yōu)化結(jié)果Tab.5 Optimization results in four scenarios

對比情景1與情景3可得出，在系統(tǒng)中加入互動負(fù)荷，將用電高峰時期可轉(zhuǎn)移負(fù)荷移到白天光伏發(fā)電高峰，能解決光伏消納問題，提高了光伏消納率，通過用電高峰時期負(fù)荷轉(zhuǎn)移和可中斷負(fù)荷的中斷運(yùn)行計劃，有效地降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。將情景4中同時考慮互動負(fù)荷與儲能系統(tǒng)情況與情景2和3共同進(jìn)行對比可得出，在互動負(fù)荷與儲能系統(tǒng)同時運(yùn)行情況下，系統(tǒng)中光伏消納達(dá)到最佳情況，實現(xiàn)了直流配電系統(tǒng)對清潔能源的高效利用，同時能很大程度上節(jié)約運(yùn)行成本?；迂?fù)荷根據(jù)自身運(yùn)行情況進(jìn)行合理轉(zhuǎn)移與中斷，使用戶側(cè)不僅避開峰時降低購電費(fèi)用，還能夠獲得系統(tǒng)補(bǔ)償費(fèi)用，提高了負(fù)荷側(cè)用戶滿意程度，實現(xiàn)源荷互動，達(dá)到源荷共贏。綜上，對比不同情景下優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，可得出直流配電系統(tǒng)中同時引入互動負(fù)荷與儲能系統(tǒng)，可在很大程度上減少向大電網(wǎng)購電量，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，并能夠提高光伏消納率，有效避免了光伏發(fā)電過剩情況下棄光現(xiàn)象，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。

5.3 源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)互動優(yōu)化分析

考慮對中低壓主網(wǎng)的優(yōu)化分析，通過源?網(wǎng)?荷?儲互動實現(xiàn)集中優(yōu)化調(diào)度，設(shè)置3種不同優(yōu)化調(diào)度方案。其中：方案1為第5.2節(jié)中源?荷?儲互動優(yōu)化系統(tǒng)參與優(yōu)化調(diào)度；方案2在方案1基礎(chǔ)上增加DC/DC變換器對定電壓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)壓；方案3在方案2的基礎(chǔ)上增加低電壓等級不同區(qū)域間互聯(lián)互動優(yōu)化，互聯(lián)支路電阻為1.039 Ω。

在優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)光伏消納和維持系統(tǒng)功率平衡的重要途徑，3種不同方案中各儲能運(yùn)行情況如圖8所示。當(dāng)白天光伏發(fā)電量大于負(fù)荷需求時，對儲能進(jìn)行充電來保證光伏的消納；在夜間光伏系統(tǒng)停止發(fā)電后，同樣處于用電的高峰期，儲能系統(tǒng)進(jìn)行放電，減少外網(wǎng)向直流配電網(wǎng)轉(zhuǎn)移電量，對系統(tǒng)成本和網(wǎng)損均有改善。

圖8 儲能充放電情況Fig.8 Charge and discharge of energy storage

3種不同方案中，節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)9可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后的對比如圖9所示，從圖中可以看出，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷是將夜間（18：00—22：00）期間部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到午間（10：00—14：00）來進(jìn)行運(yùn)行，這樣將高峰時段的負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移，不僅緩解了供電壓力，還對白天光伏的消納起到了促進(jìn)作用，能夠與儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)，既避免了棄光現(xiàn)象的發(fā)生，又緩解了儲能的充放電情況?；迂?fù)荷中8節(jié)點(diǎn)可中斷負(fù)荷為了協(xié)調(diào)系統(tǒng)起到削峰作用，在晚高峰時段進(jìn)行部分負(fù)荷的中斷，運(yùn)行最多中斷次數(shù)為2次，最大持續(xù)時間不超過2 h，中斷補(bǔ)償價格0.55元/（kW·h）。

圖9 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)移前后對比Fig.9 Comparison before and after the transfer of transferable load

3種不同方案中系統(tǒng)優(yōu)化后各節(jié)點(diǎn)電壓如表6所示，優(yōu)化前節(jié)點(diǎn)1—11額定電壓為10.000 0 kV，節(jié)點(diǎn)12—19額定電壓為0.375 0 kV。從結(jié)果中可以看出，網(wǎng)側(cè)通過DC/DC變換器參與互動，對各節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行修正，調(diào)整定電壓參考值，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。方案2和方案3中對定電壓節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2進(jìn)行調(diào)壓，在電壓偏差裕度范圍內(nèi)，升高節(jié)點(diǎn)電壓，使系統(tǒng)網(wǎng)損得到改善。

表6 優(yōu)化后各節(jié)點(diǎn)電壓Tab.6 Optimized voltage of each node kV

低壓等級互聯(lián)支路中DC/DC變換器采用定功率控制，對線路傳輸功率設(shè)定要求進(jìn)行限制，能夠?qū)鬏敼β蔬M(jìn)行人為調(diào)控。如圖10所示，方案3中互聯(lián)支路優(yōu)化后線路能夠?qū)鬏敼β蔬M(jìn)行實時調(diào)整，更符合系統(tǒng)需求。方案1和方案2未設(shè)置互聯(lián)互動優(yōu)化，傳輸功率于方案3中優(yōu)化前曲線一致。

圖10 互聯(lián)支路傳輸功率Fig.10 Transmission power of interconnected branch

設(shè)置3種不同方案進(jìn)行對比分析，優(yōu)化后結(jié)果如表7所示。方案1為第5.2節(jié)源?荷?儲互動優(yōu)化結(jié)果，將方案1與另兩種方案進(jìn)行對比可得出，增加網(wǎng)側(cè)互動能夠?qū)?yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)起到明顯的改善作用；方案2中增加的DC/DC變換器對定電壓節(jié)點(diǎn)調(diào)壓，升高節(jié)點(diǎn)電壓使網(wǎng)損率能夠明顯降低，雖然電壓偏差稍有提高，但總運(yùn)行成本在網(wǎng)損成本降低的情況下得到降低；進(jìn)一步對比方案3中優(yōu)化結(jié)果可知，通過對互聯(lián)線路功率進(jìn)行調(diào)控可使系統(tǒng)電壓偏差、網(wǎng)損率和總運(yùn)行成本相較于前兩種方案有明顯的改善，使優(yōu)化結(jié)果達(dá)到最優(yōu)。

表7 3種方案優(yōu)化結(jié)果對比Tab.7 Comparison of optimization result among three schemes

綜上所述，本文所提出源網(wǎng)荷儲互動優(yōu)化調(diào)度模型，能有效改善光伏并網(wǎng)存在的消納問題，網(wǎng)側(cè)通過DC/DC變換器互動，使直流配電系統(tǒng)的電壓偏差和網(wǎng)損率有效的降低，實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。

6 結(jié)語

本文基于含光伏發(fā)電系統(tǒng)的多電壓等級直流配電網(wǎng)，考慮系統(tǒng)中源網(wǎng)荷儲進(jìn)行互動，協(xié)調(diào)各部分之間關(guān)系。在網(wǎng)側(cè)，考慮同電壓等級和不同電壓等級通過可調(diào)控DC/DC變換器進(jìn)行互動優(yōu)化運(yùn)行，對線路傳輸功率和節(jié)點(diǎn)電壓可以做出相應(yīng)調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行；在負(fù)荷側(cè)，考慮利用互動負(fù)荷，通過對可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷的調(diào)度，既緩解了供電壓力，又對白天光伏消納起到了促進(jìn)作用；儲能系統(tǒng)通過對充放電進(jìn)行合理規(guī)劃，與其他單元共同作用使系統(tǒng)運(yùn)行情況達(dá)到最優(yōu)。通過設(shè)置直流配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，目標(biāo)函數(shù)包括運(yùn)行成本、電壓偏差和網(wǎng)損率，運(yùn)用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行加權(quán)求解，得出最后優(yōu)化結(jié)果。

算例仿真結(jié)果表明，在直流配電系統(tǒng)中運(yùn)用源網(wǎng)荷儲互動優(yōu)化模型，能夠有效降低系統(tǒng)電壓偏差和網(wǎng)損率，大幅提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，光伏出力能夠?qū)崿F(xiàn)有效消納，避免棄光現(xiàn)象發(fā)生，對優(yōu)化結(jié)果的改善更為明顯。因此，該優(yōu)化模型設(shè)計可以有效地運(yùn)用到直流配電系統(tǒng)實際運(yùn)行中，實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。