宋弘亮，余萃卓，裘秀萍，朱夢(mèng)穎，彭勇剛

（1.寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

0 引言

隨著全球變暖加劇、氣候惡化、化石能源逐漸枯竭、新能源技術(shù)發(fā)展，電力能源逐漸由傳統(tǒng)火電向新能源轉(zhuǎn)型。近年來(lái)，我國(guó)新能源裝機(jī)容量和比率均持續(xù)增長(zhǎng)，隨著可再生能源的大量接入，可再生能源并網(wǎng)對(duì)于傳統(tǒng)主電網(wǎng)的能效等各方面的影響引起了學(xué)者的興趣。在能效方面，文獻(xiàn)[1]針對(duì)國(guó)內(nèi)特高壓和超高壓為骨架的主網(wǎng)進(jìn)行了新能源接入的能效要素影響的研究，證實(shí)新能源接入傳統(tǒng)主網(wǎng)優(yōu)勢(shì)不明顯甚至有負(fù)面影響。因此尋找更優(yōu)的可再生能源接入方式成為目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。以電力電子器件作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的交直流混合網(wǎng)絡(luò)因具有控制靈活性、轉(zhuǎn)換過(guò)程中較大的節(jié)能潛力[2]，引起了大量學(xué)者的關(guān)注。同時(shí)，伴隨“碳中和”理念的提出和踐行，各研究團(tuán)體也逐漸對(duì)能源利用效率產(chǎn)生了較大的興趣。

文獻(xiàn)[3]對(duì)微網(wǎng)從經(jīng)濟(jì)層面提出了綠色虛擬資源的新能效概念及能效經(jīng)濟(jì)最優(yōu)模型，借助提出的EEI（經(jīng)濟(jì)效率指數(shù)）、TEI（技術(shù)效率指數(shù)）和TTEI（總技術(shù)效率指數(shù)）3 個(gè)復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟(jì)系數(shù)對(duì)微網(wǎng)進(jìn)行了評(píng)估和優(yōu)化，但是更適用于規(guī)劃前期，對(duì)于運(yùn)行等其他壽命階段無(wú)法單獨(dú)提出優(yōu)化意見(jiàn)。文獻(xiàn)[4]對(duì)國(guó)內(nèi)建筑各類(lèi)能效設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和對(duì)比，得出在電力供應(yīng)受限、以化石燃料為基礎(chǔ)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，采用離網(wǎng)和零能耗建筑具有顯著的溫室氣體減排潛力，但是沒(méi)有考慮全壽命周期各個(gè)階段不同狀態(tài)，也沒(méi)有考慮直流配電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行能效優(yōu)化也無(wú)法提出運(yùn)行意見(jiàn)。文獻(xiàn)[5]對(duì)阿爾及利亞南部地區(qū)的光伏系統(tǒng)進(jìn)行了電氣和氣象數(shù)據(jù)的收集和分析，證明了環(huán)境參數(shù)的變化對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)損耗的性能都有直接影響，光伏板、換流器及系統(tǒng)的能效在最大、最小月均有變化。文獻(xiàn)[6]基于階梯的綜合能效評(píng)價(jià)方法建立了評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)能效的綜合評(píng)價(jià)，但是沒(méi)有建立具有物理意義的指標(biāo)和損耗間關(guān)系。文獻(xiàn)[7]提供了一種簡(jiǎn)單的交直流配電網(wǎng)絡(luò)能耗和能效計(jì)算方法，但是沒(méi)有考慮電力電子器件和各部分損耗與潮流無(wú)功等各個(gè)因素的關(guān)系。文獻(xiàn)[8]針對(duì)交流電網(wǎng)提出了能效診斷方法，從功率和無(wú)功分布方面給出有效的區(qū)域配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化意見(jiàn)，但是沒(méi)有考慮直流網(wǎng)絡(luò)和新能源新型負(fù)荷等設(shè)備的影響，也沒(méi)有考慮全壽命周期各個(gè)階段的能效需求。

國(guó)內(nèi)也有大量學(xué)者對(duì)于電網(wǎng)的能效評(píng)估方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9-13]利用各種方法選定指標(biāo)體系和賦權(quán)方法，或采用不同的數(shù)據(jù)采集及分析方法，對(duì)交流、直流等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了能效評(píng)估，均驗(yàn)證了其有效性。文獻(xiàn)[14]對(duì)光伏電站的不同形式進(jìn)行了能效對(duì)比，得到了對(duì)光伏接入方法十分有益的定量結(jié)論。然而沒(méi)有考慮到全壽命周期不同階段的不同需求和可變量，沒(méi)有得出選定指標(biāo)和能效間具有物理意義的關(guān)系。

本文提出一種基于潮流計(jì)算的能效分析和診斷方法，按照物理意義選取指標(biāo)，建立指標(biāo)和能效間具有物理意義的定量關(guān)系；然后考慮全壽命周期各階段的特征，確定各階段可變指標(biāo)，參考運(yùn)行規(guī)范確定各指標(biāo)正常浮動(dòng)范圍，并針對(duì)能耗最敏感的s 個(gè)指標(biāo)提出能效建議。

1 分析與建模

1.1 拓?fù)浜?jiǎn)化原則

對(duì)交直流配電網(wǎng)絡(luò)，定義母線為節(jié)點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)i 為例，母線i 上第k 條直供支路編號(hào)為ik 支路，節(jié)點(diǎn)i 和節(jié)點(diǎn)j 間的第k 條支路編號(hào)為ijk 支路，節(jié)點(diǎn)i 的電壓為Ui，節(jié)點(diǎn)間支路電壓按前一個(gè)下標(biāo)節(jié)點(diǎn)的電壓進(jìn)行計(jì)算，節(jié)點(diǎn)i 上直供支路電壓按節(jié)點(diǎn)i 電壓計(jì)算，全部計(jì)算值采用標(biāo)幺值，下文中如無(wú)特殊說(shuō)明，均符合以上原則。工程安裝完成后無(wú)需重復(fù)建模，測(cè)量數(shù)據(jù)需求量較小，只需在母線側(cè)進(jìn)行測(cè)量即可。實(shí)際接線如圖1 所示，簡(jiǎn)化拓?fù)淙鐖D2 所示。圖2 中，P 和Q 為支路有功功率和無(wú)功功率，R 和X 為支路電阻和電抗，所有量的下標(biāo)為支路編號(hào)。

圖1 實(shí)際交直流混合配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖2 簡(jiǎn)化后的交直流混合配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

1.2 回路損耗模型

交直流混合電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間設(shè)備包括電力電子器件、變壓器、線路、限流電抗器等，除電力電子器件外，均為傳統(tǒng)的線性元件，可以等效為一個(gè)線路阻抗。電力電子元器件模型則按文獻(xiàn)[15]進(jìn)行建模，其模型為：

式中：η 為電力電子元件能效；γ 為電力電子元件負(fù)載率。

ik 支路的變壓器等效模型為RTik+jXTik，線路元件等效模型為RSik+jXSik，限流電抗器等效模型為XGik，于是ik 支路的傳統(tǒng)元件等效模型為：

則ik 支路傳統(tǒng)元器件有功損耗為：

由此可得ik 支路損耗為：

式中：γik為ik 支路電力電子元件負(fù)載率；a，b，c為電力電子設(shè)備損耗參數(shù)，取值分別為-10.838，19.919 1，86.349 7。

1.3 指標(biāo)選取和物理意義確定

全部評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及定義見(jiàn)表1（無(wú)特殊說(shuō)明均按照標(biāo)幺值進(jìn)行計(jì)算），共選取9 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，于各個(gè)節(jié)點(diǎn)支路進(jìn)行計(jì)算。表1 中僅列出直供支路（下標(biāo)ik），對(duì)于節(jié)點(diǎn)間支路則將下標(biāo)改為ijk。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及定義

表1 中：Uin為節(jié)點(diǎn)i 所在系統(tǒng)的標(biāo)稱(chēng)電壓；l為該支路的線路長(zhǎng)度；Q 為該支路流過(guò)的無(wú)功潮流；P 為該支路流過(guò)的有功潮流；Pn為該支路線路額定有功功率；PT為變壓器流過(guò)有功功率；PTn為變壓器額定有功功率；Pre為可再生能源實(shí)際有功出力；Pren為可再生能源額定容量；PDn為電力電子設(shè)備額定容量；RT和XT為變壓器等效電阻和電抗；RS和XS為該支路上線路元件的等效電阻和電抗；φ 為該支路流過(guò)潮流的功率因數(shù)角。

1.4 損耗關(guān)系模型建立

損耗微增關(guān)系矩陣如式（5）所示，該矩陣主要表達(dá)損耗變化與指標(biāo)變化間的確定性關(guān)系。

式中：μik為可再生能源出力比率。

2 評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)選取

2.1 評(píng)價(jià)方法

按式（14）計(jì)算評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，式（10）—（13）主要用于快速、明確地建立指標(biāo)及損耗間的微增關(guān)系。

式中：F 為最終評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)；bB，ikn為ik 支路各對(duì)應(yīng)指標(biāo)的基準(zhǔn)值。

式（11）—（13）為各節(jié)點(diǎn)直供支路和節(jié)點(diǎn)間支路的指標(biāo)微增矩陣，可以與損耗微增參數(shù)矩陣一起獲取各個(gè)時(shí)刻運(yùn)行狀態(tài)的配電網(wǎng)能耗與各個(gè)計(jì)算指標(biāo)間的確定性關(guān)系，從而較為準(zhǔn)確地得出各指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)總能耗的影響，同時(shí)減少或避免了部分?jǐn)?shù)據(jù)難以測(cè)量的問(wèn)題。根據(jù)損耗微增參數(shù)矩陣的數(shù)值，可以分析能耗對(duì)各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的敏感性。

2.2 全壽命周期指標(biāo)選取及范圍確定

將交直流混合配電系統(tǒng)的全壽命周期劃分為規(guī)劃階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)行階段，根據(jù)各階段的實(shí)際工程特點(diǎn)確定可變能效指標(biāo)，劃分各階段的能效指標(biāo)結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制范圍。

選取指標(biāo)時(shí)，依據(jù)各壽命階段的特征選取當(dāng)前階段可優(yōu)化參數(shù)，計(jì)算指標(biāo)選取以易于對(duì)損耗求偏導(dǎo)、不重復(fù)、能夠涵蓋表征指標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系為原則，考慮各階段應(yīng)變動(dòng)優(yōu)化及可變動(dòng)優(yōu)化的表征量、各階段能直接測(cè)量觀測(cè)或簡(jiǎn)單計(jì)算獲取的參量。

各階段均需選取電力電子設(shè)備負(fù)載率且直接與表征指標(biāo)對(duì)應(yīng)，其余指標(biāo)的選取如表2 所示，當(dāng)前階段不可變或不選取部分指標(biāo)值按0 計(jì)。

表2 全壽命周期各階段指標(biāo)選取及對(duì)應(yīng)表征指標(biāo)

各個(gè)壽命階段的計(jì)算指標(biāo)基準(zhǔn)值、指標(biāo)控制范圍及期望基準(zhǔn)值見(jiàn)表3。除電力電子設(shè)備負(fù)載率取基準(zhǔn)為0.95，支路無(wú)設(shè)備時(shí)基準(zhǔn)按0 計(jì)以外，其余指標(biāo)選取如表3 所示，當(dāng)前階段不選取部分指標(biāo)值基準(zhǔn)值及指標(biāo)值均按0 計(jì)。

表3 各壽命階段能效評(píng)估計(jì)算指標(biāo)基準(zhǔn)值及控制范圍（以ik 支路為例）

3 算例

3.1 典型拓?fù)涞慕恢绷骶W(wǎng)絡(luò)損耗微增矩陣

在圖2 的簡(jiǎn)化拓?fù)湎?，根?jù)表4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行各個(gè)支路的損耗微增矩陣計(jì)算。實(shí)際的能耗變化量取決于損耗微增矩陣的損耗微增參數(shù)及指標(biāo)偏離量。指標(biāo)偏離基準(zhǔn)值越大，則能效優(yōu)化潛力越大；指標(biāo)偏離越小，則能效優(yōu)化潛力越小。損耗微增參數(shù)越大，則該指標(biāo)優(yōu)化能耗的有效性越高；損耗微增參數(shù)越小，則該指標(biāo)優(yōu)化能耗的有效性越低。因此，診斷和評(píng)估時(shí)分別從兩方面進(jìn)行考慮：先將微增矩陣中的損耗微增參數(shù)由大至小排序，保留原編號(hào)；然后從最大參數(shù)對(duì)應(yīng)的支路指標(biāo)開(kāi)始查看指標(biāo)是否處于控制范圍內(nèi)，若是則刪除該支路指標(biāo)對(duì)應(yīng)的參數(shù)和指標(biāo)，繼續(xù)尋找下一個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)支路指標(biāo)，否則將參數(shù)和對(duì)應(yīng)支路指標(biāo)加入結(jié)果集；重復(fù)以上步驟至結(jié)果集數(shù)量滿足。

表4 算例數(shù)據(jù)

根據(jù)前兩章公式和圖2 的拓?fù)洌O(shè)項(xiàng)目處于運(yùn)行階段，代入表4 中數(shù)據(jù)，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)末端支路及各節(jié)點(diǎn)間支路的能耗微增參數(shù)矩陣，獲得的各個(gè)支路和節(jié)點(diǎn)間支路的損耗微增矩陣結(jié)果如下：

設(shè)s=3 時(shí)，所獲取的3 個(gè)結(jié)果集及其排序?yàn)棣?2，γ231，γ12，優(yōu)化建議為：節(jié)點(diǎn)5 第2 條直供支路電力電子器件負(fù)載率過(guò)低；節(jié)點(diǎn)2 與節(jié)點(diǎn)3 間第1 條線路電力電子器件負(fù)載率過(guò)低；節(jié)點(diǎn)1 第2 條直供支路電力電子器件負(fù)載率過(guò)低。

3.2 交直流網(wǎng)絡(luò)能效評(píng)分及對(duì)比

采用所述評(píng)分方式進(jìn)行優(yōu)化前的損耗計(jì)算和能效評(píng)分，其結(jié)果為：實(shí)際計(jì)算損耗為0.428 90 MW，總使用有功為3.245 MW；因此，其能效評(píng)分為86.8，總體能效尚可。

根據(jù)3.1 節(jié)診斷結(jié)果進(jìn)行能效優(yōu)化，通過(guò)修改末端功率的輸入輸出值來(lái)增加負(fù)載率。修改P52為0.23，修改P12為0.45，提升幾個(gè)指標(biāo)值后再次根據(jù)所述評(píng)分方式進(jìn)行損耗計(jì)算和能效評(píng)分，結(jié)果為：實(shí)際計(jì)算損耗為0.167 89 MW，總使用有功為3.625 MW，能效評(píng)分為95.37。評(píng)分較修改前有較大提升，說(shuō)明本文提出的基于損耗微增矩陣的診斷和優(yōu)化方法是有效的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種在工程全壽命周期均適用的交直流混合配電網(wǎng)絡(luò)的能效評(píng)估與診斷方法。先針對(duì)實(shí)際工程全壽命周期各個(gè)壽命階段的特征進(jìn)行指標(biāo)結(jié)構(gòu)劃分和指標(biāo)選?。辉籴槍?duì)交直流混合配電系統(tǒng)各種能耗元件，尤其是電力電子元件，建立各個(gè)元件的能耗模型，進(jìn)而建立線路損耗模型，推導(dǎo)出能耗與各個(gè)指標(biāo)間的確定性微增關(guān)系；最后通過(guò)實(shí)際算例，選取全壽命周期中的運(yùn)行階段，計(jì)算并驗(yàn)證了本文提出的全壽命周期交直流混合配電系統(tǒng)能效評(píng)估和診斷方法的有效性。

采用各個(gè)支路的損耗微增矩陣進(jìn)行交直流混合配電系統(tǒng)能效評(píng)估和診斷源自于小信號(hào)分析思想，考慮到電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性限制條件以及工程限制條件，實(shí)際各個(gè)階段的指標(biāo)變化范圍在系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)相對(duì)較小，此時(shí)微增可以較為準(zhǔn)確地反映各個(gè)指標(biāo)對(duì)能效的實(shí)際影響，結(jié)合指標(biāo)的允許變化范圍和損耗微增矩陣給出的確定性關(guān)系，可以準(zhǔn)確給出能效優(yōu)化診斷和建議。該方法為實(shí)際交直流混合配電網(wǎng)絡(luò)的能效評(píng)估和診斷提供技術(shù)支撐和理論基礎(chǔ)，具有一定的參考價(jià)值。