汪慧敏 楊 蘋(píng) 余雁琳

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院 廣州 510640）（2.廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 511458）

1 引言

隨著分布式電源在配電網(wǎng)中滲透率日益提高，以及市場(chǎng)環(huán)境下需求響應(yīng)的開(kāi)展，傳統(tǒng)配電網(wǎng)正在向主動(dòng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變［1～3］。分布式電源的出力隨機(jī)性和需求側(cè)資源的調(diào)度潛能增加了配電網(wǎng)運(yùn)行和規(guī)劃的不確定性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法已經(jīng)不適用于主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃［4～5］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃展開(kāi)了廣泛研究。文獻(xiàn)［6～8］考慮DG出力的不確定性和時(shí)序性，基于隨機(jī)潮流、概率場(chǎng)景和模糊理論對(duì)多類型DG進(jìn)行了多目標(biāo)規(guī)劃。文獻(xiàn)［9］提出一種考慮配電公司、DG運(yùn)營(yíng)商和用戶利益的ADN三層規(guī)劃模型，并采用結(jié)合支持向量機(jī)回歸（SVR）擬合潮流計(jì)算的并行遺傳膜算法（PGMA）求解。文獻(xiàn)［10］采用多狀態(tài)模型對(duì)光伏和電容器進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化配置。文獻(xiàn)［11］將儲(chǔ)能、無(wú)功補(bǔ)償加入ADN規(guī)劃選項(xiàng)，以綜合成本、供電可靠性、溫室氣體排放量為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行求解。文獻(xiàn)［12］計(jì)及儲(chǔ)能接入的影響，建立上層考慮網(wǎng)損靈敏度、下層考慮投資效益、電壓穩(wěn)定性及有功網(wǎng)損的雙層規(guī)劃模型?，F(xiàn)有研究較少考慮需求側(cè)響應(yīng)中的可中斷負(fù)荷對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響，沒(méi)有充分發(fā)掘需求側(cè)響應(yīng)的規(guī)劃潛能。因此，本文以年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，建立考慮需求側(cè)響應(yīng)的主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電源規(guī)劃模型，在IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)上驗(yàn)證了規(guī)劃模型及求解方法的有效性，并分析了需求側(cè)響應(yīng)對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響。

2 規(guī)劃模型建立

選取光伏發(fā)電機(jī)（Photovoltaic Generator，PVG）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Wind Turbine Generator，WTG）和微型燃?xì)廨啓C(jī)（Micro Turbine Generator，MTG）作為待規(guī)劃分布式電源。光照強(qiáng)度服從Beta分布［13］，風(fēng)速服從Weibull分布［14～15］，負(fù)荷服從正態(tài)分布。利用Homer軟件生成一年8760h內(nèi)光照強(qiáng)度、風(fēng)速和負(fù)荷的數(shù)據(jù)，再由K值聚類將其縮減為30個(gè)場(chǎng)景，然后將光照強(qiáng)度、風(fēng)速轉(zhuǎn)化為光伏和風(fēng)機(jī)的有功出力。從區(qū)域能源供應(yīng)商利益出發(fā)，以年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，建立考慮DSR的主動(dòng)配電網(wǎng)DG規(guī)劃模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

優(yōu)化目標(biāo)為年綜合費(fèi)用最小，如式（1）所示，各分項(xiàng)計(jì)算公式如式（2）～（10）所示。

1）折算到每年的DG固定投資費(fèi)fI

其中，RPVG、RWTG、RMTG為PVG、WTG、MTG的現(xiàn)值轉(zhuǎn)等年值系數(shù)，yPVG、yWTG和yMTG為經(jīng)濟(jì)使用年限，d為貼現(xiàn)率，Nbus為分布式電源待規(guī)劃節(jié)點(diǎn)數(shù)，和表示安裝在節(jié)點(diǎn)i處的PVG、WTG、MTG額定容量，和為PVG、WTG、MTG的單位容量固定投資成本。

2）每年的DG運(yùn)行維護(hù)費(fèi)fOM

3）MTG燃料成本fF

4）ADN向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)fB

其中，Psub,s表示在場(chǎng)景s下ADN向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電的有功功率，δs表示向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電的單位電價(jià)。5）有功網(wǎng)損費(fèi)用fLOSS

其中，cLOSS表示單位電量有功網(wǎng)損產(chǎn)生的費(fèi)用，PLOSS,s表示場(chǎng)景s下ADN中總的有功網(wǎng)損。

6）實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)產(chǎn)生的補(bǔ)償成本fDSR

其中，NDSM表示DSR待規(guī)劃節(jié)點(diǎn)數(shù)，PDSM,j,s表示在場(chǎng)景s下需求側(cè)響應(yīng)節(jié)點(diǎn)j處可中斷負(fù)荷的中斷功率，τj表示單位電量可中斷負(fù)荷的中斷補(bǔ)償費(fèi)。

2.2 約束條件

1）DG的裝機(jī)容量約束

2）節(jié)點(diǎn)功率平衡等式約束

場(chǎng)景s下節(jié)點(diǎn)i的有功功率注入和無(wú)功功率注入分別表示為Pi,s和Qi,s；節(jié)點(diǎn)i和j處的電壓幅值分別表示為Ui,s和Uj,s，電壓相角差值表示為θij,s，其間支路電導(dǎo)表示為Gij，支路電納表示為Bij。

3）節(jié)點(diǎn)電壓約束

Ui,s表示模擬運(yùn)行場(chǎng)景s下節(jié)點(diǎn)i處實(shí)際電壓幅值，和分別表示其允許的最大值和最小值。

4）支路容量約束

其中，Sj,s表示場(chǎng)景s下支路j的視在功率實(shí)際值，Sjmax表示支路j處允許流過(guò)的最大視在功率值。

5）分布式電源滲透率約束

其中，ε為待規(guī)劃ADN內(nèi)允許的最大DG滲透率，PSUM為ADN中負(fù)荷有功的總和。

6）負(fù)荷中斷量約束

3 模型轉(zhuǎn)化及求解

基于分解協(xié)調(diào)思想，將模型分解為規(guī)劃層和運(yùn)行層，如圖1。上層確定使年綜合費(fèi)用最小的分布式電源安裝方案，下層用于確定規(guī)劃層給定分布式電源安裝方案下的最優(yōu)負(fù)荷中斷方案。采用雙層粒子群算法和前推回代法的混合策略對(duì)上述規(guī)劃模型求解，算法流程圖如圖2。其中，下層目標(biāo)函數(shù)可表示為

圖1 雙層規(guī)劃模型框圖

圖2 算法流程圖

4 算例分析

4.1 算例概況

利用Matlab軟件對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D3所示，網(wǎng)絡(luò)中總有功負(fù)荷為3715kW、總無(wú)功負(fù)荷為2300kVar。DG的待選擇節(jié)點(diǎn)為14、17、21、25、30。需求側(cè)響應(yīng)待選節(jié)點(diǎn)為12、15、26、33。ADN規(guī)劃運(yùn)行相關(guān)參數(shù)如表1所示。ADN所在區(qū)域20m處風(fēng)速符合兩參數(shù)Weibull分布，其中參數(shù)k=2.30，c=8.92。所在區(qū)域光照強(qiáng)度符合Beta分布，參數(shù)α=0.85，β=0.85。

表1 ADN規(guī)劃運(yùn)行相關(guān)參數(shù)

圖3 IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)拓?fù)鋱D

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 考慮DSR與不考慮DSR的的DG最優(yōu)規(guī)劃方案對(duì)比

如表2所示，相比于不考慮DSR的最優(yōu)DG規(guī)劃方案，考慮DSR得到的最優(yōu)DG規(guī)劃方案對(duì)應(yīng)的最小年綜合費(fèi)用降低了7.6936萬(wàn)元，降幅為0.78%?？紤]DSR對(duì)分布式電源規(guī)劃的影響后，DG滲透率降低，投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用減小，這是因?yàn)樾枨髠?cè)響應(yīng)改變了ADN的潮流分布，在某些極端運(yùn)行情況下，比如當(dāng)風(fēng)光資源很差導(dǎo)致風(fēng)機(jī)光伏出力很小而負(fù)荷很大時(shí)，ADN可以通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)切除部分可中斷負(fù)荷，使得電氣約束也能得到滿足，進(jìn)而維持ADN的潮流分布和安全運(yùn)行，減少新增分布式電源投資。

表2 考慮DSR與不考慮DSR規(guī)劃結(jié)果對(duì)比

同時(shí)，考慮DSR的優(yōu)化結(jié)果中DG總安裝容量更小，由于分布式電源接入配電網(wǎng)是有助于降低網(wǎng)損的，較少的DG安裝容量會(huì)帶來(lái)更高的網(wǎng)損費(fèi)用，但實(shí)際仿真結(jié)果中網(wǎng)損費(fèi)用降低，說(shuō)明需求側(cè)響應(yīng)的可中斷負(fù)荷可以等效為發(fā)電側(cè)資源，合理的中斷方案具有降低網(wǎng)損的作用。

4.2.2 需求側(cè)響應(yīng)對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響

不同中斷補(bǔ)償電價(jià)下的最小年綜合費(fèi)用及對(duì)應(yīng)的年總中斷量如圖4所示。隨負(fù)荷中斷電價(jià)的增加，年中斷總量呈下降趨勢(shì)，最小年綜合費(fèi)用呈上升趨勢(shì)。其中，0.4元/（kW·h）到0.6元/（kW·h）是轉(zhuǎn)折區(qū)間，當(dāng)中斷電價(jià)低于0.4元/（kW·h）時(shí)，可中斷負(fù)荷的年中斷總量處于較高水平，最優(yōu)規(guī)劃方案對(duì)應(yīng)的最小年綜合費(fèi)用增長(zhǎng)較快。當(dāng)中斷電價(jià)高于0.6元/（kW·h）時(shí)，增長(zhǎng)則較緩慢。中斷電價(jià)從0.4元/（kW·h）變到0.6元/（kW·h）時(shí)，年中斷總量急劇下降，而后趨于平緩。這表明，中斷電價(jià)低于折算的等電量發(fā)電成本時(shí)，通過(guò)DSR切除大量負(fù)荷來(lái)減少新增DG投資；中斷電價(jià)高于折算的等電量發(fā)電成本時(shí)，直接投資新增DG更為經(jīng)濟(jì)，因此負(fù)荷年中斷量較小。

圖4 中斷電價(jià)對(duì)最小年綜合費(fèi)用和年中斷總量的影響

5 結(jié)語(yǔ)

以年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)建立考慮需求側(cè)響應(yīng)的分布式電源規(guī)劃模型，采用雙層規(guī)劃的粒子群算法和前推回代法的混合策略對(duì)模型求解，得出如下結(jié)論。

1）在ADN中進(jìn)行DG規(guī)劃時(shí)，DSR會(huì)影響DG的接入方案，進(jìn)而影響年綜合費(fèi)用。實(shí)施DSR后，在某些極端運(yùn)行情況下可以通過(guò)切負(fù)荷來(lái)維持配電網(wǎng)潮流合理分布和安全運(yùn)行，而不需要新增分布式電源投資，因此可降低規(guī)劃方案中的分布式電源投資和運(yùn)行費(fèi)，進(jìn)而降低年綜合費(fèi)用。

2）需求側(cè)響應(yīng)的可中斷負(fù)荷可以等效為發(fā)電側(cè)資源，合理的中斷方案有助于降低系統(tǒng)網(wǎng)損。

3）當(dāng)中斷電價(jià)低于折算的等電量發(fā)電成本時(shí)，通過(guò)DSR切除大量負(fù)荷來(lái)減少新增DG投資；當(dāng)中斷電價(jià)高于折算的等電量發(fā)電成本時(shí)，直接投資新增DG更為經(jīng)濟(jì)。因此，建議根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)定可中斷負(fù)荷的補(bǔ)償電價(jià)。