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        有源配電網(wǎng)中智能儲能軟開關(guān)規(guī)劃

        2021-11-12 06:41:16王春義丁子甲張興友何召慧徐振東
        山東電力技術(shù) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:換流器情形儲能

        王春義,丁子甲,張興友,何召慧,徐振東

        (1.國網(wǎng)山東省電力公司,山東 濟南 250001;2.國網(wǎng)山東省電力公司濟寧供電公司,山東 濟寧 272100;3.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院,山東 濟南 250003;4.山東科技大學電氣與自動化工程學院,山東 青島 266590)

        0 引言

        隨著大量分布式電源(Distributed Generation,DG)接入配電系統(tǒng),傳統(tǒng)配電網(wǎng)已經(jīng)難以滿足高新能源滲透率的要求,大量新能源接入系統(tǒng)在提升可再生能源利用率以及系統(tǒng)經(jīng)濟性的同時,會對配電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性帶來很大的挑戰(zhàn)。目前配電網(wǎng)的調(diào)控手段主要通過調(diào)節(jié)開關(guān)狀態(tài)來改變網(wǎng)架拓撲,以實現(xiàn)負荷的轉(zhuǎn)供、降低網(wǎng)絡(luò)損耗[1]。近年來,電力電子技術(shù)的大力發(fā)展推動了柔性電力電子設(shè)備的不斷革新,智能軟開關(guān)(Soft Open Point,SOP)在這種背景下衍生。作為一種智能配電裝置,智能軟開關(guān)具有雙向調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流的能力[2],既可以提升DG的滲透率,減緩網(wǎng)絡(luò)堵塞,同時可以對饋線的無功功率進行調(diào)節(jié),以改善電壓水平,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。智能軟開關(guān)實現(xiàn)了饋線之間的柔性互聯(lián)[3],可以實現(xiàn)實時的優(yōu)化,在空間和時間兩個維度對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。

        目前國內(nèi)外對于智能軟開關(guān)的研究已有初步成果,文獻[4]研究系統(tǒng)接入智能軟開關(guān)的成本及運行成本,同時考慮聯(lián)絡(luò)開關(guān)和智能軟開關(guān),提出它們同時存在的時序優(yōu)化模型,并利用模擬退火法和錐規(guī)劃結(jié)合的混合算法進行優(yōu)化。文獻[5-6]考慮到不同主體的利益需求,通過對分布式電源和智能軟開關(guān)的多層協(xié)調(diào)優(yōu)化來協(xié)調(diào)DG 運營商與配電公司的利益。文獻[7]考慮系統(tǒng)的不確定性因素,提出了兩個靈活性指標,構(gòu)建了以靈活性和經(jīng)濟性綜合性能為目標的模型。文獻[8]兼顧系統(tǒng)運行經(jīng)濟性及可靠性指標,通過可靠性與經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)規(guī)劃有效降低了配電網(wǎng)綜合成本,提升了經(jīng)濟效益。文獻[9]利用場景生成法構(gòu)建典型場景,構(gòu)建了智能軟開關(guān)選址定容的雙層規(guī)劃模型。文獻[10]為提升配電網(wǎng)運行經(jīng)濟性,利用改進靈敏度分析方法對SOP 選址定容。

        儲能裝置通過存儲或者釋放電能,可以在時間維度實現(xiàn)上對電能的轉(zhuǎn)移,以平衡分布式電源的波動性和間歇性,提高DG的消納水平[11]?;趦δ苎b置的這一優(yōu)點,智能儲能軟開關(guān)(Soft Open Point Integrated With ESS,ESOP)應(yīng)運而生。智能儲能軟開關(guān)通過SOP 與ESS 的高度集成,從時間和空間兩個維度調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流分布,從而降低網(wǎng)損、提高電壓水平。文獻[12-13]介紹了ESOP的物理結(jié)構(gòu)和數(shù)學模型,構(gòu)建了有源配電網(wǎng)中ESOP 的時序優(yōu)化模型。由于大功率電力電子裝置的投資成本比較高,因此選擇合理的規(guī)劃方案對有源配電網(wǎng)經(jīng)濟性的提升有著重大意義。

        在上述背景下,為進一步提升配電網(wǎng)調(diào)節(jié)性能的靈活性與運行經(jīng)濟性,考慮DG 和負荷的時序特性,以配電網(wǎng)絡(luò)年度綜合成本最小為目標建立了有源配電網(wǎng)中ESOP 規(guī)劃模型。最后,利用IEEE33 節(jié)點算例驗證模型的有效性和可行性。

        1 數(shù)學模型

        1.1 智能儲能軟開關(guān)

        受客觀因素限制,一般將ESOP安裝在聯(lián)絡(luò)開關(guān)或分段開關(guān)處。以背靠背電壓源型換流器為例,其物理拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中,ESS 為儲能電池,SOP 為智能軟開關(guān),儲能電池可以通過直流環(huán)節(jié)耦合到SOP,通過換流器實現(xiàn)電能的吸收或釋放。

        圖1 ESOP在配電網(wǎng)中的接入位置

        與SOP 相比,ESOP 的數(shù)學模型變得更加復(fù)雜,其中SOP部分的相關(guān)運行約束條件為:

        由于智能儲能軟開關(guān)中SOP 裝置和ESS 裝置的高度集成與耦合,因此還要考慮儲能系統(tǒng)的運行約束,其相關(guān)約束條件為:

        1.2 光伏發(fā)電模型

        DG 并網(wǎng)對于降低網(wǎng)絡(luò)損耗、提高電壓質(zhì)量以及減少環(huán)境污染有著重要作用,但以風電和光伏為主的間歇性DG具有波動性和不確定性的特點,因此充分考慮其時序性模具有重要意義。

        通常用Beta 分布來描述光照強度[14],其概率密度函數(shù)為

        式中:I為光照強度;Ir為最大光照強度;α、β為形狀參數(shù)。

        光伏的功率可以由光照強度表示為

        式中:Ppv為光伏實際出力;Ppvr為光伏出力的額定值。

        1.3 風力發(fā)電模型

        一般用兩參數(shù)的Weibull 分布來描述風速[15],其概率密度函數(shù)為

        式中:v為風速;c和?分別為尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。

        風電的實際出力可以通過風速近似地表示為

        式中:Pwg為風力發(fā)電機的實際出力;Pwgr為額定功率;vin、vr、vout分別為切入風速、額定風速和切出風速。光伏和風電的典型出力時序曲線分別如圖2 和圖3所示[16]。

        圖2 光伏典型出力曲線

        圖3 風電典型出力曲線

        1.4 負荷

        一般情況下,負荷滿足正態(tài)分布[17],其概率密度函數(shù)為

        式中:PL為負荷有功功率;QL為負荷無功功率;μ為有功期望值;σ為有功標準差;φ為功率因數(shù)角。

        考慮居民、工業(yè)和商業(yè)3 種負荷類型,3 種負荷類型的典型出力曲線[16]分別如圖4—圖6所示。

        圖4 居民負荷四季典型出力曲線

        圖5 工業(yè)負荷四季典型出力曲線

        圖6 商業(yè)負荷四季典型出力曲線

        2 目標函數(shù)

        對年度智能儲能軟開關(guān)投資成本、運行維護成本以及系統(tǒng)損耗成本進行綜合考慮,以年度綜合成本作為目標函數(shù),具體表達如式(18)—式(21)所示。

        式中:Cinv為年度綜合費用;C1為年度投資成本;C0為運行維護成本;CL為年網(wǎng)損成本;l為貼現(xiàn)率;ρ為設(shè)備經(jīng)濟使用年限;ψct為聯(lián)絡(luò)開關(guān)集合;cDC、cE和cSOP分別為DC/DC 轉(zhuǎn)換器、儲能電池和換流器的單位容量投資成本;λE為運行維護成本系數(shù);Ns為場景數(shù);Ms為場景s在一年中的總時長;ψbr為所有支路集合;rij為支路ij的電阻值;Iij,t,s為場景s下t時刻支路ij的電流大小;κs,t為場景s下t時刻的電價。

        3 約束條件

        1)智能儲能軟開關(guān)運行約束。具體表達式見式(1)—式(11)。

        2)潮流約束。系統(tǒng)要滿足潮流平衡約束,采用distflow 支路潮流法[18],具體如式(22)—式(27)所示。

        式中:φ(j)、σ(j)分別為以j為首節(jié)點和末節(jié)點的節(jié)點集合;Pij,t,s、Qij,t,s分別為場景s下t時刻支路ij的有功功率和無功功率;Pi,t,s、Qi,t,s分別為場景s下t時刻注入節(jié)點i的有功和無功功率;Ui,t,s、Uj,t,s分別為場景s下t時刻節(jié)點i、節(jié)點j的電壓;xij為支路ij的電抗值;分別為場景s下t時刻DG 注入節(jié)點i的有功功率和無功功率;分別為場景s下t時刻節(jié)點i處負荷的有功功率和無功功率。

        3)分布式電源輸出功率約束為:

        4)系統(tǒng)運行約束。系統(tǒng)在運行時,電壓和電流值應(yīng)保持在安全范圍內(nèi)。系統(tǒng)安全約束為:

        5)智能儲能軟開關(guān)規(guī)劃約束為:

        ESOP 的運行約束式(3)、式(4)以及潮流約束式(38)中存在二次項,對其進行凸松弛處理[19-20]。

        4 算例分析

        采用改進的IEEE33 節(jié)點算例對配電網(wǎng)中智能儲能軟開關(guān)的規(guī)劃進行分析與驗證,其拓撲結(jié)構(gòu)如圖7 所示。其中節(jié)點1 為電源節(jié)點,電壓等級為12.66 kV,基準功率為1 MVA;負荷總的有功功率為3 715 kW,無功功率為2 300 kVar。負荷和DG 的時序數(shù)據(jù)來源于文獻[16],ESOP 的經(jīng)濟性能參數(shù)取自文獻[21]。紅線表示聯(lián)絡(luò)開關(guān)支路,將ESOP安裝在聯(lián)絡(luò)開關(guān)上。在節(jié)點10、16、17、30、33 安裝WG,額定容量為300 kVA,功率因數(shù)為1;在節(jié)點7、13、27安裝PV,額定容量為200 kVA,功率因數(shù)為1;硬件環(huán)境為AMD Ryzen3 2200U CPU,主頻2.50 GHz,內(nèi)存8.0 GB,開發(fā)環(huán)境Win10 64 位,仿真軟件為MATLAB2016b,采用YALMIP 求解器和CPLEX 算法包進行求解。

        圖7 改進IEEE33節(jié)點算例

        考慮到負荷的時序特性,采用分時電價的方式,根據(jù)負荷的峰谷水平設(shè)置不同的購電價格,分時電價參數(shù)如表1所示。

        表1 分時電價參數(shù)

        根據(jù)本文方法對智能儲能軟開關(guān)進行規(guī)劃,規(guī)劃結(jié)果換流器容量、DC/DC 轉(zhuǎn)換器容量以及儲能電池容量如表2所示。

        表2 ESOP規(guī)劃結(jié)果

        為了驗證所提出的配電網(wǎng)中合理的ESOP 規(guī)劃方案對系統(tǒng)經(jīng)濟性的提升效果,從ESOP的安裝容量和安裝位置兩個方面進行分析。

        為分析ESOP 中ESS 及換流器的安裝容量對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響,在本文的規(guī)劃結(jié)果的基礎(chǔ)上,設(shè)置2 種隨機情形進行對比分析。各情形的ESOP 配置情況見表3。各項成本如表4 所示,其中情形3 取表2中的規(guī)劃結(jié)果。

        表3 3種情形的ESOP配置情況

        表4 3種情形的各項成本 單位:萬元

        由表4 可以看出,3 種情形的年綜合成本呈現(xiàn)下降趨勢。相比于情形3,情形1 增加了換流器容量,換流器損耗增大,但是換流器增加的容量使ESOP對兩端饋線的功率調(diào)節(jié)作用增強。情形2 增加了DC/DC 轉(zhuǎn)換器容量以及儲能電池容量,儲能部分的損耗增大,由于儲能裝置具有可轉(zhuǎn)移電能、削峰填谷的作用,配置了儲能裝置的智能軟開關(guān)可以實現(xiàn)與較大容量智能軟開關(guān)相同的降損效果,因此情形2 的年損耗費用最低。儲能裝置與換流器相比,投資費用較低,因此情形2 的年綜合費用明顯低于情形1。情形1和情形2的年損耗費用降低,但接入容量增大導致投資費用和運行維護費用增加。統(tǒng)籌考慮各項成本,情形3的年度總成本最低。

        與上述對比方法類似,設(shè)置另外3 種情形比較ESOP 不同安裝位置對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響。為與本文規(guī)劃方法形成對比,3 種情形的ESS 與SOP 安裝總?cè)萘肯嗟龋? 種情形的配置情況和成本分別如表5 和表6所示。

        表5 3種情形的ESOP配置情況

        表6 3種情形的各項成本 單位:萬元

        由表6 可以看出,ESOP 安裝在不同的位置對系統(tǒng)的優(yōu)化作用不同。3 種情形的年投資和運行維護費用相等。TS4 處于饋線末端,負荷需求較大,有利于發(fā)揮SOP 對功率的調(diào)節(jié)作用以及ESS 的電能轉(zhuǎn)移作用。情形2 在TS3、TS4 處都安裝了ESOP,SOP 容量分別安裝了100 kVA,ESS 分別安裝200 kWh 和300 kWh,年損耗費用低于情形1。情形3中ESOP只安裝在TS4 處,有著最好的降損效果,因此情形3 的年度總成本最低。綜上,根據(jù)系統(tǒng)實際運行情況對ESOP 的安裝位置和安裝容量合理規(guī)劃對于提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性有著重要意義。

        5 結(jié)語

        智能儲能軟開關(guān)能從時間上和空間上對系統(tǒng)潮流進行優(yōu)化,實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)移、削峰填谷的作用。本文考慮負荷和DG的時序特性,建立了年綜合成本最小為目標函數(shù)的ESOP 規(guī)劃模型,并通過IEEE33 節(jié)點算例系統(tǒng)對規(guī)劃模型進行了驗證與分析。結(jié)果表明,通過對配電網(wǎng)絡(luò)中智能儲能軟開關(guān)的安裝位置和安裝容量進行合理的規(guī)劃,能夠有效提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

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