冷張圓 趙劍飛 龔 超 章志翔 盧文博

（1.浙江省電力有限公司安吉縣供電公司，浙江 湖州 313300；2.上海電力大學(xué)，上海 200090）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的分布式能源及電動(dòng)汽車負(fù)荷占比日漸提高，導(dǎo)致其配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)內(nèi)負(fù)荷類型出現(xiàn)了新特點(diǎn)。因此，研究面向源網(wǎng)荷儲(chǔ)充的新型農(nóng)網(wǎng)臺(tái)區(qū)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行具有十分重要的意義。

目前已有許多文獻(xiàn)研究了配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行問題。

文獻(xiàn)[1]針對(duì)風(fēng)電高頻波動(dòng)問題和接入風(fēng)電后系統(tǒng)的調(diào)峰問題，設(shè)計(jì)了采用抽水儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能共同組成的復(fù)合型儲(chǔ)能在含高滲透率風(fēng)電的配電網(wǎng)中的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行策略。電池儲(chǔ)能具有響應(yīng)較為靈活、存儲(chǔ)容量不高的特點(diǎn)，這使其可以彌補(bǔ)風(fēng)電高頻波動(dòng)的缺點(diǎn)，緩解上網(wǎng)風(fēng)電的波動(dòng)性問題；抽水儲(chǔ)能具有存儲(chǔ)容量龐大的特點(diǎn)，這使之能夠參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰運(yùn)行，用以彌補(bǔ)在接入風(fēng)能之后系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)行的不足。

文獻(xiàn)[2-3]構(gòu)建了風(fēng)電-抽水蓄能-蓄電池儲(chǔ)能裝置聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行模型，使得風(fēng)電場(chǎng)與抽水蓄能電站的聯(lián)合出力在儲(chǔ)能裝置配合下能夠靈活地應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)。

文獻(xiàn)[4]研究了關(guān)于蓄電池儲(chǔ)能裝置的動(dòng)態(tài)最優(yōu)調(diào)度策略，該策略的研究對(duì)象為蓄電池儲(chǔ)能裝置，并將最佳經(jīng)濟(jì)效益、最佳安全性、最小可再生能源系統(tǒng)波動(dòng)、最適合的可再生能源發(fā)電方案等作為對(duì)微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的主要目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化策略，并通過(guò)模糊理論與二元對(duì)比定量法將其轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)的問題，從而實(shí)現(xiàn)了該策略。

文獻(xiàn)[5]研究了一種關(guān)于微電網(wǎng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，該模型不但研究了儲(chǔ)能對(duì)負(fù)荷削峰填谷的影響，還同時(shí)探討了發(fā)電單位的發(fā)電成本、運(yùn)行管理成本以及環(huán)境保護(hù)成本等問題。微電網(wǎng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用的是標(biāo)準(zhǔn)IEEE-14節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)，并構(gòu)建了包括電網(wǎng)潮流方程的制約條件，而微網(wǎng)的環(huán)保經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的研究方法則使用的是改進(jìn)微分進(jìn)化算法。

文獻(xiàn)[6]考慮了可控分布式電源、實(shí)時(shí)電價(jià)、儲(chǔ)能裝置和聯(lián)絡(luò)開關(guān)對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響。

文獻(xiàn)[7]基于配電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)機(jī)制，以最小配電網(wǎng)運(yùn)行成本為優(yōu)化目標(biāo)，建立了一種基于實(shí)時(shí)電價(jià)的配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。

文獻(xiàn)[8]考慮了配電網(wǎng)重構(gòu)，構(gòu)建多源協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行模型，能夠顯著增強(qiáng)新能源消納能力，同時(shí)增加了配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)收益，提升了可靠性。

文獻(xiàn)[9]考慮了向主網(wǎng)的購(gòu)電成本、清潔電源和電池儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用和網(wǎng)絡(luò)損耗費(fèi)用以及需求側(cè)響應(yīng)費(fèi)用。

文獻(xiàn)[10]建立了考慮可控分布式電源、儲(chǔ)能裝置和需求側(cè)響應(yīng)的優(yōu)化運(yùn)行策略，該策略可以有效促進(jìn)間歇性可再生能源的消納，減少運(yùn)行費(fèi)用和網(wǎng)絡(luò)損耗，并提高用戶的用電滿意度。

文獻(xiàn)[11]全面探討了配電網(wǎng)的可調(diào)度資源如新能源、儲(chǔ)能裝置、可投切電容器組、調(diào)壓器以及需求響應(yīng)。

文獻(xiàn)[12]在概率潮流的基礎(chǔ)上，考慮了配電網(wǎng)供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的互動(dòng)，建立了供需群體協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行策略，該策略能夠在保證系統(tǒng)運(yùn)行安全性的前提下減小負(fù)荷波動(dòng)。

文獻(xiàn)[13]針對(duì)應(yīng)急供電和配電網(wǎng)日常運(yùn)行兩種場(chǎng)景，構(gòu)建考慮需求側(cè)響應(yīng)的配電網(wǎng)移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置與調(diào)度模型，以減少停電損失，并保障配電網(wǎng)中移動(dòng)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 農(nóng)網(wǎng)臺(tái)區(qū)運(yùn)行優(yōu)化模型

本文提出了一種考慮儲(chǔ)能裝置、需求響應(yīng)和電動(dòng)汽車充電樁的農(nóng)網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型，該模型以最大化農(nóng)網(wǎng)日運(yùn)行綜合效益為目標(biāo)函數(shù)。

1.1 臺(tái)區(qū)運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)

本文所提農(nóng)網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型的目標(biāo)函數(shù)為最大化農(nóng)網(wǎng)日運(yùn)行綜合效益，表達(dá)式如下：

式中：F為農(nóng)網(wǎng)的日運(yùn)行綜合效益；Bse、CsESS和CsDR分別為農(nóng)網(wǎng)日售電收益、儲(chǔ)能裝置日綜合運(yùn)行成本和需求響應(yīng)日支付成本；T和Δt分別為調(diào)度時(shí)刻總數(shù)和相鄰調(diào)度時(shí)刻時(shí)間間隔；Ps，te、Ps，tESS，d、Ps，tESS，c和ρs，t分別為時(shí)段農(nóng)網(wǎng)日售電功率、電池儲(chǔ)能設(shè)備放電功率、充電功率和分時(shí)電價(jià)；CESS和CDR分別為電池儲(chǔ)能設(shè)備綜合運(yùn)行費(fèi)用（將損耗、折舊等成本進(jìn)行折算）和需求響應(yīng)補(bǔ)償費(fèi)用；Ps，tDR為t時(shí)刻需求響應(yīng)的切負(fù)荷功率。

1.2 配電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)約束條件

（1）功率平衡約束：

式中：Ps，tpv和Ps，tL分別為t時(shí)段光伏貢獻(xiàn)和負(fù)荷值；Ps，tEV為t時(shí)刻電動(dòng)汽車充電樁的充電功率。

（2）農(nóng)網(wǎng)臺(tái)區(qū)變壓器供電功率約束：

式中：Pemax為農(nóng)網(wǎng)臺(tái)區(qū)變壓器額定功率。

1.3 負(fù)荷側(cè)約束條件

（1）儲(chǔ)能裝置充/放電功率約束：

式中：PESSmax和PESSmin分別為電池儲(chǔ)能設(shè)備充/放電有功功率的界限值。

（2）儲(chǔ)能裝置SOC約束：

式中：SESSmax和SESSmin分別為電池儲(chǔ)能設(shè)備SOC界限值；Ss，tESS為t時(shí)刻電池儲(chǔ)能設(shè)備SOC；SESS0和SESST分別為調(diào)度周期起點(diǎn)和調(diào)度周期終點(diǎn)時(shí)刻的電池儲(chǔ)能設(shè)備SOC值。

（3）儲(chǔ)能裝置充放電次數(shù)約束：

式中：NESS為一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)儲(chǔ)能裝置實(shí)際充放電次數(shù)；NESSmax為一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)儲(chǔ)能裝置充放電次數(shù)上限。

（4）需求響應(yīng)約束：

式中：PDRmax為需求響應(yīng)的切負(fù)荷功率上限；NDR和NDRmax分別為一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)需求響應(yīng)實(shí)際次數(shù)和需求響應(yīng)次數(shù)最大值。

（5）電動(dòng)汽車充電樁約束：

式中：PEVmax為電動(dòng)汽車充電樁充電功率上限。

為了保證臺(tái)區(qū)變壓器不重載，本模型規(guī)定當(dāng)變壓器供給功率超過(guò)額定功率70%時(shí)，充電樁停止充電。

2 算例分析

本文所提農(nóng)網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型以某臺(tái)區(qū)炒茶點(diǎn)為算例研究對(duì)象。

2.1 某臺(tái)區(qū)炒茶點(diǎn)典型情況

某臺(tái)區(qū)3月、4月炒茶季的典型日負(fù)荷曲線存在明顯的特點(diǎn)：夜間負(fù)荷顯著高于白天負(fù)荷，這是因?yàn)槟撑_(tái)區(qū)炒茶工作大多在夜間進(jìn)行，使得該臺(tái)區(qū)炒茶點(diǎn)的臺(tái)區(qū)負(fù)荷與大多數(shù)臺(tái)區(qū)負(fù)荷不同。以4月份炒茶典型日為例，該臺(tái)區(qū)炒茶點(diǎn)4月炒茶季的最高負(fù)荷可達(dá)330 kW，而該臺(tái)區(qū)炒茶點(diǎn)變壓器容量?jī)H為315 kW，若不使用儲(chǔ)能裝置、需求響應(yīng)等措施，該臺(tái)區(qū)的變壓器會(huì)過(guò)載運(yùn)行，容易受到損壞。該臺(tái)區(qū)4月份用電負(fù)荷情況以及光伏曲線如圖1所示。

圖1 某臺(tái)區(qū)4月份典型日負(fù)荷和光伏曲線

該臺(tái)區(qū)炒茶點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置如表1所示，分時(shí)電價(jià)如表2所示，數(shù)據(jù)來(lái)源為浙江省電網(wǎng)銷售電價(jià)表（2020-02-01）。

表1 該臺(tái)區(qū)算例參數(shù)設(shè)置

表2 分時(shí)電價(jià)

2.2 臺(tái)區(qū)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果

本文以該典型負(fù)荷情況為例，建立該臺(tái)區(qū)運(yùn)行優(yōu)化模型。下面以該臺(tái)區(qū)4月炒茶季的典型日為研究對(duì)象，利用GAMS軟件平臺(tái)對(duì)所建模型進(jìn)行求解，求得的該臺(tái)區(qū)4月份炒茶季典型日優(yōu)化調(diào)度策略如圖2所示。

由圖2可知，18：30—20：15時(shí)段以及21：45—23：00時(shí)段的負(fù)荷均已超過(guò)252 kW（即為額定容量315 kW的80%），并且夜間無(wú)光照，光伏沒有發(fā)電功率。本文所提優(yōu)化運(yùn)行模型給出的最優(yōu)調(diào)度策略可以避免臺(tái)區(qū)變壓器過(guò)載，下面分別對(duì)儲(chǔ)能裝置、需求響應(yīng)的調(diào)度策略進(jìn)行分析。

圖2 該臺(tái)區(qū)4月份炒茶典型日運(yùn)行優(yōu)化策略

儲(chǔ)能裝置運(yùn)行優(yōu)化策略：由圖2可知，在負(fù)荷超過(guò)252 kW的負(fù)荷峰值時(shí)段，電池儲(chǔ)能設(shè)備處于放電狀態(tài)，把臺(tái)區(qū)變壓器供給功率限制在252 kW，減輕了臺(tái)區(qū)變壓器的供電壓力，順利解決了變壓器重載的問題。除此之外，因?yàn)橐３蛛姵貎?chǔ)能設(shè)備的SOC在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)不變，所以電池儲(chǔ)能設(shè)備在06：45、22：00、22：30等低電價(jià)時(shí)段調(diào)為充電狀態(tài)。以上電池儲(chǔ)能設(shè)備調(diào)度方案還可以實(shí)現(xiàn)低充高放，使得該臺(tái)區(qū)通過(guò)電池儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)度來(lái)獲利。

需求響應(yīng)策略：由圖2可知，由于電池儲(chǔ)能設(shè)備受制于SOC、放電功率界限值等因素，僅僅依賴電池儲(chǔ)能設(shè)備并不可以確保臺(tái)區(qū)變壓器供電功率處在額定功率的80%以下。故本文提出的優(yōu)化運(yùn)行模型所求解的最優(yōu)調(diào)度方案應(yīng)用了需求響應(yīng)，將19：00、19：45的負(fù)荷分別中斷了43.66 kW、21.01 kW，極大地減輕了臺(tái)區(qū)變壓器的供電壓力，同時(shí)防止了電池儲(chǔ)能設(shè)備過(guò)度放電造成的SOC減小過(guò)大、電池儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行壽命縮短等問題。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)系統(tǒng)分布式能源和電動(dòng)汽車負(fù)荷增加問題，構(gòu)建了考慮儲(chǔ)能裝置、需求響應(yīng)和電動(dòng)汽車充電樁的農(nóng)網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行模型。該優(yōu)化運(yùn)行模型以臺(tái)區(qū)變壓器供電功率上限、功率供需平衡、儲(chǔ)能裝置充放電功率上下限及次數(shù)限制等為約束條件，旨在最大化農(nóng)村配電網(wǎng)的日綜合效益。最后，以某臺(tái)區(qū)炒茶點(diǎn)為算例進(jìn)行分析，驗(yàn)證了本文所提農(nóng)網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型在提高農(nóng)網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性方面具有較好的有效性。