徐峰亮,王發(fā)義,趙建濤,張帥,趙鳳展

(1. 國網(wǎng)河南省電力公司信陽供電公司,河南省信陽市 464000; 2. 華北電力大學(xué)控制與計算機(jī)工程學(xué)院,北京市 102206;3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,北京市 100083)

0 引 言

隨著我國新農(nóng)村建設(shè)和鄉(xiāng)村電氣化建設(shè)的推進(jìn),鄉(xiāng)村地區(qū)的生產(chǎn)、生活和商業(yè)等領(lǐng)域用電量激增。在返鄉(xiāng)供暖、春季灌溉、炒茶制煙等時段的高峰負(fù)荷現(xiàn)象尤為嚴(yán)重,可以達(dá)到平時正常負(fù)荷的十幾倍[1],且一直以來鄉(xiāng)村電網(wǎng)建設(shè)相對落后,部分配電變壓器容量已無法滿足負(fù)荷需求,出現(xiàn)低電壓現(xiàn)象,系統(tǒng)線損過高等問題[2-6],不符合清潔、低碳的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)要求。如何綜合考慮供電能力、電壓質(zhì)量以及配電變壓器損耗等指標(biāo),實現(xiàn)必要時調(diào)整供電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)解決農(nóng)村配電網(wǎng)供電質(zhì)量問題,以適合季節(jié)性和峰谷差較大的負(fù)荷需求和低電壓治理、并兼顧配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

現(xiàn)有研究已經(jīng)對峰谷差較大造成的時段性低電壓問題進(jìn)行了初步探究,文獻(xiàn)[7]結(jié)合實際運(yùn)行情況在分區(qū)內(nèi)優(yōu)化配置分布式電源(distributed generator,DG)進(jìn)行低電壓問題的治理;文獻(xiàn)[8]利用線路無功補(bǔ)償和調(diào)壓器調(diào)壓;文獻(xiàn)[9]基于模型預(yù)測控制理論,通過調(diào)節(jié)DG的無功出力、儲能充放電和有載分接開關(guān)(on-load tap changer,OLTC)控制母線電壓;文獻(xiàn)[10]采用2臺或多臺配電變壓器并聯(lián)運(yùn)行供電,該方案能滿足高峰負(fù)荷供電,但若不能自動調(diào)整設(shè)備的接入或退出,在負(fù)荷較小時經(jīng)濟(jì)性較差;文獻(xiàn)[11-12]運(yùn)用移動儲能裝置補(bǔ)給功率缺額,該方案在容量較大時一般造價也偏高。

據(jù)統(tǒng)計,全國配電變壓器上的損耗約占總發(fā)電量7%。降低配電變壓器的損耗特別是空載損耗具有十分重要的意義[13-16]。有載調(diào)容調(diào)壓變壓器(on-load capacity and voltage regulating transformer,CVRT)通過運(yùn)行容量的調(diào)節(jié),具有很大的節(jié)能潛力,適用于負(fù)荷峰谷差距大的配電臺區(qū)[17],采用CVRT可以緩解低電壓問題,同時也要關(guān)注最佳調(diào)容點的確定問題。文獻(xiàn)[18]對CVRT在目前電能替代背景下負(fù)荷激增的治理效果及其更換判據(jù)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[19]研究表明選擇CVRT可以顯著降低系統(tǒng)損耗,同時在高容量工作模式下也能保證系統(tǒng)的節(jié)點電壓在規(guī)定范圍內(nèi);文獻(xiàn)[20]在以門限值確定調(diào)容點基礎(chǔ)上,在有載調(diào)容點附近設(shè)置了15 kV·A的緩沖區(qū)間避免調(diào)容變壓器頻繁動作;文獻(xiàn)[21]引入了模糊決策方法,結(jié)合運(yùn)行損耗和調(diào)容次數(shù)建立優(yōu)選模型判斷調(diào)容點;文獻(xiàn)[22]為避免調(diào)容變錯過最佳調(diào)容時間而提出基于序電流的調(diào)容點判據(jù);文獻(xiàn)[23]分析了有載調(diào)容變壓器的性能參數(shù)和綜合損耗,發(fā)現(xiàn)用電負(fù)荷特性與有載調(diào)容變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。

由此,本文在充分分析含高比例峰谷差負(fù)荷的供電臺區(qū)負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上,采用CVRT治理時段性低電壓問題,設(shè)計一套基于模型預(yù)測控制(model predictive control,MPC)的日前調(diào)度和日內(nèi)校正相結(jié)合的供電臺區(qū)低電壓治理及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略,并用算例驗證策略的有效性和經(jīng)濟(jì)性。

1 典型時段性負(fù)荷特性分析

受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電、迎冬度夏、春節(jié)返鄉(xiāng)等因素影響,農(nóng)村時段性大負(fù)荷現(xiàn)象比較嚴(yán)重。以某地區(qū)低壓配電臺區(qū)典型日灌溉負(fù)荷為例,灌溉高峰負(fù)荷一般集中出現(xiàn)2～3個月,日負(fù)荷高峰一般出現(xiàn)在05:00—10:00,其負(fù)荷值達(dá)到了其他用電時段的2～5倍,導(dǎo)致相關(guān)線路的一些節(jié)點出線嚴(yán)重低電壓現(xiàn)象。典型的灌溉日負(fù)荷曲線如圖1所示。

針對負(fù)荷峰谷差大的地區(qū),在選擇配電變壓器容量時,如果按照最大負(fù)荷選擇,變壓器運(yùn)行不經(jīng)濟(jì);如果按照最小負(fù)荷選擇,高峰負(fù)荷期變壓器嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行,影響配電變壓器安全運(yùn)行和供電可靠性。因此迫切需要提出一種改善時段性低電壓問題同時降低變壓器損耗的方法。

2 調(diào)容調(diào)壓變壓器工作原理

2.1 調(diào)容變壓器調(diào)容原理

2.2 調(diào)容點選擇方法

調(diào)容點是保證CVRT工作在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的容量調(diào)整時刻,合理地選擇調(diào)容點可以使系統(tǒng)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。變壓器綜合損耗曲線是一條與臺區(qū)負(fù)荷呈正相關(guān)的曲線,如圖2所示。

圖2 調(diào)容變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行曲線Fig.2 Economic operation curve of CVRT

當(dāng)CVRT大容量工作模式下的綜合損耗ΔPH與小容量工作模式下的綜合損耗ΔPL相等時,其對應(yīng)的臺區(qū)負(fù)荷值即為調(diào)容變壓器臨界經(jīng)濟(jì)容量SC,在圖2中即為曲線交點對應(yīng)的橫坐標(biāo)值。當(dāng)負(fù)荷值大于SC時,CVRT調(diào)整到大容量工作模式;當(dāng)負(fù)荷值小于SC時,CVRT調(diào)整到小容量工作模式。SC的計算式為[19]:

(1)

式中:POH、POL分別為變壓器大、小容量的空載損耗;PKH、PKL分別為變壓器大、小容量的負(fù)載損耗;SNH、SNL分別為變壓器大、小額定容量。

對變壓器容量進(jìn)行選擇時,要以現(xiàn)有的負(fù)荷為依據(jù),適當(dāng)考慮負(fù)荷未來發(fā)展情況。CVRT在實際運(yùn)行中調(diào)容點的確定,在考慮理論調(diào)容點計算的基礎(chǔ)上,還需考慮實際運(yùn)行的各項指標(biāo)因素,包括系統(tǒng)節(jié)點電壓要求,調(diào)容切換的開關(guān)電氣壽命約束等。因此,實際最優(yōu)調(diào)容點會略大于理論計算值,同時結(jié)合《10 kV有載調(diào)容配電變壓器選型技術(shù)原則和檢測技術(shù)規(guī)范》(Q/GDW 10731—2016)、《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》(GB/T 6451—2015)將1.1倍的理論調(diào)容臨界負(fù)荷值設(shè)定為實際調(diào)容限值[25],得到表1中的CVRT實際調(diào)容臨界負(fù)荷。

表1 S13型有載調(diào)容調(diào)壓變壓器綜合臨界負(fù)荷點Table 1 Model S13 integrated critical load point for CVRT

2.3 調(diào)壓點選擇方法

調(diào)壓點是保證CVRT工作在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的變壓器分接頭調(diào)整時刻。對于10 kV有載調(diào)容調(diào)壓變壓器的調(diào)壓范圍一般為±2×2.5%,有5個檔位供選擇。

[27]馮霞、楊勇：《中國特色社會主義城市治理研究中海外學(xué)者的觀點及政策建議》，《廣西社會科學(xué)》2015年第12期。

3 基于MPC的有載調(diào)容變壓器與電壓優(yōu)化控制的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度

隨著越來越多戶用光伏就近接入低壓配電網(wǎng),一定程度上可緩解農(nóng)網(wǎng)線路低電壓問題和偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶用電問題,但是由于光伏存在不確定性、間歇性以及與部分高峰負(fù)荷曲線不匹配等問題,使得時段性低電壓問題仍然存在。為了解決上述問題,本文設(shè)計了一種基于模型預(yù)測控制[26-27]的CVRT的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)度模型,流程如圖3所示。

圖3 基于調(diào)容調(diào)壓變壓器的農(nóng)網(wǎng)時段性低電壓治理方法流程Fig.3 Flow chart of rural power grid periodic low voltage governance method based on CVRT

圖3由步驟1和步驟2兩部分組成。步驟1進(jìn)行日前調(diào)度,根據(jù)日前日負(fù)荷及光伏預(yù)測曲線,確定CVRT調(diào)容點和調(diào)壓點,得到下一日的基本調(diào)度計劃;步驟2進(jìn)行日內(nèi)校正,將步驟1得到的日前調(diào)度計劃下達(dá)至CVRT,日內(nèi)對其進(jìn)行實時反饋校正。日內(nèi)為避免由于配電網(wǎng)負(fù)荷及分布式電源出力的不確定性造成的調(diào)容開關(guān)反復(fù)動作,設(shè)計了調(diào)容閉鎖機(jī)制,同時對電壓調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化校正。最終實現(xiàn)了農(nóng)網(wǎng)時段性低電壓問題的治理以及CVRT的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度。

3.1 日前調(diào)度階段

由于CVRT對容量的調(diào)整會影響系統(tǒng)整體電壓情況,因此日前調(diào)度階段根據(jù)日前負(fù)荷和光伏出力預(yù)測曲線首先確定調(diào)容方案,再確定調(diào)壓方案。調(diào)容方案即確定CVRT調(diào)容時刻,調(diào)壓方案即建立調(diào)壓最優(yōu)調(diào)度模型并確定CVRT調(diào)壓分接頭的最優(yōu)位置。

1)日前調(diào)容方案。

首先,分析日前負(fù)荷預(yù)測曲線和日前光伏出力預(yù)測曲線耦合后的系統(tǒng)總凈負(fù)荷曲線,按照表1中實際調(diào)容臨界負(fù)荷值設(shè)置閾值對曲線進(jìn)行時段劃分,如圖4所示,凈負(fù)荷曲線位于實際調(diào)容臨界負(fù)荷值上方,共有2個高負(fù)荷時段,分別為T1(圖4中t1～t2)與T2(圖4中t3～t4)。由于CVRT在每個時段會動作2次,即一次升容動作、一次降容動作,若假設(shè)總負(fù)荷曲線中有n個需要調(diào)容的時段,每個時段記為Ti(i=1,2,3, …),則一共需要進(jìn)行2n次調(diào)容動作。按照設(shè)備從投運(yùn)到退出運(yùn)行20年計算,同時滿足《10 kV有載調(diào)容調(diào)壓變壓器技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T 1853—2018)中對CVRT調(diào)容次數(shù)的限制,每24 h調(diào)容不超過12次以保證其設(shè)備可靠性,所以n<6。

圖4 光伏和常規(guī)負(fù)荷耦合后系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線Fig.4 Net load curve of the system after coupling PV and conventional load

針對負(fù)荷曲線中有多個峰值的情況,為限制調(diào)容次數(shù),對每個調(diào)容時段進(jìn)行功率損耗計算,并對各時段的功率損耗進(jìn)行從大至小的排序,選取前m(m<6)個時段作為調(diào)容時段。功率損耗計算方法為:

(2)

式中:ΔPTi為Ti(i=1,2,3,…,m)時段的總功率損耗;St為t時刻系統(tǒng)總負(fù)荷;ΔPL(St)、ΔPH(St)分別為CVRT在低容量工作模式下和高容量工作模式下,負(fù)荷為St時的總功率損耗。

2)日前調(diào)壓最優(yōu)調(diào)度模型。

minF(t)=CCB,t+COLTC,t+ctPLoss,t

(3)

式中:F(t)為t時刻系統(tǒng)總運(yùn)行成本;CCB,t為t時刻電力電容器投切的動作成本;COLTC,t為t時刻CVRT分接頭投切動作成本;PLoss,t為當(dāng)前系統(tǒng)網(wǎng)損;ct為t時刻分時電價。

約束條件除了需要滿足電力系統(tǒng)潮流和線路約束外,還需滿足CVRT分接頭位置和投切次數(shù)的約束:

kmin≤kt≤kmax

(4)

(5)

由于CVRT分接頭位置是離散變量,因此調(diào)壓最優(yōu)調(diào)度模型本質(zhì)上是一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。本文參考文獻(xiàn)[28]首先采用內(nèi)點法求解得到不考慮設(shè)備調(diào)節(jié)次數(shù)約束條件下的理想可投切變壓器變比曲線;再利用最小二乘法對該曲線進(jìn)行階梯化擬合[28],使其滿足調(diào)節(jié)次數(shù)不超過12次的約束限制,最終得到CVRT調(diào)壓變比整數(shù)解,形成變壓器分接頭位置控制的最終解。

3.2 日內(nèi)校正階段

為了避免配電網(wǎng)負(fù)荷及分布式電源不確定性導(dǎo)致的日內(nèi)調(diào)容、調(diào)壓檔位反復(fù)切換,影響安全穩(wěn)定運(yùn)行,本文在日內(nèi)校正階段,對日前下達(dá)至CVRT的調(diào)度計劃提出了基于實時預(yù)測數(shù)據(jù)的調(diào)容開關(guān)閉鎖機(jī)制進(jìn)行調(diào)容校正,以及以日前、日內(nèi)預(yù)測數(shù)據(jù)差值為模型輸入的調(diào)壓校正。

1)調(diào)容校正。

為保證調(diào)容開關(guān)動作在最優(yōu)調(diào)容點附近,調(diào)容校正的具體策略如下:首先校驗t時刻是否為日前確定的調(diào)容時刻,若不是,則跳過調(diào)容階段進(jìn)入調(diào)壓校正調(diào)度階段;若是調(diào)容時刻,則判斷其是升容動作點還是降容動作點。對于升容動作點,校驗下一控制時刻的負(fù)荷與PV出力相耦合的預(yù)測值是否大于當(dāng)前時刻真值,若是則給出指令進(jìn)行調(diào)容,否則執(zhí)行閉鎖,在下一時刻繼續(xù)校驗直至尋找到最佳調(diào)容點。對于降容動作點,則校驗預(yù)測值是否小于當(dāng)前時刻值并實施對應(yīng)的降容或閉鎖。

2)調(diào)壓校正。

調(diào)壓校正具體策略為:在t時刻觀測下一控制時刻(控制時間間隔為15 min)的各節(jié)點負(fù)荷及PV出力的預(yù)測值[29],同日前調(diào)度階段的預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,得到的差值作為模型輸入,在線求解15 min內(nèi)的分接頭電壓控制的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略,并執(zhí)行當(dāng)前調(diào)度結(jié)果;在下一采樣時刻,根據(jù)前一時刻調(diào)度后的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),重復(fù)以上過程,解決由于配電網(wǎng)負(fù)荷及分布式電源不確定性造成的電壓偏差問題。

4 算例分析

4.1 算例概況

本文采用改進(jìn)的28節(jié)點低壓配電網(wǎng)算例進(jìn)行仿真驗證,拓?fù)淙鐖D5所示,線路、負(fù)荷具體信息見附錄表A1、A2所示。CVRT型號為S13-315(100)kV·A,變比為10 kV/0.4 kV。根據(jù)負(fù)荷特點在節(jié)點1處配置90 kvar的固定無功補(bǔ)償。CVRT分接頭投切動作成本為50元/次[30]。負(fù)荷節(jié)點具體情況為第18、22、23、25、26共5處為灌溉負(fù)荷節(jié)點,其他為正常生活負(fù)荷節(jié)點。應(yīng)用參考文獻(xiàn)[31]的有功-電壓靈敏度矩陣方法在節(jié)點17、18、13、15、14、11共計6個節(jié)點設(shè)置實際最大發(fā)電功率為8 kW的屋頂分布式光伏電站,此時系統(tǒng)光伏滲透率為10%。運(yùn)用MATLAB仿真平臺(R2019a版本),以某典型日灌溉負(fù)荷為例,采用圖3所示的計算流程驗證本文所提策略的有效性。同時為驗證所提方法對新型電力系統(tǒng)發(fā)展的適應(yīng)性,對光伏滲透率為20%、50%的情況也進(jìn)行了仿真驗證,光伏功率曲線如圖6所示。

圖5 28節(jié)點低壓配電網(wǎng)拓?fù)銯ig.5 Low-voltage distribution network topology of 28 node

圖6 不同滲透率下的光伏功率曲線Fig.6 PV power curves under different permeability

4.2 計算結(jié)果分析

1)調(diào)容降損效果分析。

圖7給出了典型灌溉日24個時段不同光伏滲透率下的系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線。

圖7 不同光伏滲透率下的系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線Fig.7 Net load curves of the system under different PV permeabilities

根據(jù)第3節(jié)設(shè)計的日前調(diào)度階段調(diào)容方案確定調(diào)容時段,以表1中S13-315(100)kV·A調(diào)容調(diào)壓變壓器的實際綜合臨界負(fù)荷值58.3 kW作為調(diào)容閾值,對系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線進(jìn)行調(diào)容時段劃分,同時定義調(diào)整為大容量時為升容時刻,調(diào)整為小容量時為降容時刻,從而得到不同光伏滲透率下的調(diào)容結(jié)果和調(diào)容調(diào)壓變壓器與配置固定容量(S13型315 kV·A、100 kV·A)普通配電變壓器(下文稱普通變)的損耗比較值,如表2、表3所示。

表2 不同光伏滲透率下的調(diào)容結(jié)果Table 2 Volume adjustment results under different PV permeabilities

表3 S13型調(diào)容調(diào)壓變壓器與固定容量配電變壓器不同光伏滲透率下?lián)p耗值Table 3 LOSS values of S13 type CVRT and fixed capacity distribution transformer under different PV permeabilities

從表3可以看出,在光伏滲透率不斷提高的大背景下,315 kV·A和100 kV·A普通變壓器損耗值逐漸上升,而315(100)kV·A的CVRT損耗逐漸降低,有利于未來新型電力系統(tǒng)的節(jié)能建設(shè)。其原因主要是接入普通變壓器的線路隨著光伏滲透率提高,節(jié)點電壓升高或出現(xiàn)潮流返送現(xiàn)象,進(jìn)一步增加了變壓器的損耗。而CVRT采用容量的適時切換,從而降低了系統(tǒng)輕載時的空載損耗,降損效果更明顯。以光伏滲透率10%為例,在典型灌溉負(fù)荷日,CVRT較2種普通變壓器損耗分別降低了58.8%和29.2%;若電價按照0.6元/(kW·h)進(jìn)行估算,相比于全年都用大容量和全年都用小容量變壓器而言,每臺CVRT配變年節(jié)約費(fèi)用約為3 744.9元和1 861.5元。

按相關(guān)部門統(tǒng)計,每節(jié)約1 kW·h電能,就相應(yīng)節(jié)約了0.357 kg標(biāo)準(zhǔn)煤,同時減少排放0.270 68 kg的CO2、0.008 03 kg的SO2、0.006 9 kg的氮氧化物[32],本文策略的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益如表4所示?？煽闯霰疚奶岢龅牟呗栽诃h(huán)保效益方面,可以顯著節(jié)約煤,減少CO2、SO2及氮氧化物等有害氣體的排放,降低了對大氣環(huán)境的污染。這對于我國構(gòu)建節(jié)能減排、綠色高效的社會具有積極意義。

表4 每臺S13型315(100)kV·A CVRT全年環(huán)保效益Table 4 Annual environmental protection benefit of each S13 315(100)kV·A CVRT

2)調(diào)壓控制效果分析。

經(jīng)本策略調(diào)控后控制日內(nèi)變壓器分接頭位置離散化后的結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,經(jīng)過最小二乘法對變壓器分接頭調(diào)整進(jìn)行理想化曲線擬合,分別將不同光伏滲透率下的分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)控制在4次、3次、0次以及1次,有效減少了變壓器分接頭動作次數(shù),可以延長變壓器使用壽命。調(diào)控前后系統(tǒng)各節(jié)點電壓如圖9所示,由圖9可見,經(jīng)過優(yōu)化調(diào)控可保證系統(tǒng)整體電壓在±7%合格范圍內(nèi)。

圖8 CVRT分接頭投切情況Fig.8 Switching status of tap of CVRT

圖9 治理前后系統(tǒng)各節(jié)點電壓Fig.9 Voltage at each node of the system before and after governance

雖然本文使用的S13型CVRT成本較S13型普通變壓器成本要高些,但是超過部分的投資費(fèi)用一方面可以用節(jié)省的電費(fèi)補(bǔ)償,另一方面通過使用本文的電壓優(yōu)化控制策略,減少了變壓器分接頭調(diào)整次數(shù),延長變壓器使用壽命進(jìn)行補(bǔ)償。通過計算,本文所用CVRT預(yù)計4～5年之內(nèi)收回成本,在此以后每年所節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用則為純收益。

5 結(jié) 論

本文針對配電網(wǎng)高比例時段性大負(fù)荷供電區(qū)域的低電壓現(xiàn)象,在充分分析其負(fù)荷特征的基礎(chǔ)上,提出了基于模型預(yù)測控制技術(shù)并計及調(diào)容調(diào)壓變壓器的有載調(diào)容和調(diào)壓能力的配電臺區(qū)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)度策略。為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展需要,采用了不同分布式光伏滲透率條件下的算例,驗證了本文所提策略可以充分利用有載調(diào)容調(diào)壓變壓器的容量和電壓調(diào)節(jié)特性,具有很好的時段性低電壓治理效果和節(jié)能降損與環(huán)保效果。

本文方法可用于南方應(yīng)用炒茶爐地區(qū)、北方含電采暖負(fù)荷、夏季空調(diào)負(fù)荷等日負(fù)荷峰谷差較大的配電臺區(qū),通過合理地配置有載調(diào)容調(diào)壓變壓器,可以有效改善電壓和節(jié)能降損,適應(yīng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的需要。

附錄A

表A1 28節(jié)點拓?fù)渚€路參數(shù)Table A1 28-node topology line parameters