張瑩,陳潔,郭磊,沈杰士,翟萬利,董輝,張景明,房睿

(1.國網(wǎng)上海市電力公司金山供電公司,上海 200540;2.河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 常州 213022;3.河海大學(xué) 江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 常州 213022)

0 引 言

在配電網(wǎng)無功電壓控制問題的研究過程中,考慮柔性可控資源的調(diào)控及其帶來的影響具有重要的意義［1］。隨著分布式新能源等的不斷接入,文獻(xiàn)［2］提出一種基于模型預(yù)測控制的風(fēng)電場故障穿越有功無功優(yōu)化控制策略,實(shí)現(xiàn)公共連接點(diǎn)(point of common coupling, PCC)電壓與風(fēng)力發(fā)電機(jī)端電壓快速穩(wěn)定。文獻(xiàn)［3］提出了一種考慮大規(guī)模分布式電源接入的無功優(yōu)化模型,并通過混沌蝙蝠算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。文獻(xiàn)［4］提出了考慮大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)接入的岸基配電網(wǎng)無功電壓控制方法,實(shí)現(xiàn)無功電壓優(yōu)化調(diào)度。

隨著電力市場化程度的不斷推進(jìn),基于需求響應(yīng)的負(fù)荷側(cè)柔性調(diào)控以及儲(chǔ)能裝置的廣泛接入,給配電網(wǎng)的電壓無功調(diào)節(jié)帶來了新的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)［5-6］提出了以用戶凈支出與購電功率波動(dòng)為目標(biāo)的用電雙層優(yōu)化策略及實(shí)時(shí)用電調(diào)整策略,實(shí)現(xiàn)了用戶參與電力需求響應(yīng)獲取額外收益。文獻(xiàn)［7］提出了考慮空調(diào)群虛擬儲(chǔ)能的配電網(wǎng)無功電壓控制方法,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池充放電次數(shù)和深度與系統(tǒng)運(yùn)營成本的最優(yōu)控制。文獻(xiàn)［8］提出了計(jì)及無功裕度的配電網(wǎng)兩階段無功優(yōu)化調(diào)度策略,實(shí)現(xiàn)無功調(diào)壓設(shè)備的差異化管理。

文獻(xiàn)［9］提出了電力市場環(huán)境下主動(dòng)配電網(wǎng)的有功/無功聯(lián)合調(diào)度方法,提高電網(wǎng)對高比例分布式電源接入配電網(wǎng)無功電壓控制能力。文獻(xiàn)［10-11］提出了主動(dòng)配電網(wǎng)分布式有功無功優(yōu)化調(diào)控方法,解決大規(guī)模分布式電源、儲(chǔ)能以及多類型負(fù)荷的集中管控,提升分布式電源的就地消納。文獻(xiàn)［12］結(jié)合分時(shí)電價(jià)下電網(wǎng)不同收益群體的關(guān)系,建立效率不同資源的風(fēng)電消納模型,提升電網(wǎng)對柔性資源的調(diào)控能力。綜上所述,通過挖掘柔性可控資源無功潛能,提高配電網(wǎng)無功調(diào)壓的靈活性以及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要意義。

1 柔性負(fù)荷需求響應(yīng)建模

本文基于價(jià)格響應(yīng)機(jī)制開展需求側(cè)響應(yīng)分析進(jìn)行日內(nèi)時(shí)段負(fù)荷優(yōu)化,構(gòu)建綜合負(fù)荷響應(yīng)成本和用戶購電成本的需求側(cè)響應(yīng)優(yōu)化模型。柔性負(fù)荷的需求響應(yīng)模型包含目標(biāo)函數(shù)和約束條件,柔性負(fù)荷需求響應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)是實(shí)施需求響應(yīng)后用戶響應(yīng)成本和用戶購電成本之和最小。具體表示如下:

FObj=min［Call(i-j)+Ccut+Cbuy.tou］

(1)

式中:Call(i-j)為負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本;Ccut為負(fù)荷削減成本;Cbuy.tou為實(shí)施分時(shí)電價(jià)后用戶購電成本。

負(fù)荷轉(zhuǎn)移和削減成本可表示為:

(2)

(3)

式中:Ctran(i-j)為負(fù)荷從i時(shí)刻到j(luò)時(shí)刻的轉(zhuǎn)移量相關(guān)成本;Ctime(i-j)為負(fù)荷從i時(shí)刻轉(zhuǎn)移到j(luò)時(shí)刻的時(shí)間相關(guān)成本;Pi-j為i時(shí)刻到j(luò)時(shí)刻的負(fù)荷轉(zhuǎn)移量;Ti-j為負(fù)荷從i時(shí)刻轉(zhuǎn)移到j(luò)時(shí)刻的時(shí)間間隔;m1、n1、m2、n2均為成本系數(shù),其中m1、m2為變量系數(shù),分別為0.06和0.1,n1、n2為固定系數(shù),分別為0.01和0.1;Ccut為負(fù)荷削減成本;Pcut(t)為t時(shí)刻負(fù)荷削減量;α、β為成本系數(shù),α=0.01,β=0.01。

基于價(jià)格響應(yīng)機(jī)制和分時(shí)電價(jià),用戶購電成本可表示為:

(4)

式中:Cbuy.tou為用戶一天的購電成本;ptou.h、ptou.u、ptou.l分別為分時(shí)電價(jià)峰、平、谷三個(gè)時(shí)段的電價(jià);Ttou.h、Ttou.u、Ttou.l分別為峰、平、谷的時(shí)間段長度;Ptou.h、Ptou.u、Ptou.l分別為實(shí)施分時(shí)電價(jià)后用戶在峰、平、谷時(shí)段的用電量。

負(fù)荷主要由關(guān)鍵負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可削減負(fù)荷組成,其中,可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的量被限制在一定范圍內(nèi),其約束條件如下。

ΔP1≤Ptl×40%

(5)

ΔP2≤Prl×15%

(6)

式中:ΔP1為負(fù)荷轉(zhuǎn)移量;Ptl為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷總量;ΔP2為負(fù)荷削減量;Ptl為可削減負(fù)荷總量。

2 考慮柔性資源的配電網(wǎng)無功優(yōu)化

利用基于需求側(cè)響應(yīng)的柔性負(fù)荷控制能夠有效平抑系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng),當(dāng)大量分布式電源接入時(shí),可以結(jié)合柔性負(fù)荷的靈活切換以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制,達(dá)到抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng),提高系統(tǒng)穩(wěn)定的目的。因此,綜合考慮分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)對電網(wǎng)運(yùn)行的影響,利用儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)分布式電源出力以及柔性負(fù)荷靈活控制,構(gòu)建綜合考慮柔性資源的配電網(wǎng)無功優(yōu)化模型。

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

通過多類型分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)及柔性負(fù)荷實(shí)施主動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)分布式新能源的最大消納、降低系統(tǒng)網(wǎng)損和提高電壓合格率的目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)表述如下所示。

(7)

式中:F為系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù);rij、Iij分別為節(jié)點(diǎn)i、j之間的電阻和線路電流;Ui、Uimax、Uimin分別為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值及其上下限值;λ為節(jié)點(diǎn)電壓越界的懲罰因子;Uilim為節(jié)點(diǎn)電壓越限時(shí)的設(shè)定值;Nl為配電網(wǎng)輸電線路集合。

分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)提供有功功率支撐的同時(shí)也能提供無功出力,其無功出力可表示為:

(8)

(9)

式中:Qmax(t)、QESE.max(t)為新能源發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)t時(shí)刻可發(fā)出的最大無功功率;SDG、SESS為新能源發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)額定視在功率;Pout、PESS.out為新能源發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)t時(shí)刻輸出的有功功率。

2.2 約束條件

1) 系統(tǒng)潮流約束

(10)

式中:PDG,i、QDG,i為分布式電源的有功功率和無功功率;PESS,i、QESS,i為儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)的有功功率和無功功率;Pload,i、Qload,i為負(fù)荷的有功功率和無功功率;Qc,i為無功補(bǔ)償設(shè)備注入節(jié)點(diǎn)i的無功容量;Nload、NDG、NESS分別為負(fù)荷和接入分布式電源、儲(chǔ)能的節(jié)點(diǎn)。

2) 儲(chǔ)能系統(tǒng)功率約束

(11)

式中:Pc、Pd為儲(chǔ)能裝置的充放電功率;ηc、ηd為儲(chǔ)能裝置充放電功率系數(shù);Δt、T分別為調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)周期;EESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)能量。

3) 節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流約束

根據(jù)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行要求,節(jié)點(diǎn)電壓與額定電壓的差值在一定的范圍:

(12)

式中:Ui.min、Ui.max分別為節(jié)點(diǎn)i處的最小、最大允許電壓;Iij,max為流經(jīng)支路ij的最大允許電流。

4) 靜止無功補(bǔ)償器(static var compensator, SVC)出力約束

QSVC,min≤QSVC≤QSVC,max

(13)

式中:QSVC,max、QSVC,min為SVC無功出力調(diào)節(jié)范圍的最大、最小值。

5) 儲(chǔ)能出力約束

(14)

式中:Pc,min、Pc,max為儲(chǔ)能裝置充電功率最小值和最大值;Pd,min、Pd,max為儲(chǔ)能裝置放電功率最小值和最大值;SOC為儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài),SOCmin一般取20%～30%,SOCmax一般取80%～100%。

3 算例分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

為了驗(yàn)證本文提出方法的有效性和合理性,本文在IEEE 33節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上接入分布式新能源和儲(chǔ)能系統(tǒng),如圖1所示。光伏和風(fēng)電的出力如圖2所示。IEEE 33節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的有功功率和無功功率作為一天的峰值負(fù)荷,據(jù)圖1的負(fù)荷系數(shù),得到33節(jié)點(diǎn)一天內(nèi)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷;同時(shí)將節(jié)點(diǎn)7、8和30的負(fù)荷基于分時(shí)電價(jià)進(jìn)行轉(zhuǎn)移和消減,電價(jià)信息如表1所示。

表1 分時(shí)電價(jià)劃分

圖1 含柔性可控資源IEEE 33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

圖2 分布式電源出力

3.2 結(jié)果分析

由圖3可知,節(jié)點(diǎn)負(fù)荷在用電高峰期轉(zhuǎn)移部分負(fù)荷至用電平谷期,同時(shí)在次高峰的時(shí)刻進(jìn)行負(fù)荷削減以此來完成負(fù)荷的柔性調(diào)控。表2給出了負(fù)荷優(yōu)化后系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差變化情況,優(yōu)化后負(fù)荷峰值從200 kW變?yōu)?85.73 kW,谷值從130.28 kW調(diào)整為138.90 kW,峰谷差由初始的34.9%降為25.2%,由此可知通過負(fù)荷的柔性調(diào)控能夠有效減少峰谷差。

表2 基于分時(shí)電價(jià)的柔性負(fù)荷調(diào)控

表3 系統(tǒng)電壓偏差數(shù)據(jù)單位:p.u.

圖3 負(fù)荷調(diào)控結(jié)果

通過充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功平滑作用,有效協(xié)調(diào)分布式新能源、柔性負(fù)荷的出力,利用無功補(bǔ)償設(shè)備最終獲得系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。無功優(yōu)化計(jì)算后儲(chǔ)能系統(tǒng)一天的功率輸出以及SOC變化情況如圖4所示。在開始時(shí)刻由于負(fù)荷較小,此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)更多的是處于蓄電狀態(tài)。其中:在2∶00—4∶00由于負(fù)荷轉(zhuǎn)移將峰時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移至該時(shí)段,但總體負(fù)荷處于低谷;隨著分布式電源出力的增加,儲(chǔ)能進(jìn)入充電狀態(tài);8∶00—13∶00隨著光照強(qiáng)度的增加,儲(chǔ)能應(yīng)處于充電狀態(tài),但隨著實(shí)際用電負(fù)荷,分布式電源的出力嚴(yán)重不足,此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了足夠的有功、無功支撐。儲(chǔ)能的充放電策略隨著負(fù)荷和分布式電源的出力變化,在負(fù)荷用電高峰期,儲(chǔ)能裝置進(jìn)行放電,為電網(wǎng)提供有力支撐,其余時(shí)刻儲(chǔ)能進(jìn)入充電蓄能狀態(tài)。

圖4 儲(chǔ)能運(yùn)行特性

由圖5可知,通過合理調(diào)整無功調(diào)壓設(shè)備的無功出力,同時(shí)協(xié)調(diào)分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及柔性負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性,系統(tǒng)能夠有效減小一天內(nèi)網(wǎng)絡(luò)損耗,同時(shí)提高系統(tǒng)電壓水平?？紤]源網(wǎng)荷的動(dòng)態(tài)特性,通過有效調(diào)整無功設(shè)備出力,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗由5.607 MW降低至3.059 MW,降低了45.44%,通過協(xié)調(diào)柔性資源的運(yùn)行時(shí)間,能有效降低系統(tǒng)損耗。表4給出了不同優(yōu)化策略后系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差數(shù)據(jù),優(yōu)化前系統(tǒng)全天的平均電壓偏差為0.405 p.u.,電壓合格率為74.2%;優(yōu)化計(jì)算后電壓偏差為0.217 p.u.,電壓谷值為0.951 p.u.,電壓合格率為100%。

圖5 不同策略間的網(wǎng)損對比

4 結(jié)束語

本文綜合需求側(cè)響應(yīng)下的柔性可控負(fù)荷優(yōu)化控制策略、儲(chǔ)能充放電控制策略以及分布式電源無功電壓特性,提出了考慮柔性可控資源的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功優(yōu)化模型及方法。通過有效控制儲(chǔ)能充放電策略,同時(shí)結(jié)合負(fù)荷削減、負(fù)荷轉(zhuǎn)移的柔性負(fù)荷調(diào)控及無功補(bǔ)償設(shè)備的調(diào)控能力,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)無功電壓的最優(yōu)控制,提升電網(wǎng)的無功備用調(diào)壓能力及電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。