蘇本慶, 李宏仲

(上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

為應(yīng)對日趨嚴重的化石能源枯竭和氣候環(huán)境惡化等問題,我國在2020年9月聯(lián)合國成立75周年紀念峰會上正式提出了“雙碳”目標。在該目標的驅(qū)動下,以風光為主的分布式電源(Distributed Generation,DG)在配電網(wǎng)中得到大力發(fā)展和應(yīng)用。然而,大量不可控DG的接入加劇了配電網(wǎng)的波動性和不確定性[1]。此時,配電網(wǎng)需要具有足夠的靈活性才可有效應(yīng)對高比例DG接入帶來的不利影響。

國內(nèi)外學(xué)者分別從運行和規(guī)劃兩個角度對電力系統(tǒng)靈活性展開了研究。運行靈活性著重關(guān)注系統(tǒng)應(yīng)對源荷波動和預(yù)測誤差所產(chǎn)生的不確定性的響應(yīng)能力[2],常通過運行模擬建立相應(yīng)確定性指標[3]或構(gòu)建靈活性運行域[4]等形式對其進行描述。規(guī)劃靈活性則著重關(guān)注合理配置和充分利用靈活性資源以提升運行靈活性[5],常通過概率評估[6]或場景評估[7]的方式對其進行描述。

上述研究大多從主網(wǎng)或系統(tǒng)層面對靈活性進行量化,而針對配電網(wǎng)靈活性的研究目前還處于初級階段[8]。從本質(zhì)來看,配電網(wǎng)靈活性反映了配電網(wǎng)充分統(tǒng)籌和利用系統(tǒng)內(nèi)可調(diào)度資源,有效應(yīng)對多重不確定性因素擾動的能力[9]。在此基礎(chǔ)上,文獻[10]提出了靈活性裕度指標量化配電網(wǎng)靈活性。文獻[11]通過配電網(wǎng)網(wǎng)供負荷可行域的上下邊界來反映配電網(wǎng)的靈活性情況。

然而,該類文獻大多只是將系統(tǒng)層面相應(yīng)評估指標和方法應(yīng)用到配電網(wǎng)中,且所建評估指標大多無法全面反映網(wǎng)絡(luò)傳輸能力對配電網(wǎng)靈活性供需情況的影響,雖有部分文獻[12-13]提出利用支路靈活性應(yīng)對能力指標和支路裕度指標來表征配電網(wǎng)靈活性,但是前者不能反映配電網(wǎng)靈活性不足的具體原因,后者則不能反映整個規(guī)劃周期內(nèi)配電網(wǎng)的靈活性情況。

針對上述問題,本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上提出了一種含高比例DG的配電網(wǎng)靈活性評估方法。首先,通過靈活性供需平衡分析,得到配電網(wǎng)靈活性供需匹配的4種情況。然后,提出了3類配電網(wǎng)靈活性評估指標,基于典型場景運行態(tài)勢模擬對配電網(wǎng)靈活性水平進行評估。最后,采用改進的IEEE33節(jié)點算例驗證了所提評估方法的有效性和優(yōu)越性,并分析了不同光伏接入量下配電網(wǎng)靈活性供需匹配的變化情況。

1 配電網(wǎng)靈活性供需平衡分析

1.1 配電網(wǎng)靈活性需求建模

從產(chǎn)生原因分析,配電網(wǎng)的靈活性需求主要來源于源荷的隨機波動和預(yù)測誤差[14]。利用凈負荷曲線描述配電網(wǎng)源荷時序特征,2種類型的配電網(wǎng)靈活性需求情況如圖1所示。

圖1 2種類型的配電網(wǎng)靈活性需求情況

基于以上特征,可以對配電網(wǎng)靈活性需求進行建模,公式如下:

(1)

1.2 配電網(wǎng)靈活性供給建模

1.2.1 儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)具有雙向調(diào)節(jié)的能力,其靈活性供給能力受當前時刻狀態(tài)、最大充放電功率和充放電效率的影響。為便于分析儲能系統(tǒng)的靈活性供給情況,假定在時間尺度τ內(nèi)其他能源出力不變。儲能系統(tǒng)的靈活性供給情況如圖2所示。

圖2 儲能系統(tǒng)的靈活性供給情況

圖2中,以系統(tǒng)有上調(diào)靈活性需求為例,當其他能源出力小于P1時,儲能處于放電狀態(tài),需要提高放電功率提供上調(diào)靈活性以滿足凈負荷的向上波動。當其他能源出力大于P1小于P2時,儲能處于充電狀態(tài),需要將充電狀態(tài)轉(zhuǎn)化為放電狀態(tài)以提供上調(diào)靈活性。當其他能源出力大于P2時,儲能處于充電狀態(tài),需要減少充電功率以提供上調(diào)靈活性。因此,儲能系統(tǒng)的靈活性供給模型可以表述為

Pg,max、Pc,max——儲能在時間尺度τ下的最大放電和充電功率;

Es,t、Es,min、Es,max——t時刻儲能s的存儲電量、最小和最大存儲電量;

ηg、ηc——儲能s的放電和充電效率;

1.2.2 可削減負荷

與儲能放電類似,可削減負荷可通過增大(減小)負荷削減量提供上(下)調(diào)靈活性,具體公式為

(4)

Pq,max,t+τ——t+τ時刻可削減負荷q的最大削減功率;

Pq,t——t時刻可削減負荷q的削減功率。

1.2.3 上級主網(wǎng)

上級主網(wǎng)通過增大(減小)主網(wǎng)購電量提供上(下)調(diào)靈活性,其靈活性供給能力公式為

(5)

Pb,max、Pb,t——t時刻主網(wǎng)最大購電功率和主網(wǎng)購電功率;

ΔPb,max——時間尺度τ下t時刻上級主網(wǎng)最大爬坡功率。

1.3 配電網(wǎng)靈活性供需平衡分析

配電網(wǎng)作為一個多節(jié)點多支路系統(tǒng),其靈活性供需平衡不僅受制于靈活性資源的充裕情況,還受制于配電線路的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。在不考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的前提下,配電網(wǎng)靈活性供需平衡主要關(guān)注靈活性資源的充裕情況,可通過靈活性供需建模對其進行量化。因此,可定義靈活性資源供給充裕量為At,其公式為

(6)

ns、nq——儲能系統(tǒng)和可削減負荷的數(shù)量。

對于網(wǎng)絡(luò)傳輸能力,則可通過配電網(wǎng)靈活性不足所產(chǎn)生的影響對其進行量化。當配電網(wǎng)在t時刻靈活性供給不足時,會在t+τ時刻發(fā)生棄風棄光或切負荷現(xiàn)象[15]。因此,可定義t+τ時刻配電網(wǎng)棄風棄光或切負荷量為Bt+τ,并通過典型場景運行態(tài)勢模擬得到Bt+τ的值。

基于以上分析,本文將配電網(wǎng)靈活性傳輸不足的情況進行分解,得到配電網(wǎng)靈活性供需的4種情況,如表1所示。

表1 配電網(wǎng)靈活性供需情況

2 配電網(wǎng)靈活性評估方法

2.1 配電網(wǎng)靈活性評估指標

為反映配電網(wǎng)靈活性資源的充裕和缺失情況,定義靈活性平均充裕度指標Ea和靈活性平均不足度指標Ee。其物理意義分別為配電網(wǎng)靈活性資源供給的總充裕量與充裕時段的比值,以及總?cè)鳖~量與缺額時段的比值,公式為

(7)

(8)

同時,為反映配電網(wǎng)靈活性不足的成因,定義整體靈活性供需匹配率指標γ。其物理意義為4種靈活性供需情況的時段數(shù)占總時段數(shù)的比例,公式為

(9)

式中:γ1、γ2、γ3、γ4——4種靈活性供需情況下整體靈活性供需匹配率指標;

NT1、NT2、NT3、NT4——4種靈活性供需情況的時段數(shù);

NT——評估周期內(nèi)的總時段數(shù)。

2.2 運行評估模型

以運行成本最低為目標函數(shù),構(gòu)建優(yōu)化調(diào)度模型對配電網(wǎng)典型場景運行態(tài)勢進行模擬。根據(jù)模擬得到各時段配電網(wǎng)的棄風棄光切負荷功率以及靈活性資源運行結(jié)果,進而計算配電網(wǎng)靈活性評估指標。該模型目標函數(shù)為

(10)

式中:Cf、Cl——靈活性資源運行成本和切負荷懲罰成本;

Cv、Cn——棄風棄光懲罰成本和網(wǎng)損成本;

cb、cs、cq——單位主網(wǎng)購電成本、單位儲能充電成本和單位可削減負荷響應(yīng)成本;

cl、cv、cn——單位切負荷懲罰成本、單位棄風棄光懲罰成本和單位網(wǎng)損成本;

Pl,t、Pv,t——t時刻配電網(wǎng)切負荷功率和棄風棄光功率;

Iij,t、Rij——t時刻支路ij上的電流和電阻。

模型約束條件分別為二階錐轉(zhuǎn)化后的配電網(wǎng)支路潮流約束、運行安全約束、靈活性資源運行約束等,具體公式參考文獻[16]。經(jīng)二階錐轉(zhuǎn)化后,可調(diào)用CPLEX 求解器對模型進行求解。

2.3 配電網(wǎng)靈活性評估流程

含高比例DG的配電網(wǎng)靈活性評估流程如圖3所示。

圖3 含高比例DG的配電網(wǎng)靈活性評估流程

3 算例分析

3.1 算例參數(shù)及典型場景生成

本文采用改進的IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)進行算例分析。該配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中,節(jié)點4、12、27的光伏接入容量均為1 MW,節(jié)點17、21的儲能接入容量均為0.6 MWh。PV表示光伏設(shè)備,ESS表示儲能設(shè)備,IL表示可控負荷。

圖4 IEEE33 節(jié)點配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

算例采用的光伏和節(jié)點負荷數(shù)據(jù)均來自美國國家可再生能源實驗室,評估周期為1 a,數(shù)據(jù)分辨率為1 h。分別采用屬性加權(quán)的多元時間序列算法[17]和K-Means算法對配電網(wǎng)多節(jié)點負荷時序數(shù)據(jù)和光伏運行數(shù)據(jù)進行場景削減,負荷場景削減為5類,光伏場景削減為4類。各場景的出現(xiàn)概率如表2所示。

表2 源荷典型運行場景的出現(xiàn)概率

3.2 配電網(wǎng)靈活性評估結(jié)果

3.2.1 靈活性評估結(jié)果有效性分析

為驗證本文所提評估指標和評估方法的有效性,設(shè)置以下方案進行對比分析:方案1,不考慮儲能系統(tǒng)和可削減負荷接入;方案2,考慮可削減負荷接入,不考慮儲能系統(tǒng);方案3,考慮儲能系統(tǒng)接入,不考慮可削減負荷;方案4,同時考慮儲能系統(tǒng)和可削減負荷接入。各方案靈活性評估結(jié)果如表3所示。

表3 4種方案的靈活性評估結(jié)果

由表3可以看出,隨著可削減負荷和儲能系統(tǒng)的逐步接入和全接入,配電網(wǎng)靈活性水平逐步提升。方案1中,高比例DG接入配電網(wǎng),而配電網(wǎng)僅依靠上級主網(wǎng)參與靈活性調(diào)節(jié),這導(dǎo)致配電網(wǎng)靈活性均處于最差的狀態(tài),且網(wǎng)絡(luò)阻塞嚴重,整個評估周期內(nèi)發(fā)生靈活性傳輸不足的情況(情況2+情況4)高達17.2%。方案2中,配電網(wǎng)靈活性水平的增長幅度不高,但可削減負荷的接入大幅減少了發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞的情況,與方案1相比,其靈活性傳輸不足的情況約能減少30%。

與方案2相比,方案3的靈活性水平得到大幅提升。這是因為儲能系統(tǒng)接入量遠大于可削減負荷,約為可削減負荷的10倍左右。但相比于方案1,方案3的靈活性傳輸不足的情況卻只減少約60%,這說明在相同接入量的情況下,可削減負荷能有效解決靈活性傳輸不足的問題。方案4中,可削減負荷和儲能系統(tǒng)全部接入配電網(wǎng),配電網(wǎng)整體靈活性水平達到最高,且不再發(fā)生配電網(wǎng)傳輸能力和靈活性供給均不足的情況。

由此可見,在高比例DG接入配電網(wǎng)的背景下,所提評估方法可有效反映配電網(wǎng)的靈活性供需匹配水平,辨識靈活性不足的成因,為配電網(wǎng)靈活性規(guī)劃提供針對性指導(dǎo)。

3.2.2 靈活性評估結(jié)果合理性和優(yōu)越性分析

為驗證所提評估方法的合理性和優(yōu)越性,采用文獻[18]所提出的指標計算方法對方案4的靈活性水平進行評估。評估結(jié)果如表4所示。

表4 文獻[18]所提指標計算方法的評估結(jié)果

由表3和表4可知,本文所提評估方法的靈活性充裕度指標略大于文獻[18],而靈活性不足度指標則與其相同。這是因為本文將靈活性資源供給與網(wǎng)絡(luò)傳輸靈活性進行了分解,所建靈活性充裕度和不足度指標反映的是靈活性資源的充裕情況,而文獻[18]所提指標則將兩者進行了耦合,反映的是配電網(wǎng)整體靈活性的充裕情況。受網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的影響,正常情況下靈活性資源的充裕度會略大于整體靈活性的充裕度,且由于方案4不會發(fā)生配電網(wǎng)傳輸能力和靈活性供給均不足的情況,因此兩種方法的靈活性不足度指標完全相同。

綜上可知,相較于其他方法,本文所提方法可以有效反映配電網(wǎng)靈活性不足的成因。

3.2.3 不同光伏接入容量下的靈活性評估結(jié)果

為研究不同比例DG接入下配電網(wǎng)靈活性供需匹配的變化情況,本文在方案4的基礎(chǔ)上等比例改變3個光伏接入點的光伏接入容量。對不同光伏接入量下配電網(wǎng)靈活性供需匹配率進行仿真計算,計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同光伏接入量下配電網(wǎng)靈活性供需匹配變化情況

由圖5可以看出,當光伏接入容量小于3 MW時,靈活性供需匹配率指標變化不大,此時光伏接入產(chǎn)生的靈活性需求基本能夠得到滿足。當光伏接入容量大于3 MW小于6 MW時,γ1逐漸降低,γ2、γ3、γ4逐漸升高,配電網(wǎng)靈活性供給逐漸無法滿足光伏接入產(chǎn)生的靈活性需求,此時導(dǎo)致配電網(wǎng)靈活性供需不匹配的主要原因是靈活性資源供給不足。當光伏接入容量大于6 MW時,配電網(wǎng)靈活性供需匹配能力進一步下降。γ1和γ3的下降、γ2和γ4的上升說明了此時配電網(wǎng)的主要問題是配電網(wǎng)靈活性傳輸能力不足,需要對線路進行擴容以提升配電網(wǎng)的靈活性傳輸能力。

4 結(jié) 語

在高比例DG接入配電網(wǎng)的背景下,針對現(xiàn)有方法對配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力考慮不足的問題,提出了一種含高比例DG的配電網(wǎng)靈活性評估方法。通過算例分析得知,所提出的評估方法可有效反映高比例DG接入下配電網(wǎng)的靈活性供需匹配水平,為配電網(wǎng)規(guī)劃提供針對性指導(dǎo)。與其他方法相比,所提方法可反映配電網(wǎng)靈活性不足的成因,具有一定的優(yōu)越性。隨著DG并網(wǎng)比例的進一步提升,配電網(wǎng)傳輸能力在配電網(wǎng)靈活性供需中的限制作用將愈加顯著。