姜濤, 宋卓然, 李劍峰, 蘆思晨, 劉宇

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司, 沈陽(yáng) 110000)

作為電力建設(shè)中的重要組成部分,配電網(wǎng)被廣泛應(yīng)用在電子儲(chǔ)能、平臺(tái)供電、光伏新能源等領(lǐng)域[1]。為了創(chuàng)造安全高效的運(yùn)行環(huán)境,對(duì)配電網(wǎng)靈活性的提升優(yōu)化技術(shù)也提出了更高的要求,不僅要求提升優(yōu)化效率高,還要求具有良好的穩(wěn)定性[2]。但由于受各種外界環(huán)境因素和現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的影響,配電網(wǎng)靈活性越往上提升的難度越大。特別是配電網(wǎng)中高滲透性分布式電源的接入,需要確保配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此,研究配電網(wǎng)兩階段靈活性的提升優(yōu)化方法具有重要意義。

學(xué)者們對(duì)配電網(wǎng)的靈活性提升開(kāi)展研究。王守相等[3]首先構(gòu)建基于儲(chǔ)能優(yōu)化的配電網(wǎng)靈活性模型,然后采用蒙特卡洛搜索法計(jì)算出配電網(wǎng)的負(fù)荷信息,最后將負(fù)荷信息輸入到模型中,通過(guò)粒子群優(yōu)化算法對(duì)模型求解,完成配電網(wǎng)靈活性的提升優(yōu)化。該方法沒(méi)有保證配電網(wǎng)達(dá)到三相平衡狀態(tài),導(dǎo)致凈負(fù)荷波動(dòng)曲線較大。張新民等[4]首先計(jì)算出配電網(wǎng)的儲(chǔ)能負(fù)荷所需的靈活性大小,得到配電網(wǎng)的出力波動(dòng)區(qū)間,接著構(gòu)建基于靈活性的分布式配電網(wǎng)優(yōu)化模型,最后將模糊規(guī)劃與波動(dòng)區(qū)間輸入到優(yōu)化模型中,完成配電網(wǎng)兩階段靈活性的提升優(yōu)化。該方法沒(méi)有對(duì)配電網(wǎng)做無(wú)功規(guī)劃,導(dǎo)致方法的計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。趙晶晶等[5]首先根據(jù)凈負(fù)荷與靈活性構(gòu)建配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)控模型,并通過(guò)調(diào)控因子的靈活性為模型提供平衡指標(biāo),然后結(jié)合模塊度計(jì)算配電網(wǎng)的分區(qū),最后采用同步型交替算法對(duì)配電網(wǎng)的分區(qū)求解,完成配電網(wǎng)兩階段靈活性的提升優(yōu)化。該方法沒(méi)有引入多元源荷,導(dǎo)致該方法的配電網(wǎng)凈負(fù)荷波動(dòng)率靈活性出現(xiàn)不足,分布式電源接入的靈活適應(yīng)性差。

多元源荷指的是存在風(fēng)光機(jī)組出力的分布式電源、多樣性負(fù)荷、儲(chǔ)能等多種類(lèi)型的負(fù)荷,多元源荷接入配電網(wǎng)后會(huì)在一定程度上影響配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。為了保證配電網(wǎng)的調(diào)度靈活性,解決上述方法中存在的問(wèn)題,提出適應(yīng)多元源荷接入的配電網(wǎng)兩階段靈活性提升優(yōu)化方法。在保證配電網(wǎng)達(dá)到三相平衡狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行配電網(wǎng)的無(wú)功規(guī)劃,通過(guò)多元源荷接入的兩階段提升優(yōu)化法提升配電網(wǎng)的靈活性。對(duì)于促進(jìn)配電網(wǎng)接納分布式電源的能力提升具有重要的意義。

1 配電網(wǎng)的三相平衡與無(wú)功規(guī)劃

1.1 配電網(wǎng)電壓的三相平衡

由于用電負(fù)荷存在不平衡性,所以采用瞬時(shí)功率平衡算法將配電網(wǎng)中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),同時(shí)引入負(fù)序電壓保證配電網(wǎng)電壓的三相平衡[6],具體步驟如下。

步驟1在dq坐標(biāo)系下,配電網(wǎng)中的負(fù)序電壓流向呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn),并且電壓與電流的流向始終保持一致。dq坐標(biāo)系如圖1所示,配電網(wǎng)的有功功率p1與無(wú)功功率p2可表示為

圖1 dq坐標(biāo)下的電流與電壓Fig.1 Current and voltage in dq coordinates

(1)

式(1)中:p1、p2分別為低壓配電網(wǎng)的有功、無(wú)功功率;βU-、βI-分別為負(fù)序電壓、電流節(jié)點(diǎn)流向;U-為配電網(wǎng)的負(fù)序電壓;I-為配電網(wǎng)的負(fù)序電流。

步驟2當(dāng)d軸與配電網(wǎng)的電壓矢量[7]完全重疊時(shí),電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),此時(shí)電壓矢量的模仍保持不變,注入配電網(wǎng)中的總功率可表示為

(2)

步驟3瞬時(shí)功率平衡法將配電網(wǎng)中的電流信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后,配電網(wǎng)的瞬時(shí)功率等于總功率減去無(wú)功功率,可表示為

(3)

式(3)中:p′為配電網(wǎng)的瞬時(shí)功率。

步驟4為了得到負(fù)序情況下配電網(wǎng)電壓頻率、幅度、負(fù)載之間的相互均衡關(guān)系,將瞬時(shí)功率代入式(4)中,獲取d軸、q軸的均衡關(guān)系式ld與lq,此時(shí)配電網(wǎng)達(dá)到三相平衡。

(4)

1.2 配電網(wǎng)的無(wú)功規(guī)劃

當(dāng)配電網(wǎng)達(dá)到三相平衡的狀態(tài)時(shí),通過(guò)配電網(wǎng)無(wú)功出力與有功損耗的輸出特點(diǎn)完成配電網(wǎng)的無(wú)功規(guī)劃,可以有效地提高配電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量,降低網(wǎng)損,為基于多元源荷的兩階段靈活性提升優(yōu)化過(guò)程打下基礎(chǔ),具體步驟如下。

步驟1配電網(wǎng)的輸出功率分為有功功率與無(wú)功功率,其中有功功率具有間歇性與時(shí)序性[8],無(wú)功功率具備一定的等效利用性,配電網(wǎng)的無(wú)功出力的表達(dá)式為

(5)

式(5)中:|E(T)|max為配電網(wǎng)在T時(shí)刻的最大無(wú)功出力;Vmax為最大理想功率;Gmax為最大有功出力。

步驟2在配電網(wǎng)的正常運(yùn)行中,無(wú)功出力具有較高的置信度[9],可結(jié)合無(wú)功出力計(jì)算出配電網(wǎng)的有功損耗,配電網(wǎng)的有功損耗的表達(dá)式為

(6)

式(6)中:ΔHloss為配電網(wǎng)的有功損耗;E(T)為配電網(wǎng)在T時(shí)刻的無(wú)功出力;M為配電網(wǎng)出力狀態(tài)的集合;m為出力狀態(tài);α為出力狀態(tài)的概率分布。

步驟3將無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)作為固定的補(bǔ)償容量,使配電網(wǎng)有功損耗滿足最小化[10],此時(shí)的配電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量最高、網(wǎng)損最小。配電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量和電壓變量的表達(dá)式為

(7)

式(7)中:D為配電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量;Uj、Ujmax、Ujmin分別為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j處的補(bǔ)償電壓、最大電壓、最小電壓;r為電壓越界懲罰因子;ΔU為電壓變量。

步驟4在配電網(wǎng)的無(wú)功規(guī)劃過(guò)程中,電壓變量由狀態(tài)分量與控制分量構(gòu)成,將節(jié)點(diǎn)j處的電壓視為狀態(tài)分量,則調(diào)整的電壓為控制分量,兩者之間的不等式約束[11]關(guān)系即為配電網(wǎng)的無(wú)功規(guī)劃,可表示為

(8)

式(8)中:Zimax、Zimin、Zi分別為補(bǔ)償點(diǎn)i處的補(bǔ)償上限、補(bǔ)償下限與均衡補(bǔ)償;N為補(bǔ)償點(diǎn)集合。

2 基于多元源荷接入的兩階段靈活性提升優(yōu)化

(1)階段一?；诖砼潆娋W(wǎng)靈活性的3個(gè)指標(biāo)(負(fù)荷峰值裕度、負(fù)荷谷值裕度、負(fù)荷允許波動(dòng)裕度),以及多元源荷接入的供給特性構(gòu)建配電網(wǎng)靈活性提升優(yōu)化模型。

(2)階段二?？紤]配電網(wǎng)靈活性指標(biāo)的概率平衡性,采用線性轉(zhuǎn)換算法對(duì)模型求解。具體階段步驟如下。

2.1 第一階段

(1)負(fù)荷峰值裕度Kup,T反映的是配電網(wǎng)凈負(fù)荷峰值功率的向上波動(dòng)裕度。當(dāng)Kup,T大于零時(shí),體現(xiàn)配電網(wǎng)的向上靈活性。Kup,T的表達(dá)式為

(9)

式(9)中:PT為T(mén)時(shí)刻的凈負(fù)荷功率;Pg,max為配電網(wǎng)的最大容量。

(2)負(fù)荷谷值裕度Kdown,T表示配電網(wǎng)凈負(fù)荷谷值功率的向下波動(dòng)裕度。當(dāng)Kdown,T大于零時(shí),體現(xiàn)配電網(wǎng)的向下靈活性。Kdown,T的表達(dá)式為

(10)

式(10)中:Pg,min為配電網(wǎng)的最小容量。

(3)負(fù)荷允許波動(dòng)裕度Kfm,T能夠反映配電網(wǎng)上、下爬坡能力[12],體現(xiàn)出配電網(wǎng)靈活性的適應(yīng)能力,可表示為

(11)

式(11)中:PT,max為最大爬坡功率;Pg為一般爬坡功率;Pes為額定爬坡功率;PT-1為T(mén)-1時(shí)刻的凈負(fù)荷功率。

(12)

2.2 第二階段

(1)配電網(wǎng)靈活性提升優(yōu)化中包含預(yù)測(cè)誤差造成的隨機(jī)波動(dòng),會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)靈活性具有概率特性,需要通過(guò)多源源荷的協(xié)調(diào)優(yōu)化[13]確定配電網(wǎng)的最佳靈活性供需平衡,如圖2所示。

圖2 靈活性供需平衡示意圖Fig.2 Schematic diagram of flexible supply and demand balance

概率特性表達(dá)式為

(13)

(2)構(gòu)建適應(yīng)多元源荷接入的配電網(wǎng)靈活性提升優(yōu)化模型,模型的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為

(14)

(3)在模型中設(shè)置約束條件[14],保證各個(gè)時(shí)段內(nèi)配電網(wǎng)的負(fù)荷運(yùn)行受到約束,約束條件的表達(dá)式為

(15)

式(15)中:Pw,t為t時(shí)段的分布式電源功率;Ps,j,t為t時(shí)段儲(chǔ)能j的出力;Pvo,t為t時(shí)段系統(tǒng)負(fù)荷功率;Phz,k,t為t時(shí)段可中斷負(fù)荷k的中斷量;Nhz為可中斷負(fù)荷的數(shù)量。

(4)由于多元源荷的接入中存在非線性偏積分[15-16],需要采用線性轉(zhuǎn)換法對(duì)模型進(jìn)行求解,完成配電網(wǎng)兩階段靈活性的提升優(yōu)化,可表示為

(16)

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證適應(yīng)多元源荷接入的配電網(wǎng)兩階段靈活性提升優(yōu)化方法的整體有效性,需要對(duì)其做出如下測(cè)試。

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

采用IEEE-33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為測(cè)試平臺(tái),該系統(tǒng)包含3個(gè)500 kW的分布式光伏,5個(gè)500 kW的分布式風(fēng)力發(fā)電;其中節(jié)點(diǎn)6和23為可中斷負(fù)荷;最大允許負(fù)荷電流為450 A。優(yōu)化調(diào)度周期24 h,儲(chǔ)能的最大爬坡率為180 kW/h,系統(tǒng)的最大爬坡率為1 000 kW/h。,電網(wǎng)購(gòu)電單價(jià)采用分時(shí)電價(jià),08:00—15:00為波谷電價(jià)0.25元,18:00—21:00為波峰電價(jià)1.0,其他時(shí)段為平段單價(jià)0.50元,可中斷負(fù)荷參照電網(wǎng)分時(shí)購(gòu)電單價(jià)。

將網(wǎng)損率、凈負(fù)荷變化曲線、計(jì)算時(shí)間、配電網(wǎng)分布式電源接入的靈活適應(yīng)性作為指標(biāo),采用文獻(xiàn)[3]中的可中斷負(fù)荷調(diào)度的配電網(wǎng)兩階段靈活性提升優(yōu)化方法和文獻(xiàn)[5]中的考慮靈活性的含分布式光伏配電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法與所提方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 網(wǎng)損率

對(duì)比所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[5]方法提升優(yōu)化后的網(wǎng)損情況。網(wǎng)損越大,表明方法的靈活性提升優(yōu)化效果越差;網(wǎng)損越小,表明方法的靈活性提升優(yōu)化效果越好。不同方法的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的網(wǎng)損Fig.3 Network loss of different methods

由圖3可知,所提方法的網(wǎng)損低于1%,文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[5]方法提升優(yōu)化后的網(wǎng)損較大,說(shuō)明所提方法的靈活性提升優(yōu)化效果較好,其主要原因是所提方法通過(guò)無(wú)功出力與有功損耗的輸出特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的無(wú)功規(guī)劃,有效地提高配電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量,降低了網(wǎng)損。

3.2.2 凈負(fù)荷變化曲線

在原始負(fù)荷的基礎(chǔ)上,繪制出本文方法、文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[5]方法提升優(yōu)化后的配電網(wǎng)凈負(fù)荷變化曲線,曲線波動(dòng)越大,表明本文方法提升優(yōu)化后的靈活性不足、提升優(yōu)化性能越低;曲線波動(dòng)越平緩,說(shuō)明本文方法提升優(yōu)化后的靈活性充足、提升優(yōu)化性能越高。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的凈負(fù)荷變化曲線Fig.4 Net load change curve of different methods

由圖4可知,在配電網(wǎng)的正常運(yùn)行中,所提方法可以達(dá)到平抑波動(dòng)、削峰填谷的作用,并且避免了凈負(fù)荷變化曲線峰上加峰的狀況,特別是15:00—19:00,凈負(fù)荷的變化率明顯趨緩。而文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[5]方法的凈負(fù)荷發(fā)生超調(diào)狀況,且波動(dòng)嚴(yán)重。說(shuō)明本文方法在配電網(wǎng)靈活性提升優(yōu)化方面,性能優(yōu)于文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[5]方法。主要是由于所提方法采用瞬時(shí)功率平衡算法確保配電網(wǎng)達(dá)到三相平衡狀態(tài),配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定,減緩了凈負(fù)荷波動(dòng)。

3.2.3 計(jì)算時(shí)間

在優(yōu)化調(diào)度周期24 h內(nèi),在16時(shí)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行人工干預(yù),造成配電網(wǎng)靈活性不足。分別利用3種方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,統(tǒng)計(jì)本文方法、文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[5]方法在配電網(wǎng)靈活性提升優(yōu)化過(guò)程中所使用的計(jì)算時(shí)間,計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng),說(shuō)明本文方法的效率越低;計(jì)算時(shí)間越短,說(shuō)明本文方法的效率越高。不同方法的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法的計(jì)算時(shí)間Table 1 Calculation time of different methods

分析表1可知,針對(duì)配電網(wǎng)靈活性的提升優(yōu)化,本文方法的計(jì)算時(shí)間在48 s波動(dòng),文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[5]方法的計(jì)算時(shí)間分別在78 s和65 s波動(dòng)。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),本文方法的計(jì)算時(shí)間均少于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[5]方法的計(jì)算時(shí)間,說(shuō)明針對(duì)配電網(wǎng)兩階段靈活性的提升優(yōu)化,本文方法的效率遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[5]方法的效率。

3.2.4 配電網(wǎng)分布式電源接入的靈活適應(yīng)性

配電網(wǎng)分布式接入的靈活適應(yīng)性是指配電網(wǎng)承受分布式電源接入后不確定性波動(dòng)的適應(yīng)能力。主要通過(guò)凈負(fù)荷最大允許波動(dòng)率和凈負(fù)荷波動(dòng)率來(lái)表征。凈負(fù)荷最大允許波動(dòng)率反映了配電網(wǎng)自身調(diào)節(jié)能力,即爬坡能力。凈負(fù)荷波動(dòng)率是指配電網(wǎng)凈負(fù)荷的單位時(shí)間變化率,體現(xiàn)了凈負(fù)荷單位時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)劇烈程度。對(duì)比本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[5]方法提升優(yōu)化后的配電網(wǎng)凈負(fù)荷波動(dòng)率。調(diào)度24 h周期內(nèi)凈負(fù)荷最大允許波動(dòng)率和凈負(fù)荷波動(dòng)率曲線如圖5所示。

圖5 凈負(fù)荷波動(dòng)率曲線Fig.5 Net load volatility curve

由圖5可知,文獻(xiàn)[3]方法在15:00—16:00,文獻(xiàn)[5]方法在13:00—14:00時(shí)凈負(fù)荷波動(dòng)率超出了最大允許波動(dòng)率,表明配電網(wǎng)的凈負(fù)荷波動(dòng)率靈活性出現(xiàn)不足,將減少新能源分布式電源接入負(fù)荷,導(dǎo)致棄光或棄風(fēng)情況的出現(xiàn)。而本文方法每一時(shí)刻的凈負(fù)荷波動(dòng)率均小于最大允許波動(dòng)率,而且大部分時(shí)段波動(dòng)率顯著低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[5]方法,表明本文方法的配電網(wǎng)分布式電源接入的靈活適應(yīng)性更好。主要是由于所提方法根據(jù)無(wú)功出力與有功損耗之間的輸出特點(diǎn)完成配電網(wǎng)的無(wú)功規(guī)劃,考慮了配電網(wǎng)靈活性指標(biāo)的概率平衡性,使得配電網(wǎng)在分布式電源接入后,凈負(fù)荷波動(dòng)率也表現(xiàn)很平穩(wěn)。

4 結(jié)論

測(cè)試發(fā)現(xiàn),目前配電網(wǎng)靈活性提升優(yōu)化方法存在凈負(fù)荷變化曲線大、配電網(wǎng)靈活性不足、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題,為此提出適應(yīng)多元源荷接入的配電網(wǎng)兩階段靈活性提升優(yōu)化方法。該方法首先采用瞬時(shí)功率平衡法保證配電網(wǎng)的三相平衡,其次根據(jù)無(wú)功出力與有功損耗之間的輸出特點(diǎn)完成配電網(wǎng)的無(wú)功規(guī)劃,最后構(gòu)建基于多元源荷的配電網(wǎng)兩階段靈活性提升優(yōu)化模型,通過(guò)線性轉(zhuǎn)換算法對(duì)模型求解,完成配電網(wǎng)兩階段靈活性的提升優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法網(wǎng)損率更低,在降低了凈負(fù)荷曲線波動(dòng)與計(jì)算時(shí)間的同時(shí),提高了配電網(wǎng)分布式電源接入的靈活適應(yīng)性。