主動配電網(wǎng)分布式電源規(guī)劃分析與研究

李彥生

（大理供電局，云南大理 671000）

傳統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)充困難，空間資源受限，電網(wǎng)負(fù)荷的快速增長已難以滿足分布式能源的大量接入要求，因此傳統(tǒng)配電網(wǎng)需向主動配電網(wǎng)轉(zhuǎn)型[1]。采用發(fā)電側(cè)與需求側(cè)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，提升可再生能源利用率，通過大量分布式能源的接入并網(wǎng)，提升經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。

主動配電網(wǎng)是由分布式電源、負(fù)荷及儲能設(shè)備等構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)[3]。目前，相關(guān)研究者對其分布式能源規(guī)劃進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[4]將運(yùn)行成本、利潤及用戶用電作為目標(biāo)，優(yōu)化儲能系統(tǒng)容量，但其目標(biāo)配置單一，無法從全局對配電網(wǎng)的規(guī)劃情況進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[5]通過改變配置方式規(guī)劃主動配電網(wǎng)的分布式能源，但只是對調(diào)度計(jì)劃因素或最小排碳量進(jìn)行了優(yōu)化，未考慮規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)效益。

基于以上研究，文中對主動配電網(wǎng)各分布式能源進(jìn)行規(guī)劃，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型。模型中以線損、儲能調(diào)峰及發(fā)電成本作為優(yōu)化目標(biāo)，以功率平衡為約束條件，結(jié)合粒子群算法、自適應(yīng)遺傳算法進(jìn)行模型求解，以提高分布式系統(tǒng)容量配置的合理性。

1 理論基礎(chǔ)研究

當(dāng)前，我國電網(wǎng)采用將用戶串聯(lián)成環(huán)的方式進(jìn)行架設(shè)，該種形式確保了一側(cè)發(fā)生故障時(shí)，仍可為用戶供電，增加了電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性[6]。將由可控負(fù)荷、分布式儲能及發(fā)電組成的微網(wǎng)系統(tǒng)接入配電網(wǎng)，增加了系統(tǒng)架構(gòu)和操作的靈活性、便捷性，提高了系統(tǒng)的安全性，具有容易擴(kuò)容的優(yōu)勢，適用于并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式[7]。

文中以中低壓配電網(wǎng)為研究對象，其主動配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)接線方式如圖1 所示。

圖1 主動配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)接線示意圖

圖1 中，分布式能源由風(fēng)機(jī)、光伏兩種發(fā)電形式構(gòu)成，可控負(fù)荷為3 處。文中基于環(huán)網(wǎng)配電、線路損耗及負(fù)荷預(yù)測對某供電單元分布式能源進(jìn)行合理規(guī)劃，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性。

1.1 分布式能源數(shù)學(xué)模型建立

1）光伏系統(tǒng)

忽略線路損耗等因素，理想狀態(tài)下光伏發(fā)電功率[8]為：

式中，U為陣列輸出電壓；I為工作電流；U0、Is分別為參考溫度及日照強(qiáng)度下的開路電壓及短路電流；C1、C2分別為與功率跟蹤點(diǎn)開路電壓及電流、短路電流相關(guān)的常數(shù)；ΔU、ΔI分別為環(huán)境溫度及日照強(qiáng)度變化時(shí)的修正電壓及修正電流。

2）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率[9]為：

式中，A、Pw分別為風(fēng)輪掃掠面積及輸出功率，A=πR2；β、R分別為槳距角及風(fēng)輪半徑；ρ、v分別為空氣密度及風(fēng)速；α為葉尖速比；CP為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3）儲能系統(tǒng)

由于變流器系統(tǒng)及電池容量限制，儲能系統(tǒng)相鄰時(shí)間段的能量[10]為：

式中，η+、η-分別為充電、放電功率，其與放點(diǎn)深度、環(huán)境溫度及內(nèi)阻相關(guān)；ξ為儲能系統(tǒng)自放電率，與電池內(nèi)部特性相關(guān)；E(t)為儲能系統(tǒng)前一時(shí)刻能量；分別為第i時(shí)間段系統(tǒng)的儲存功率、釋放功率。

1.2 負(fù)荷預(yù)測

恒阻抗負(fù)荷、恒電流負(fù)荷及恒功率靜態(tài)負(fù)荷為配電網(wǎng)負(fù)荷的主要形式。在配電網(wǎng)規(guī)劃中，通過削峰填谷來降低分布式能源的容量需求[11]?；谪?fù)荷曲線，負(fù)荷趨勢可劃分為友好型負(fù)荷Pg及峰值負(fù)荷Pmax，以滿足用戶基本用電需求及用電最大值需求。

基于負(fù)荷需求相關(guān)性分組，確保各分組內(nèi)負(fù)荷需求相似。不同時(shí)間負(fù)荷需求相關(guān)性分組-多時(shí)間點(diǎn)預(yù)測流程如圖2 所示。

圖2 需求相關(guān)性分組-多時(shí)間點(diǎn)預(yù)測流程圖

基于主動配電網(wǎng)一年內(nèi)各時(shí)間段的負(fù)荷需求相關(guān)性，建立主動配電網(wǎng)系統(tǒng)。統(tǒng)計(jì)本地一年內(nèi)線性、非線性負(fù)荷，并選定負(fù)荷量Pf0居中的月份，對比各月負(fù)荷量Pf，Pf≤Pf0±50%。以Pf0為參考值，統(tǒng)計(jì)各月負(fù)荷值與參考值之間的偏差若測量負(fù)荷值則該負(fù)荷為友好型負(fù)荷，反之為非友好型負(fù)荷。

基于相關(guān)性分組-多時(shí)間點(diǎn)預(yù)測，通過K-mean聚類分析，根據(jù)負(fù)荷約束形式，提升分布式能源規(guī)劃精準(zhǔn)性。

2 主動配電網(wǎng)規(guī)劃方法研究

2.1 安裝位置優(yōu)化

分布式電源包含光伏、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等受位置及地理環(huán)境影響較大的新能源發(fā)電裝置，假設(shè)安裝位置為風(fēng)資源及光資源的最佳接受位置。由于確定安裝位置時(shí)應(yīng)綜合考慮線路損耗問題，因此所建立目標(biāo)函數(shù)應(yīng)對此充分考慮。線路損耗規(guī)劃中包含將電網(wǎng)輸送功率向電費(fèi)損耗量的折算及無功功率、有功功率損耗量[12]。

單運(yùn)行周期中饋線損耗Ploss為:

式中，Pi為第i饋線于Δt時(shí)刻的功率損耗值；t0為初始時(shí)刻；n為總饋線量；Ri為第i饋線的電阻值；Qi,t、Ri,t、Ui,t分別為第i饋線于Δt時(shí)刻的無功功率、有功功率及支路電壓值。

線路損耗向電費(fèi)損失f1折算為:

式中，Lj為各時(shí)刻電價(jià)成本；Pj(t)為t時(shí)刻第i饋線的功率損耗。

2.2 分布式能源規(guī)劃

在分布式能源規(guī)劃中，綜合發(fā)電成本，設(shè)定分布式能源目標(biāo)函數(shù)[13]，即：

式中，fPV為光伏發(fā)電成本；fw為風(fēng)力發(fā)電成本；x為風(fēng)力發(fā)電機(jī)個(gè)數(shù)；ax為單位風(fēng)力發(fā)電機(jī)造價(jià)；Pwx為單風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率容量；L(Pwx)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組折舊及年維修費(fèi)用；r、φ為貼現(xiàn)率；PPVy為光伏發(fā)電功率容量；by為光伏發(fā)電單位造價(jià)；l為利率；L(PPVy)為光伏系統(tǒng)折舊及年維修費(fèi)用。

2.3 儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃

儲能系統(tǒng)能量優(yōu)化可削峰填谷、平抑輸出功率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文中綜合考慮峰谷電價(jià)差，以加入儲能系統(tǒng)的主動配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，對儲能系統(tǒng)容量進(jìn)行配置。

儲能設(shè)備購進(jìn)成本C0為固定值，運(yùn)維成本每年按照比例上漲，儲能系統(tǒng)整個(gè)壽命周期所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益[14]為：

式中，Cr0、Cri分別為第一年及第i年運(yùn)維成本的增長；分別為第i時(shí)刻用電高峰期及用電低谷期電價(jià)；β為增長系數(shù)；k為年投運(yùn)天數(shù)；C為初始投入成本及運(yùn)行成本和；C/k為儲能系統(tǒng)折算后單天成本。

2.4 多目標(biāo)優(yōu)化

綜合考慮運(yùn)行成本、位置優(yōu)化、線路損耗及儲能經(jīng)濟(jì)配置，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[15]為：

式中，c1、c2、c3為權(quán)重系數(shù)，且c1+c2+c3=1，根據(jù)優(yōu)化側(cè)重不同，選取對應(yīng)權(quán)重系數(shù)。

約束條件包含蓄電池不越限，儲能系統(tǒng)滿足負(fù)荷要求，功率平衡等，即

式中，Pload為整體負(fù)荷；Pout為輸出供給功率；PES_in、PES_out分別為儲能系統(tǒng)充電及放電功率；Pin為需要輸出功率；Ec_i、Pe_i分別為第i個(gè)儲能系統(tǒng)單元容量及功率；Nmax為允許充放電次數(shù)最大值；Lc(i)、Ld(i)分別為第i個(gè)時(shí)間段連續(xù)充電和連續(xù)放電次數(shù)；分別為i時(shí)段儲存功率及j時(shí)段釋放功率；η為充電效率。

下標(biāo)PV、w、load、c 分別表示光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、負(fù)荷及儲能系統(tǒng)。

2.5 多目標(biāo)求解

在分布式能源規(guī)劃中，通過權(quán)重及自適應(yīng)泛函數(shù)的遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)求解[16]，即：

z1、z2、z3為通過遺傳算法對多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化后的函數(shù)。

為將全部目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽钚』瘑栴}，需將儲能經(jīng)濟(jì)收益最大化目標(biāo)進(jìn)行取負(fù)處理。對于各既定個(gè)體x，其權(quán)重為：

式中，i為種群染色體編號；max、min 分別對應(yīng)函數(shù)取最大、最小值。

為有效地歸一化處理目標(biāo)函數(shù)權(quán)重，將式（11）中每個(gè)目標(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)同時(shí)減對應(yīng)式（8）的c1、c2，對應(yīng)c3。

式（8）優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

規(guī)劃求解主動配電網(wǎng)分布式電源時(shí)，通過自適應(yīng)遺傳算法配置各分布式電源位置、容量，確保整個(gè)局域配電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3 仿真分析

為了對文中規(guī)劃方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，依據(jù)某地實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，并對主動配電網(wǎng)構(gòu)架下的分布式能源進(jìn)行規(guī)劃?；谠摰貐^(qū)實(shí)際負(fù)荷，結(jié)合需求相關(guān)性分組及多時(shí)間點(diǎn)預(yù)測的方法對負(fù)荷側(cè)進(jìn)行預(yù)測，獲得本地負(fù)荷數(shù)據(jù)均值和峰谷差負(fù)荷數(shù)據(jù)最大值，如圖3 所示。

圖3 某地實(shí)際負(fù)荷預(yù)測結(jié)果

由圖3 可知，該區(qū)域每天分別于11:00、17:00 及19:00 出現(xiàn)3 次負(fù)荷高峰，各高峰持續(xù)時(shí)間分別為2.5 h、3.5 h、2.0 h，且于11:30 及17:00 出現(xiàn)負(fù)荷峰值?；谪?fù)荷預(yù)測，合理配置各分布式能源容量。通過IEEE-RTS 24 總線系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例分析，其中并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)3，其他節(jié)點(diǎn)為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，根據(jù)圖3 預(yù)測結(jié)果對節(jié)點(diǎn)8 加載負(fù)荷數(shù)據(jù)。

基于各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷需求，綜合分析分布式能源運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性、儲能經(jīng)濟(jì)性及線路損耗，確定儲能系統(tǒng)安裝位置及系統(tǒng)容量，確保整個(gè)區(qū)域配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。不同節(jié)點(diǎn)分布式電源配置如表1所示。

由表1 可知，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安裝于節(jié)點(diǎn)2、18、23；光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝于節(jié)點(diǎn)7、15、21；儲能系統(tǒng)安裝于節(jié)點(diǎn)1、22。各節(jié)點(diǎn)設(shè)備容量為200～800 kW。

表1 不同節(jié)點(diǎn)分布式電源配置

以節(jié)點(diǎn)8 所配置分布式電源為例進(jìn)行分析，根據(jù)儲能和負(fù)荷的工作情況，計(jì)算運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和棄風(fēng)、棄光量。不同運(yùn)行模式及結(jié)果分析如表2 所示。

表2 不同運(yùn)行模式及結(jié)果分析

由表2 可知，負(fù)荷波動情況隨儲能狀態(tài)的變化而變化，致使儲能系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用發(fā)生變化，同時(shí)產(chǎn)生一定程度的棄風(fēng)、棄光。

4 結(jié)論

為提高主動配電網(wǎng)供電的經(jīng)濟(jì)性及可靠性，增加分布式能源利用率，文中對電源規(guī)劃方法進(jìn)行了研究。通過需求相關(guān)性分組預(yù)測負(fù)荷，并基于預(yù)測結(jié)果規(guī)劃分布式能源，同時(shí)充分分析線路損耗、分布式能源發(fā)電成本、儲能系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性等因素，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)各分布式電源的選址與定容，為主動配電網(wǎng)擴(kuò)容及規(guī)劃提供了理論依據(jù)和方法。