考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性的新能源優(yōu)化配置方法

李娟

（國家電投集團(tuán)廣西電力有限公司運(yùn)營服務(wù)分公司，廣西 南寧 530003）

更靠近負(fù)荷的間歇性新能源發(fā)電的接入方式，不但具有節(jié)能減排、降低終端用戶費(fèi)用的作用，而且節(jié)省了遠(yuǎn)距離輸電線路損耗和提高供電可靠性等優(yōu)點(diǎn)，受到了世界廣泛的關(guān)注。如何將間歇性新能源安全、可靠的接入電網(wǎng)是新能源并網(wǎng)研究的熱點(diǎn)問題之一。

間歇性新能源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響主要由接入位置和容量決定，優(yōu)化安裝位置和容量不僅可以保證新能源接入的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還可以降低網(wǎng)損、改善電網(wǎng)電壓、提高網(wǎng)絡(luò)線路的負(fù)載能力等。目前不少學(xué)者對(duì)間歇性電源分布式接入微電網(wǎng)、低壓配網(wǎng)和局部電網(wǎng)的優(yōu)化配置開展了優(yōu)化模型和優(yōu)化方法的廣泛研究。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了間歇性能源和儲(chǔ)能的模型優(yōu)化，采用了可行容量評(píng)估的方法進(jìn)行容量配置，文獻(xiàn)[7]以網(wǎng)損最小和電壓最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)；文獻(xiàn)[8]利用簡單遺傳算法實(shí)現(xiàn)了最大化系統(tǒng)負(fù)荷裕度和分布式接入的效益；文獻(xiàn)[9]采用鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)絡(luò)及電源的功率模型；文獻(xiàn)[10]采用整數(shù)和非線性規(guī)劃的混合方法，優(yōu)化電源的接入點(diǎn)和注入系統(tǒng)容量，達(dá)到穩(wěn)定電壓穩(wěn)定裕度的目的。

本文提出針對(duì)局部電網(wǎng)新的優(yōu)化方案——以電網(wǎng)系統(tǒng)薄弱點(diǎn)處發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)最大和輸電線路的網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)，采用小生境遺傳算法。采用該方法不僅提升系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，有效改善系統(tǒng)運(yùn)行的電壓，而且配電網(wǎng)的網(wǎng)損最小化，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 優(yōu)化配置的數(shù)學(xué)模型

1.1 靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)

根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定極限的計(jì)算式（1）

式中，E為發(fā)電機(jī)的空載電勢(shì)，V為并網(wǎng)母線電壓，X∑為系統(tǒng)電抗。

間歇性電源并入系統(tǒng)運(yùn)行，可能提高母線電壓運(yùn)行水平V、減小系統(tǒng)的等效電抗X∑，從而達(dá)到提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限PGM。

常用靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)Kp表示各發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定裕度，如式(2)：

式中，PGM為靜態(tài)穩(wěn)定的極限輸送功率；PG0為發(fā)電機(jī)輸出的有功。

多機(jī)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)的計(jì)算步驟如下：

（1）常規(guī)潮流計(jì)算，得到各發(fā)電機(jī)的內(nèi)電動(dòng)勢(shì)Eg，并得到負(fù)荷等值阻抗。

（2）在發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)后加一個(gè)內(nèi)電動(dòng)勢(shì)節(jié)點(diǎn)，將各負(fù)荷等值阻抗并入網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納矩陣，消去原網(wǎng)絡(luò)的全部節(jié)點(diǎn)，則只有發(fā)電機(jī)內(nèi)電動(dòng)勢(shì)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)納矩陣YG。

（3）依據(jù)公式(3)求出全部發(fā)電機(jī)的功率極限Pgm。

式中，Exj和Eyj分別為各內(nèi)電動(dòng)勢(shì)的實(shí)部和虛部；Ggj和Bgj分別為導(dǎo)納YG矩陣中元素Ygj的實(shí)部和虛部。

（4）依據(jù)公式(2)就可以求出發(fā)電機(jī)g的Kpg。

本文選取儲(chǔ)備系數(shù)最小的發(fā)電機(jī)結(jié)點(diǎn)為系統(tǒng)薄弱點(diǎn)，則系統(tǒng)薄弱點(diǎn)的儲(chǔ)備系數(shù)如表達(dá)式（4）：

式中，Kp1、Kp2…Kpn為發(fā)電機(jī)1，2… …n的靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)。

1.2 間歇性電源優(yōu)化模型

為了確保整個(gè)電網(wǎng)在接入分布式電源后能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文提出以電網(wǎng)最薄弱點(diǎn)處發(fā)電機(jī)的靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)Kp最大為優(yōu)化目標(biāo)。

目標(biāo)函數(shù)

等式約束的潮流方程：

式中，PGi、分別為節(jié)點(diǎn)i發(fā)電機(jī)輸出有功和輸出無功力；分別為節(jié)點(diǎn)i處的有功無功負(fù)荷；Ui、Uj分別是節(jié)點(diǎn)i和j的電壓幅值；δij為節(jié)點(diǎn)i和j的電壓相角差。

不等式約束：

式中，S、SDGmax分別為間歇性電源的容量及其最大值；U、Umin、Umax分別為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓及最小值和最大值；Pi、Pimax分別為支路的有功功率及其最大允許值；QG、QGmin、QGmax分別為發(fā)電機(jī)的無功及最小值和最大值；Kp、Kpmin分別為靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)及其最小允許值，Kpmin在正常運(yùn)行方式下，一般取15%，非正常方式下可取10%。

2 小生境遺傳算法

采用小生境遺傳算法對(duì)電網(wǎng)中的間歇性電源（DG，Distributed Generation）進(jìn)行優(yōu)化配置，具體流程如圖1所示，步驟如下：

圖1 本文的方案算法的流程

（1）輸入原始數(shù)據(jù)，對(duì)DG的位置和容量進(jìn)行編碼，生成初始種群。采用十進(jìn)制編碼，包含間歇性電源的位置和容量兩個(gè)元素，如式（8）：

式中，C1表示間歇性新能源的安裝位置，C2表示間歇性新能源的安裝容量。

（2）計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值：包括網(wǎng)損和靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)，計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)值，保留當(dāng)前最好的N個(gè)個(gè)體。

（3）對(duì)種群Q進(jìn)行交叉與變異，通過潮流計(jì)算，得到每個(gè)個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值及適應(yīng)度函數(shù)值，把父代種群加入，種群大小為N+Q。

（4）依據(jù)式(8)計(jì)算個(gè)體間的距離d(i，j)，修正個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)。淘汰距離范圍內(nèi)適應(yīng)值小的個(gè)體，保留最優(yōu)的N個(gè)個(gè)體。

（5）當(dāng)前遺傳代數(shù)m≤M（M為設(shè)定的遺傳代數(shù)），則跳回步驟（3），若m≥M，得出最優(yōu)解，輸出計(jì)算結(jié)果。

3 算例及結(jié)果分析

以IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，采用Matlab軟件，該系統(tǒng)有功負(fù)荷為283.4MW，無功負(fù)荷為126.2Mvar，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各個(gè)參數(shù)的選取：

（1）C1、C2參數(shù)的確定。由于節(jié)點(diǎn)1為平衡節(jié)點(diǎn)，故可安裝DG的位置數(shù)為29，C1的取值范圍為0～29；C2的取值范圍為：

式中，∑P為系統(tǒng)的總有功負(fù)荷283.4MW，即C2∈[0，56]。

（2）其余參數(shù)選取。種群規(guī)模為50，變異概率0.0778，交叉概率0.7，代溝0.9，最大遺傳代數(shù)50，Pe取0.001。

計(jì)算結(jié)果如圖3和表1所示，圖3中橫坐標(biāo)為迭代次數(shù)。

表1 網(wǎng)損和靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)的優(yōu)化結(jié)果

圖3 本文算法迭代結(jié)果

由圖3可知，經(jīng)過5次遺傳迭代計(jì)算可得出IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的最佳安裝位置是節(jié)點(diǎn)5，容量為55MW。

表1為間歇性電源接入后，系統(tǒng)的有功網(wǎng)損與各發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)的大小。由表1可知，系統(tǒng)薄弱點(diǎn)處，發(fā)電機(jī)1的靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)由16.4%提升為64.9%，提高了295.73%。

圖4(a)和4(b)分別為間歇性電源安裝在不同位置對(duì)應(yīng)薄弱點(diǎn)處的靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)。

圖4表明，當(dāng)間歇性電源安裝在節(jié)點(diǎn)5時(shí)，系統(tǒng)薄弱點(diǎn)處的發(fā)電機(jī)靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)最大。由此驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)5為減小系統(tǒng)網(wǎng)損和提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)的最佳安裝位置。

圖4 安裝在薄弱點(diǎn)的靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)

間歇性能源接入前后節(jié)點(diǎn)電壓如表2。

表2 DG接入前后IEEE 30節(jié)點(diǎn)電壓

比較接入前后的各節(jié)點(diǎn)的電壓，其最大的電壓差為0.0006p.u，可見間歇性電源的接入不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

算例表明，本文所提出的間歇性電源優(yōu)化配置方法，可以有效地改善系統(tǒng)的運(yùn)行條件，提升系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

針對(duì)間歇性電源接入對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，本文提出的方法使系統(tǒng)薄弱點(diǎn)處發(fā)電機(jī)的靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)提高為原來的2.96倍，網(wǎng)損降低49.96%，顯著改善網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能，為間歇性新能源接入系統(tǒng)提供一種新思路。