適應多元源荷接入的配電網兩階段靈活性提升優化方法

姜濤, 宋卓然, 李劍峰, 蘆思晨, 劉宇

(國網遼寧省電力有限公司, 沈陽 110000)

作為電力建設中的重要組成部分,配電網被廣泛應用在電子儲能、平臺供電、光伏新能源等領域[1]。為了創造安全高效的運行環境,對配電網靈活性的提升優化技術也提出了更高的要求,不僅要求提升優化效率高,還要求具有良好的穩定性[2]。但由于受各種外界環境因素和現有技術瓶頸的影響,配電網靈活性越往上提升的難度越大。特別是配電網中高滲透性分布式電源的接入,需要確保配電網運行的穩定性。因此,研究配電網兩階段靈活性的提升優化方法具有重要意義。

學者們對配電網的靈活性提升開展研究。王守相等[3]首先構建基于儲能優化的配電網靈活性模型,然后采用蒙特卡洛搜索法計算出配電網的負荷信息,最后將負荷信息輸入到模型中,通過粒子群優化算法對模型求解,完成配電網靈活性的提升優化。該方法沒有保證配電網達到三相平衡狀態,導致凈負荷波動曲線較大。張新民等[4]首先計算出配電網的儲能負荷所需的靈活性大小,得到配電網的出力波動區間,接著構建基于靈活性的分布式配電網優化模型,最后將模糊規劃與波動區間輸入到優化模型中,完成配電網兩階段靈活性的提升優化。該方法沒有對配電網做無功規劃,導致方法的計算時間過長。趙晶晶等[5]首先根據凈負荷與靈活性構建配電網優化調控模型,并通過調控因子的靈活性為模型提供平衡指標,然后結合模塊度計算配電網的分區,最后采用同步型交替算法對配電網的分區求解,完成配電網兩階段靈活性的提升優化。該方法沒有引入多元源荷,導致該方法的配電網凈負荷波動率靈活性出現不足,分布式電源接入的靈活適應性差。

多元源荷指的是存在風光機組出力的分布式電源、多樣性負荷、儲能等多種類型的負荷,多元源荷接入配電網后會在一定程度上影響配電網的運行狀態。為了保證配電網的調度靈活性,解決上述方法中存在的問題,提出適應多元源荷接入的配電網兩階段靈活性提升優化方法。在保證配電網達到三相平衡狀態的基礎上進行配電網的無功規劃,通過多元源荷接入的兩階段提升優化法提升配電網的靈活性。對于促進配電網接納分布式電源的能力提升具有重要的意義。

1 配電網的三相平衡與無功規劃

1.1 配電網電壓的三相平衡

由于用電負荷存在不平衡性,所以采用瞬時功率平衡算法將配電網中的電流信號轉換為電壓信號,同時引入負序電壓保證配電網電壓的三相平衡[6],具體步驟如下。

步驟1在dq坐標系下,配電網中的負序電壓流向呈順時針旋轉,并且電壓與電流的流向始終保持一致。dq坐標系如圖1所示,配電網的有功功率p1與無功功率p2可表示為

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

(1)

式(1)中:p1、p2分別為低壓配電網的有功、無功功率;βU-、βI-分別為負序電壓、電流節點流向;U-為配電網的負序電壓;I-為配電網的負序電流。

步驟2當d軸與配電網的電壓矢量[7]完全重疊時,電流信號轉換為電壓信號,此時電壓矢量的模仍保持不變,注入配電網中的總功率可表示為

(2)

步驟3瞬時功率平衡法將配電網中的電流信號全部轉換為電壓信號后,配電網的瞬時功率等于總功率減去無功功率,可表示為

(3)

式(3)中:p′為配電網的瞬時功率。

步驟4為了得到負序情況下配電網電壓頻率、幅度、負載之間的相互均衡關系,將瞬時功率代入式(4)中,獲取d軸、q軸的均衡關系式ld與lq,此時配電網達到三相平衡。

(4)

1.2 配電網的無功規劃

當配電網達到三相平衡的狀態時,通過配電網無功出力與有功損耗的輸出特點完成配電網的無功規劃,可以有效地提高配電網運行質量,降低網損,為基于多元源荷的兩階段靈活性提升優化過程打下基礎,具體步驟如下。

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

(5)

式(5)中:|E(T)|max為配電網在T時刻的最大無功出力;Vmax為最大理想功率;Gmax為最大有功出力。

步驟2在配電網的正常運行中,無功出力具有較高的置信度[9],可結合無功出力計算出配電網的有功損耗,配電網的有功損耗的表達式為

(6)

式(6)中:ΔHloss為配電網的有功損耗;E(T)為配電網在T時刻的無功出力;M為配電網出力狀態的集合;m為出力狀態;α為出力狀態的概率分布。

步驟3將無功補償點作為固定的補償容量,使配電網有功損耗滿足最小化[10],此時的配電網運行質量最高、網損最小。配電網的運行質量和電壓變量的表達式為

(7)

式(7)中:D為配電網的運行質量;Uj、Ujmax、Ujmin分別為配電網節點j處的補償電壓、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在配電網的無功規劃過程中,電壓變量由狀態分量與控制分量構成,將節點j處的電壓視為狀態分量,則調整的電壓為控制分量,兩者之間的不等式約束[11]關系即為配電網的無功規劃,可表示為

(8)

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

2 基于多元源荷接入的兩階段靈活性提升優化

(1)階段一。基于代表配電網靈活性的3個指標(負荷峰值裕度、負荷谷值裕度、負荷允許波動裕度),以及多元源荷接入的供給特性構建配電網靈活性提升優化模型。

(2)階段二。考慮配電網靈活性指標的概率平衡性,采用線性轉換算法對模型求解。具體階段步驟如下。

2.1 第一階段

(1)負荷峰值裕度Kup,T反映的是配電網凈負荷峰值功率的向上波動裕度。當Kup,T大于零時,體現配電網的向上靈活性。Kup,T的表達式為

(9)

式(9)中:PT為T時刻的凈負荷功率;Pg,max為配電網的最大容量。

(2)負荷谷值裕度Kdown,T表示配電網凈負荷谷值功率的向下波動裕度。當Kdown,T大于零時,體現配電網的向下靈活性。Kdown,T的表達式為

(10)

式(10)中:Pg,min為配電網的最小容量。

(3)負荷允許波動裕度Kfm,T能夠反映配電網上、下爬坡能力[12],體現出配電網靈活性的適應能力,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-1時刻的凈負荷功率。

(12)

2.2 第二階段

(1)配電網靈活性提升優化中包含預測誤差造成的隨機波動,會導致配電網靈活性具有概率特性,需要通過多源源荷的協調優化[13]確定配電網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

概率特性表達式為

(13)

(2)構建適應多元源荷接入的配電網靈活性提升優化模型,模型的目標函數表達式為

(14)

(3)在模型中設置約束條件[14],保證各個時段內配電網的負荷運行受到約束,約束條件的表達式為

(15)

式(15)中:Pw,t為t時段的分布式電源功率;Ps,j,t為t時段儲能j的出力;Pvo,t為t時段系統負荷功率;Phz,k,t為t時段可中斷負荷k的中斷量;Nhz為可中斷負荷的數量。

(4)由于多元源荷的接入中存在非線性偏積分[15-16],需要采用線性轉換法對模型進行求解,完成配電網兩階段靈活性的提升優化,可表示為

(16)

3 試驗與分析

為了驗證適應多元源荷接入的配電網兩階段靈活性提升優化方法的整體有效性,需要對其做出如下測試。

3.1 試驗設置

采用IEEE-33節點系統作為測試平臺,該系統包含3個500 kW的分布式光伏,5個500 kW的分布式風力發電;其中節點6和23為可中斷負荷;最大允許負荷電流為450 A。優化調度周期24 h,儲能的最大爬坡率為180 kW/h,系統的最大爬坡率為1 000 kW/h。,電網購電單價采用分時電價,08:00—15:00為波谷電價0.25元,18:00—21:00為波峰電價1.0,其他時段為平段單價0.50元,可中斷負荷參照電網分時購電單價。

將網損率、凈負荷變化曲線、計算時間、配電網分布式電源接入的靈活適應性作為指標,采用文獻[3]中的可中斷負荷調度的配電網兩階段靈活性提升優化方法和文獻[5]中的考慮靈活性的含分布式光伏配電網雙層優化調度方法與所提方法進行對比測試。

3.2 結果分析

3.2.1 網損率

對比所提方法、文獻[3]方法和文獻[5]方法提升優化后的網損情況。網損越大,表明方法的靈活性提升優化效果越差;網損越小,表明方法的靈活性提升優化效果越好。不同方法的測試結果如圖3所示。

圖3 不同方法的網損Fig.3 Network loss of different methods

由圖3可知,所提方法的網損低于1%,文獻[3]方法和文獻[5]方法提升優化后的網損較大,說明所提方法的靈活性提升優化效果較好,其主要原因是所提方法通過無功出力與有功損耗的輸出特點實現配電網的無功規劃,有效地提高配電網運行質量,降低了網損。

3.2.2 凈負荷變化曲線

在原始負荷的基礎上,繪制出本文方法、文獻[3]方法、文獻[5]方法提升優化后的配電網凈負荷變化曲線,曲線波動越大,表明本文方法提升優化后的靈活性不足、提升優化性能越低;曲線波動越平緩,說明本文方法提升優化后的靈活性充足、提升優化性能越高。測試結果如圖4所示。

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

由圖4可知,在配電網的正常運行中,所提方法可以達到平抑波動、削峰填谷的作用,并且避免了凈負荷變化曲線峰上加峰的狀況,特別是15:00—19:00,凈負荷的變化率明顯趨緩。而文獻[3]方法與文獻[5]方法的凈負荷發生超調狀況,且波動嚴重。說明本文方法在配電網靈活性提升優化方面,性能優于文獻[3]方法與文獻[5]方法。主要是由于所提方法采用瞬時功率平衡算法確保配電網達到三相平衡狀態,配電網運行穩定,減緩了凈負荷波動。

3.2.3 計算時間

在優化調度周期24 h內,在16時對配電網進行人工干預,造成配電網靈活性不足。分別利用3種方法對其進行優化,統計本文方法、文獻[3]方法與文獻[5]方法在配電網靈活性提升優化過程中所使用的計算時間,計算時間越長,說明本文方法的效率越低;計算時間越短,說明本文方法的效率越高。不同方法的測試結果如表1所示。

表1 不同方法的計算時間Table 1 Calculation time of different methods

分析表1可知,針對配電網靈活性的提升優化,本文方法的計算時間在48 s波動,文獻[3]方法和文獻[5]方法的計算時間分別在78 s和65 s波動。通過對比可以發現,本文方法的計算時間均少于文獻[3]方法和文獻[5]方法的計算時間,說明針對配電網兩階段靈活性的提升優化,本文方法的效率遠高于文獻[3]方法和文獻[5]方法的效率。

3.2.4 配電網分布式電源接入的靈活適應性

配電網分布式接入的靈活適應性是指配電網承受分布式電源接入后不確定性波動的適應能力。主要通過凈負荷最大允許波動率和凈負荷波動率來表征。凈負荷最大允許波動率反映了配電網自身調節能力,即爬坡能力。凈負荷波動率是指配電網凈負荷的單位時間變化率,體現了凈負荷單位時間內的波動劇烈程度。對比本文方法、文獻[3]方法和文獻[5]方法提升優化后的配電網凈負荷波動率。調度24 h周期內凈負荷最大允許波動率和凈負荷波動率曲線如圖5所示。

圖5 凈負荷波動率曲線Fig.5 Net load volatility curve

由圖5可知,文獻[3]方法在15:00—16:00,文獻[5]方法在13:00—14:00時凈負荷波動率超出了最大允許波動率,表明配電網的凈負荷波動率靈活性出現不足,將減少新能源分布式電源接入負荷,導致棄光或棄風情況的出現。而本文方法每一時刻的凈負荷波動率均小于最大允許波動率,而且大部分時段波動率顯著低于文獻[3]方法和文獻[5]方法,表明本文方法的配電網分布式電源接入的靈活適應性更好。主要是由于所提方法根據無功出力與有功損耗之間的輸出特點完成配電網的無功規劃,考慮了配電網靈活性指標的概率平衡性,使得配電網在分布式電源接入后,凈負荷波動率也表現很平穩。

4 結論

測試發現,目前配電網靈活性提升優化方法存在凈負荷變化曲線大、配電網靈活性不足、計算時間長等問題,為此提出適應多元源荷接入的配電網兩階段靈活性提升優化方法。該方法首先采用瞬時功率平衡法保證配電網的三相平衡,其次根據無功出力與有功損耗之間的輸出特點完成配電網的無功規劃,最后構建基于多元源荷的配電網兩階段靈活性提升優化模型,通過線性轉換算法對模型求解,完成配電網兩階段靈活性的提升優化。試驗結果表明,本文方法網損率更低,在降低了凈負荷曲線波動與計算時間的同時,提高了配電網分布式電源接入的靈活適應性。