“雙碳”目標(biāo)下電熱-電蓄熱接入配電網(wǎng)拓?fù)涠嗄繕?biāo)規(guī)劃

宋卓然,李劍峰,范宇航,姜濤,劉宇,黃南天

(1. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司,沈陽市 110006;2. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林省吉林市 132012)

0 引 言

我國(guó)“三北”地區(qū)存在源荷供需矛盾凸出、電網(wǎng)靈活性差的問題。影響電力系統(tǒng)低碳運(yùn)行一個(gè)重要原因是熱電機(jī)組在冬季以“以熱定電”的方式運(yùn)行,導(dǎo)致其調(diào)峰能力下降,而采用電熱裝置進(jìn)行供暖對(duì)解決此問題具有重要意義[1]。在電熱設(shè)備基礎(chǔ)上加裝蓄熱裝置,能有效平抑電網(wǎng)峰谷差,增強(qiáng)電網(wǎng)靈活性。大規(guī)模電熱-電蓄熱設(shè)備接入會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)難以承載電力用戶用電負(fù)荷需求的快速增長(zhǎng)。因此,需要對(duì)含大規(guī)模電熱-電蓄熱設(shè)備的配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展規(guī)劃。

配電網(wǎng)規(guī)劃本質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的問題。合理規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu),既可以改善電能質(zhì)量,又能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在進(jìn)行配電網(wǎng)網(wǎng)架擴(kuò)展規(guī)劃時(shí)應(yīng)注重考慮場(chǎng)景的有效性,根據(jù)采暖建筑室內(nèi)溫度時(shí)變方程求解精確熱負(fù)荷,在電蓄熱設(shè)備接入規(guī)模及場(chǎng)景已知情況下優(yōu)化蓄熱電鍋爐運(yùn)行方式,在此基礎(chǔ)上對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展規(guī)劃。熱負(fù)荷建模精度主要受采暖建筑內(nèi)部溫度時(shí)變方程影響,且模型精度直接關(guān)系到規(guī)劃場(chǎng)景的有效性[2]。在各類負(fù)荷建模方法中,基于物理特性的運(yùn)行機(jī)理模型應(yīng)用最為廣泛[3]。其中,文獻(xiàn)[4]考慮室外溫度等外界環(huán)境因素、內(nèi)部產(chǎn)熱等房間因素模擬室內(nèi)傳熱過程,并忽略溫度在內(nèi)外墻間差距、假設(shè)空氣溫度與固體溫度相等,建立一階熱力學(xué)等效熱參數(shù)模型求解熱負(fù)荷;文獻(xiàn)[5]考慮了室內(nèi)外溫差導(dǎo)致的熱耗散、人體發(fā)熱量及散熱器散熱功率等因素建立房屋熱平衡模型求解熱負(fù)荷。上述文獻(xiàn)由于考慮因素不夠全面,導(dǎo)致求解得到的熱負(fù)荷需求量精度需要進(jìn)一步提升。

蓄熱式電鍋爐運(yùn)行策略主要包括兩段式控制方式和分組投入/退出控制方式。文獻(xiàn)[6]考慮電儲(chǔ)熱鍋爐和燃煤鍋爐聯(lián)合供暖這一運(yùn)行方式,以運(yùn)行總成本為目標(biāo)建立蓄熱電鍋爐調(diào)度模型;文獻(xiàn)[7]考慮棄風(fēng)消納和蓄熱電鍋爐開關(guān)調(diào)節(jié)次數(shù)因素優(yōu)化蓄熱電鍋爐運(yùn)行方式,采用多目標(biāo)規(guī)劃方法進(jìn)行求解。但上述文獻(xiàn)未充分考慮蓄熱式電鍋爐運(yùn)行方式的靈活性,導(dǎo)致蓄熱式電鍋爐平抑電網(wǎng)峰谷差特性未能充分發(fā)揮。

配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃主要針對(duì)原有配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)承載能力不足問題,以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)開展配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[8]。文獻(xiàn)[9]提出考慮負(fù)荷彈性空間的配電網(wǎng)可靠性擴(kuò)展規(guī)劃線性模型,提升了供電可靠性;文獻(xiàn)[10]建立了綜合考慮用戶需求響應(yīng)及主動(dòng)運(yùn)行方式的投資運(yùn)行雙場(chǎng)景規(guī)劃模型,并采用樹形編碼的遺傳算法求解所提模型。然而,均勻性將會(huì)隨著系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的改變而變化,從而影響系統(tǒng)的可靠性。配電線路的均勻性指配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均勻程度,它反映了在電源確定的狀況下配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中各線路負(fù)荷的分布情況[11]。因此在配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃中考慮網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均勻性是提高系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要措施。

為緩解電熱負(fù)荷增長(zhǎng)給配電網(wǎng)帶來的壓力,有效發(fā)揮電蓄熱設(shè)備移峰特性,本文提出一種考慮電熱-電蓄熱接入的配電網(wǎng)低碳多目標(biāo)拓?fù)湟?guī)劃模型。首先,綜合考慮建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)及風(fēng)速等氣象因素,結(jié)合采暖建筑最佳室溫建立采暖房屋內(nèi)部溫度時(shí)變方程,求解獲得采暖熱負(fù)荷需求量;然后,以碳排放為目標(biāo),結(jié)合采暖熱負(fù)荷需求及風(fēng)、光電源出力特性優(yōu)化蓄熱電鍋爐運(yùn)行策略;最后,令線路負(fù)載率極差與方差加權(quán)和作為系統(tǒng)均勻性指標(biāo),以規(guī)劃綜合成本和系統(tǒng)均勻性為目標(biāo)對(duì)含電熱-電蓄熱的配網(wǎng)進(jìn)行低碳規(guī)劃研究。

1 熱負(fù)荷與蓄熱式電鍋爐建模

1.1 用戶最佳舒適度建模

對(duì)熱負(fù)荷的精確建模能夠影響蓄熱式電鍋爐運(yùn)行策略的可靠性和規(guī)劃結(jié)果的準(zhǔn)確性。熱舒適度指的是在外界環(huán)境以及用戶自身特性綜合作用下人體的主觀感受。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization,ISO)針對(duì)人體熱平衡特性提出了ISO7730熱舒適模型。由于精細(xì)化的環(huán)境參數(shù)難以實(shí)時(shí)獲取,需簡(jiǎn)化熱舒適度模型以便于工程實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[12]提出了一種僅使用室內(nèi)溫度Ta及相對(duì)濕度Pv作為輸入?yún)?shù)的簡(jiǎn)化熱舒適度模型,且實(shí)現(xiàn)了對(duì)ISO7730熱舒適度模型較好的近似效果,簡(jiǎn)化的熱舒適度模型為:

IPMV=aTa+bPv+c

(1)

式中:IPMV為預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)(predicted mean vote, PMV)的指標(biāo)值;a、b和c為已知參數(shù)。

1.2 計(jì)及最佳舒適度的熱負(fù)荷特性建模

在熱負(fù)荷特性建模過程中,需要充分考慮多方面影響。同時(shí),在熱傳遞特性的分析中考慮風(fēng)速的影響,使熱負(fù)荷的建模結(jié)果更加精確。影響建筑熱過程的各類因素如圖1所示[13]。

圖1 建筑熱過程影響因素

基于對(duì)建筑熱過程影響因素的分析,考慮采暖房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的房屋內(nèi)部溫度時(shí)變方程為:

(2)

式中:Ca為采暖建筑內(nèi)的空氣總熱容;qwall(τ)為τ時(shí)刻房屋通過墻體與外部熱交換所獲得的熱量,其中τ=1,2,…,24;qwin(τ)為τ時(shí)刻建筑空間內(nèi)部通過窗戶與室外熱交換所獲得的熱量;qout(τ)為τ時(shí)刻采暖房屋內(nèi)部經(jīng)室內(nèi)外空氣交換所獲得的熱量;qeb(τ)為τ時(shí)刻供暖系統(tǒng)提供的總熱量。各變量計(jì)算公式如下:

qwall(τ)=vbwallhin[tin(τ)-tout(τ)]

(3)

qwin(τ)=vbwinCwinAwinZwin

(4)

(5)

qeb(τ)=QEB(τ)+PEB(τ)

(6)

1.3 熱負(fù)荷需求特性求解過程

采集待求熱負(fù)荷建筑物影響舒適度的參數(shù)信息,若建筑物溫度為T0,可由1.1節(jié)的熱舒適度方程計(jì)算用戶的最佳舒適溫度Tset。在確保舒適前提下,將建筑參數(shù)室外溫度等影響因素代入式(2),可以反推出產(chǎn)熱設(shè)備在24 h內(nèi)的需求產(chǎn)熱量,當(dāng)舒適溫度變化時(shí),熱負(fù)荷曲線也隨之變化。

2 配電網(wǎng)雙層規(guī)劃模型

雙層規(guī)劃模型上、下層之間是相互響應(yīng)的,同時(shí)上、下層之間信息相互傳遞。上下層循環(huán)迭代獲得最終的線路規(guī)劃結(jié)果和蓄熱電鍋爐運(yùn)行策略。雙層規(guī)劃結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙層規(guī)劃結(jié)構(gòu)

2.1 上層低碳規(guī)劃模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

上層以碳排放量最小為目標(biāo)函數(shù)。在電源側(cè),風(fēng)、光電源能夠?qū)崿F(xiàn)零碳排放,主要的碳排放來源為火電機(jī)組,因此只需計(jì)算火電機(jī)組碳排放即可,表達(dá)式如下:

(7)

式中:ECO2為系統(tǒng)總碳排放量;T為設(shè)備運(yùn)行時(shí)間周期,取值為24 h;α為火電機(jī)組綜合碳排放系數(shù),取值為0.889 kg/(kW·h);Pt為t時(shí)段火電機(jī)組總出力;Δt為時(shí)間間隔,取值為1 h。

2.1.2 約束條件

1) 功率平衡約束。

(8)

式中:Pi,t、Qi,t分別表示節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻注入有功功率和無功功率;Ui,t、Uj,t為節(jié)點(diǎn)i、j在t時(shí)刻的電壓幅值;Gij、Bij分別為支路ij的電導(dǎo)和電納;θij為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓相位差;Nbus為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

節(jié)點(diǎn)i的有功功率Pi的具體表達(dá)式如式(9)所示。

(9)

式中:PEB,t為蓄熱式電鍋爐t時(shí)段用電功率;PLD,t為t時(shí)段負(fù)荷功率;PTP,t、PWT,t、PPV,t分別為t時(shí)段火電、風(fēng)電、光伏三種發(fā)電機(jī)組出力;N、R、M分別為火電、風(fēng)電、光伏三種機(jī)組的接入數(shù)量。

2) 節(jié)點(diǎn)電壓約束。

多臺(tái)蓄熱式電鍋爐設(shè)備接入配電網(wǎng),可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓下降乃至越限。因而對(duì)各節(jié)點(diǎn)電壓上下限進(jìn)行約束[14]。

Uj,min≤Uj,t≤Uj,max

(10)

式中:Uj,max、Uj,min分別為電壓幅值上、下限。

3) 支路電流約束。

Iij,min≤Iij,t≤Iij,max

(11)

式中:Iij,t、Iij,max、Iij,min分別為支路ij電流及其上、下限。

4) 蓄熱式電鍋爐出力約束[15]。

式(12)描述蓄熱裝置各時(shí)段的熱平衡;式(13)—(15)將蓄熱裝置的蓄熱量、吸熱量、放熱量限制在其上、下限內(nèi)。

(12)

Qmin≤Qt≤Qmax

(13)

Qin,min≤Qin,t≤Qin,max

(14)

Qout,min≤Qout,t≤Qout,max

(15)

式中:μ為蓄熱裝置的散熱損失率;λin,t、λout,t為t時(shí)刻的吸、放熱效率;Qt為蓄熱裝置在t時(shí)段末的儲(chǔ)熱容量;Qin,t和Qout,t分別為t時(shí)刻輸入、輸出熱功率;下標(biāo)max、min分別表示相應(yīng)變量的上、下限。本文選取固體蓄熱式電鍋爐的μ、λin,t、λout,t分別為2%、90%、90%[16]。

5) 供熱負(fù)荷約束。

蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)根本目的是為用戶供熱,因此在單位時(shí)段內(nèi)供熱量不應(yīng)低于供熱公司規(guī)定的最低供熱量[17],即:

Qout,t≥Qt,min

(16)

式中:Qt,min為t時(shí)刻最低供熱量。

6) 電源出力約束。

(17)

(18)

(19)

2.2 下層多目標(biāo)規(guī)劃模型

下層以年綜合成本最小和負(fù)載率最大為目標(biāo),建立綜合考慮配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均勻性的多目標(biāo)優(yōu)化模型。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

1) 均勻性目標(biāo)函數(shù)。

在配電網(wǎng)運(yùn)行過程中,由于系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備及配電網(wǎng)網(wǎng)架運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)參數(shù)具有差異,且各設(shè)備在運(yùn)行過程中受多種隨機(jī)因素影響,因此當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生波動(dòng)時(shí),在時(shí)空上會(huì)具有不均勻的特征[18]。負(fù)載率為配電線路實(shí)際傳輸功率與其極限傳輸功率的比值,將其作為衡量配電網(wǎng)均勻性的指標(biāo)較為合理[19],負(fù)載率的表達(dá)式如下:

(20)

minf1=minH=λ1H1+λ2H2

(21)

(22)

H2=max{Ln}-min{Ln}

(23)

式中:f1為系統(tǒng)均勻性目標(biāo)函數(shù);H1為配電網(wǎng)負(fù)載率方差,表征系統(tǒng)中負(fù)載率平均分布情況;H2為配電網(wǎng)負(fù)載率極差,表征系統(tǒng)中負(fù)載率最差偏差值;H1和H2二者值越大,系統(tǒng)越不均勻;H為系統(tǒng)均勻性目標(biāo)函數(shù),由H1和H2的加權(quán)和表示;λ1和λ2是二者的權(quán)重系數(shù),分別表征H1與H2的影響程度,決策者可根據(jù)需求確定二者權(quán)重,二者之和為1[21]。

2) 經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)。

以年綜合成本最小作為目標(biāo)函數(shù),考慮經(jīng)濟(jì)性對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展規(guī)劃,可由式(24)表示[22]。

minf2=min(O1+O2)

(24)

(25)

(26)

式中:f2為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù);O1為配電網(wǎng)投資成本;O2為配電網(wǎng)運(yùn)行成本;Y為線路的候選集合;cy為單位容量線路花費(fèi);Ly為擴(kuò)建線路y的容量[23];xy為線路投建0-1變量;Pl為原有線路集合中第l條線路的容量;M表示原有的線路集合;m為線路的運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù),本文線路運(yùn)行維護(hù)成本采用了研究課題實(shí)施地點(diǎn)檢修成本的歷史統(tǒng)計(jì)值,近似為初始投入成本的5%。

2.2.2 約束條件

下層多目標(biāo)規(guī)劃模型約束條件主要針對(duì)配電網(wǎng)線路且綜合考慮了經(jīng)濟(jì)成本和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的均勻性,包括線路傳輸容量約束、擴(kuò)建線路數(shù)量約束、節(jié)點(diǎn)功率平衡約束、線路潮流約束[24],如式(27)—(31)所示。

(27)

Pn,d,min≤Pn,d≤Pn,d,max

(28)

0≤Y≤Ymax

(29)

(30)

UhUm(Ghmcosθhm+Bhmsinθhm)≤Phmmax

(31)

式中:C1,max為配電網(wǎng)線路投資成本最大值;Pn,d、Pn,d,max、Pn,d,min為線路n的實(shí)際傳輸容量及其最大、最小值;Ph,z為注入節(jié)點(diǎn)h的有功功率;Ph,f為節(jié)點(diǎn)h的負(fù)荷需求;Ymax是待選線路數(shù)量上限值;Bhm為節(jié)點(diǎn)h、m間線路的電納值;θh、θm分別為節(jié)點(diǎn)h、m間相角;Uh、Um分別為節(jié)點(diǎn)m、h的電壓;Ghm、θhm分別為節(jié)點(diǎn)m和h間的電導(dǎo)及相位差;Phmmax為線路hm有功功率最大值。

2.3 嵌套混合粒子群優(yōu)化算法

粒子群優(yōu)化算法是一種模擬鳥群覓食行為的隨機(jī)搜索算法。粒子位置可由速度向量及位置向量確定,而這兩種屬性由粒子在尋優(yōu)過程中自身所確定的個(gè)體最優(yōu)值及群體所確定的全局最優(yōu)值決定。算法在尋優(yōu)過程中操作簡(jiǎn)單且收斂速度快。但算法受函數(shù)形態(tài)影響易陷入局部最優(yōu),因此對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行鏡像轉(zhuǎn)換并引入動(dòng)態(tài)慣性權(quán)重以改進(jìn)算法的搜索策略和機(jī)制,提高粒子群算法的魯棒性和收斂速度[25-26]。

粒子群算法迭代過程中各粒子位置及速度的更新公式為:

(32)

(33)

為避免嵌套混合粒子群優(yōu)化算法受函數(shù)形態(tài)影響陷入局部最優(yōu),對(duì)目標(biāo)函數(shù)鏡像轉(zhuǎn)換使粒子盡快離開局部最優(yōu)[27]。具體轉(zhuǎn)換方式如下:

(34)

式中:F(x)為目標(biāo)函數(shù)值;h為最優(yōu)轉(zhuǎn)換高度;G(x)為鏡像轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)函數(shù)值;o為當(dāng)前最小函數(shù)值。

按照粒子已知的最優(yōu)位置與當(dāng)前位置的距離,采用公式G(x)=o+h-[F(x)-o]將已知最優(yōu)o轉(zhuǎn)換為局部最大;當(dāng)F(x)o+h時(shí),轉(zhuǎn)換高度無法彌補(bǔ)F(x)-o的值,將G(x)直接設(shè)置為o[28]。

理論上,若要將已知最優(yōu)拉升為局部最大,h可取任意正數(shù),但取值過小的h會(huì)導(dǎo)致逆轉(zhuǎn)區(qū)域過小,難以實(shí)現(xiàn)鏡像轉(zhuǎn)換;取值過大的h會(huì)降低算法收斂速度,故本文取h=1 000[29]。

慣性權(quán)重ω作為粒子群算法的重要參數(shù),較大的ω利于全局搜索,較小的ω利于局部搜索,但容易陷入局部最優(yōu)。為平衡二者,引入一種動(dòng)態(tài)慣性權(quán)重調(diào)整方法,方法可表示為:

(35)

式中:ωmin、ωmax分別為ω的最小值和最大值,本文設(shè)ωmin=0.4,ωmax=0.9;Favg、Fmin分別為當(dāng)前所有粒子目標(biāo)函數(shù)值的平均值和最小值。動(dòng)態(tài)慣性權(quán)重ω相較于經(jīng)典粒子群算法的ω,優(yōu)勢(shì)在于ω取值會(huì)隨算法迭代而更新。若粒子目標(biāo)值趨于局部最優(yōu)值,為提高全局搜索能力將會(huì)增大ω;若目標(biāo)值趨于全局最優(yōu)值,為提高局部搜索能力將會(huì)減小ω取值。

在本文所采用嵌套雙層粒子群優(yōu)化算法模型中上、下層之間循環(huán)迭代,獲得最終的蓄熱式電鍋爐運(yùn)行策略及配電網(wǎng)低碳規(guī)劃結(jié)果[30]。

2.4 求解流程

采用嵌套的混合粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化求解。雙層優(yōu)化模型在各自尋優(yōu)過程中具有交互關(guān)聯(lián)性,下層配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃基于上層蓄熱電鍋運(yùn)行策略及典型場(chǎng)景的決策結(jié)果,同時(shí)下層模型求得的總運(yùn)行成本和系統(tǒng)均勻性又將返回上層,作為上層優(yōu)化目標(biāo)的一部分,通過雙層迭代尋優(yōu),完善最終規(guī)劃結(jié)果。求解流程如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)雙層規(guī)劃模型求解方法流程圖

3 算例仿真

3.1 算例介紹

本文算例仿真采用IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng),初始網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)編號(hào)

該配電系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓為12.66 kV,共32條線路,功率基準(zhǔn)值為10 MV·A,候選線路數(shù)量為32條,擴(kuò)建線路規(guī)模及基本數(shù)據(jù)參數(shù)見文獻(xiàn)[31],初始配電系統(tǒng)中各條線路長(zhǎng)度與文獻(xiàn)中待選線路長(zhǎng)度相同,擴(kuò)建標(biāo)準(zhǔn)為在原線路基礎(chǔ)上進(jìn)行線路容量擴(kuò)展。

蓄熱式電鍋爐共50 MW,已知其預(yù)期安裝位置分別為節(jié)點(diǎn)2、6、10、14、30。采用的負(fù)荷、風(fēng)電出力及光伏出力數(shù)據(jù)來自東北某地區(qū)實(shí)際的變電站、風(fēng)電場(chǎng)及光伏發(fā)電廠,室外溫度源于該地實(shí)際歷史數(shù)據(jù)。按照供暖期間歷史數(shù)據(jù)選擇代表的典型日?qǐng)鼍啊５湫蛨?chǎng)景數(shù)據(jù)如圖5所示,室外溫度如圖6所示。

圖5 典型日電負(fù)荷和風(fēng)電光伏出力曲線

圖6 典型日室外溫度曲線

熱負(fù)荷建模參數(shù)取值如表1所示。將表1中數(shù)據(jù)及供暖區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)代入式(2)—(6)求取系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求量,典型日熱負(fù)荷需求如圖7所示。其中,熱負(fù)荷需求中的30%由蓄熱式電鍋爐承擔(dān),剩余熱負(fù)荷需求由直熱式電采暖設(shè)備承擔(dān)。將熱負(fù)荷疊加到電負(fù)荷上,結(jié)果如圖8所示。

表1 熱負(fù)荷建模參數(shù)取值

圖7 典型日熱負(fù)荷曲線

圖8 含電熱負(fù)荷的典型日負(fù)荷曲線

3.2 仿真結(jié)果分析

為證明本文模型的有效性和合理性,考慮配電網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性、碳排放和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均勻性,將本文模型與多種模型進(jìn)行對(duì)比分析。具體模型如下:

模型1：蓄熱式電鍋爐在傳統(tǒng)的兩段式控制方式下對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行單層多目標(biāo)規(guī)劃;

模型2：下層僅考慮配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性,對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行雙層單目標(biāo)規(guī)劃;

模型3：為本文所提雙層多目標(biāo)規(guī)劃模型。

圖9為3種模型運(yùn)行策略決策結(jié)果,采用圖9決策結(jié)果后的優(yōu)化效果如圖10所示。3種模型下碳排放量分別為640.99、420.57、446.37 t。

圖9 各模型蓄熱時(shí)段及蓄熱量

圖10 各模型優(yōu)化后負(fù)荷曲線

由模型1和模型3對(duì)比可知:模型1蓄熱時(shí)段固定,均為用電低谷期,而模型3蓄熱時(shí)段更加靈活。相較于模型1而言,模型3優(yōu)化后負(fù)荷曲線更加平滑,削峰填谷效果好且碳排放量減少30.4%。這是因?yàn)樵谀Ｐ?中,蓄熱式電鍋爐運(yùn)行方式為傳統(tǒng)的兩段式控制方式,而模型3中更加靈活的運(yùn)行策略能夠更好地發(fā)揮蓄熱式電鍋爐移峰特性,且模型1沒有考慮風(fēng)、光電源出力特性,蓄熱式電鍋爐在火電機(jī)組占比大的時(shí)段蓄熱,因此碳排放量增大。

由模型2和模型3對(duì)比可知:模型2蓄熱時(shí)段較少,但就總體而言,各時(shí)段蓄熱量更大。模型3優(yōu)化后削峰填谷效果略優(yōu)于模型2,但碳排放量增加5.7%。這是因?yàn)樵谀Ｐ?中,下層目標(biāo)函數(shù)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及系統(tǒng)均勻性兩個(gè)目標(biāo),對(duì)蓄熱式電鍋爐運(yùn)行條件的限制更大,模型2沒有系統(tǒng)均勻性限制,能夠更高效地在風(fēng)、光電源出力占比大的時(shí)段進(jìn)行蓄熱,因此碳排放量更少。盡管總成本及碳排放量方面,模型2均略強(qiáng)于模型3,但是由于模型2并未考慮系統(tǒng)均勻性影響,系統(tǒng)可靠性差,均勻性的分析將在下文闡述。

3種模型擴(kuò)建配電線路結(jié)果如表2所示,規(guī)劃總成本等相關(guān)指標(biāo)如表3所示。各模型系統(tǒng)均勻性指標(biāo)如圖11所示。

表2 各模型擴(kuò)建結(jié)果

表3 規(guī)劃綜合成本

圖11 各模型系統(tǒng)均勻性指標(biāo)

由上文介紹可知,擴(kuò)建原則為在原有線路的基礎(chǔ)上進(jìn)行容量擴(kuò)建,因此總線路數(shù)不變,均為32條。由模型1和模型3對(duì)比可知:模型3新建線路數(shù)量與模型1相比減少2條,總成本減少19.7%。這是因?yàn)樾顭崾诫婂仩t在模型1中的兩段式控制方式下,蓄熱時(shí)段負(fù)荷增長(zhǎng)明顯,線路承載能力不足,導(dǎo)致新建線路數(shù)量增多,總成本增大。在均勻性方面,模型1中蓄熱式電鍋爐安裝節(jié)點(diǎn)在蓄熱時(shí)段負(fù)載波動(dòng)大,負(fù)載率極差增大,因此模型1均勻性略差。

由模型2和模型3對(duì)比可知:模型3新建線路數(shù)量與模型2相比增加了1條,總成本增加10.2%。這是因?yàn)樵谀Ｐ?中,下層目標(biāo)函數(shù)考慮了負(fù)載率均勻性目標(biāo),對(duì)線路承載能力有更高要求,為了維持負(fù)載率均勻性水平,需要擴(kuò)建更多線路,因此總成本更高。在均勻性方面,由于模型2并未考慮負(fù)載率均勻性影響,會(huì)有部分配電線路負(fù)載率接近閾值,此時(shí)線路處于重載狀態(tài),若某條線路發(fā)生故障,則容易引發(fā)大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移,造成大規(guī)模連鎖性故障。而模型3綜合考慮了配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使得配電網(wǎng)的線路負(fù)載率更加均勻,有效提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

4 結(jié) 論

本文建立了含規(guī)模化電蓄熱設(shè)備接入的配電網(wǎng)多目標(biāo)低碳規(guī)劃模型,提出的計(jì)及風(fēng)速的熱負(fù)荷建模方法能夠更加精確地生成熱負(fù)荷并確定典型場(chǎng)景,對(duì)風(fēng)光電源出力特性的分析可以獲得碳排放量低且靈活性強(qiáng)的蓄熱式電鍋爐運(yùn)行策略,下層以系統(tǒng)均勻性及綜合成本為目標(biāo)的規(guī)劃模型能夠獲得成本低且均勻性強(qiáng)的配電線路規(guī)劃結(jié)果。通過算例分析可知:

1)與蓄熱式電鍋爐的傳統(tǒng)運(yùn)行策略相比,考慮風(fēng)、光電源出力特性的低碳運(yùn)行策略蓄放熱更加靈活,在風(fēng)、光電源占比高的時(shí)段蓄熱能有效降低碳排放,上下層結(jié)果的相互傳遞能夠提高配電網(wǎng)系統(tǒng)均勻性。

2)以蓄熱式電鍋爐運(yùn)行策略和配電網(wǎng)擴(kuò)建為目標(biāo)的雙層規(guī)劃,可以在降低碳排放的同時(shí),得到高可靠性、低成本的配電網(wǎng)低碳規(guī)劃結(jié)果。

目前本文應(yīng)用的算例系統(tǒng)整體規(guī)模較小,熱負(fù)荷建模可考慮更多影響因素以提高模型精度,未來將會(huì)進(jìn)一步研究配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高系統(tǒng)承載能力和供電可靠性。