風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)主動(dòng)配電網(wǎng)多時(shí)段動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化研究

摘要：在全球能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)的雙重驅(qū)動(dòng)下，可再生能源尤其是風(fēng)能和太陽(yáng)能的利用已成為全球能源戰(zhàn)略的重要組成部分。然而，由于風(fēng)能和太陽(yáng)能的出力具有顯著的間歇性和波動(dòng)性，直接接入配電網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電壓質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響。因此，引入風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并結(jié)合主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)多時(shí)段動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化，成為解決上述問(wèn)題的有效途徑。深入探討了風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的建模方法，構(gòu)建了主動(dòng)配電網(wǎng)多時(shí)段動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化模型，并提出了相應(yīng)的求解策略，旨在提高配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、降低網(wǎng)絡(luò)損耗，并優(yōu)化可再生能源的利用效率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電；配電網(wǎng)；無(wú)功優(yōu)化

一、前言

在主動(dòng)配電網(wǎng)中，風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化具有重要意義。通過(guò)多時(shí)段動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化，可以降低風(fēng)光能出力波動(dòng)性對(duì)配電網(wǎng)的沖擊，提高電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。優(yōu)化儲(chǔ)能裝置的使用可以提高能源利用效率，減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)可再生能源的最大化利用[1]。該研究還有助于推動(dòng)配電網(wǎng)由被動(dòng)運(yùn)行向主動(dòng)管控和局部自治的轉(zhuǎn)變，為構(gòu)建智能、綠色、高效的現(xiàn)代電網(wǎng)提供有力支撐。

二、風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)建模

（一）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其核心是風(fēng)力發(fā)電機(jī)[2]。根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)，可分為雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）和永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）兩種常用類(lèi)型[3]。

1.風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性建模

風(fēng)力機(jī)通過(guò)捕獲風(fēng)能并將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在建模過(guò)程中，需要基于風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理，考慮風(fēng)速、風(fēng)輪直徑、葉片形狀、槳距角等因素對(duì)風(fēng)能捕獲效率的影響。

2.發(fā)電機(jī)電磁特性建模

對(duì)于DFIG和PMSG，其電磁特性建模是理解發(fā)電機(jī)工作原理和優(yōu)化控制策略的關(guān)鍵。DFIG的建模需關(guān)注其定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的電磁關(guān)系，以及轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器（RSC）和網(wǎng)側(cè)變頻器（GSC）的控制策略。

3.控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)建模

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)著調(diào)整發(fā)電機(jī)工作模式的重任，旨在促進(jìn)對(duì)電網(wǎng)的順暢接入及維持系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。建模階段不可或缺的是，需將控制系統(tǒng)的時(shí)間動(dòng)態(tài)反應(yīng)屬性納入考量，涵蓋了轉(zhuǎn)速的調(diào)控、功率輸出的管理，以及無(wú)功功率的適應(yīng)性調(diào)整等多個(gè)層面。

（二）光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)光伏電池陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。其建模需關(guān)注光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率、溫度效應(yīng)、陰影遮擋等因素對(duì)輸出功率的影響。

1.光伏電池模型

光伏電池的建模通常采用等效電路模型或工程簡(jiǎn)化模型。等效電路模型基于光伏電池的物理結(jié)構(gòu)，通過(guò)電阻、電容等元件模擬電學(xué)特性。工程簡(jiǎn)化模型則通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式直接計(jì)算光伏電池的輸出電流和電壓。無(wú)論采用哪種模型，都需考慮光照強(qiáng)度、電池溫度等因素對(duì)光伏電池輸出特性的影響。

2.逆變器控制策略建模

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的接口，其控制策略決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)如何與電網(wǎng)進(jìn)行交互。在建模時(shí)，需關(guān)注逆變器的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）策略、并網(wǎng)控制策略以及孤島檢測(cè)與保護(hù)策略等。通過(guò)合理的控制策略設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)行和電網(wǎng)的友好接入。

3.溫度效應(yīng)與陰影遮擋建模

光伏電池的輸出功率受溫度影響較大，且陰影遮擋會(huì)顯著降低光伏陣列的發(fā)電效率。在建模時(shí)，需考慮溫度效應(yīng)對(duì)光伏電池開(kāi)路電壓、短路電流等參數(shù)的影響，并引入陰影遮擋模型以評(píng)估其對(duì)光伏陣列輸出功率的影響。

三、主動(dòng)配電網(wǎng)多時(shí)段動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化模型

（一）目標(biāo)函數(shù)

1.最小化網(wǎng)絡(luò)總損耗

網(wǎng)絡(luò)損耗是電力系統(tǒng)運(yùn)行成本的重要組成部分，通過(guò)優(yōu)化無(wú)功分配可以降低線路上的無(wú)功電流，從而減少傳輸損耗。目標(biāo)函數(shù)可表示為：

Q表示系統(tǒng)中所有無(wú)功源的注入無(wú)功功率向量。

i表示系統(tǒng)中的每一條輸電線路或變壓器支路。

ki是與支路i相關(guān)的損耗系數(shù)，它取決于支路的電阻和其他電氣參數(shù)。

2.最小化電壓偏差平方和

電壓質(zhì)量是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)之一，通過(guò)優(yōu)化無(wú)功分布可以減少電壓偏差，提高電壓穩(wěn)定性。目標(biāo)函數(shù)可表示為：

N是節(jié)點(diǎn)集合，Viref是節(jié)點(diǎn)i的電壓參考值，Vi，t是t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的電壓。

3.優(yōu)化可再生能源利用率

考慮到風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中可再生能源的間歇性和不確定性，優(yōu)化其利用率也是重要目標(biāo)之一，通常經(jīng)由提升可再生電力的產(chǎn)出水平或削減風(fēng)能及光能的廢棄量來(lái)達(dá)成，但具體表述需依據(jù)系統(tǒng)的真實(shí)狀況來(lái)定制構(gòu)建。

（二）約束條件

1.功率平衡約束

每個(gè)節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻的有功功率和無(wú)功功率必須保持平衡，可以通過(guò)基爾霍夫電流定律和節(jié)點(diǎn)電壓方程來(lái)表達(dá)。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)i在時(shí)刻t，有：

Ωi是與節(jié)點(diǎn)i直接相連的節(jié)點(diǎn)集合，Vi和Vj分別是節(jié)點(diǎn)i和j的電壓幅值，Gij和Bij是節(jié)點(diǎn)i和j之間線路的電導(dǎo)和電納（通常包含在導(dǎo)納矩陣中），θij，t是節(jié)點(diǎn)i和j之間的相角差，*表示復(fù)數(shù)的共軛。

2.電壓約束

節(jié)點(diǎn)電壓必須在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，以避免電壓越限。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)i在時(shí)刻t，有：

Vimin和Vimax分別是節(jié)點(diǎn)i電壓的最小和最大允許值。

3.設(shè)備容量約束

設(shè)備容量約束主要限制發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備的輸出功率或電流不超過(guò)其額定值。變壓器容量約束可表述為視在功率不超越其額定容量值，盡管在無(wú)功功率優(yōu)化場(chǎng)景中，更多強(qiáng)調(diào)的是其電壓調(diào)節(jié)及損耗特性，直接采用容量限制的情況較為鮮見(jiàn)。發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功約束分別為：

Pgt是發(fā)電機(jī)g在時(shí)段t的有功功率輸出，Pgmin和Pgmax分別是其最小和最大有功功率限制，Qgt是發(fā)電機(jī)g在時(shí)段t的無(wú)功功率輸出，Qgmin （Pgt）和Qgmax （Pgt）分別是其無(wú)功功率的最小和最大限制，G是發(fā)電機(jī)集合，T是時(shí)段集合。

4.無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備約束

對(duì)于每個(gè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，如電容器組、SVC等，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，其發(fā)出的無(wú)功功率應(yīng)處于最小和最大無(wú)功補(bǔ)償能力之間，即設(shè)備不能發(fā)出超過(guò)其最大容量的無(wú)功功率，也不能低于其最小容量，對(duì)于每個(gè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備i和每個(gè)時(shí)段t，有：

Qtcomp，i是無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備i在時(shí)段t的無(wú)功補(bǔ)償量，Qimin是其最小無(wú)功補(bǔ)償量（可能為零），≤Qimax是其最大無(wú)功補(bǔ)償量。

5.儲(chǔ)能系統(tǒng)約束

變壓器的容量限制可表述為視在功率不超越其額定容量值，盡管在無(wú)功功率優(yōu)化場(chǎng)景中，更多強(qiáng)調(diào)的是電壓調(diào)節(jié)及損耗特性，直接采用容量限制的情況較為鮮見(jiàn)。

充放電功率約束為：

Ptch，s 是儲(chǔ)能系統(tǒng)s在時(shí)段t的充電功率（正值表示充電）。Ptdis，s 是儲(chǔ)能系統(tǒng)s在時(shí)段t的放電功率（正值表示放電，但在實(shí)際模型中通常為負(fù)值以表示功率流出）。S是儲(chǔ)能系統(tǒng)集合。T是時(shí)段集合。

剩余容量約束為：

Est是儲(chǔ)能系統(tǒng)s在時(shí)段t結(jié)束時(shí)的剩余容量，Emin，s" 和Emax，s分別是儲(chǔ)能系統(tǒng)s的最小和最大容量限制，ηch和ηdis分別是儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電和放電效率，△t是時(shí)段長(zhǎng)度，T＼{T-1}表示除了最后一個(gè)時(shí)段外的所有時(shí)段集合，因?yàn)樽詈笠粋€(gè)時(shí)段后不需要計(jì)算下一個(gè)時(shí)段的剩余容量。然而，在某些模型中，可能會(huì)包括一個(gè)關(guān)于最終剩余容量的約束。

四、仿真分析與結(jié)果

為了全面評(píng)估所提出的多時(shí)段動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化模型在主動(dòng)配電網(wǎng)中的實(shí)際效果，本文基于IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡的仿真分析。IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)作為配電網(wǎng)研究的經(jīng)典案例，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和代表性使其成為驗(yàn)證新模型和方法的理想平臺(tái)。

（一）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與場(chǎng)景設(shè)定

1.數(shù)據(jù)生成

首先，利用歷史氣象數(shù)據(jù)和先進(jìn)的預(yù)測(cè)模型（如深度學(xué)習(xí)模型或時(shí)間序列分析方法），生成了風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電站在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的出力時(shí)間序列。這些數(shù)據(jù)不僅反映了可再生能源出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性，還為后續(xù)的仿真分析提供了必要的輸入條件。

2.場(chǎng)景設(shè)定

為了充分考察不同因素對(duì)優(yōu)化效果的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了多種仿真場(chǎng)景，包括不同的負(fù)荷水平（高峰、平峰、低谷）、儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同充放電策略（如最大化經(jīng)濟(jì)效益、最小化網(wǎng)絡(luò)損耗、平衡電壓波動(dòng)等），以及考慮電網(wǎng)中無(wú)功補(bǔ)償裝置和發(fā)電機(jī)無(wú)功出力的靈活調(diào)整。

（二）優(yōu)化模型求解

針對(duì)每個(gè)設(shè)定的場(chǎng)景，采用所提出的多時(shí)段動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化模型進(jìn)行求解。該模型通過(guò)集成先進(jìn)的優(yōu)化算法（如混合整數(shù)線性規(guī)劃、遺傳算法或粒子群優(yōu)化算法等），綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)約束、設(shè)備約束和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置、發(fā)電機(jī)無(wú)功出力和儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率的最優(yōu)配置。

（三）結(jié)果對(duì)比分析

1.電壓質(zhì)量提升

仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后的配電網(wǎng)在電壓質(zhì)量方面得到了顯著提升。通過(guò)精確控制無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切狀態(tài)和發(fā)電機(jī)的無(wú)功出力，以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活充放電，系統(tǒng)能夠更有效地應(yīng)對(duì)可再生能源出力波動(dòng)和負(fù)荷變化對(duì)電壓的影響，保持電壓在合理范圍內(nèi)波動(dòng)，減少了電壓越限的情況。

2.網(wǎng)絡(luò)損耗降低

優(yōu)化模型顯著降低了配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗。通過(guò)優(yōu)化無(wú)功分布，減少了因無(wú)功流動(dòng)而產(chǎn)生的額外電流損耗，提高了系統(tǒng)的整體能效。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理充放電也進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功環(huán)流，從而進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)損耗。

3.可再生能源利用率提高

優(yōu)化后的系統(tǒng)還顯著提高了可再生能源的利用率。通過(guò)平衡可再生能源出力與負(fù)荷需求之間的不匹配，減少了可再生能源的棄用現(xiàn)象。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入為可再生能源提供了更多的調(diào)節(jié)手段，使其能夠更好地融入電網(wǎng)，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

4.經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，優(yōu)化后的系統(tǒng)也表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。雖然儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本較高，但其通過(guò)降低網(wǎng)絡(luò)損耗、提高可再生能源利用率和減少電壓調(diào)節(jié)設(shè)備的投資和運(yùn)行成本等方式，為系統(tǒng)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。此外，優(yōu)化后的系統(tǒng)還提高了供電可靠性和用戶(hù)滿意度，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的社會(huì)價(jià)值。優(yōu)化前后關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

五、討論

（一）影響因素分析

1.可再生能源預(yù)測(cè)精度

可再生能源（如風(fēng)能和太陽(yáng)能）的出力預(yù)測(cè)精度是直接影響優(yōu)化模型效果的關(guān)鍵因素。高精度的預(yù)測(cè)能夠減少優(yōu)化方案與實(shí)際運(yùn)行之間的偏差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。因此，需采用先進(jìn)的預(yù)測(cè)技術(shù)和算法，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)氣象信息，不斷提升預(yù)測(cè)精度。

2.儲(chǔ)能系統(tǒng)配置與策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理配置和充放電策略對(duì)于優(yōu)化效果至關(guān)重要。合適的儲(chǔ)能容量和充放電速率能夠更有效地平抑可再生能源的出力波動(dòng)，并為電網(wǎng)提供必要的電壓支撐。同時(shí)，靈活的充放電策略能夠根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高系統(tǒng)的整體效能。

3.配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果具有顯著影響。不同結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)具有不同的電壓分布特性和無(wú)功功率需求，因此需要針對(duì)具體配電網(wǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行定制化優(yōu)化。此外，配電網(wǎng)中其他設(shè)備的參數(shù)和狀態(tài)也需要納入優(yōu)化模型的考慮范圍，以確保優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性和可行性。

（二）優(yōu)化策略的比較與選擇

1.求解方法對(duì)比

線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、遺傳算法、粒子群優(yōu)化等優(yōu)化策略各有優(yōu)缺點(diǎn)。線性規(guī)劃方法簡(jiǎn)單快速，但處理非線性問(wèn)題時(shí)受限。非線性規(guī)劃方法準(zhǔn)確度高，但計(jì)算復(fù)雜。啟發(fā)式算法，如遺傳算法和粒子群優(yōu)化，具有全局搜索能力，但可能面臨求解精度和收斂速度的挑戰(zhàn)。因此，在選擇優(yōu)化策略時(shí)，需根據(jù)具體問(wèn)題的特性和需求進(jìn)行權(quán)衡。

2.混合優(yōu)化策略

為克服單一優(yōu)化策略的局限性，可采用混合優(yōu)化策略。通過(guò)結(jié)合不同優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)，如將線性規(guī)劃與非線性規(guī)劃相結(jié)合，或?qū)l(fā)式算法與精確算法相結(jié)合，可以提高求解效率和優(yōu)化效果。混合優(yōu)化策略需要根據(jù)具體問(wèn)題的特點(diǎn)和需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。

六、結(jié)語(yǔ)

本文探討了風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)主動(dòng)配電網(wǎng)多時(shí)段動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題，構(gòu)建了相應(yīng)的優(yōu)化模型并提出了求解策略。通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了所提模型的有效性和可行性。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善以及可再生能源利用率的不斷提高，風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)主動(dòng)配電網(wǎng)多時(shí)段動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化將在未來(lái)能源系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]孫浩鋒，章健，熊壯壯，等.含風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的主動(dòng)配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化[J].電測(cè)與儀表，2023，60（02）：104-110+125.

[2]楊雨瑤，張勇軍，林國(guó)營(yíng)，等.含光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)雙目標(biāo)拓展無(wú)功優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2018，46（22）：39-46.

[3]徐倩.風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析及仿真建模技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

作者單位：三峽大學(xué)

責(zé)任編輯：張津平、尚丹