含分布式光伏的配電網(wǎng)功率協(xié)調(diào)優(yōu)化

黃素娟， 祝進(jìn), 王海龍

(南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211106)

含分布式光伏的配電網(wǎng)功率協(xié)調(diào)優(yōu)化

黃素娟， 祝進(jìn), 王海龍

(南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211106)

為解決分布式光伏接入對配電網(wǎng)帶來的電壓問題，研究了含分布式光伏的配電網(wǎng)功率協(xié)調(diào)優(yōu)化策略。以配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓在規(guī)定范圍之內(nèi)光伏發(fā)電出力最大化為目標(biāo)建立模型，利用靈敏度分析選取優(yōu)先調(diào)節(jié)的光伏節(jié)點(diǎn)，采用粒子群優(yōu)化算法選取合適的最優(yōu)解。在保證電壓質(zhì)量的情況下提高光伏利用率。通過對嘉興配電網(wǎng)的實(shí)例分析驗(yàn)證了控制方案的有效性。

分布式光伏；配電網(wǎng)；功率協(xié)調(diào)；靈敏度；粒子群算法

0 引 言

隨著傳統(tǒng)能源的日漸枯竭和生態(tài)環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，發(fā)展可再生能源已成趨勢。其中光伏發(fā)電作為清潔、可再生能源的典型代表，以其廣泛性、清潔性、可再生性及其技術(shù)發(fā)展的充分性近年來得到了快速發(fā)展。大量分布式光伏電源接入配電網(wǎng)，一方面可緩解能源需求的緊張局面，另一方面分布式光伏接入配電網(wǎng)將改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)的輻射式配電方式，不可避免地造成對傳統(tǒng)電網(wǎng)的影響，不僅會影響供電質(zhì)量，還可能造成接入點(diǎn)電壓超出合理運(yùn)行范圍，甚至危及分布式光伏的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。因此，研究分布式光伏接入配電網(wǎng)的電壓特性及其功率協(xié)調(diào)控制策略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文在光伏發(fā)電預(yù)測的基礎(chǔ)上，提出一種含分布式光伏的配電網(wǎng)有功-無功協(xié)調(diào)控制模型，優(yōu)化配網(wǎng)中各分布式光伏的有功無功出力，使得整個配網(wǎng)電壓水平維持在合理范圍的前提下最大化光伏的有功出力，提高光伏發(fā)電的利用率。并將研究成果應(yīng)用于嘉興DGM8500分布式電源調(diào)控及運(yùn)營平臺，算例分析和現(xiàn)場工程應(yīng)用驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

1 分布式光伏接入對配電網(wǎng)的影響

圖1 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)處戴維南等效電路

分布式光伏的接入改變了配電網(wǎng)原來單電源、輻射狀的結(jié)構(gòu)，必然引起配網(wǎng)饋線中潮流發(fā)生變化，進(jìn)而影響電壓分布[4]。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)連接處的戴維南等效電路如圖1所示，Rg+jXg為電網(wǎng)側(cè)等效阻抗。

光伏系統(tǒng)以單位功率因數(shù)控制并網(wǎng)時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓Upv發(fā)生ΔUpv的變化，則相應(yīng)電流Ipv發(fā)生ΔIpv的變化，可近似推導(dǎo)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化量表達(dá)式為：

ΔUpv=ΔIp×(Rg+jXg)=

其中ΔPpv為光伏系統(tǒng)有功功率改變量，Upv為并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓，Sk為并網(wǎng)點(diǎn)處短路容量，φ為并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)等效阻抗角，ΔIp為光伏系統(tǒng)有功電流改變量。由式(1)可知，當(dāng)光伏有功出力大于一定值時(shí)，必然會引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓越限。

當(dāng)光伏系統(tǒng)以無功電壓控制模式并網(wǎng)時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化量表達(dá)式為：

ΔUpv=(Rg+jXg)(ΔIp+jΔIq)=

(2)

其中ΔSpv為光伏系統(tǒng)功率改變量，φ為并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)等效阻抗角，θ為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)角，ΔIq為光伏系統(tǒng)無功電流改變量。

分布式光伏接入配電網(wǎng)后，一方面導(dǎo)致線路上傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率減少，從而不同程度地抬高各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓；另一方面，分布式光伏受氣象因素影響較大，其輸出有很大的波動性。同時(shí)配網(wǎng)電壓還會受到負(fù)荷不斷變動的影響。

很多學(xué)者對于分布式電源接入電網(wǎng)的電壓問題進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[5]分析了分布式光伏對配電網(wǎng)的影響及分布式光伏的規(guī)劃，但在實(shí)際電網(wǎng)中，光伏規(guī)劃可能并未考慮電網(wǎng)的情況。文獻(xiàn)[6-9]分析了配網(wǎng)中常用的幾種抑制分布式發(fā)電接入帶來的電壓波動的方法，包括利用變壓器有載調(diào)壓方式，安裝動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，安裝儲能設(shè)備等。但實(shí)際配電網(wǎng)中變壓器通常不能進(jìn)行調(diào)壓或只能采取無載調(diào)壓方式，而新增無功補(bǔ)償及儲能設(shè)備會增加投資。光伏發(fā)電在配電網(wǎng)中既可以作為有功資源也可作為無功資源[10]，充分利用分布式光伏的調(diào)節(jié)能力參與到配電網(wǎng)的動態(tài)無功電壓優(yōu)化控制中，具有調(diào)控成本較低且調(diào)節(jié)迅速的特點(diǎn)，可提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性?？紤]到配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同于輸電網(wǎng)，R/X較大，整個系統(tǒng)的有功、無功與節(jié)點(diǎn)電壓不解耦的實(shí)際情況，本文采用有功-無功綜合協(xié)調(diào)控制策略，優(yōu)化配網(wǎng)中各個分布式光伏的出力。

2 協(xié)調(diào)優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

對功率協(xié)調(diào)控制策略來說，受控的分布式光伏必須具備有功、無功的可調(diào)節(jié)性，在此僅僅考慮這類分布式電源。為盡量提高分布式光伏利用率，本文以配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓在規(guī)定范圍之內(nèi)光伏有功出力最大化為目標(biāo)。光伏有功出力最大表示為：

(3)

節(jié)點(diǎn)電壓是檢驗(yàn)電網(wǎng)安全性和電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。本文將配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的限制轉(zhuǎn)換為電壓越限罰函數(shù)：

(4)

式中α為電壓越限罰因子，本文取1 000。

(5)

其中vj為節(jié)點(diǎn)j電壓幅值，vjmax和vjmin分別為節(jié)點(diǎn)電壓限值的最大與最小值。

綜合考慮形成的目標(biāo)函數(shù)為：

(6)

2.2 約束條件

(1)潮流方程約束

(7)

式中Pi與Qi分別為節(jié)點(diǎn)i的有功無功注入功率；Vi、Vj為節(jié)點(diǎn)i、ji的電壓；Gij、Bij、δij分別為節(jié)點(diǎn)i、j間的電導(dǎo)、電納和電壓相角差。

(2)節(jié)點(diǎn)電壓約束

vimin≤vi≤vimax

(8)

式中vi為節(jié)點(diǎn)i電壓幅值，vjmax和vjmin分別為節(jié)點(diǎn)電壓幅值的上下限值。

(3)分布式光伏的運(yùn)行約束

中小型容量的PV發(fā)電系統(tǒng)通常采用PQ控制方式進(jìn)行并網(wǎng)。本文中，光伏模塊穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)采用PQ模型，并網(wǎng)功率可實(shí)現(xiàn)有功無功獨(dú)立控制。

(9)

2.3 靈敏度分析

對于本優(yōu)化模型，求解變量數(shù)為可調(diào)節(jié)點(diǎn)數(shù)的兩倍，當(dāng)配網(wǎng)規(guī)模增大，光伏滲透率提高時(shí)，求解該優(yōu)化模型變得極為困難，結(jié)果也變得不可靠。為降低求解變量個數(shù)，采用靈敏度分析法，先求取對系統(tǒng)影響最大的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，每次優(yōu)化過程中只有關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參與優(yōu)化，其余光伏節(jié)點(diǎn)繼續(xù)工作于MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)狀態(tài)，從而提高求解速度與可靠性。

對于具有N個節(jié)點(diǎn)的電力網(wǎng)絡(luò)，令n=N-1，取平衡節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，將PV節(jié)點(diǎn)增廣到潮流方程式中，可得2n個極坐標(biāo)形式的牛頓法潮流修正方程式：

(10)

(11)

(12)

考慮到電壓幅值標(biāo)幺值在1.0 pu附近，對上式進(jìn)行高斯消去，計(jì)算得到電壓對節(jié)點(diǎn)注入功率的靈敏度為:

ΔV=((B+Q)(G-P)-1(B-Q)+(G+P))-1ΔP-

((G-P)(B+Q)-1(G+P)+(B-Q))-1ΔQ

(13)

從而可得節(jié)點(diǎn)注入有功、無功對節(jié)點(diǎn)電壓的靈敏度矩陣分別為：

(14)

在模型求解中，先計(jì)算越限點(diǎn)電壓對所有可調(diào)節(jié)點(diǎn)注入功率的靈敏度，選擇靈敏度最大的節(jié)點(diǎn)作為本次優(yōu)化的調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)。

2.4 模型求解

協(xié)調(diào)優(yōu)化模型是一個多約束非線性規(guī)劃問題，對于這類問題，智能優(yōu)化算法逐漸顯現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力。其中粒子群算法具有并行性好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)起來相對容易，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)各種優(yōu)化問題中[11-12]。本文采用帶慣性權(quán)重的粒子群算法：首先在搜索空間中隨機(jī)生成一組初始解，即每個粒子初始位置，并對每個粒子賦予隨機(jī)的初始速度。每個粒子的速度和位置信息根據(jù)群體的特性，隨著群體的進(jìn)化進(jìn)行不斷的調(diào)整，其速度和位置的更新方程如下：

(15)

(16)

(1)慣性權(quán)重ω

為了平衡全局和局部搜索能力，選擇慣性權(quán)重由0.8遞減至0.4。計(jì)算公式如下：

(17)

式中ωmax、ωmin是ω的上下限值，τmax是最大迭代次數(shù)，τ為當(dāng)前迭代次數(shù)。

(2)學(xué)習(xí)因子c1=c2=0.4。

(3)種群規(guī)模N=30。

(4)終止條件：達(dá)到最大迭代次數(shù)100或連續(xù)兩代最優(yōu)適應(yīng)度達(dá)到收斂誤差10-8。

3 實(shí)例分析與應(yīng)用

嘉興采用國電南瑞開發(fā)的DGM8500系統(tǒng)建設(shè)了區(qū)域分布式電源調(diào)控及運(yùn)營平臺，是浙江省乃至全國率先實(shí)現(xiàn)區(qū)域新能源統(tǒng)一調(diào)控及運(yùn)營的平臺。本文在DGM8500系統(tǒng)上完成了功率協(xié)調(diào)控制的功能，并在現(xiàn)場進(jìn)行了驗(yàn)證。

選取工程現(xiàn)場其中一條線路-雙河變昌東863線為例進(jìn)行分析，其配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包含節(jié)點(diǎn)35個，并在節(jié)點(diǎn)9、19、34、23、24、25分別接入村上石崎、塘匯衛(wèi)生院、塘匯供銷社、銀河工貿(mào)、嘉怡制衣、杰邦制衣等六個光伏電站。

圖2 昌東863配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

選定某天的12：00時(shí)刻進(jìn)行分析，從DGM8500調(diào)控系統(tǒng)讀取系統(tǒng)預(yù)測的光伏電站的功率信息如表1所示和負(fù)荷信息。取電壓基準(zhǔn)值為10 kV，母線節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)為1.0 pu，電壓上下限取0.93 pu和1.07 pu?？刂撇呗粤鞒倘鐖D3所示。

表1 光伏電站預(yù)測功率

圖3 協(xié)調(diào)優(yōu)化策略流程圖

在不進(jìn)行功率優(yōu)化控制所有光伏電站都運(yùn)行在MPPT模式下，對各節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算發(fā)現(xiàn)，35個節(jié)點(diǎn)中有20個節(jié)點(diǎn)越電壓上限，節(jié)點(diǎn)電壓曲線如圖4所示。從圖4上可清晰的看出，9、19、34節(jié)點(diǎn)的光伏電站對其附近的電壓抬升最為明顯甚至越限。采用功率協(xié)調(diào)控制策略對光伏電站功率進(jìn)行有功無功協(xié)調(diào)控制，受控的光伏電站的有功無功出力建議值如表2所示，優(yōu)化前后的電壓對比曲線如圖5所示。

圖4 優(yōu)化前節(jié)點(diǎn)電壓曲線

控制對象有功/kW無功/kvar村上石崎光伏電站3145.50994.07塘匯衛(wèi)生院光伏電站4324.96831.36塘匯供銷社光伏電站2175.96462.98

從圖5可以看出，并入配電網(wǎng)的分布式光伏對電網(wǎng)的電壓具有支撐作用，優(yōu)化前，接入節(jié)點(diǎn)9、19、34處的光伏電站對附近的節(jié)點(diǎn)的電壓抬升非常明顯，按10 kV允許電壓偏移量±7%來看，對應(yīng)節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)電壓已經(jīng)越上限，根據(jù)功率協(xié)調(diào)控制策略，對越限節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靈敏度計(jì)算，確定了對村上石崎、塘匯衛(wèi)生院、塘匯供銷社三個光伏電站進(jìn)行功率協(xié)調(diào)優(yōu)化，優(yōu)化后其附近點(diǎn)的電壓有明顯的降低，且都在在允許的電壓偏移范圍內(nèi)。

優(yōu)化前后的分析計(jì)算，驗(yàn)證了所提出的控制策略的有效性，通過對分布式光伏電站有功和無功出力作為控制變量加以協(xié)調(diào)優(yōu)化，在充分利用光伏發(fā)電的基礎(chǔ)上，取得了良好的調(diào)壓效果。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)部分分布式光伏具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能，提出了含分布式光伏的配電網(wǎng)有功-無功協(xié)調(diào)控制模型，并在靈敏度分析的基礎(chǔ)上，利用粒子群算法進(jìn)行求解。通過優(yōu)化控制分布式光伏注

入配電網(wǎng)的功率，在保證配電網(wǎng)電壓可靠性的前提下，最大化光伏出力，提高光伏滲透率，保障配網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)電壓對比曲線

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Coordination and Optimization of Distribution Network Power with Distributed PV Power

Huang Sujuan, Zhu Jin, Wang Hailong

(NARI Technology Co.,Ltd., Nanjing Jiangsu 211106,China)

In order to solve the voltage problem in the distribution network caused by accessing the distributed PV power, the strategy for coordination and optimization of the power in distribution network containing distributed PV power is under study. It takes max. PV power output within a predetermined range of the node voltage of distribution network as the target for modeling while using sensitivity analysis to select PV node for preferential regulation and adopting PSO algorithm to select the appropriate optimal solution. The photovoltaic efficiency may be improved as the voltage quality is assured. The case analysis for Jiaxing distribution networks has demonstrated the validity of the control scheme.

distributed PV；distribution network；power coordination；sensitivity；PSO algorithm

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.010

TM615

A

1000-3886(2016)06-0031-04

黃素娟(1986-)，女，河南睢縣人，工程師，碩士，研究方向：電力分析軟件，分布式電源與微網(wǎng)。

定稿日期: 2016-04-19