含高滲透分布式電源配電網(wǎng)靈活性提升優(yōu)化調(diào)度方法

王洪坤, 王守相, 潘志新, 王建明

(1. 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室(天津大學), 天津市 300072; 2. 石河子大學機械電氣工程學院, 新疆維吾爾自治區(qū)石河子市 832000; 3. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司, 江蘇省南京市 210024)

0 引言

隨著中國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及電力體制改革的不斷推進,分布式電源(distributed generation,DG)高滲透率接入配電網(wǎng)成為必然。隨機性、波動性強的可再生能源接入電力系統(tǒng),引起電能質(zhì)量、繼電保護、靈活性等諸多問題[1-3],影響系統(tǒng)的安全可靠運行。可再生能源的波動性、間歇性和難預測性[4-5],加劇了高滲透率DG接入下配電網(wǎng)凈負荷的波動性,造成配電設備運行效率低、投資大等問題。歐洲電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗表明,在充分利用靈活性資源及有效調(diào)度策略的情況下,可以減少2/3的電力網(wǎng)絡改造擴建投資費用[6]。提高配電網(wǎng)的靈活性,有效降低高滲透率DG接入的不利影響,是近年來國內(nèi)外研究熱點。

靈活性一直是電力系統(tǒng)運行和規(guī)劃中需要充分考慮的問題,國內(nèi)外學者對配電網(wǎng)靈活性的研究仍處于起步階段[7-8],尚未形成一致的靈活性定義,仍缺乏系統(tǒng)性的評價指標體系。現(xiàn)階段引用比較多的電力系統(tǒng)靈活性的定義是由北美電力可靠性委員會(North American Electric Reliability Council,NERC)和國際能源署(International Energy Agency,IEA)提出的。NERC主要針對運行靈活性,認為電力系統(tǒng)靈活性是利用系統(tǒng)資源滿足負荷變化的能力。IEA則認為電力系統(tǒng)靈活性是指電力系統(tǒng)在其邊界約束下,快速響應供應和負荷的大幅波動,對可預見、不可預見的變化和事件迅速反應,負荷需求減小時減小供應,負荷需求增加時增加供應。

許多學者在電力系統(tǒng)靈活性的定性和定量分析方面開展了廣泛的研究,提出了不同的靈活性評價指標。文獻[9]基于技術(shù)和經(jīng)濟因素,提出了技術(shù)不確定靈活性指標和技術(shù)經(jīng)濟不確定靈活性指標。文獻[10]研究電力系統(tǒng)靈活性評估方法,并應用在發(fā)電計劃和電力市場。文獻[11]構(gòu)建了考慮大規(guī)模風電接入下電力系統(tǒng)靈活性定量評估指標體系,建立了基于蒙特卡洛模擬方法的經(jīng)濟調(diào)度模型,實現(xiàn)了靈活性指標的定量計算。文獻[12]針對電力系統(tǒng)可再生能源大規(guī)模的接入,提出了電力系統(tǒng)規(guī)劃的靈活性指標,并進行了靈活性的評估。文獻[13]從有功功率平衡的角度給出了電力系統(tǒng)靈活性的概念及其特征,提出了多時間尺度靈活性平衡的通用數(shù)學方法和4個靈活性度量指標。以上研究成果均為對互聯(lián)大電力系統(tǒng)靈活性開展的研究,針對配電網(wǎng)靈活性的研究工作開展較少,文獻[14]分析了電動汽車和需求響應對微電網(wǎng)靈活性的影響。

本文對高滲透率DG接入下配電網(wǎng)的靈活性開展研究,從配電網(wǎng)容量的靈活充裕度和DG接納的靈活適應性兩個方面提出了靈活性評價指標體系,并建立了靈活性約束下計及可中斷負荷和儲能的靈活性提升多目標優(yōu)化調(diào)度模型,引入粒子群歸一化算法求解,通過對靈活性資源的快速、準確的調(diào)控,能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)功率供需平衡,有效解決高滲透率DG接入下配電網(wǎng)靈活性不足的問題。

1 含高滲透率DG配電網(wǎng)靈活性需求

電力系統(tǒng)從固有特征、方向性、時間尺度3個方面反映靈活性特征[15]。固有特征是指電力系統(tǒng)在運行允許偏差下的自我調(diào)節(jié)能力,無需優(yōu)化調(diào)度。本文的高滲透率DG接入下配電網(wǎng)靈活性提升優(yōu)化調(diào)度主要體現(xiàn)在方向性和時間尺度上。因此,含高滲透率DG配電網(wǎng)靈活性定義為“應對高滲透率DG接入配電網(wǎng)引起的不確定性和波動性,快速調(diào)度靈活性資源,快速響應配電網(wǎng)凈負荷功率變化的能力”。凈負荷是負荷、可控DG、不可控DG以及其他靈活性資源的聚集體[16]。

1.1 高滲透率配電網(wǎng)靈活性需求

配電網(wǎng)DG滲透率一般是指DG裝機總?cè)萘颗c負荷峰值的比率[17]。預計中國2050年可再生能源裝機占比將達到60%,高滲透率DG接入是配電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢[18-19]。高滲透率DG接入配電網(wǎng),不發(fā)生棄風、棄光的情況下,凈負荷曲線會出現(xiàn)頻繁大幅度的波動。含高滲透率光伏配電網(wǎng)凈負荷曲線一般將呈現(xiàn)鴨子形狀,即所謂“鴨型曲線”[20]。配電網(wǎng)凈負荷的劇烈波動,影響了系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定,需要更多的靈活性資源。

為更好地分析波動性和隨機性對配電網(wǎng)靈活性的影響,將標準IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)的負荷做了一定的波動處理,某典型日24 h的負荷以及光伏、風機的功率變化如附錄A表A1所示。

在保證配電網(wǎng)運行安全的前提下,逐步加大DG的滲透率,依次將分布式風電和光伏接入配電網(wǎng)預接入節(jié)點,研究DG滲透率對配電網(wǎng)靈活性的影響,得到的凈負荷曲線如圖1所示。

圖1 不同滲透率DG下的凈負荷曲線Fig.1 Net load curve with different DG penetrations

通過圖1凈負荷曲線可以發(fā)現(xiàn),隨著DG滲透率的逐漸增大,凈負荷曲線出現(xiàn)3點顯著的變化:①凈負荷的波峰點逐漸降低,對提升配電網(wǎng)變壓器向上容量裕度靈活性具有一定的效果,但是不顯著;②凈負荷的波谷點顯著降低,并出現(xiàn)2個波谷點,造成系統(tǒng)的變壓器向下容量裕度的靈活性的不足,如果滲透率繼續(xù)增加,甚至可能會超出了配電網(wǎng)的就地消納能力;③14:00至19:00,凈負荷的波動率逐漸增大,凈負荷波動率靈活性不足,其主要原因是這段時間的負荷需求較大,而DG的出力卻減少。

通過上述的分析,高滲透率DG接入配電網(wǎng),會引起配電網(wǎng)靈活性的不足。為了充分利用風、光等可再生能源,滿足高滲透率DG接入下配電網(wǎng)的靈活性需求,需優(yōu)化調(diào)度配電網(wǎng)的靈活性資源。

1.2 配電網(wǎng)靈活性調(diào)度資源

配電網(wǎng)靈活性調(diào)度資源應具備及時性、寬幅性、快速性、平移性等物理特性及滿足供需平衡調(diào)控時的經(jīng)濟性[21]。配電網(wǎng)靈活性調(diào)度資源分別在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用電側(cè)以不同的形式存在。

1)電源側(cè)靈活性資源:包括配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)連接的變電站,各種形式的DG,及各類型儲能設備等。DG既是產(chǎn)生靈活性需求的根源,同時也可以作為一種靈活性資源參與配電系統(tǒng)的供需平衡。儲能是高滲透率DG接入下保證配電網(wǎng)電能質(zhì)量,平抑波動的有效方式[22]。

2)電網(wǎng)側(cè)靈活性資源:配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)本身不能提供靈活性資源,但是能為各種靈活性資源的優(yōu)化調(diào)度提供可靠的傳輸通道,提升配電網(wǎng)靈活性。

3)用電側(cè)靈活性資源:主要是各類需求側(cè)響應資源,負荷側(cè)需求響應的類型多樣、分布廣,能夠滿足靈活性的平移性和寬幅性的要求。

2 含高滲透率DG配電網(wǎng)靈活性評價指標

本文從配電網(wǎng)容量的靈活充裕度和DG接納的靈活適應性兩個方面定義含高滲透率DG配電網(wǎng)靈活性評價指標。

2.1 配電網(wǎng)容量的靈活充裕度

配電網(wǎng)大量新型負荷以及DG的接入,加大了凈負荷的波動性和隨機性,容易引起配電變壓器和線路的局部阻塞。本文提出線路容量裕度、變壓器向上容量裕度和變壓器向下容量裕度3個指標,反映配電線路和變壓器容量的靈活充裕度。

1)線路容量裕度

線路容量裕度是指某一時刻配電線路允許傳輸容量的最大值與線路傳輸容量實際值的差值比上允許傳輸容量的最大值,體現(xiàn)了配電線路對負荷波動的向上靈活性。如式(1)所示。

(1)

2)變壓器靈活充裕度指標

變壓器容量靈活充裕度是指與配電網(wǎng)連接某一臺主變壓器傳輸容量的裕度,包括變壓器向上容量裕度和變壓器向下容量裕度,分別反映變壓器對功率波動的向上和向下靈活性。變壓器向上容量裕度和向下容量裕度分別如式(2)和式(3)所示。

(2)

(3)

上述3個配電網(wǎng)容量靈活充裕度是指單條線路或單臺變壓器的容量靈活充裕度指標。為了能夠定量刻畫不同運行方式下配電網(wǎng)的靈活性,若某條線路或某臺變壓器容量的靈活充裕度不足,則說明配電網(wǎng)的靈活充裕度不足,若全部線路和變壓器容量靈活充裕度均滿足要求,則用線路和變壓器容量的靈活充裕度平均值分別刻畫線路和變壓器容量的靈活充裕度。

2.2 配電網(wǎng)DG接納的靈活適應性

配電網(wǎng)DG接納的靈活適應性是指配電網(wǎng)承受DG不確定性波動的適應能力。本文定義了凈負荷最大允許波動率、凈負荷波動率2個靈活適應性指標,以表征配電網(wǎng)承受不確定性波動在時間尺度和方向性上的靈活性。

1)凈負荷最大允許波動率

凈負荷最大允許波動率反映了配電網(wǎng)自身調(diào)節(jié)能力,即爬坡能力,如式(4)所示。

(4)

2)凈負荷波動率

凈負荷波動率是指配電網(wǎng)凈負荷的單位時間變化率,體現(xiàn)了凈負荷單位時間內(nèi)的波動劇烈程度,如式(5)所示。

(5)

3 含高滲透率DG配電網(wǎng)靈活性提升優(yōu)化調(diào)度模型

高滲透率DG接入配電網(wǎng)的凈負荷波動大,靈活性不足,極大影響了配電網(wǎng)的運行安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和對可再生能源的接納能力[23]。風力發(fā)電、光伏發(fā)電等DG具有清潔、無污染、零排放等優(yōu)點,本文考慮風力發(fā)電、光伏發(fā)電兩種DG高滲透率接入情況下,配電網(wǎng)靈活性提升優(yōu)化調(diào)度方法,實現(xiàn)配電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟運行。

高滲透率不可控DG接入下配電網(wǎng)可調(diào)度靈活性資源包括儲能、需求響應以及配電網(wǎng)重構(gòu)。靈活性提升的優(yōu)化調(diào)度應滿足高滲透率DG接入下配電網(wǎng)的靈活性需求,合理優(yōu)化調(diào)度現(xiàn)有的靈活性資源。

儲能充放電響應速度快,能夠滿足靈活性的及時性和快速性的要求,并且滿足電能供需時間上的平移性;負荷側(cè)需求響應的類型多、分布廣,能夠滿足靈活性的平移性和寬幅性的要求。在此基礎上綜合考慮電網(wǎng)購電費用、需求響應價格機制、儲能裝置運行費用、網(wǎng)絡損耗、靈活性控制目標等,使得滿足靈活性需求時的成本最小、運行最優(yōu)。

3.1 目標函數(shù)

本文計及可中斷負荷和儲能兩種靈活性調(diào)度資源,構(gòu)建運行費用最小和凈負荷波動率最小兩目標的靈活性提升優(yōu)化調(diào)度模型?；诰€性加權(quán)求和法[24],采用權(quán)重系數(shù)將多目標轉(zhuǎn)換為單目標優(yōu)化模型,采用粒子群優(yōu)化(PSO)算法進行求解。目標函數(shù)如式(6)所示:

(6)

式中:Ji(X)為第i個目標函數(shù);λi為權(quán)重系數(shù),可由專家經(jīng)驗綜合考慮運行費用和凈負荷波動率的實際情況進行適當調(diào)整,本文取λ1=0.75,λ2=0.25;C(F)為懲罰函數(shù),用于引入靈活性約束項,F≥0表示滿足靈活性約束,F<0表示不滿足靈活性約束。

(7)

1)目標函數(shù)1:運行費用最小

運行總費用主要包括電網(wǎng)的購電費用、網(wǎng)損費用、可中斷負荷的合同費用、儲能裝置的運行費用,目標函數(shù)1如式(8)所示。

(8)

2)目標函數(shù)2:凈負荷波動率最小

為提升配電系統(tǒng)的靈活性,以凈負荷波動率最小為目標函數(shù)2,如式(9)所示。

(9)

3.2 約束條件

1)有功功率平衡約束

(10)

2)無功功率平衡約束

(11)

3)可中斷負荷約束

(12)

4)可中斷負荷允許時間約束

(13)

5)儲能荷電狀態(tài)約束

SOC,min≤SOC,i≤SOC,max

(14)

式中:SOC,min和SOC,max分別為荷電狀態(tài)最小值和最大值。

6)靈活性約束

(15)

(16)

(17)

(18)

7)潮流約束

(19)

式中:Vi,t和Vj,t分別為節(jié)點i,j的節(jié)點電壓;Gij和Bij分別為節(jié)點i與j之間的電導和電納;θij為節(jié)點i與j之間的相角差。

8)節(jié)點電壓約束

Vi,min≤Vi,t≤Vi,max

(20)

式中:Vi,min和Vi,max分別為節(jié)點電壓最小值與最大值。

3.3 模型求解

本文考慮靈活性約束下,儲能與可中斷需求響應聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度,利用線性加權(quán)求和法將多目標轉(zhuǎn)換為單目標優(yōu)化模型,采取PSO算法進行求解[25-26]。具體求解步驟如下。

步驟1:輸入網(wǎng)絡參數(shù)、負荷波動系數(shù)、光伏出力、風機出力等原始數(shù)據(jù)。

步驟2:對粒子群相關(guān)參數(shù),最大迭代次數(shù)等進行初始化,隨機生成M個控制量個體,構(gòu)成初始種群。

步驟3:進行潮流計算,進行靈活性計算,并判斷靈活性是否滿足要求;計算各粒子的適應值,根據(jù)目標函數(shù)式(6)進行全局搜索,獲得個體最優(yōu)和群體最優(yōu)值的初始值。

步驟4:更新粒子的速度及位置。

步驟5:重新進行潮流計算,獲得全局最優(yōu)解。

步驟6:判斷是否滿足優(yōu)化結(jié)束條件,若滿足轉(zhuǎn)向步驟7;若不滿足,轉(zhuǎn)向步驟4。

步驟7:輸出優(yōu)化調(diào)度結(jié)果,結(jié)束。

本文的PSO算法求解流程如圖2所示。

圖2 PSO算法流程圖Fig.2 Flow chart of PSO algorithm

4 算例分析

本文采用改進IEEE 33配電系統(tǒng),如附錄A圖A1所示,分析高滲透率DG接入對配電網(wǎng)靈活性的影響,通過靈活性資源的優(yōu)化調(diào)度提升含高滲透率DG配電網(wǎng)的靈活性指標。

4.1 仿真情景設定

本文設定兩種情景,分析儲能和需求響應優(yōu)化調(diào)度對配電網(wǎng)靈活性提升的作用。

情景1:沒有靈活性資源情景下,含高滲透率DG配電網(wǎng)的靈活性。

情景2:在儲能和可中斷負荷優(yōu)化調(diào)度情景下,含高滲透率DG配電網(wǎng)的靈活性。

4.2 基礎數(shù)據(jù)

配電網(wǎng)的負荷及光伏、風機數(shù)據(jù)見附錄A表A1。配電網(wǎng)包含5個500 kW的分布式光伏,接在節(jié)點2,5,10,18,28;3個500 kW的分布式風力發(fā)電,接在節(jié)點17,22,24;分布式光伏分別配置150 kW/800 kW·h儲能;節(jié)點6和23為可中斷負荷。線路1至線路5最大允許負荷電流為450 A,其他線路最大允許負荷電流為300 A。優(yōu)化調(diào)度周期T=24 h,電網(wǎng)購電單價采用分時電價,8:00至15:00為波谷電價0.25元,18:00至21:00為波峰電價1.0元,其他時段為平段單價0.50元,可中斷負荷參照電網(wǎng)分時購電單價,儲能每千瓦單位運行成本3 000元,循環(huán)壽命4 500次。儲能的最大爬坡率為150 kW/h,系統(tǒng)的最大爬坡率為1 000 kW/h。為保證可再生能源的最大消納,DG以實際出力運行。

4.3 結(jié)果分析

1)靈活性資源優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

可中斷負荷及儲能的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如附錄A圖A2和圖A3所示。結(jié)合圖A2和圖A3可以看出,通過優(yōu)化調(diào)度,可中斷負荷起到了削峰的作用,儲能起到了填谷和削峰的作用,在靈活性資源參與優(yōu)化調(diào)度的作用下,凈負荷曲線的峰谷差縮小。

圖3為配電網(wǎng)兩種情景下網(wǎng)損隨時間的變化對比曲線,情景2與情景1相比,網(wǎng)損平均降幅達到35%,降損效果明顯。

圖3 兩種情景下網(wǎng)損變化曲線Fig.3 Network loss change curves of two scenarios

2)靈活性提升分析

通過兩種靈活性資源的優(yōu)化調(diào)度,含高滲透率DG配電網(wǎng)靈活性得到了顯著提升。圖4為兩種情景下高滲透率DG接入下配電網(wǎng)凈負荷變化對比曲線。

圖4 兩種情景下配電網(wǎng)凈負荷變化曲線Fig.4 Net load change curves of two scenarios

結(jié)合圖4可以看出,通過靈活性資源的優(yōu)化調(diào)度,其凈負荷的變化趨緩,波峰和波谷差減少,特別是14:00至19:00,凈負荷的波動率明顯趨緩。

圖5 兩種情景下凈負荷波動率曲線Fig.5 Net load fluctuation rate curves of two scenarios

圖6 兩種情景下線路容量裕度對比Fig.6 Line capacity margin contrast of two scenarios

表1為兩種情景下,配電網(wǎng)變壓器容量靈活充裕度指標對比結(jié)果。通過表1可以發(fā)現(xiàn),靈活性資源的優(yōu)化調(diào)度使高滲透率DG接入下配電網(wǎng)的變壓器向上容量裕度和變壓器向下容量裕度均有較大的提升。

表1 兩種情景下變壓器容量靈活充裕性指標Table 1 Comparison of the flexibility of transformer capacity margin indexes of two scenarios

通過以上分析,利用靈活性資源的優(yōu)化調(diào)度,配電網(wǎng)容量的靈活充裕度指標和配電網(wǎng)DG接納的靈活適應性指標均有不同程度的提升,若只考慮滿足配電網(wǎng)安全穩(wěn)定的技術(shù)條件,配電網(wǎng)靈活性提升后,對于提高配電網(wǎng)的DG滲透率有著積極的作用。

5 結(jié)論

本文分析了配電網(wǎng)靈活性調(diào)度資源特征及高滲透率DG接入對配電網(wǎng)靈活性的影響,從配電網(wǎng)容量的靈活充裕度和DG接納的靈活適應性兩個方面提出配電網(wǎng)的5個靈活性評價指標。建立了靈活性約束下計及可中斷負荷和儲能的高滲透率DG接入配電網(wǎng)靈活性提升的優(yōu)化調(diào)度模型,通過優(yōu)化調(diào)度靈活性資源,對含高滲透率DG配電網(wǎng)的靈活性提升作用顯著。主要得出以下結(jié)論。

1)本文提出的配電網(wǎng)的靈活性指標能夠很好地描述配電網(wǎng)的靈活性,而且能夠進行定量計算。

2)高滲透率DG的接入會影響配電網(wǎng)的靈活性,當滲透率達到一定程度時,在局部時段造成配電線路容量裕度、變壓器向上容量裕度、變壓器向下容量裕度以及凈負荷波動率等靈活性不足。

3)利用配電網(wǎng)靈活性資源的優(yōu)化調(diào)度方法,對含高滲透率DG配電網(wǎng)的靈活性能夠顯著提升。

通過分析,本文所提出的靈活性指標具有正確性和有效性,計及儲能和可中斷負荷兩種靈活性資源的優(yōu)化調(diào)度,顯著提升了含高滲透率DG配電網(wǎng)的靈活性。本文下一步結(jié)合經(jīng)濟性,研究更多靈活性資源的優(yōu)化調(diào)度,將多種需求響應模式加入優(yōu)化調(diào)度模型,進一步提升含高滲透率DG配電網(wǎng)的靈活性。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。