含DERs的低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略

田詠桃 仉志華 孫 東 龍敏敏 曲澤奇

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含DERs的低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略

田詠桃1仉志華2孫 東3龍敏敏4曲澤奇2

（1. 中國石油大學(xué)（華東）理學(xué)院，山東 青島 255680； （2. 中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 255680； 3. 中國石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000； 4. 山東廣域科技有限責(zé)任公司，山東 東營 257081）

低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)（Spot network）具有極高的供電可靠性，且有利于分布式電源（DERs）就地消納，是低壓配電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。但目前對含DERs低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運(yùn)行策略的研究較少。本文考慮光伏發(fā)電、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等DERs出力特性，以總體成本最低為目標(biāo)、以功率平衡為約束，建立了適用于并網(wǎng)與孤網(wǎng)運(yùn)行模式下的含DERs低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型。通過加權(quán)方式將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕?biāo)優(yōu)化問題，且分析了權(quán)重系數(shù)對優(yōu)化結(jié)果的影響。案例分析結(jié)果證明了該方法的有效性。

低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)；經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行；分布式電源

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展對供電可靠性提出了更高的要求[1-2]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)一直遵循“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行”原則，難以解決停電轉(zhuǎn)供引起的短時(shí)停電問題。隨著環(huán)境與能源問題的日益突出，基于可再生能源的分布式電源（distributed energy resources, DERs）得到了快速發(fā)展，DERs主要通過中低壓配電網(wǎng)接入系統(tǒng)。因此，為提高供電可靠性與DERs就地消納能力，IEEE Std 1547提出了低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Spot Network）[3-5]。而在保證該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)上，結(jié)合不同類型DERs出力特性，研究該系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度模型以提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)已成為普遍關(guān)注的問題。

低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)中，不同類型的DERs運(yùn)行特性各異。如何做到相互配合實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行需要考慮諸多因素，最終可歸結(jié)為多目標(biāo)規(guī)劃問題。文獻(xiàn)[6]分析了低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)的潮流分布特征，提出利用統(tǒng)一潮流控制器控制低壓母線潮流，實(shí)現(xiàn)均衡交流進(jìn)線出力的目的，但未涉及DERs接入以及最優(yōu)潮流控制問題。文獻(xiàn)[7]提出基于熵和距離的多目標(biāo)粒子群和模糊多權(quán)重的DERs優(yōu)化選址和定容的方法，為多DERs接入電網(wǎng)提供了一種新思路。文獻(xiàn)[8]對太陽能供電系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行研究，提出了綜合評價(jià)光伏陣列供電可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的陣列綜合系數(shù)，為確定最優(yōu)太陽電池板和蓄電池陣列設(shè)計(jì)方案提供了思路。文獻(xiàn)[9-10]專門針對配電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行研究。上述文獻(xiàn)對接入配電網(wǎng)的DERs選址、定容、經(jīng)濟(jì)評估等進(jìn)行了研究，但針對含DERs的低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運(yùn)行問題，未見涉及。

本文對含DERs的低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題進(jìn)行研究。首先分析了不同類型DERs穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的數(shù)學(xué)模型與成本函數(shù)；然后基于運(yùn)行成本與功率平衡等因素，給出了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，并采用加權(quán)的方式將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕?biāo)優(yōu)化問題；最后算例分析證明了該方法的有效性。

1 含DERs的低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)，作為一種特殊的低壓配電結(jié)構(gòu)，具有較高的供電可靠性且有利于DERs的接入管理與控制。典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。多路中壓饋線（一般為3～8路）采用線路-變壓器單元接線方式，直接在低壓母線上并聯(lián)供電。中低壓側(cè)分別配置了相應(yīng)保護(hù)，圖1中的①—④為中壓側(cè)饋線出口的過電流保護(hù)和接地保護(hù)，⑤和⑥為低壓側(cè)的逆功率保護(hù)，并利用熔斷器實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。該供電模式下多路低壓電源互為備用，負(fù)荷無需停電轉(zhuǎn)供，可有效解決短時(shí)停電問題，是公認(rèn)的最為可靠且最為靈活的供電方式，主要用于供電質(zhì)量要求苛刻且負(fù)荷密度較大的地區(qū)。目前，國外已有350多個(gè)城市采用了該配電網(wǎng)模式，如美國田納西州St.Jude兒童研究醫(yī)院、FedExForum體育館、多倫多皮爾遜國際機(jī)場等。點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)中所有電源和負(fù)荷都通過低壓母線集中接入，其結(jié)構(gòu)非常有利于DERs的接入控制與能量的就地消納，在IEEE Std 1547中對此進(jìn)行了詳細(xì)說明。具備高供電可靠性且利于DERs接入的點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)，符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，是未來低壓配電模式的重要發(fā)展方向。

圖1 電壓多源并供系統(tǒng)點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)

2 含DERs的低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)度模型

基于各類DERs的功率成本模型，以成本最低為目標(biāo)，以功率平衡為約束，建立了含DERs低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型。以是否考慮購電和售電電價(jià)，將該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分為孤網(wǎng)和并網(wǎng)兩種。

2.1 各DERs的功率成本模型

燃?xì)廨啓C(jī)主要以丙烷、汽油為燃料，其適用壽命長且輸出調(diào)節(jié)特性較好，實(shí)際運(yùn)行中可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣量調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)的出力，單機(jī)功率在25～300kW。微型燃?xì)廨啓C(jī)燃料成本與發(fā)電效率和輸出功率有關(guān)，其計(jì)算公式為

燃料電池所需的燃料費(fèi)用和輸出功率關(guān)系如式（3）所示。

2.2 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

含DERs低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化主要考慮燃料成本、運(yùn)維成本和環(huán)境成本等因素，屬于典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題；為簡化求解，通過賦予每個(gè)目標(biāo)函數(shù)不同的權(quán)重系數(shù)，可將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問題。

（1）燃料成本和運(yùn)行維護(hù)成本

（2）環(huán)境成本

（3）綜合收益

為了適應(yīng)多源并供系統(tǒng)不同應(yīng)用場合（對成本投入和環(huán)境投入的需求差異），采用線性加權(quán)的策略綜合考慮這兩種成本，即

2.3 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度約束條件

1）等式約束

系統(tǒng)任意時(shí)刻負(fù)荷與電源發(fā)電量相等，即

2）不等式約束

各電源的出力有嚴(yán)格的功率上下限約束，即

3 算例分析

本算例中各DERs設(shè)置如下：光伏（PV）出力10kW，燃?xì)廨啓C(jī)（MT）額定容量110kW，燃料電池（FC）40kW。分析不同權(quán)重系數(shù)下，采用遺傳算法觀測一天24h各單元出力的最優(yōu)解，確定該系統(tǒng)中各電源的出力情況。

同時(shí)考慮環(huán)境和成本，且比例一致時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電成本較低，供電能力較強(qiáng)，系統(tǒng)主要由燃?xì)廨啓C(jī)出力，光伏和燃料電池的出力較為穩(wěn)定，具體如圖2所示。圖3展示了多源并供系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于考慮到電網(wǎng)電價(jià)的變化，燃?xì)廨啓C(jī)在3∶00—6∶00時(shí)發(fā)電成本大于電網(wǎng)電價(jià)，因此強(qiáng)制停止出力，轉(zhuǎn)由電網(wǎng)供電；20∶00—22∶00時(shí)段，電網(wǎng)電價(jià)高于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本，所以燃?xì)廨啓C(jī)處于滿發(fā)狀態(tài)；與此同時(shí)燃料電池成本高于電價(jià)，因此燃料電池停止供電。從圖4中可以看出，低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電成本并網(wǎng)運(yùn)行小于孤網(wǎng)運(yùn)行。這是因?yàn)樵贒ERs出力過剩時(shí)可以將剩余電量售給電網(wǎng)，并可在特定時(shí)段使用較廉價(jià)的電力。

圖2 孤網(wǎng)模式各DERs出力

圖3 并網(wǎng)模式各DERs出力情況

圖4 孤網(wǎng)模式與并網(wǎng)模式成本對比

孤網(wǎng)模式的運(yùn)行情況如圖5所示。該權(quán)重比例下降低了對環(huán)境的重視程度，因此與之前的狀況相比，系統(tǒng)讓燃料電池的出力減少而增加了燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電量，光伏仍按預(yù)測功率出力。

圖5 孤網(wǎng)模式各DERs出力情況

并網(wǎng)模式下，各DERs出力情況如圖6所示。與之前不同的是14∶00以后，燃料電池的成本高于電網(wǎng)購電成本，所以燃料電池停止供電；燃?xì)廨啓C(jī)在這種權(quán)重比例下，12∶00—15∶00、20∶00—22∶00均處于滿發(fā)狀態(tài)。從圖7中可以看出，并網(wǎng)運(yùn)行的成本仍舊更低。因此，在考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的情況下，并供系統(tǒng)接入電網(wǎng)既有利于并供系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，同時(shí)又能充分利用多源并供系統(tǒng)中各電源的剩余 出力。

圖6 并網(wǎng)模式各DERs出力情況

圖7 孤網(wǎng)模式與并網(wǎng)模式成本對比

孤網(wǎng)模式較多考慮環(huán)境成本，燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池的出力情況如圖8所示。此時(shí)，光伏仍然按照預(yù)測出力發(fā)電，與前兩種情況相比較可以發(fā)現(xiàn)，燃料電池對環(huán)境的影響最小，燃料電池發(fā)電量有所增加，但微型燃?xì)廨啓C(jī)仍是主要發(fā)電方式。

圖8 孤網(wǎng)模式各DERs出力情況

并網(wǎng)模式下，各DERs出力情況如圖9所示。并網(wǎng)模式時(shí)，在這種權(quán)重因子下，由于在2∶00— 7∶00時(shí)間段內(nèi)，微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電成本高于購電電價(jià)，故強(qiáng)行關(guān)閉微型燃?xì)廨啓C(jī)，未滿足的負(fù)荷用電量從電網(wǎng)購入。9∶00—10∶00時(shí)間段、10∶00— 16∶00時(shí)間段、19∶00—23∶00時(shí)間段內(nèi)，由于微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電成本低于售電電價(jià)，故微型燃?xì)廨啓C(jī)處于滿發(fā)狀態(tài)，多余的發(fā)電量出售給電網(wǎng)以賺取利潤。其中19∶00—23∶00時(shí)間段內(nèi)由于燃料電池的發(fā)電成本高于購電電價(jià)，故強(qiáng)行停止燃料電池供電，未滿足的負(fù)荷電量一部分由微型燃?xì)廨啓C(jī)補(bǔ)足，另一部分從電網(wǎng)買入。

圖9 并網(wǎng)模式各DERs出力情況

孤網(wǎng)模式和并網(wǎng)模式下成本對比如圖10所示。從圖中可以看出，并網(wǎng)運(yùn)行成本要比孤網(wǎng)運(yùn)行成本小，這是因?yàn)樵诒容^了微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池與電網(wǎng)購電電價(jià)和售電電價(jià)之后，合理選擇各DERs出力，合理從電網(wǎng)購電或者售電，從而節(jié)省了運(yùn)行成本。

圖10 孤網(wǎng)模式與并網(wǎng)模式成本對比

4 結(jié)論

本文根據(jù)低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)中各電源的出力數(shù)學(xué)模型，采用線性加權(quán)的多目標(biāo)規(guī)劃策略分析整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行問題，并用遺傳算法獲得最優(yōu)解。分析結(jié)果表明：

1）在低壓多源并供點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)中，合理分配各電源和電網(wǎng)出力能達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的良好配合。

2）對于不同權(quán)重系數(shù)（成本和環(huán)境）情況下，燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)的出力需要根據(jù)不同時(shí)段用電情況來具體確定。

3）為減小發(fā)電成本增加系統(tǒng)的可靠性，采用并網(wǎng)策略會(huì)更加有利。

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Economic operation strategy of low-voltage multiple-source spot network with DERs

Tian Yongtao1Zhang Zhihua2Sun Dong3Long Minmin4Qu Zeqi2

(1. College of Science, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580; 2. College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580; 3. Shengli Oilfield Technology Inspection Center, Sinopec, Dongying, Shandong 257000; 4. Shandong Wide Area Technology Co., Ltd, Dongying, Shandong 257081)

Low-voltage multiple-source spot network has high supplying reliability and it is beneficial to integrate DERs (Distributed energy resources). It is the developing direction of low voltage distribution system. Economic operation strategy research of low-voltage multiple-source spot network with DERs is insufficient. Based on the output power characteristic of photovoltaic, fuel cell, micro gas turbin and so on, the economic operation strategy model of low-voltage multiple-source spot network with DERs is presented. Whole cost and power balance is considered in this model. Weight coefficient is adopted to convert the multiple objective optimal problem into one objective optimal problem. The weight coefficient influence is analyzed. Case analysis result shows the optimal operation strategy presented in this article can minize the power cost.

low voltage multi-source spot network; economic optimal operation; distributed energy resources

2018-04-27

田詠桃（1979-），女，湖南漣源人，碩士，講師，研究方向?yàn)榈蛪憾嘣床⒐┫到y(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行控制技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51177096）

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（18CX05025A）