計(jì)及高滲透率可再生能源接入的配電網(wǎng)節(jié)能規(guī)劃研究

梁作賓， 劉國明， 齊向， 張杰， 袁飛， 王慶

(1. 國網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000；2. 國網(wǎng)山東省電力公司 發(fā)展策劃部，山東 濟(jì)南 250001)

0 引 言

在電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)的損耗情況最為嚴(yán)重，因此在節(jié)能規(guī)劃時，配電網(wǎng)具有最大的節(jié)能潛力[1-2]。同時，隨著分布式風(fēng)能、光伏的大規(guī)模接入，配電網(wǎng)中的可再生能源比例呈現(xiàn)高滲透趨勢[3]。在不同滲透率和不同可再生能源選址定容方案下，會影響配電網(wǎng)整體改造方案的決策。因此，同時考慮可再生能源規(guī)劃和配電網(wǎng)改造方案具有現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，針對配電網(wǎng)節(jié)能改造的方法比較多。文獻(xiàn)[4]從全壽命周期成本角度出發(fā)，對變壓器、配電線路和無功補(bǔ)償進(jìn)行改造，建立了全壽命周期成本效益模型。文獻(xiàn)[5]從配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行角度考慮，用等值電路法推導(dǎo)含有載調(diào)壓調(diào)容配變的有功損耗，提出了一種含有載調(diào)壓調(diào)容配變的配電網(wǎng)節(jié)能降損動態(tài)優(yōu)化模型,最后求解得到有載調(diào)壓調(diào)容配變等設(shè)備動作方案。文獻(xiàn)[6]同樣從運(yùn)行優(yōu)化的角度，綜合考慮了分布式電源等調(diào)壓設(shè)備的參與，通過優(yōu)化電壓控制模型，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的節(jié)能效益。文獻(xiàn)[7]提出了一種考慮分布式電源接入的配電網(wǎng)重構(gòu)算法，通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)有效地降低了網(wǎng)損，并驗(yàn)證了算法的有效性和全局收斂性。

綜上所述，在現(xiàn)有的配電網(wǎng)節(jié)能相關(guān)研究中，主要是通過配電設(shè)備更換、優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)降損節(jié)能，很少將可再生能源考慮在內(nèi)，更少將可再生能源規(guī)劃問題同配電網(wǎng)節(jié)能問題一同考慮。本文將把可再生能源規(guī)劃與配電網(wǎng)的綜合改造作為一個整體進(jìn)行考慮，體現(xiàn)了可再生能源規(guī)劃與配電網(wǎng)節(jié)能改造之間的相互影響，最后實(shí)現(xiàn)兩者的最優(yōu)決策。

1 分層分區(qū)節(jié)能規(guī)劃整體思路

首先采用考慮資源時空特性的方法對新增可再生能源容量與布局進(jìn)行規(guī)劃，即圖1中階段A。

圖1 分層分區(qū)節(jié)能規(guī)劃思路

其次根據(jù)規(guī)劃區(qū)域不同線路的降損潛力，對規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，并對投資成本進(jìn)行初步分配(階段A到階段B)。

隨后在全局配電網(wǎng)中以新增可再生能源投資成本最小、線路差異化改造成本最小和節(jié)能效益最高為目標(biāo)函數(shù)，建立上層規(guī)劃模型(包含階段A、階段B和階段C)。

再次用前推回代法，代入線路運(yùn)行數(shù)據(jù)，求得各條線路上的降損值，優(yōu)化得到各線路最具節(jié)能效益的綜合改造方案(階段C到階段D)，即下層規(guī)劃。

最后通過上下層模型迭代，實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造方案的優(yōu)選和投資分配。

2 可再生能源容量與布局優(yōu)化建模

考慮到采用和聲搜索算法對雙層模型進(jìn)行迭代求解，為了提高算法的收斂速度及效率，首先對可再生能源容量和布局進(jìn)行規(guī)劃，形成迭代初始數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[8]給出了一種考慮資源時空特性的可再生能源容量與布局規(guī)劃模型，具體規(guī)劃流程如圖2所示。

圖2 可再生能源規(guī)劃流程

第一步，將規(guī)劃區(qū)域按照緯度0.5°、經(jīng)度0.67°劃分得到地理網(wǎng)格模型，并基于MERRA(modern era retrospective analysis for research and applications)氣象數(shù)據(jù)表征各地理網(wǎng)格的資源時空特性。

第二步，采用單位可再生能源容量出力序列描述每個地理網(wǎng)格資源的時序變化，從而得到可再生能源的出力模型。

第三步，在考慮到各地理網(wǎng)格的地形和海拔等因素的影響時，計(jì)算可利用土地的總面積，并結(jié)合風(fēng)電機(jī)組和光伏電池板的安裝特點(diǎn)，得到每個地理網(wǎng)格最大的可開發(fā)容量。

可再生能源電源規(guī)劃模型的目標(biāo)是新增風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量的投資和運(yùn)行成本最小化。

(1)

可再生能源容量與布局規(guī)劃時考慮如下約束條件：

(1)可再生能源發(fā)電約束。并網(wǎng)風(fēng)電與光伏發(fā)電的時序出力約束為:

(2)

(2)可再生能源占比約束：

(3)

式中：λL為區(qū)域可再生能源發(fā)電量相對負(fù)荷電量的占比，通過設(shè)置不同的λL，可以得到可再生能源不同的滲透率；PL(t)為區(qū)域電網(wǎng)在時刻t的負(fù)荷功率。

(3)時序功率平衡約束:

(4)

3 建立雙層模型

3.1 上層規(guī)劃模型

將新增可再生能源投資及運(yùn)行成本計(jì)入配電網(wǎng)節(jié)能改造總成本，建立同時考慮投資總成本和降損效果的上層模型，具體如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

3.2 下層規(guī)劃模型

下層模型實(shí)現(xiàn)各條線路的綜合改造成本及網(wǎng)損費(fèi)用最低，具體如下：

(9)

式中:投資回收因子μ=β(1+β)n/(1+β)n-1；Ωj為線路j中支路的集合；β為折現(xiàn)率；n為設(shè)備經(jīng)濟(jì)使用壽命；cL、cT、cMD、cM分別為線路改造投資、變壓器改造投資、無功補(bǔ)償設(shè)備投資和維護(hù)投資；ΔPj為各支路的有功損耗；a為單位電價；T為各設(shè)備年等效運(yùn)行小時數(shù)。

同時，下層規(guī)劃模型需要滿足如下約束條件：

(1) 潮流方程約束。結(jié)合圖3對配電網(wǎng)潮流方程約束進(jìn)行說明。

圖3 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中:Vi為節(jié)點(diǎn)電壓；Ri、Xi為線路阻抗；Pi、Qi為線路前端的有功功率和無功功率；PLj、QLj為節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷功率；ΔPi、ΔQi為線路的功率損耗；k為迭代次數(shù)。

(2) 線路改造約束。

Iimin≤Ii≤Iimax

(17)

式中:Iimax、Iimin為各支路電流的上下限。此約束條件可以防止電流越限，保證配電網(wǎng)運(yùn)行在安全電流范圍內(nèi)。

(3) 變壓器負(fù)載率約束。

βmin≤β≤βmax

(18)

式中:βmax、βmin為變壓器運(yùn)行負(fù)載率上下限。負(fù)載率是考核變壓器改造的重要考核指標(biāo)。

(4) 無功補(bǔ)償設(shè)備約束。

(19)

Vimin≤Vi≤Vimax

(20)

Qimin≤Qi≤Qimax

(21)

式中:Gi為無功補(bǔ)償裝置安裝費(fèi)用；amdi為單位容量投資成本；Qi為安裝容量；Vimax、Vimin、Qimax、Qimin分別為節(jié)點(diǎn)電壓上下限、無功補(bǔ)償裝置容量上下限。

4 模型求解

針對含有高滲透率可再生能源的配電網(wǎng)差異化節(jié)能規(guī)劃模型，求解步驟如圖4所示。

圖4 模型求解框架圖

(1)對第2章中所提可再生能源規(guī)劃模型進(jìn)行求解。該模型是一個只包含連續(xù)變量的大規(guī)模線性規(guī)劃問題，得到可再生能源的初步規(guī)劃方案，并同現(xiàn)有網(wǎng)架信息一起初始化和聲記憶庫。

(2)將和聲記憶庫中的數(shù)據(jù)傳遞到下層，通過前推回代求得線路優(yōu)化改造方案，將結(jié)果向上層模型傳遞。

(3) 若滿足收斂條件，即得到最優(yōu)解，輸出最優(yōu)的可再生能源選址定容以及配電網(wǎng)的改造方案。

(4) 不滿足收斂條件，用下層結(jié)果對和聲記憶庫進(jìn)行更新，更新后傳遞至上層模型，繼續(xù)進(jìn)行第二步。

5 算例分析

本文以山東電網(wǎng)某市的配電網(wǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。地理空間按照緯度0.5°、經(jīng)度0.67°，時間按照1 h劃分時空地理網(wǎng)格，并根據(jù)單位風(fēng)光容量出力序列，得到某地風(fēng)電機(jī)組和光伏發(fā)電出力曲線如圖5、圖6所示。

圖5 風(fēng)電機(jī)組出力曲線圖

圖6 光伏發(fā)電出力曲線圖

給定可再生能源滲透率λL，通過第2節(jié)中的模型完成可再生能源選址與定容的初步規(guī)劃，并用初步規(guī)劃方案和網(wǎng)架信息生成初始化和聲記憶庫。

然后進(jìn)行分區(qū)規(guī)劃。該市配電網(wǎng)可按照變電站分為A1、A2共2個子區(qū)，配電網(wǎng)改造成本約束為1 000萬元，降損節(jié)能目標(biāo)為2%。根據(jù)歷史線損情況，完成各分區(qū)及改造投資約束，如表1所示。

表1 各分區(qū)及方案投資約束

網(wǎng)損費(fèi)用通過以下函數(shù)表示：

C=[(Pl+PCu)×6 000+PFe×8 760]×a

(22)

式中：a為單位電價，取0.6 元/(kWh)。

下層模型對線路改造(P1)、變壓器改造(P2)、無功補(bǔ)償(P3)和優(yōu)化電壓(P4)進(jìn)行綜合改造優(yōu)化，并更新和聲記憶庫，得到新的可再生能源規(guī)劃方案與網(wǎng)架信息。通過上下層模型迭代至收斂得到不同滲透率下的節(jié)能效果，如表2所示。

表2 不同滲透率下配電網(wǎng)的綜合節(jié)能效果

表3 風(fēng)電和光伏發(fā)電成本參數(shù)

表4所示為不同可再生能源滲透率下的整體投資成本及節(jié)能效益對比。結(jié)果顯示，雖然在不同滲透率規(guī)劃時，可再生能源的選址與定容影響了配電網(wǎng)的潮流分布，但是通過雙層模型的相互迭代，配合快速高效的和聲算法，所得結(jié)果均達(dá)到了降損2%的要求。綜上，本文所提方法具有可行性，可為新增可再生能源尋址定容及其所在的區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃提供一定指導(dǎo)。

表4 不同滲透率下的規(guī)劃投資及節(jié)能效益

6 結(jié)束語

本文提出的計(jì)及高滲透可再生能源接入的配電網(wǎng)節(jié)能規(guī)劃方法，作用在于對逐步高滲透的配電網(wǎng)節(jié)能進(jìn)行整體規(guī)劃。建立的雙層模型通過上下層相互反饋迭代，實(shí)現(xiàn)可再生能源規(guī)劃及配電網(wǎng)節(jié)能改造方案的整體尋優(yōu)，達(dá)到了投資成本最小和節(jié)能效益最優(yōu)的目的。算例結(jié)果表明，本文所提規(guī)劃方法有利于提高配電網(wǎng)整體規(guī)劃決策水平，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。