考慮柔性可控資源的主動配電網(wǎng)動態(tài)無功優(yōu)化方法研究

張瑩,陳潔,郭磊,沈杰士,翟萬利,董輝,張景明,房睿

(1.國網(wǎng)上海市電力公司金山供電公司,上海 200540;2.河海大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院,江蘇 常州 213022;3.河海大學 江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室,江蘇 常州 213022)

0 引 言

在配電網(wǎng)無功電壓控制問題的研究過程中,考慮柔性可控資源的調(diào)控及其帶來的影響具有重要的意義［1］。隨著分布式新能源等的不斷接入,文獻［2］提出一種基于模型預測控制的風電場故障穿越有功無功優(yōu)化控制策略,實現(xiàn)公共連接點(point of common coupling, PCC)電壓與風力發(fā)電機端電壓快速穩(wěn)定。文獻［3］提出了一種考慮大規(guī)模分布式電源接入的無功優(yōu)化模型,并通過混沌蝙蝠算法進行優(yōu)化計算。文獻［4］提出了考慮大規(guī)模海上風電并網(wǎng)接入的岸基配電網(wǎng)無功電壓控制方法,實現(xiàn)無功電壓優(yōu)化調(diào)度。

隨著電力市場化程度的不斷推進,基于需求響應的負荷側柔性調(diào)控以及儲能裝置的廣泛接入,給配電網(wǎng)的電壓無功調(diào)節(jié)帶來了新的挑戰(zhàn)。文獻［5-6］提出了以用戶凈支出與購電功率波動為目標的用電雙層優(yōu)化策略及實時用電調(diào)整策略,實現(xiàn)了用戶參與電力需求響應獲取額外收益。文獻［7］提出了考慮空調(diào)群虛擬儲能的配電網(wǎng)無功電壓控制方法,實現(xiàn)儲能電池充放電次數(shù)和深度與系統(tǒng)運營成本的最優(yōu)控制。文獻［8］提出了計及無功裕度的配電網(wǎng)兩階段無功優(yōu)化調(diào)度策略,實現(xiàn)無功調(diào)壓設備的差異化管理。

文獻［9］提出了電力市場環(huán)境下主動配電網(wǎng)的有功/無功聯(lián)合調(diào)度方法,提高電網(wǎng)對高比例分布式電源接入配電網(wǎng)無功電壓控制能力。文獻［10-11］提出了主動配電網(wǎng)分布式有功無功優(yōu)化調(diào)控方法,解決大規(guī)模分布式電源、儲能以及多類型負荷的集中管控,提升分布式電源的就地消納。文獻［12］結合分時電價下電網(wǎng)不同收益群體的關系,建立效率不同資源的風電消納模型,提升電網(wǎng)對柔性資源的調(diào)控能力。綜上所述,通過挖掘柔性可控資源無功潛能,提高配電網(wǎng)無功調(diào)壓的靈活性以及運行的經(jīng)濟性和安全性具有重要意義。

1 柔性負荷需求響應建模

本文基于價格響應機制開展需求側響應分析進行日內(nèi)時段負荷優(yōu)化,構建綜合負荷響應成本和用戶購電成本的需求側響應優(yōu)化模型。柔性負荷的需求響應模型包含目標函數(shù)和約束條件,柔性負荷需求響應的目標函數(shù)是實施需求響應后用戶響應成本和用戶購電成本之和最小。具體表示如下:

FObj=min［Call(i-j)+Ccut+Cbuy.tou］

(1)

式中:Call(i-j)為負荷轉移成本;Ccut為負荷削減成本;Cbuy.tou為實施分時電價后用戶購電成本。

負荷轉移和削減成本可表示為:

(2)

(3)

式中:Ctran(i-j)為負荷從i時刻到j時刻的轉移量相關成本;Ctime(i-j)為負荷從i時刻轉移到j時刻的時間相關成本;Pi-j為i時刻到j時刻的負荷轉移量;Ti-j為負荷從i時刻轉移到j時刻的時間間隔;m1、n1、m2、n2均為成本系數(shù),其中m1、m2為變量系數(shù),分別為0.06和0.1,n1、n2為固定系數(shù),分別為0.01和0.1;Ccut為負荷削減成本;Pcut(t)為t時刻負荷削減量;α、β為成本系數(shù),α=0.01,β=0.01。

基于價格響應機制和分時電價,用戶購電成本可表示為:

(4)

式中:Cbuy.tou為用戶一天的購電成本;ptou.h、ptou.u、ptou.l分別為分時電價峰、平、谷三個時段的電價;Ttou.h、Ttou.u、Ttou.l分別為峰、平、谷的時間段長度;Ptou.h、Ptou.u、Ptou.l分別為實施分時電價后用戶在峰、平、谷時段的用電量。

負荷主要由關鍵負荷、可轉移負荷和可削減負荷組成,其中,可轉移負荷的量被限制在一定范圍內(nèi),其約束條件如下。

ΔP1≤Ptl×40%

(5)

ΔP2≤Prl×15%

(6)

式中:ΔP1為負荷轉移量;Ptl為可轉移負荷總量;ΔP2為負荷削減量;Ptl為可削減負荷總量。

2 考慮柔性資源的配電網(wǎng)無功優(yōu)化

利用基于需求側響應的柔性負荷控制能夠有效平抑系統(tǒng)負荷波動,當大量分布式電源接入時,可以結合柔性負荷的靈活切換以及儲能系統(tǒng)的充放電控制,達到抑制系統(tǒng)電壓波動,提高系統(tǒng)穩(wěn)定的目的。因此,綜合考慮分布式電源、儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)運行的影響,利用儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)分布式電源出力以及柔性負荷靈活控制,構建綜合考慮柔性資源的配電網(wǎng)無功優(yōu)化模型。

2.1 優(yōu)化目標

通過多類型分布式電源、儲能系統(tǒng)及柔性負荷實施主動控制,實現(xiàn)分布式新能源的最大消納、降低系統(tǒng)網(wǎng)損和提高電壓合格率的目標。目標函數(shù)表述如下所示。

(7)

式中:F為系統(tǒng)目標函數(shù);rij、Iij分別為節(jié)點i、j之間的電阻和線路電流;Ui、Uimax、Uimin分別為節(jié)點i的電壓幅值及其上下限值;λ為節(jié)點電壓越界的懲罰因子;Uilim為節(jié)點電壓越限時的設定值;Nl為配電網(wǎng)輸電線路集合。

分布式電源和儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)提供有功功率支撐的同時也能提供無功出力,其無功出力可表示為:

(8)

(9)

式中:Qmax(t)、QESE.max(t)為新能源發(fā)電、儲能系統(tǒng)t時刻可發(fā)出的最大無功功率;SDG、SESS為新能源發(fā)電機組、儲能系統(tǒng)額定視在功率;Pout、PESS.out為新能源發(fā)電、儲能系統(tǒng)t時刻輸出的有功功率。

2.2 約束條件

1) 系統(tǒng)潮流約束

(10)

式中:PDG,i、QDG,i為分布式電源的有功功率和無功功率;PESS,i、QESS,i為儲能裝置系統(tǒng)的有功功率和無功功率;Pload,i、Qload,i為負荷的有功功率和無功功率;Qc,i為無功補償設備注入節(jié)點i的無功容量;Nload、NDG、NESS分別為負荷和接入分布式電源、儲能的節(jié)點。

2) 儲能系統(tǒng)功率約束

(11)

式中:Pc、Pd為儲能裝置的充放電功率;ηc、ηd為儲能裝置充放電功率系數(shù);Δt、T分別為調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)周期;EESS為儲能系統(tǒng)能量。

3) 節(jié)點電壓、支路電流約束

根據(jù)電力系統(tǒng)安全運行要求,節(jié)點電壓與額定電壓的差值在一定的范圍:

(12)

式中:Ui.min、Ui.max分別為節(jié)點i處的最小、最大允許電壓;Iij,max為流經(jīng)支路ij的最大允許電流。

4) 靜止無功補償器(static var compensator, SVC)出力約束

QSVC,min≤QSVC≤QSVC,max

(13)

式中:QSVC,max、QSVC,min為SVC無功出力調(diào)節(jié)范圍的最大、最小值。

5) 儲能出力約束

(14)

式中:Pc,min、Pc,max為儲能裝置充電功率最小值和最大值;Pd,min、Pd,max為儲能裝置放電功率最小值和最大值;SOC為儲能裝置荷電狀態(tài),SOCmin一般取20%～30%,SOCmax一般取80%～100%。

3 算例分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

為了驗證本文提出方法的有效性和合理性,本文在IEEE 33節(jié)點的基礎上接入分布式新能源和儲能系統(tǒng),如圖1所示。光伏和風電的出力如圖2所示。IEEE 33節(jié)點負荷的有功功率和無功功率作為一天的峰值負荷,據(jù)圖1的負荷系數(shù),得到33節(jié)點一天內(nèi)的動態(tài)負荷;同時將節(jié)點7、8和30的負荷基于分時電價進行轉移和消減,電價信息如表1所示。

表1 分時電價劃分

圖1 含柔性可控資源IEEE 33 節(jié)點系統(tǒng)

圖2 分布式電源出力

3.2 結果分析

由圖3可知,節(jié)點負荷在用電高峰期轉移部分負荷至用電平谷期,同時在次高峰的時刻進行負荷削減以此來完成負荷的柔性調(diào)控。表2給出了負荷優(yōu)化后系統(tǒng)負荷峰谷差變化情況,優(yōu)化后負荷峰值從200 kW變?yōu)?85.73 kW,谷值從130.28 kW調(diào)整為138.90 kW,峰谷差由初始的34.9%降為25.2%,由此可知通過負荷的柔性調(diào)控能夠有效減少峰谷差。

表2 基于分時電價的柔性負荷調(diào)控

表3 系統(tǒng)電壓偏差數(shù)據(jù)單位:p.u.

圖3 負荷調(diào)控結果

通過充分考慮儲能系統(tǒng)的有功平滑作用,有效協(xié)調(diào)分布式新能源、柔性負荷的出力,利用無功補償設備最終獲得系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。無功優(yōu)化計算后儲能系統(tǒng)一天的功率輸出以及SOC變化情況如圖4所示。在開始時刻由于負荷較小,此時儲能系統(tǒng)更多的是處于蓄電狀態(tài)。其中:在2∶00—4∶00由于負荷轉移將峰時負荷轉移至該時段,但總體負荷處于低谷;隨著分布式電源出力的增加,儲能進入充電狀態(tài);8∶00—13∶00隨著光照強度的增加,儲能應處于充電狀態(tài),但隨著實際用電負荷,分布式電源的出力嚴重不足,此時儲能系統(tǒng)提供了足夠的有功、無功支撐。儲能的充放電策略隨著負荷和分布式電源的出力變化,在負荷用電高峰期,儲能裝置進行放電,為電網(wǎng)提供有力支撐,其余時刻儲能進入充電蓄能狀態(tài)。

圖4 儲能運行特性

由圖5可知,通過合理調(diào)整無功調(diào)壓設備的無功出力,同時協(xié)調(diào)分布式電源、儲能系統(tǒng)以及柔性負荷的動態(tài)特性,系統(tǒng)能夠有效減小一天內(nèi)網(wǎng)絡損耗,同時提高系統(tǒng)電壓水平?？紤]源網(wǎng)荷的動態(tài)特性,通過有效調(diào)整無功設備出力,系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗由5.607 MW降低至3.059 MW,降低了45.44%,通過協(xié)調(diào)柔性資源的運行時間,能有效降低系統(tǒng)損耗。表4給出了不同優(yōu)化策略后系統(tǒng)節(jié)點電壓偏差數(shù)據(jù),優(yōu)化前系統(tǒng)全天的平均電壓偏差為0.405 p.u.,電壓合格率為74.2%;優(yōu)化計算后電壓偏差為0.217 p.u.,電壓谷值為0.951 p.u.,電壓合格率為100%。

圖5 不同策略間的網(wǎng)損對比

4 結束語

本文綜合需求側響應下的柔性可控負荷優(yōu)化控制策略、儲能充放電控制策略以及分布式電源無功電壓特性,提出了考慮柔性可控資源的配電網(wǎng)動態(tài)無功優(yōu)化模型及方法。通過有效控制儲能充放電策略,同時結合負荷削減、負荷轉移的柔性負荷調(diào)控及無功補償設備的調(diào)控能力,實現(xiàn)配電網(wǎng)無功電壓的最優(yōu)控制,提升電網(wǎng)的無功備用調(diào)壓能力及電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性。