含高比例分布式电源的配电网灵活性评估方法

苏本庆, 李宏仲

(上海电力大学 电气工程学院, 上海 200090)

为应对日趋严重的化石能源枯竭和气候环境恶化等问题,我国在2020年9月联合国成立75周年纪念峰会上正式提出了“双碳”目标。在该目标的驱动下,以风光为主的分布式电源(Distributed Generation,DG)在配电网中得到大力发展和应用。然而,大量不可控DG的接入加剧了配电网的波动性和不确定性[1]。此时,配电网需要具有足够的灵活性才可有效应对高比例DG接入带来的不利影响。

国内外学者分别从运行和规划两个角度对电力系统灵活性展开了研究。运行灵活性着重关注系统应对源荷波动和预测误差所产生的不确定性的响应能力[2],常通过运行模拟建立相应确定性指标[3]或构建灵活性运行域[4]等形式对其进行描述。规划灵活性则着重关注合理配置和充分利用灵活性资源以提升运行灵活性[5],常通过概率评估[6]或场景评估[7]的方式对其进行描述。

上述研究大多从主网或系统层面对灵活性进行量化,而针对配电网灵活性的研究目前还处于初级阶段[8]。从本质来看,配电网灵活性反映了配电网充分统筹和利用系统内可调度资源,有效应对多重不确定性因素扰动的能力[9]。在此基础上,文献[10]提出了灵活性裕度指标量化配电网灵活性。文献[11]通过配电网网供负荷可行域的上下边界来反映配电网的灵活性情况。

然而,该类文献大多只是将系统层面相应评估指标和方法应用到配电网中,且所建评估指标大多无法全面反映网络传输能力对配电网灵活性供需情况的影响,虽有部分文献[12-13]提出利用支路灵活性应对能力指标和支路裕度指标来表征配电网灵活性,但是前者不能反映配电网灵活性不足的具体原因,后者则不能反映整个规划周期内配电网的灵活性情况。

针对上述问题,本文在现有研究的基础上提出了一种含高比例DG的配电网灵活性评估方法。首先,通过灵活性供需平衡分析,得到配电网灵活性供需匹配的4种情况。然后,提出了3类配电网灵活性评估指标,基于典型场景运行态势模拟对配电网灵活性水平进行评估。最后,采用改进的IEEE33节点算例验证了所提评估方法的有效性和优越性,并分析了不同光伏接入量下配电网灵活性供需匹配的变化情况。

1 配电网灵活性供需平衡分析

1.1 配电网灵活性需求建模

从产生原因分析,配电网的灵活性需求主要来源于源荷的随机波动和预测误差[14]。利用净负荷曲线描述配电网源荷时序特征,2种类型的配电网灵活性需求情况如图1所示。

图1 2种类型的配电网灵活性需求情况

基于以上特征,可以对配电网灵活性需求进行建模,公式如下:

(1)

1.2 配电网灵活性供给建模

1.2.1 储能系统

储能系统具有双向调节的能力,其灵活性供给能力受当前时刻状态、最大充放电功率和充放电效率的影响。为便于分析储能系统的灵活性供给情况,假定在时间尺度τ内其他能源出力不变。储能系统的灵活性供给情况如图2所示。

图2 储能系统的灵活性供给情况

图2中,以系统有上调灵活性需求为例,当其他能源出力小于P1时,储能处于放电状态,需要提高放电功率提供上调灵活性以满足净负荷的向上波动。当其他能源出力大于P1小于P2时,储能处于充电状态,需要将充电状态转化为放电状态以提供上调灵活性。当其他能源出力大于P2时,储能处于充电状态,需要减少充电功率以提供上调灵活性。因此,储能系统的灵活性供给模型可以表述为

Pg,max、Pc,max——储能在时间尺度τ下的最大放电和充电功率;

Es,t、Es,min、Es,max——t时刻储能s的存储电量、最小和最大存储电量;

ηg、ηc——储能s的放电和充电效率;

1.2.2 可削减负荷

与储能放电类似,可削减负荷可通过增大(减小)负荷削减量提供上(下)调灵活性,具体公式为

(4)

Pq,max,t+τ——t+τ时刻可削减负荷q的最大削减功率;

Pq,t——t时刻可削减负荷q的削减功率。

1.2.3 上级主网

上级主网通过增大(减小)主网购电量提供上(下)调灵活性,其灵活性供给能力公式为

(5)

Pb,max、Pb,t——t时刻主网最大购电功率和主网购电功率;

ΔPb,max——时间尺度τ下t时刻上级主网最大爬坡功率。

1.3 配电网灵活性供需平衡分析

配电网作为一个多节点多支路系统,其灵活性供需平衡不仅受制于灵活性资源的充裕情况,还受制于配电线路的网络传输能力。在不考虑网络传输能力的前提下,配电网灵活性供需平衡主要关注灵活性资源的充裕情况,可通过灵活性供需建模对其进行量化。因此,可定义灵活性资源供给充裕量为At,其公式为

(6)

ns、nq——储能系统和可削减负荷的数量。

对于网络传输能力,则可通过配电网灵活性不足所产生的影响对其进行量化。当配电网在t时刻灵活性供给不足时,会在t+τ时刻发生弃风弃光或切负荷现象[15]。因此,可定义t+τ时刻配电网弃风弃光或切负荷量为Bt+τ,并通过典型场景运行态势模拟得到Bt+τ的值。

基于以上分析,本文将配电网灵活性传输不足的情况进行分解,得到配电网灵活性供需的4种情况,如表1所示。

表1 配电网灵活性供需情况

2 配电网灵活性评估方法

2.1 配电网灵活性评估指标

为反映配电网灵活性资源的充裕和缺失情况,定义灵活性平均充裕度指标Ea和灵活性平均不足度指标Ee。其物理意义分别为配电网灵活性资源供给的总充裕量与充裕时段的比值,以及总缺额量与缺额时段的比值,公式为

(7)

(8)

同时,为反映配电网灵活性不足的成因,定义整体灵活性供需匹配率指标γ。其物理意义为4种灵活性供需情况的时段数占总时段数的比例,公式为

(9)

式中:γ1、γ2、γ3、γ4——4种灵活性供需情况下整体灵活性供需匹配率指标;

NT1、NT2、NT3、NT4——4种灵活性供需情况的时段数;

NT——评估周期内的总时段数。

2.2 运行评估模型

以运行成本最低为目标函数,构建优化调度模型对配电网典型场景运行态势进行模拟。根据模拟得到各时段配电网的弃风弃光切负荷功率以及灵活性资源运行结果,进而计算配电网灵活性评估指标。该模型目标函数为

(10)

式中:Cf、Cl——灵活性资源运行成本和切负荷惩罚成本;

Cv、Cn——弃风弃光惩罚成本和网损成本;

cb、cs、cq——单位主网购电成本、单位储能充电成本和单位可削减负荷响应成本;

cl、cv、cn——单位切负荷惩罚成本、单位弃风弃光惩罚成本和单位网损成本;

Pl,t、Pv,t——t时刻配电网切负荷功率和弃风弃光功率;

Iij,t、Rij——t时刻支路ij上的电流和电阻。

模型约束条件分别为二阶锥转化后的配电网支路潮流约束、运行安全约束、灵活性资源运行约束等,具体公式参考文献[16]。经二阶锥转化后,可调用CPLEX 求解器对模型进行求解。

2.3 配电网灵活性评估流程

含高比例DG的配电网灵活性评估流程如图3所示。

图3 含高比例DG的配电网灵活性评估流程

3 算例分析

3.1 算例参数及典型场景生成

本文采用改进的IEEE33节点配电网进行算例分析。该配电网拓扑结构如图4所示。其中,节点4、12、27的光伏接入容量均为1 MW,节点17、21的储能接入容量均为0.6 MWh。PV表示光伏设备,ESS表示储能设备,IL表示可控负荷。

图4 IEEE33 节点配电网拓扑结构

算例采用的光伏和节点负荷数据均来自美国国家可再生能源实验室,评估周期为1 a,数据分辨率为1 h。分别采用属性加权的多元时间序列算法[17]和K-Means算法对配电网多节点负荷时序数据和光伏运行数据进行场景削减,负荷场景削减为5类,光伏场景削减为4类。各场景的出现概率如表2所示。

表2 源荷典型运行场景的出现概率

3.2 配电网灵活性评估结果

3.2.1 灵活性评估结果有效性分析

为验证本文所提评估指标和评估方法的有效性,设置以下方案进行对比分析:方案1,不考虑储能系统和可削减负荷接入;方案2,考虑可削减负荷接入,不考虑储能系统;方案3,考虑储能系统接入,不考虑可削减负荷;方案4,同时考虑储能系统和可削减负荷接入。各方案灵活性评估结果如表3所示。

表3 4种方案的灵活性评估结果

由表3可以看出,随着可削减负荷和储能系统的逐步接入和全接入,配电网灵活性水平逐步提升。方案1中,高比例DG接入配电网,而配电网仅依靠上级主网参与灵活性调节,这导致配电网灵活性均处于最差的状态,且网络阻塞严重,整个评估周期内发生灵活性传输不足的情况(情况2+情况4)高达17.2%。方案2中,配电网灵活性水平的增长幅度不高,但可削减负荷的接入大幅减少了发生网络阻塞的情况,与方案1相比,其灵活性传输不足的情况约能减少30%。

与方案2相比,方案3的灵活性水平得到大幅提升。这是因为储能系统接入量远大于可削减负荷,约为可削减负荷的10倍左右。但相比于方案1,方案3的灵活性传输不足的情况却只减少约60%,这说明在相同接入量的情况下,可削减负荷能有效解决灵活性传输不足的问题。方案4中,可削减负荷和储能系统全部接入配电网,配电网整体灵活性水平达到最高,且不再发生配电网传输能力和灵活性供给均不足的情况。

由此可见,在高比例DG接入配电网的背景下,所提评估方法可有效反映配电网的灵活性供需匹配水平,辨识灵活性不足的成因,为配电网灵活性规划提供针对性指导。

3.2.2 灵活性评估结果合理性和优越性分析

为验证所提评估方法的合理性和优越性,采用文献[18]所提出的指标计算方法对方案4的灵活性水平进行评估。评估结果如表4所示。

表4 文献[18]所提指标计算方法的评估结果

由表3和表4可知,本文所提评估方法的灵活性充裕度指标略大于文献[18],而灵活性不足度指标则与其相同。这是因为本文将灵活性资源供给与网络传输灵活性进行了分解,所建灵活性充裕度和不足度指标反映的是灵活性资源的充裕情况,而文献[18]所提指标则将两者进行了耦合,反映的是配电网整体灵活性的充裕情况。受网络传输能力的影响,正常情况下灵活性资源的充裕度会略大于整体灵活性的充裕度,且由于方案4不会发生配电网传输能力和灵活性供给均不足的情况,因此两种方法的灵活性不足度指标完全相同。

综上可知,相较于其他方法,本文所提方法可以有效反映配电网灵活性不足的成因。

3.2.3 不同光伏接入容量下的灵活性评估结果

为研究不同比例DG接入下配电网灵活性供需匹配的变化情况,本文在方案4的基础上等比例改变3个光伏接入点的光伏接入容量。对不同光伏接入量下配电网灵活性供需匹配率进行仿真计算,计算结果如图5所示。

图5 不同光伏接入量下配电网灵活性供需匹配变化情况

由图5可以看出,当光伏接入容量小于3 MW时,灵活性供需匹配率指标变化不大,此时光伏接入产生的灵活性需求基本能够得到满足。当光伏接入容量大于3 MW小于6 MW时,γ1逐渐降低,γ2、γ3、γ4逐渐升高,配电网灵活性供给逐渐无法满足光伏接入产生的灵活性需求,此时导致配电网灵活性供需不匹配的主要原因是灵活性资源供给不足。当光伏接入容量大于6 MW时,配电网灵活性供需匹配能力进一步下降。γ1和γ3的下降、γ2和γ4的上升说明了此时配电网的主要问题是配电网灵活性传输能力不足,需要对线路进行扩容以提升配电网的灵活性传输能力。

4 结 语

在高比例DG接入配电网的背景下,针对现有方法对配电网网络传输能力考虑不足的问题,提出了一种含高比例DG的配电网灵活性评估方法。通过算例分析得知,所提出的评估方法可有效反映高比例DG接入下配电网的灵活性供需匹配水平,为配电网规划提供针对性指导。与其他方法相比,所提方法可反映配电网灵活性不足的成因,具有一定的优越性。随着DG并网比例的进一步提升,配电网传输能力在配电网灵活性供需中的限制作用将愈加显著。