适应多元源荷接入的配电网两阶段灵活性提升优化方法

姜涛, 宋卓然, 李剑峰, 芦思晨, 刘宇

(国网辽宁省电力有限公司, 沈阳 110000)

作为电力建设中的重要组成部分,配电网被广泛应用在电子储能、平台供电、光伏新能源等领域[1]。为了创造安全高效的运行环境,对配电网灵活性的提升优化技术也提出了更高的要求,不仅要求提升优化效率高,还要求具有良好的稳定性[2]。但由于受各种外界环境因素和现有技术瓶颈的影响,配电网灵活性越往上提升的难度越大。特别是配电网中高渗透性分布式电源的接入,需要确保配电网运行的稳定性。因此,研究配电网两阶段灵活性的提升优化方法具有重要意义。

学者们对配电网的灵活性提升开展研究。王守相等[3]首先构建基于储能优化的配电网灵活性模型,然后采用蒙特卡洛搜索法计算出配电网的负荷信息,最后将负荷信息输入到模型中,通过粒子群优化算法对模型求解,完成配电网灵活性的提升优化。该方法没有保证配电网达到三相平衡状态,导致净负荷波动曲线较大。张新民等[4]首先计算出配电网的储能负荷所需的灵活性大小,得到配电网的出力波动区间,接着构建基于灵活性的分布式配电网优化模型,最后将模糊规划与波动区间输入到优化模型中,完成配电网两阶段灵活性的提升优化。该方法没有对配电网做无功规划,导致方法的计算时间过长。赵晶晶等[5]首先根据净负荷与灵活性构建配电网优化调控模型,并通过调控因子的灵活性为模型提供平衡指标,然后结合模块度计算配电网的分区,最后采用同步型交替算法对配电网的分区求解,完成配电网两阶段灵活性的提升优化。该方法没有引入多元源荷,导致该方法的配电网净负荷波动率灵活性出现不足,分布式电源接入的灵活适应性差。

多元源荷指的是存在风光机组出力的分布式电源、多样性负荷、储能等多种类型的负荷,多元源荷接入配电网后会在一定程度上影响配电网的运行状态。为了保证配电网的调度灵活性,解决上述方法中存在的问题,提出适应多元源荷接入的配电网两阶段灵活性提升优化方法。在保证配电网达到三相平衡状态的基础上进行配电网的无功规划,通过多元源荷接入的两阶段提升优化法提升配电网的灵活性。对于促进配电网接纳分布式电源的能力提升具有重要的意义。

1 配电网的三相平衡与无功规划

1.1 配电网电压的三相平衡

由于用电负荷存在不平衡性,所以采用瞬时功率平衡算法将配电网中的电流信号转换为电压信号,同时引入负序电压保证配电网电压的三相平衡[6],具体步骤如下。

步骤1在dq坐标系下,配电网中的负序电压流向呈顺时针旋转,并且电压与电流的流向始终保持一致。dq坐标系如图1所示,配电网的有功功率p1与无功功率p2可表示为

图1 dq坐标下的电流与电压Fig.1 Current and voltage in dq coordinates

(1)

式(1)中:p1、p2分别为低压配电网的有功、无功功率;βU-、βI-分别为负序电压、电流节点流向;U-为配电网的负序电压;I-为配电网的负序电流。

步骤2当d轴与配电网的电压矢量[7]完全重叠时,电流信号转换为电压信号,此时电压矢量的模仍保持不变,注入配电网中的总功率可表示为

(2)

步骤3瞬时功率平衡法将配电网中的电流信号全部转换为电压信号后,配电网的瞬时功率等于总功率减去无功功率,可表示为

(3)

式(3)中:p′为配电网的瞬时功率。

步骤4为了得到负序情况下配电网电压频率、幅度、负载之间的相互均衡关系,将瞬时功率代入式(4)中,获取d轴、q轴的均衡关系式ld与lq,此时配电网达到三相平衡。

(4)

1.2 配电网的无功规划

当配电网达到三相平衡的状态时,通过配电网无功出力与有功损耗的输出特点完成配电网的无功规划,可以有效地提高配电网运行质量,降低网损,为基于多元源荷的两阶段灵活性提升优化过程打下基础,具体步骤如下。

步骤1配电网的输出功率分为有功功率与无功功率,其中有功功率具有间歇性与时序性[8],无功功率具备一定的等效利用性,配电网的无功出力的表达式为

(5)

式(5)中:|E(T)|max为配电网在T时刻的最大无功出力;Vmax为最大理想功率;Gmax为最大有功出力。

步骤2在配电网的正常运行中,无功出力具有较高的置信度[9],可结合无功出力计算出配电网的有功损耗,配电网的有功损耗的表达式为

(6)

式(6)中:ΔHloss为配电网的有功损耗;E(T)为配电网在T时刻的无功出力;M为配电网出力状态的集合;m为出力状态;α为出力状态的概率分布。

步骤3将无功补偿点作为固定的补偿容量,使配电网有功损耗满足最小化[10],此时的配电网运行质量最高、网损最小。配电网的运行质量和电压变量的表达式为

(7)

式(7)中:D为配电网的运行质量;Uj、Ujmax、Ujmin分别为配电网节点j处的补偿电压、最大电压、最小电压;r为电压越界惩罚因子;ΔU为电压变量。

步骤4在配电网的无功规划过程中,电压变量由状态分量与控制分量构成,将节点j处的电压视为状态分量,则调整的电压为控制分量,两者之间的不等式约束[11]关系即为配电网的无功规划,可表示为

(8)

式(8)中:Zimax、Zimin、Zi分别为补偿点i处的补偿上限、补偿下限与均衡补偿;N为补偿点集合。

2 基于多元源荷接入的两阶段灵活性提升优化

(1)阶段一。基于代表配电网灵活性的3个指标(负荷峰值裕度、负荷谷值裕度、负荷允许波动裕度),以及多元源荷接入的供给特性构建配电网灵活性提升优化模型。

(2)阶段二。考虑配电网灵活性指标的概率平衡性,采用线性转换算法对模型求解。具体阶段步骤如下。

2.1 第一阶段

(1)负荷峰值裕度Kup,T反映的是配电网净负荷峰值功率的向上波动裕度。当Kup,T大于零时,体现配电网的向上灵活性。Kup,T的表达式为

(9)

式(9)中:PT为T时刻的净负荷功率;Pg,max为配电网的最大容量。

(2)负荷谷值裕度Kdown,T表示配电网净负荷谷值功率的向下波动裕度。当Kdown,T大于零时,体现配电网的向下灵活性。Kdown,T的表达式为

(10)

式(10)中:Pg,min为配电网的最小容量。

(3)负荷允许波动裕度Kfm,T能够反映配电网上、下爬坡能力[12],体现出配电网灵活性的适应能力,可表示为

(11)

式(11)中:PT,max为最大爬坡功率;Pg为一般爬坡功率;Pes为额定爬坡功率;PT-1为T-1时刻的净负荷功率。

(12)

2.2 第二阶段

(1)配电网灵活性提升优化中包含预测误差造成的随机波动,会导致配电网灵活性具有概率特性,需要通过多源源荷的协调优化[13]确定配电网的最佳灵活性供需平衡,如图2所示。

图2 灵活性供需平衡示意图Fig.2 Schematic diagram of flexible supply and demand balance

概率特性表达式为

(13)

(2)构建适应多元源荷接入的配电网灵活性提升优化模型,模型的目标函数表达式为

(14)

(3)在模型中设置约束条件[14],保证各个时段内配电网的负荷运行受到约束,约束条件的表达式为

(15)

式(15)中:Pw,t为t时段的分布式电源功率;Ps,j,t为t时段储能j的出力;Pvo,t为t时段系统负荷功率;Phz,k,t为t时段可中断负荷k的中断量;Nhz为可中断负荷的数量。

(4)由于多元源荷的接入中存在非线性偏积分[15-16],需要采用线性转换法对模型进行求解,完成配电网两阶段灵活性的提升优化,可表示为

(16)

3 试验与分析

为了验证适应多元源荷接入的配电网两阶段灵活性提升优化方法的整体有效性,需要对其做出如下测试。

3.1 试验设置

采用IEEE-33节点系统作为测试平台,该系统包含3个500 kW的分布式光伏,5个500 kW的分布式风力发电;其中节点6和23为可中断负荷;最大允许负荷电流为450 A。优化调度周期24 h,储能的最大爬坡率为180 kW/h,系统的最大爬坡率为1 000 kW/h。,电网购电单价采用分时电价,08:00—15:00为波谷电价0.25元,18:00—21:00为波峰电价1.0,其他时段为平段单价0.50元,可中断负荷参照电网分时购电单价。

将网损率、净负荷变化曲线、计算时间、配电网分布式电源接入的灵活适应性作为指标,采用文献[3]中的可中断负荷调度的配电网两阶段灵活性提升优化方法和文献[5]中的考虑灵活性的含分布式光伏配电网双层优化调度方法与所提方法进行对比测试。

3.2 结果分析

3.2.1 网损率

对比所提方法、文献[3]方法和文献[5]方法提升优化后的网损情况。网损越大,表明方法的灵活性提升优化效果越差;网损越小,表明方法的灵活性提升优化效果越好。不同方法的测试结果如图3所示。

图3 不同方法的网损Fig.3 Network loss of different methods

由图3可知,所提方法的网损低于1%,文献[3]方法和文献[5]方法提升优化后的网损较大,说明所提方法的灵活性提升优化效果较好,其主要原因是所提方法通过无功出力与有功损耗的输出特点实现配电网的无功规划,有效地提高配电网运行质量,降低了网损。

3.2.2 净负荷变化曲线

在原始负荷的基础上,绘制出本文方法、文献[3]方法、文献[5]方法提升优化后的配电网净负荷变化曲线,曲线波动越大,表明本文方法提升优化后的灵活性不足、提升优化性能越低;曲线波动越平缓,说明本文方法提升优化后的灵活性充足、提升优化性能越高。测试结果如图4所示。

图4 不同方法的净负荷变化曲线Fig.4 Net load change curve of different methods

由图4可知,在配电网的正常运行中,所提方法可以达到平抑波动、削峰填谷的作用,并且避免了净负荷变化曲线峰上加峰的状况,特别是15:00—19:00,净负荷的变化率明显趋缓。而文献[3]方法与文献[5]方法的净负荷发生超调状况,且波动严重。说明本文方法在配电网灵活性提升优化方面,性能优于文献[3]方法与文献[5]方法。主要是由于所提方法采用瞬时功率平衡算法确保配电网达到三相平衡状态,配电网运行稳定,减缓了净负荷波动。

3.2.3 计算时间

在优化调度周期24 h内,在16时对配电网进行人工干预,造成配电网灵活性不足。分别利用3种方法对其进行优化,统计本文方法、文献[3]方法与文献[5]方法在配电网灵活性提升优化过程中所使用的计算时间,计算时间越长,说明本文方法的效率越低;计算时间越短,说明本文方法的效率越高。不同方法的测试结果如表1所示。

表1 不同方法的计算时间Table 1 Calculation time of different methods

分析表1可知,针对配电网灵活性的提升优化,本文方法的计算时间在48 s波动,文献[3]方法和文献[5]方法的计算时间分别在78 s和65 s波动。通过对比可以发现,本文方法的计算时间均少于文献[3]方法和文献[5]方法的计算时间,说明针对配电网两阶段灵活性的提升优化,本文方法的效率远高于文献[3]方法和文献[5]方法的效率。

3.2.4 配电网分布式电源接入的灵活适应性

配电网分布式接入的灵活适应性是指配电网承受分布式电源接入后不确定性波动的适应能力。主要通过净负荷最大允许波动率和净负荷波动率来表征。净负荷最大允许波动率反映了配电网自身调节能力,即爬坡能力。净负荷波动率是指配电网净负荷的单位时间变化率,体现了净负荷单位时间内的波动剧烈程度。对比本文方法、文献[3]方法和文献[5]方法提升优化后的配电网净负荷波动率。调度24 h周期内净负荷最大允许波动率和净负荷波动率曲线如图5所示。

图5 净负荷波动率曲线Fig.5 Net load volatility curve

由图5可知,文献[3]方法在15:00—16:00,文献[5]方法在13:00—14:00时净负荷波动率超出了最大允许波动率,表明配电网的净负荷波动率灵活性出现不足,将减少新能源分布式电源接入负荷,导致弃光或弃风情况的出现。而本文方法每一时刻的净负荷波动率均小于最大允许波动率,而且大部分时段波动率显著低于文献[3]方法和文献[5]方法,表明本文方法的配电网分布式电源接入的灵活适应性更好。主要是由于所提方法根据无功出力与有功损耗之间的输出特点完成配电网的无功规划,考虑了配电网灵活性指标的概率平衡性,使得配电网在分布式电源接入后,净负荷波动率也表现很平稳。

4 结论

测试发现,目前配电网灵活性提升优化方法存在净负荷变化曲线大、配电网灵活性不足、计算时间长等问题,为此提出适应多元源荷接入的配电网两阶段灵活性提升优化方法。该方法首先采用瞬时功率平衡法保证配电网的三相平衡,其次根据无功出力与有功损耗之间的输出特点完成配电网的无功规划,最后构建基于多元源荷的配电网两阶段灵活性提升优化模型,通过线性转换算法对模型求解,完成配电网两阶段灵活性的提升优化。试验结果表明,本文方法网损率更低,在降低了净负荷曲线波动与计算时间的同时,提高了配电网分布式电源接入的灵活适应性。