考慮時(shí)序特性的分布式電源選址定容規(guī)劃

楊佳俊，王　濤，馬驍旭，段美琪，陳　紅

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司，山東　萊蕪　271100；2.山東送變電工程公司，濟(jì)南　250022）

·試驗(yàn)研究·

考慮時(shí)序特性的分布式電源選址定容規(guī)劃

楊佳俊1，王濤1，馬驍旭1，段美琪1，陳紅2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司，山東萊蕪271100；2.山東送變電工程公司，濟(jì)南250022）

針對(duì)分布式電源（Distributed Generator，DG）接入配電網(wǎng)的優(yōu)化選址定容問題，建立以年損耗電量最小為目標(biāo)，考慮DG出力及負(fù)荷時(shí)序特性的多時(shí)段最優(yōu)潮流模型。利用代表性場(chǎng)景模擬全年情況，給出場(chǎng)景及其權(quán)重的確定方法。以IEEE14和IEEE33系統(tǒng)為算例，在GAMS環(huán)境下進(jìn)行建模仿真，計(jì)算全網(wǎng)最優(yōu)的DG安裝位置及安裝容量，以驗(yàn)證模型的合理性。仿真結(jié)果表明，時(shí)序特性對(duì)DG規(guī)劃有顯著影響，所建模型能夠更好地利用不同類型DG出力在時(shí)序上的互補(bǔ)作用，提高電網(wǎng)對(duì)DG出力的消納能力。

分布式電源DG；最優(yōu)潮流；時(shí)序特性

0　引言

近年來，可再生能源發(fā)電技術(shù)迅猛發(fā)展，其中技術(shù)較為成熟的有風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、水能發(fā)電等?？稍偕茉窗l(fā)電分為分布式和集中式兩種發(fā)電形式［1］。分布式發(fā)電因其具有投資小、供電方式靈活等優(yōu)點(diǎn)而得到快速發(fā)展［2］。

分布式電源接入配電系統(tǒng)會(huì)引起電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、潮流分布的較大改變［3］。合理配置DG的安裝位置及容量具有如下優(yōu)點(diǎn)：有利于實(shí)現(xiàn)潮流的分區(qū)平衡，減少電能傳輸過程中產(chǎn)生的損耗；消除部分設(shè)備的重過載運(yùn)行，延緩新發(fā)電廠的修建和設(shè)備的更新，提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；系統(tǒng)故障時(shí)，DG可以作為臨時(shí)電源為孤島內(nèi)負(fù)荷供電，從而提高供電可靠性［4］，反之，DG配置不合理將會(huì)給系統(tǒng)運(yùn)行帶來負(fù)面影響，甚至威脅電網(wǎng)安全。

因此，為充分發(fā)揮DG的效益，抑制其負(fù)面影響，需要在規(guī)劃階段對(duì)其進(jìn)行合理布局［5］。

早期DG的規(guī)劃研究多假定其出力恒定［6－8］。而實(shí)際上，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等出力具有顯著的隨機(jī)性。另外，受自然規(guī)律制約，DG各出力水平分別在特定時(shí)間段出現(xiàn)，與時(shí)間序列密切相關(guān)，即DG具有時(shí)序特性。不同種類DG出力的時(shí)序特性也存在較大差異。

文獻(xiàn)［9－10］將DG出力固定在幾種特殊水平下對(duì)其優(yōu)化配置，忽略了實(shí)際可能出現(xiàn)的其他水平，且未考慮到出力的時(shí)序特性。假定DG出力為固定不變的數(shù)值或者某幾種水平的數(shù)值會(huì)導(dǎo)致規(guī)劃參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行情況偏差較大，規(guī)劃結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，負(fù)荷以及DG出力的峰、谷值往往出現(xiàn)在不同時(shí)刻［11］，不同種類DG的出力時(shí)序特性曲線與負(fù)荷時(shí)序特性曲線的匹配程度也有差異。忽略時(shí)序特性，將無法得到與負(fù)荷曲線匹配較好的DG組合安裝方案。因此，同時(shí)考慮DG出力及負(fù)荷的時(shí)序特性能得到較為合理的規(guī)劃結(jié)果。

綜合考慮DG出力及負(fù)荷的時(shí)序特性，針對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行選址定容。選擇具有代表性的場(chǎng)景表征全年的情況，并統(tǒng)計(jì)各場(chǎng)景的權(quán)重值，根據(jù)風(fēng)速時(shí)序特性曲線、光照強(qiáng)度時(shí)序特性曲線獲得各場(chǎng)景00∶00—24∶00時(shí)段每時(shí)段對(duì)應(yīng)的風(fēng)速及光照強(qiáng)度水平，建立多場(chǎng)景多時(shí)段的DG規(guī)劃最優(yōu)模型。文中分別討論單獨(dú)引入風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及同時(shí)引入風(fēng)、光發(fā)電3種情形。規(guī)劃結(jié)果表明考慮時(shí)序特性有利于發(fā)揮風(fēng)、光的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，提高對(duì)資源的利用率。

1　DG規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型

建立多場(chǎng)景多時(shí)段模型對(duì)DG進(jìn)行規(guī)劃，考慮時(shí)序特性表現(xiàn)在計(jì)及季節(jié)差異及時(shí)間變化對(duì)DG出力水平的影響上。通過典型場(chǎng)景描述季節(jié)變化對(duì)DG出力情況的影響，利用多時(shí)段表征DG出力水平在時(shí)序上的差異。

1.1DG出力時(shí)序特性

風(fēng)機(jī)出力具有顯著的時(shí)序特性，伴隨季節(jié)和時(shí)間變化有較大差異［12］。以研究地區(qū)為例，春季平均風(fēng)力最大，冬季最小；一天內(nèi)風(fēng)力最大出現(xiàn)在16∶00左右，24∶00左右風(fēng)力最小。圖1為風(fēng)機(jī)出力時(shí)序特性曲線。

光伏電源出力水平主要由光照強(qiáng)度決定，光照強(qiáng)度受天氣狀況的影響，例如晴天、陰天、雨雪天光照強(qiáng)度有著較大差異［13］，且出力水平與時(shí)間序列密切相關(guān)。出力最大往往在光照較強(qiáng)的13∶00左右，20∶00至次日05∶00出力多為0，圖2為光伏電源的出力時(shí)序特性曲線。

從圖1、圖2中可以看出，風(fēng)機(jī)出力、光伏電源出力在時(shí)序上表現(xiàn)有互補(bǔ)性。就研究地區(qū)而言，光伏發(fā)電每天至少有8 h出力為0。在此期間，風(fēng)力發(fā)電是集中式發(fā)電的有益補(bǔ)充，風(fēng)力發(fā)電出力最大時(shí)，光伏發(fā)電出力較小，而光伏發(fā)電出力最大時(shí)，風(fēng)力發(fā)電出力相對(duì)較小。例如光伏發(fā)電在12∶00時(shí)出力最大，風(fēng)電未到達(dá)峰值；而風(fēng)電到達(dá)峰值時(shí)大約在15∶00，而此時(shí)光伏發(fā)電又過了峰值，具有一定的互補(bǔ)性?？紤]時(shí)序特性有利于提高DG出力時(shí)序特性曲線與負(fù)荷時(shí)序特性曲線的匹配程度。

圖1　風(fēng)機(jī)出力時(shí)序特性曲線

圖2　光伏發(fā)電設(shè)備出力時(shí)序特性曲線

1.2考慮時(shí)序特性場(chǎng)景的產(chǎn)生

各場(chǎng)景每個(gè)時(shí)段DG的出力水平由圖1和圖2中的時(shí)序特性曲線確定。選擇春季晴天、春季陰天、春季雨雪天、夏季晴天、夏季陰天、夏季雨雪天、秋季晴天、秋季陰天、秋季雨雪天以及冬季晴天、冬季陰天、冬季雨雪天共計(jì)12種場(chǎng)景，對(duì)全年情況進(jìn)行模擬。各場(chǎng)景以00∶00—24∶00時(shí)段為一時(shí)間序列。根據(jù)氣象資料分別獲得各場(chǎng)景風(fēng)速及光照強(qiáng)度時(shí)序特性曲線，由該曲線可得各時(shí)段風(fēng)速、光照強(qiáng)度平均水平，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)時(shí)段的平均溫度，參照式（7）、（8）分別可得各時(shí)段風(fēng)機(jī)及光伏電源的出力情況，并由IEEE－RTS系統(tǒng)確定對(duì)應(yīng)時(shí)段的負(fù)荷波動(dòng)水平。由此得到各場(chǎng)景各時(shí)段對(duì)應(yīng)的DG出力情況及負(fù)荷水平，并代入2.3中模型進(jìn)行計(jì)算。統(tǒng)計(jì)全年每一場(chǎng)景對(duì)應(yīng)天氣的出現(xiàn)天數(shù)，獲得場(chǎng)景的權(quán)重值，例如，春季晴天全年出現(xiàn)30天，即有該場(chǎng)景的權(quán)重為=0.0822。

1.3DG選址定容模型

在現(xiàn)有配電網(wǎng)中引入風(fēng)機(jī)和光伏電源，在滿足給定的電網(wǎng)運(yùn)行約束條件下，建立隨機(jī)混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，對(duì)DG的布點(diǎn)以及容量進(jìn)行優(yōu)化，使年損耗電量達(dá)到最小。引入表示DG布點(diǎn)的0、1變量及接入容量的整數(shù)變量。建立目標(biāo)函數(shù)

式中：αi為第i個(gè)場(chǎng)景權(quán)重的大小，共計(jì)有12個(gè)場(chǎng)景；ci，j為 i場(chǎng)景下的 j時(shí)段；eci，j為第i個(gè)場(chǎng)景j時(shí)段的損耗電量。

兩組變量間的鉗制關(guān)系為式中：bs、ns分別為代表風(fēng)機(jī)、光伏電源安裝位置的0、1變量；ws、rs分別為安裝組數(shù)的整數(shù)變量；和分別為節(jié)點(diǎn)處場(chǎng)景時(shí)段常規(guī)電源的有功、無功出力；和為有功、無功負(fù)荷；Gsk、Bsk為系統(tǒng)導(dǎo)納、為電壓相角；和分別為風(fēng)機(jī)、光伏電源場(chǎng)景i時(shí)段j單位機(jī)組的實(shí)際出力，例如，春季晴天01∶00時(shí)DG的出力情況即為與。

式中：Vmin為節(jié)點(diǎn)電壓的下限；Vmax為節(jié)點(diǎn)電壓的上限；Prw和Prs分別為單位風(fēng)機(jī)及光伏電源的額定功率。式（5）為DG接入容量的最大限制，認(rèn)為接入總?cè)萘坎坏贸^常規(guī)電源出力的γ1倍與負(fù)荷的γ2倍之和，實(shí)際中可以根據(jù)當(dāng)?shù)卣呦拗茖?duì)倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整。式（6）中，MB和MN分別為風(fēng)機(jī)以及光伏電源總布點(diǎn)個(gè)數(shù)的最大限制。

1.4DG出力模型

風(fēng)機(jī)輸出功率與風(fēng)速之間的關(guān)系可以近似用分段函數(shù)表示：

式中：vci為切入風(fēng)速；vR為額定風(fēng)速；vCO為切出風(fēng)速；Pr為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的額定功率。將各場(chǎng)景各時(shí)段風(fēng)速值帶入式（7）可得該時(shí)刻風(fēng)機(jī)的實(shí)際出力。

光伏電源的出力依賴于設(shè)備自身的實(shí)際特性、光照強(qiáng)度大小和周圍環(huán)境的溫度。在已知光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度時(shí)，可通過式（8）計(jì)算出光伏電源的實(shí)際輸出功率。即式中：TA為環(huán)境溫度；say為該狀態(tài)下的光照強(qiáng)度；NOT為設(shè)備的額定溫度；Iy為負(fù)載電流；Isc為短路電流；Ki為短路電流溫度系數(shù)；Voc為開路電壓；Vy為負(fù)載電壓；KV為開路電壓溫度系數(shù)；FF為太陽能電池的填充因數(shù)；VMPP、IMPP分別為光伏電池最大功率點(diǎn)的電流與電壓值。

2　算例分析

選取IEEE14和IEEE33標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，分別對(duì)接入風(fēng)機(jī)、光伏電源以及同時(shí)包含風(fēng)、光發(fā)電設(shè)備的系統(tǒng)選址、定容，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1參數(shù)設(shè)置

接入點(diǎn)安裝風(fēng)機(jī)最小組數(shù)wmin=1，安裝風(fēng)機(jī)最大組數(shù)wmax=200，接入點(diǎn)安裝光伏電源最小組數(shù)rmin=1，安裝光伏電源最大組數(shù)rmax=200，風(fēng)機(jī)單位機(jī)組額定功率Prw=0.01MW，光伏電源單位機(jī)組額定功率Prs=0.01MW，風(fēng)機(jī)布點(diǎn)之和最大值MB=5，光伏電源布點(diǎn)之和最大值MN=5，同時(shí)接入風(fēng)、光發(fā)電設(shè)備時(shí)，倍數(shù)γ1=0.6，倍數(shù)γ2=0.3；當(dāng)僅接風(fēng)機(jī)或光伏電源時(shí)γ1= 0.3，γ2=0.15，基準(zhǔn)值為100MW。

2.2結(jié)果分析

對(duì)IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，分別標(biāo)記接入風(fēng)機(jī)、光伏電源以及同時(shí)接入兩種形式DG為情形A、B、C，標(biāo)記D為不接入DG，由頭節(jié)點(diǎn)為系統(tǒng)供電的情況，記本文模型優(yōu)化結(jié)果為1，DG容量連續(xù)可調(diào)模型優(yōu)化結(jié)果為2，優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1　DG優(yōu)化策略及損耗對(duì)比

本算例中，節(jié)點(diǎn)8、9負(fù)荷較重，分別占整個(gè)系統(tǒng)總負(fù)荷的17.4%、15.68%。優(yōu)化結(jié)果顯示，各類型DG并網(wǎng)均會(huì)選擇在這兩個(gè)負(fù)荷較重的節(jié)點(diǎn)處接入，進(jìn)而有效地實(shí)現(xiàn)重負(fù)荷的就地平衡，減少功率的流動(dòng)，降低損耗。與將容量視為連續(xù)可調(diào)模型相比，該模型降損效益與其相差均不超過2%，表明在兼顧DG容量不可連續(xù)特性同時(shí)達(dá)到了較好的降損效果。

為了展示DG出力及負(fù)荷時(shí)序特性對(duì)DG規(guī)劃結(jié)果的顯著影響，假定不考慮時(shí)序特性，即DG出力與時(shí)間序列無關(guān)。例如，某情形下DG的出力情況為01∶00時(shí)刻風(fēng)機(jī)出力水平與10∶00時(shí)刻光伏電源出力水平的組合。打亂原有方法生成風(fēng)、光發(fā)電出力水平的順序，使其在時(shí)序上不再有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。此種情形下，其出力不符合自然變化的規(guī)律，兩種形式DG除了利用效率外沒有區(qū)別。表2為不考慮時(shí)序特性時(shí)DG的優(yōu)化配置結(jié)果。

較風(fēng)力發(fā)電而言，光伏發(fā)電利用率稍低。因此，如表2所示，情形C下，同時(shí)引入風(fēng)、光兩種發(fā)電設(shè)備，不考慮時(shí)序特性時(shí)風(fēng)機(jī)優(yōu)先接入，光伏電源接入比重較??；考慮時(shí)序特性后，風(fēng)力較弱時(shí)，光伏發(fā)電是風(fēng)力發(fā)電的有益補(bǔ)充，投入量得到了增加。因而，考慮時(shí)序特性有利于提高自然資源的利用率。

表2　不考慮時(shí)序特性的優(yōu)化結(jié)果

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的日出力具有顯著的互補(bǔ)性，以春季晴天場(chǎng)景為例，展示各時(shí)段的損耗情況，如圖3所示。

圖3　春季晴天場(chǎng)景下各時(shí)段損耗

由圖2可知，春季晴天01∶00—06∶00光照強(qiáng)度為0，當(dāng)僅考慮接入光伏電源時(shí)，其損耗曲線與不接入DG的損耗曲線相吻合。08：00—13：00，風(fēng)力較弱，光照相對(duì)較強(qiáng)，該時(shí)段內(nèi)，光伏發(fā)電的作用較為顯著，接入風(fēng)機(jī)情形下的損耗高于接入光伏電源。之后，光照變?nèi)?，風(fēng)力較強(qiáng)，光伏發(fā)電情形下的損耗變得高于風(fēng)力發(fā)電。同時(shí)接入風(fēng)、光兩種發(fā)電設(shè)備，可以有效彌補(bǔ)獨(dú)立發(fā)電的不足，達(dá)到較好的降損效益。

圖4展示了風(fēng)力發(fā)電實(shí)際出力占額定功率26.1%，光伏發(fā)電出力為額定功率44.3%，負(fù)荷為峰值59.85%時(shí)配電網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)電壓分布情況。DG接入配電網(wǎng)，電壓幅值得到提高，電壓質(zhì)量得到提升。其中，DG接入點(diǎn)電壓升高最為顯著。

圖4　節(jié)點(diǎn)電壓分布情況

為了進(jìn)一步驗(yàn)證提出的模型，利用文獻(xiàn)［14］提供的33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)為算例，對(duì)DG布點(diǎn)及容量配置進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

表3　33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)DG優(yōu)化策略

IEEE33系統(tǒng)與IEEE14系統(tǒng)相比，負(fù)荷較輕，DG的投入量小，但降損效益同樣顯著，達(dá)19.26%。結(jié)果表明，該模型對(duì)解決輕負(fù)荷系統(tǒng)的DG優(yōu)化配置問題同樣具有較好的效果。

3　結(jié)語

基于負(fù)荷以及DG出力的時(shí)序特性，建立了以年損耗電量最小為目標(biāo)的多場(chǎng)景多時(shí)段DG規(guī)劃模型，并在GAMS環(huán)境下進(jìn)行建模。結(jié)果表明：考慮DG出力的時(shí)序特性，能夠更為真實(shí)地反應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，得到的規(guī)劃方案也更具有實(shí)際意義；太陽能與風(fēng)能在時(shí)序上具有互補(bǔ)特性，這兩種DG同時(shí)接入可以彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電獨(dú)立系統(tǒng)的缺陷；無論對(duì)于重負(fù)荷系統(tǒng)還是輕負(fù)荷系統(tǒng)，合理接入DG對(duì)降低網(wǎng)損、提高電能質(zhì)量均有較好的效果。

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Allocation and Sizing of Distributed Generators Considering Tim ing Characteristics

YANG Jiajun1，WANG Tao1，MA Xiaoxu1，DUAN Meiqi1，CHEN Hong2
（1.State Grid Laiwu Power Supply Company，Laiwu 271100，China；
2.Shandong Electric Power T&TEngineering Company，Jinan 250118，China）

In view of allocation and sizing of distributed generators in the distribution system，a multi-period AC optimal power flow model，which considers output and loading timing characteristics of DG and takes the least annual energy loss as the target，is proposed.By simulating the yearly situation using typical scenarios，themethod of determining the scenario and weight is proposed.Taking IEEE14 and IEEE33 systems as examples，the optimal location and size of DG units are simulated in the GAMS condition.Results show that the timing characteristics have significant effects on the planning of DG，the proposed model can take advantages of the complementary action between wind-based DG and solar DG fully，and improve the absorptive capacity of DG capacity.

distributed generator；optimal power flow；timing characteristics

TM715

A

1007－9904（2016）03－0001－05

2015-10-08

楊佳?。?986），男，從事繼電保護(hù)工作。