高滲透率的分布式電源并網(wǎng)后電能質(zhì)量評估

鐘建偉，姜芮，王晨(湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北 恩施　445000)

0　引　言

隨著社會的進步與發(fā)展，能源驅(qū)動方式也有所轉(zhuǎn)變。時代的發(fā)展對電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有了新的轉(zhuǎn)變要求，用戶側(cè)也在不斷提高電能質(zhì)量需求，加之如今能源消耗和環(huán)境污染問題日趨嚴重，原有的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面臨著嚴重的時代沖擊。在智能電網(wǎng)的大環(huán)境下，電力供求關(guān)系也發(fā)生了變化[1-2]。從傳統(tǒng)的電力供給側(cè)單方面向用戶側(cè)配電結(jié)構(gòu)到如今逐步過渡到基于用戶需求側(cè)與電力供給側(cè)兩項綜合考量進行安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)雙向用電供求關(guān)系[3-4]。用戶需求不同，傳統(tǒng)的統(tǒng)一治理標準也應(yīng)轉(zhuǎn)變成因需供給的標準。

在智能電網(wǎng)的環(huán)境下，電能質(zhì)量的單項評估[5]不能直觀地反應(yīng)出該分布式電源是否能優(yōu)質(zhì)并網(wǎng)?，F(xiàn)有電能質(zhì)量的評估方式是基于算法的多目標評估[6]。在評估的過程中，需建立相應(yīng)的評估模型和目標函數(shù)，再對其進行分析得到Pareto最優(yōu)解集，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。分布式電源接入大電網(wǎng)的電能質(zhì)量評估應(yīng)將研究重點放在分布式電源自身。在文獻[7]中運用了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data Envelope Analyse, DEA)，將多個未接入大電網(wǎng)的分布式電源進行相對優(yōu)劣的評估。但傳統(tǒng)的DEA方法并不能對每一個決策單元進行有效分析。所以本文在傳統(tǒng)DEA方法基礎(chǔ)上，引入交叉評價機制，對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進行交叉DEA分析處理，得以優(yōu)質(zhì)評估。交叉評價的基本思想是：用每一個DMUi的權(quán)重去計算其效率值，得交叉評價值Mik。

根據(jù)電能質(zhì)量層級的區(qū)別，需要進行不同的分層定價。在分布式電源接入的智能電網(wǎng)環(huán)境下，將從因質(zhì)定價和因時定價兩個方面來綜合考量分層定價，引入用電保險機制來保障用戶和電網(wǎng)的雙邊利益。

1　DG并網(wǎng)后電能供需分析

傳統(tǒng)的一次能源本身的非再生性和對環(huán)境污染的不可逆性，促使人們尋求新能源來改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)。走可持續(xù)發(fā)展道路，大力發(fā)展新清潔能源勢在必行。在智能電網(wǎng)[8]背景下，分布式電源并網(wǎng)改變了能源結(jié)構(gòu)，電力供應(yīng)逐步開放用戶側(cè)需求服務(wù)，才能更好地推動電力市場的運行、發(fā)展。

智能電網(wǎng)從發(fā)電側(cè)引入清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一次能源，形成分布式電源與傳統(tǒng)電源的共同供電的結(jié)構(gòu)。供電公司的電力供需結(jié)構(gòu)對用戶側(cè)開放是將傳統(tǒng)供電僅由供電側(cè)決定配電方式轉(zhuǎn)變成用戶側(cè)與發(fā)電側(cè)共同決策配電方式。電力供應(yīng)向用戶側(cè)開放對電網(wǎng)智能化發(fā)展有著非常重要的推動作用。

全網(wǎng)統(tǒng)一的電能質(zhì)量標準使得電力用戶享有同樣安全穩(wěn)定運行的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。但不可忽略的是電網(wǎng)在遭遇自然災(zāi)害、惡劣天氣或定期運維檢修過程中，不可避免地在調(diào)度過程中會使某部分地區(qū)用戶用電終止。不同類型的用戶有不同的用電需求。普通居家用電，可克服偶爾缺電情況。而在對電力需求敏感的個人或企業(yè)，發(fā)生嚴重的電力中斷不僅會產(chǎn)生巨額的成本預(yù)損還會導(dǎo)致某個行業(yè)的運轉(zhuǎn)出現(xiàn)停運甚至威脅到社會的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈。

根據(jù)用戶側(cè)的需求不同進行不同電能質(zhì)量的電力供電勢在必行，對電能質(zhì)量層級要求比較嚴格的個人或企業(yè)將被供給電能質(zhì)量評估中更加優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量。高層級的電能質(zhì)量相應(yīng)的定價會高于傳統(tǒng)供應(yīng)的普通電能質(zhì)量層級的電力價格。需求高電能質(zhì)量層級的用戶享有更高層級權(quán)限的電力供需，在電網(wǎng)現(xiàn)有的環(huán)節(jié)中存在電力波動，為保障高層級用戶的電力需求和供電公司的正常收益，建立電力供應(yīng)風險保護機制，應(yīng)建議該類用戶購買電力供給保險。這種保護機制不僅可以減少用戶對特殊電力需求的未知風險擔憂，也可以增大供電公司在引入新清潔能源后的并網(wǎng)運行后的推行力度。

2　基于DEA分析方法的電能質(zhì)量綜合評估

DEA分析方法[9-10]基本思想是對于同一類型的決策單元進行相對有效的評價方法。假設(shè)有n個待評估對象，即有n個決策單元會產(chǎn)生相對應(yīng)的n個DMU值。對于這n個決策單元中，每個決策單元有p個輸入目標和q個輸出目標。即DMU

分別是DMUi的p個輸入x1i,x2i,…,xpi與q個輸出y1i,y2i,…,yqi(xji,yji>0)的向量，記X為多輸入指標矩陣，X=[x1,x2,…,xn]；Y為多輸出指標矩陣，Y=[y1,y2,…,yn]；對于第i個決策DMU，v=[v1,v2,…,vp]T、u=[u1,u2,…,uq]T，分別是輸入和輸出的權(quán)向量(u,v≥0)。

DMUi的總輸入：

Ii=v1x1i+v2x2i+…+vpxpi

(1)

DMUi的總輸出：

Oi=u1y1i+u2y2i+…+uqyqi

(2)

總輸入Ii和總輸出Oi之比為DMUi的效率評值為Mii

(3)

傳統(tǒng)的DEA分析模型結(jié)構(gòu)如下：

1)傳統(tǒng)DEA模型線性規(guī)劃方程

(4)

2)綜合交叉DEA評價模型

第一步：

利用傳統(tǒng)DEA分析模型計算出DMUi的效率評價指數(shù)Mii(1≤i≤n)

第二步：

給定i∈{1,2,…,n},k∈{1,2,…,n}解以下線性規(guī)劃方程：

(5)

第三步：

(6)

第四步：

由交叉評價值構(gòu)成交叉評價矩陣

圖1　交叉DEA分析流程圖

綜合交叉DEA分析比傳統(tǒng)的DEA分析復(fù)雜，需求解大量的線性規(guī)劃方程。利用工程軟件編譯綜合交叉DEA分析的流程如圖1所示。

3　不同用戶的電能治理方式

現(xiàn)有的電能質(zhì)量治理方式是供電側(cè)對用戶側(cè)進行統(tǒng)一治理。供電側(cè)統(tǒng)一的治理標準使所有用戶支付的電能治理的費用相同，讓現(xiàn)有的用戶不能根據(jù)個人及企業(yè)需求進行高效適價的電能質(zhì)量分配。

現(xiàn)有電能質(zhì)量治理方式[11-12]主要有SVC(靜止無功補償器)、STATCOM(靜止同步補償器)、UPS(不間斷穩(wěn)壓電源)、DATATCOM(配電網(wǎng)靜止同步補償)、SSTS(固態(tài)電子轉(zhuǎn)換開關(guān))、DVR(動態(tài)電壓恢復(fù)器)等。根據(jù)每種補償器自身的特點治理不同用戶的電能質(zhì)量指標的需求。為保證對重要用戶可靠供電，使用SSTS(固態(tài)電子轉(zhuǎn)換開關(guān))，用于雙回線路的切換，克服傳統(tǒng)機械開關(guān)反應(yīng)慢的弊端；對用于重要負荷，例如銀行，醫(yī)院等，可使用UPS(不間斷穩(wěn)壓電源)；對用于敏感負荷，例如半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家，可使用DVR(動態(tài)電壓恢復(fù)器)，對補償電源電壓波動和閃變等有明顯效果。針對不同電力用戶需求，進行相應(yīng)的電能質(zhì)量治理。

4　分類治理的電能質(zhì)量評估分析

圖2　基于DEA分析的電能質(zhì)量評估流程圖

以用戶的需求為出發(fā)點，電能質(zhì)量治理成本將隨著治理方式不同、治理裝置的容量不同而發(fā)生變化。不同電能質(zhì)量層級需求的用戶用于電能質(zhì)量治理方式也不相同。在分布式電源未并入大電網(wǎng)前，先進行傳統(tǒng)DEA分析[13]，在結(jié)合用戶側(cè)需求進行不同的電能質(zhì)量治理方式的電能質(zhì)量新數(shù)據(jù)，在對新的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進行綜合交叉DEA分析，得分布式電源接入點的新評估數(shù)據(jù)進行電能質(zhì)量分層。基于DEA析的不同用戶側(cè)需求電能質(zhì)量評估流程如圖2所示。

下面進行基于DEA分析的不同用戶側(cè)需求電能質(zhì)量評估流程分析，現(xiàn)有5個暫未接入大電網(wǎng)的分布式電源點，未治理的分布式電源點的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　未經(jīng)治理的分布式電源點電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

根據(jù)用戶側(cè)對電能質(zhì)量某項敏感需求，進行向定制的電能質(zhì)量治理方式。表2所示是采用靜止無功無償(StaticVar Compensator,SVC)與靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)得到的監(jiān)測點1的新的電能質(zhì)量各項指標值的治理的效果。

表2　監(jiān)測點1在治理前后的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

對5個分布式電源點的數(shù)據(jù)進行綜合交叉DEA分析，將治理后的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)代入MATALAB程序，得交叉評價矩陣：

其中對角元素為自我評價值：

M11=0.886 8M22=1.000 0M33=1.000 0
M44=1.000 0M55=1.000 0

與前文所述，自我評價值取得最大值1的分布式電源監(jiān)測點較多，僅用EII沒有辦法區(qū)分所有決策單元的優(yōu)劣，由以上程序計算出的各分布式電源監(jiān)測點的平均交叉評價值如表3所示。

表3　各分布式電源監(jiān)測點的平均交叉評價值

按mi的大小，從大到小對這5個監(jiān)測點進行優(yōu)劣排序為:

DMU3>DMU2>DMU4>DMU5>DMU1

綜上分析評價矩陣M，對角線元素值為自我評價值Mii與綜合交叉評價值mi,分析可知分布式電源監(jiān)測點3的運行效果最好。

多個電能質(zhì)量監(jiān)測點在進行交叉DEA分析后會生成等級排序，對電能質(zhì)量進行分級。

本文中的綜合交叉DEA數(shù)據(jù)包絡(luò)分析辦法對電能質(zhì)量進行評估，評估后對電能質(zhì)量進行分級。在DMU值處在不同的區(qū)間值內(nèi)時，進行不同層級的定價。綜合交叉包絡(luò)分析值越大層級越高，定價高；反之，分析值越低，定價低。

5　結(jié)束語

(1)分布式電源接入電網(wǎng)前，采用DEA方法評估分布式電源電能質(zhì)量重在選擇一個合理評價指標體系，在不同的指標體系中DEA評價結(jié)果是不一樣的。傳統(tǒng)DEA方法可以建立一種含分布式電源電能質(zhì)量綜合評估的體系模型，引入輸入指標和輸出指標的共同評估的模型可以避免一味追求電能質(zhì)量，而忽略了分布式電源和治理裝置本身的成本。但不能對每一個決策單元進行有效分析，并且在每一個決策單元為達到最大的效率評價指數(shù)，會對每一個輸入、輸出的指標進行不合理的權(quán)重分配。交叉DEA分析在一定程度上彌補了傳統(tǒng)DEA分析方法存在的缺陷，能更好地進行分布式電源并網(wǎng)和電能質(zhì)量的治理工作。分布式電源接入前的電能質(zhì)量分析，能避免分布式能源接入后產(chǎn)生嚴重的并網(wǎng)問題。

(2)傳統(tǒng)綜合評估算法僅對電能質(zhì)量排序和分檔，容易忽視了電能質(zhì)量治理環(huán)節(jié)的內(nèi)容。本文對傳統(tǒng)DEA評估方法進行了改進，采用交叉DEA分析方法。交叉DEA分析方法分析復(fù)雜，需求解大量的線性規(guī)劃方程，本文利用工程軟件編譯綜合交叉DEA分析的程序。在分布式電源接入的電能質(zhì)量分析工作中，可以對綜合評估結(jié)果進行合理排序。

(3)分布式電源接入前，接入不同電能質(zhì)量治理裝置，采用交叉DEA方法進行評估。能根據(jù)用戶的不同需求進行接入前治理，讓用戶側(cè)的電能質(zhì)量更好地實現(xiàn)因需供電的交互供電方式。

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