高 輝, 徐 晴, 歐陽(yáng)曾愷,宋 樂(lè)
( 1. 南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院,江蘇 南京 210023;2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211103)
近年,我國(guó)能源生產(chǎn)量和消費(fèi)量均已居世界前列,但在能源供給和利用方式上存在系列問(wèn)題,如能源結(jié)構(gòu)不合理、能源利用效率不高、可再生能源開(kāi)發(fā)利用比例低、能源安全利用水平有待進(jìn)一步提高等。能源已經(jīng)成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸,能源利用方式需從傳統(tǒng)粗放型向精細(xì)化、集約化、可持續(xù)轉(zhuǎn)變,加快能源生產(chǎn)和利用方式變革,強(qiáng)化節(jié)能優(yōu)先戰(zhàn)略,全面提高能源開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)化和利用效率,合理控制能源消費(fèi)總量,構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系[1]。
在面臨能源短缺困難及節(jié)能減排的壓力下,建設(shè)清潔、可靠、互動(dòng)、高效的智能電網(wǎng)成為推動(dòng)時(shí)代經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要手段。含分布式電源的智能配電網(wǎng)建設(shè)尤為關(guān)鍵,其并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、能效互動(dòng)機(jī)制和協(xié)調(diào)控制等研究工作及工程建設(shè)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[2—3]梳理了國(guó)內(nèi)外分布式電源和微電網(wǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀,并指明國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要差異;文獻(xiàn)[4—5]對(duì)新能源并網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析并指出解決電能質(zhì)量問(wèn)題的潛在優(yōu)勢(shì);文獻(xiàn)[6]研究了多時(shí)間尺度下基于主動(dòng)配電網(wǎng)的分布式電源協(xié)調(diào)控制策略,提出了基于最優(yōu)潮流的主動(dòng)配電網(wǎng)全局優(yōu)化算法和基于功率控制誤差的主動(dòng)配電網(wǎng)區(qū)域自治控制算法,保證了其用于主動(dòng)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度的有效性;文獻(xiàn)[7]通過(guò)研究中國(guó)分布式電源發(fā)展對(duì)各相關(guān)主體的影響,提出了針對(duì)我國(guó)分布式電源產(chǎn)業(yè)的包含接網(wǎng)費(fèi)用、輔助服務(wù)費(fèi)用、設(shè)備補(bǔ)貼、發(fā)電量補(bǔ)貼等多維度的綜合補(bǔ)償體系,保障了分布式電源業(yè)主、電網(wǎng)公司、發(fā)電企業(yè)等相關(guān)主體的合理利益,并提出促進(jìn)分布式電源產(chǎn)業(yè)健康有序、快速、可持續(xù)發(fā)展的政策建議;文獻(xiàn)[8]基于配電網(wǎng)源網(wǎng)荷不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象,建立了配電網(wǎng)常規(guī)元件及分布式電源的穩(wěn)/暫態(tài)模型,開(kāi)發(fā)了智能配電網(wǎng)運(yùn)行仿真平臺(tái),并驗(yàn)證了所提方法及研制系統(tǒng)的合理性、有效性;文獻(xiàn)[9]針對(duì)分布式電源輸出功率的隨機(jī)性問(wèn)題,提出基于點(diǎn)估計(jì)法的含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估模型,可有效實(shí)現(xiàn)分布式電源輸出功率和配電網(wǎng)負(fù)荷水平不確定性的模擬;文獻(xiàn)[10]從分布式電源高密度接入、交直流混聯(lián)等特點(diǎn)分析入手,介紹了未來(lái)配電網(wǎng)故障分析亟待探索的關(guān)鍵問(wèn)題;另外,文獻(xiàn)[11—14]從合作博弈論以及潮流特征方面研究了分布式電源對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響及對(duì)應(yīng)策略。
國(guó)外研究主要集中在分布式電源并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方面,文獻(xiàn)[13]研究了不同微點(diǎn)電網(wǎng)場(chǎng)景下分布式電源接入的分布式控制策略,可提高電網(wǎng)電壓和頻率調(diào)節(jié)性能;文獻(xiàn)[14]提出一種基于電壓控制器和快速電流控制器組合的分散控制策略,能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)快速跟蹤、穩(wěn)健性和快速瞬態(tài)恢復(fù)功能。上述研究成果對(duì)推動(dòng)分布式電源接入配電網(wǎng)具有很好的理論及工程意義,但是對(duì)于規(guī)?;植际诫娫捶謱臃謪^(qū)接入配電網(wǎng)相關(guān)研究較少。
針對(duì)規(guī)?;呙芏确植际诫娫捶謱臃謪^(qū)接入配電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì),為了提高源網(wǎng)多元利用效率,文中介紹了含分布式電源的多級(jí)能源互動(dòng)場(chǎng)景,并制定了符合多級(jí)互動(dòng)場(chǎng)景的多時(shí)空尺度互動(dòng)機(jī)制,空間尺度從下到上包括臺(tái)區(qū)、饋線(xiàn)、配網(wǎng)及主網(wǎng)等層次,時(shí)間尺度以天為優(yōu)化單位包括準(zhǔn)實(shí)時(shí)、超短期及短期等尺度,以多時(shí)空尺度為基準(zhǔn)建立了含大型風(fēng)電廠(chǎng)、燃?xì)廨啓C(jī)和集中式大容量?jī)?chǔ)能等分布式電源的源網(wǎng)多元互動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型,所研究策略為規(guī)模化高密度分布式電源接入電網(wǎng)提供優(yōu)化控制依據(jù)。
含分布式電源的源網(wǎng)多級(jí)能源互動(dòng)控制場(chǎng)景如圖1所示,將區(qū)電網(wǎng)分為臺(tái)區(qū)級(jí)、饋線(xiàn)級(jí)、配網(wǎng)級(jí)及主網(wǎng)級(jí)。
圖1 多級(jí)能源互動(dòng)控制場(chǎng)景Fig.1 Multi-level energy interaction control scenario
臺(tái)區(qū)級(jí)協(xié)調(diào)對(duì)象包括微網(wǎng)系統(tǒng)、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)和自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)提供的關(guān)口數(shù)據(jù)等;饋線(xiàn)級(jí)協(xié)調(diào)對(duì)象包括臺(tái)區(qū)級(jí)的綜合負(fù)荷和可調(diào)度容量信息以及中壓側(cè)的分布式電源、分布式儲(chǔ)能數(shù)據(jù);配網(wǎng)級(jí)協(xié)調(diào)控制對(duì)象包括饋線(xiàn)級(jí)的綜合負(fù)荷和可調(diào)度容量信息以及高壓側(cè)的分布式電源、分布式儲(chǔ)能數(shù)據(jù);主網(wǎng)級(jí)包含所有配網(wǎng)能量流、信息流、業(yè)務(wù)流。四級(jí)之間的協(xié)調(diào)控制策略為:上級(jí)向下級(jí)下發(fā)控制指令和目標(biāo)曲線(xiàn),下級(jí)向上級(jí)提交可調(diào)度容量、負(fù)荷信息以及反饋信號(hào)。
從空間及時(shí)間尺度上進(jìn)行互動(dòng)機(jī)制分析,其中空間分層互動(dòng)協(xié)調(diào)控制如圖2所示。
容量分析,自下而上進(jìn)行容量上報(bào):(1) 臺(tái)區(qū)級(jí),小型分布式電源優(yōu)先考慮區(qū)間內(nèi)負(fù)荷供電,即就地消納,在滿(mǎn)足臺(tái)區(qū)內(nèi)就地平衡基礎(chǔ)上響應(yīng)目標(biāo)曲線(xiàn),多余容量逐級(jí)上傳;(2) 饋線(xiàn)和配網(wǎng)級(jí),高密度分布式電源優(yōu)先考慮配網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷轉(zhuǎn)供并就地消納,在滿(mǎn)足配網(wǎng)內(nèi)就地平衡基礎(chǔ)上響應(yīng)目標(biāo)曲線(xiàn),多余容量上傳至主網(wǎng),統(tǒng)一分配;(3) 主網(wǎng)級(jí),考慮規(guī)?;植际诫娫吹膮f(xié)調(diào)優(yōu)化控制,滿(mǎn)足主網(wǎng)區(qū)域間互供及整體消納目標(biāo)。
能量調(diào)度,自上而下計(jì)劃下發(fā):(1) 主網(wǎng)級(jí),調(diào)配中心通過(guò)主網(wǎng)調(diào)度容量分析,制定多級(jí)需求響應(yīng)目標(biāo)并逐級(jí)下發(fā)最優(yōu)功率目標(biāo)曲線(xiàn);(2) 饋線(xiàn)和配網(wǎng)級(jí),通過(guò)分析配網(wǎng)及其饋線(xiàn)內(nèi)可調(diào)容量,并參考主網(wǎng)最優(yōu)功率目標(biāo)曲線(xiàn),制定配網(wǎng)及饋線(xiàn)層優(yōu)化目標(biāo)并修正最優(yōu)功率曲線(xiàn);(3) 臺(tái)區(qū)級(jí),通過(guò)臺(tái)區(qū)內(nèi)可調(diào)容量分析,并參考配網(wǎng)及饋線(xiàn)層面最優(yōu)功率目標(biāo)曲線(xiàn),制定臺(tái)區(qū)優(yōu)化目標(biāo)并修正最優(yōu)功率曲線(xiàn)。最終,實(shí)現(xiàn)區(qū)域主網(wǎng)可調(diào)度容量?jī)?yōu)化分配。
圖2 多空間尺度上互動(dòng)分析架構(gòu)Fig.2 Multi-spatial scale interactive analysis architecture
在時(shí)間尺度上,建立準(zhǔn)實(shí)時(shí)、超短期和短期三種時(shí)間尺度的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制機(jī)制,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)整體高效運(yùn)行,如圖3所示。
圖3 多時(shí)間尺度上互動(dòng)分析架構(gòu)Fig.3 Multi-time scale interactive analysis architecture
(1) 短期(1 d)。短期協(xié)調(diào)優(yōu)化控制時(shí)間周期為1 d,首先根據(jù)歷史負(fù)荷預(yù)測(cè)主網(wǎng)當(dāng)天功率曲線(xiàn),作為主網(wǎng)規(guī)?;植际诫娫磪⑴c短期(1 d)互動(dòng)的一個(gè)優(yōu)化目標(biāo),該優(yōu)化目標(biāo)作為超短期優(yōu)化控制的參考約束曲線(xiàn),并在超短期優(yōu)化過(guò)程中作為一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行修正。
(2) 超短期(4 h)。超短期協(xié)調(diào)優(yōu)化控制時(shí)間周期為4 h,參考主網(wǎng)功率曲線(xiàn),修正該曲線(xiàn),并根據(jù)小型分布式電源和高密度分布式電源不同特點(diǎn),提出滿(mǎn)足超短期要求的其他相關(guān)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件,保證高密度和小型分布式電源規(guī)模化參與互動(dòng)情況下主網(wǎng)功率曲線(xiàn)最優(yōu)。
(3) 準(zhǔn)實(shí)時(shí)(15 min)。準(zhǔn)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制時(shí)間周期為15 min,參考每個(gè)超短期內(nèi)優(yōu)化功率曲線(xiàn),并修正該曲線(xiàn),并根據(jù)小型分布式電源和高密度分布式電源不同特點(diǎn),提出滿(mǎn)足準(zhǔn)實(shí)時(shí)要求的其他相關(guān)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件,目的同樣是保證高密度和小型分布式電源規(guī)?;瘏⑴c互動(dòng)情況下主網(wǎng)功率曲線(xiàn)最優(yōu)。
(1) 有功功率波動(dòng)最小。
(1)
式中:PGn為接入的集中式大容量分布式電源的發(fā)電輸出有功功率;PDm為接入規(guī)?;稍偕茉吹陌l(fā)電輸出有功功率;Ploss是系統(tǒng)總網(wǎng)損。
(2) 系統(tǒng)網(wǎng)損最小。
(2)
式中:K是節(jié)點(diǎn)數(shù);Gij是連接母線(xiàn)i和j的線(xiàn)路的電導(dǎo);Ui和Uj是母線(xiàn)i和母線(xiàn)j的電壓;θij是母線(xiàn)i和母線(xiàn)j電壓的相角差。
(3) 經(jīng)濟(jì)效益最大。
maxJ=Jr+Jf-Joc-Jof-Jp
(3)
式中:Jr為燃?xì)廨啓C(jī)售電收入;Jf為風(fēng)電場(chǎng)售電收入;Joc為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行費(fèi)用;Jof為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行費(fèi)用;Jp為聯(lián)絡(luò)線(xiàn)交換功率偏差懲罰費(fèi)用,計(jì)算如下[6,8]:
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
式中:ΔT為時(shí)間間隔,分為準(zhǔn)實(shí)時(shí)、超短期和短期3類(lèi);t為控制時(shí)域內(nèi)的時(shí)間序列;T為1 d,即24 h;λr為燃?xì)廨啓C(jī)售電價(jià)格;λf為風(fēng)電廠(chǎng)售電價(jià)格;λA和λB分別為燃?xì)廨啓C(jī)固定運(yùn)行費(fèi)用和單位發(fā)電燃料費(fèi)用;λC和λD分別為風(fēng)機(jī)固定運(yùn)行費(fèi)用和單位發(fā)電成本;λp是出力偏差懲罰電價(jià);Pg為燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組出力;Pf為風(fēng)電廠(chǎng)出力;Pl為下發(fā)負(fù)荷原始風(fēng)功率;Pd為電動(dòng)汽車(chē)充電功率。
(1) 節(jié)點(diǎn)潮流約束[12]。
(9)
式中:QGn為接入的集中式大容量分布式電源的發(fā)電輸出無(wú)功功率;QDm為接入規(guī)?;稍偕茉吹陌l(fā)電輸出無(wú)功功率,零值則表示該支路未接入分布式電源。
(2) 燃機(jī)輪機(jī)出力約束。
Pg_min≤Pg(t)≤Pg_max
(10)
式中:Pg_min,Pg_max分別為燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組出力下限和上限。
(3) 風(fēng)電廠(chǎng)出力約束。
Pf_min≤Pf(t)≤Pf_max
(11)
式中:Pf_min,Pf_max分別為風(fēng)機(jī)出力下限和上限。
(4) 燃機(jī)出力爬坡率約束。
Rg_min≤Pg(t+1)-Pg(t)≤Rg_max
(12)
式中:Rg_min,Rg_max分別為燃機(jī)機(jī)組出力爬坡率下限和上限。
(5) 風(fēng)機(jī)出力爬坡率約束。
Rf_min≤Pf(t+1)-Pf(t)≤Rf_max
(13)
式中:Rf_min,Rf_max分別為風(fēng)機(jī)出力爬坡率下限和上限。
(6) 負(fù)荷功率約束。
Pload_down≤Pl(t)+Pd(t)≤Pload_up
(14)
式中:Pload_down,Pload_up分別為可調(diào)負(fù)荷功率下限,可調(diào)負(fù)荷功率上限。
互動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化過(guò)程如圖2、3所示,從空間尺度和時(shí)間尺度上針對(duì)輸電層開(kāi)展協(xié)調(diào)優(yōu)化控制??臻g尺度上,以全網(wǎng)有功功率輸出平衡為目標(biāo)曲線(xiàn),通過(guò)多空間尺度下發(fā)至配網(wǎng)、饋線(xiàn)和臺(tái)區(qū),在滿(mǎn)足就地新能源消納基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)、饋線(xiàn)和配網(wǎng)多級(jí)多余能量的上送;時(shí)間尺度上,以日預(yù)測(cè)功率曲線(xiàn)為優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)4 h(超短期)和15 min(準(zhǔn)實(shí)時(shí))的優(yōu)化控制,實(shí)現(xiàn)1 d(短期)協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)。
應(yīng)用場(chǎng)景如圖4所示。其中,DS為大型儲(chǔ)能設(shè)備;WT為大型風(fēng)電場(chǎng);MT為大型燃?xì)廨啓C(jī),均接入配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn);DE為大型電動(dòng)汽車(chē)充換電站,波峰階段作為儲(chǔ)能設(shè)備向電網(wǎng)饋電,波谷階段從電網(wǎng)充電,接入饋線(xiàn)級(jí)節(jié)點(diǎn)??芍袛嘭?fù)荷及單個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電屬于臺(tái)區(qū)級(jí)控制。
圖4 分布式電源接入主網(wǎng)簡(jiǎn)圖Fig.4 The distributed power supply is connected to the main network schematic
(1) 負(fù)荷需求??傌?fù)荷最大值98 MW,其中10 kV及以下負(fù)荷最大值為84 MW,高壓負(fù)荷為14 MW。
(2) 峰谷時(shí)段劃分。峰時(shí)段(6:00—22:00)為:0.617元/(kW·h),谷時(shí)段(22:00—次日6:00)為:0.307元/(kW·h)。
(3) 輸電網(wǎng)層面各電源發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)。風(fēng)電:0.56元/(kW·h),燃機(jī):0.35元/(kW·h)。
(4) 微電網(wǎng)層面的各單元成本。(1) 6×100 kW燃料電池。采用6塊燃料電池,燃料蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如下:容量為1500 kW·h,充放電功率為100 kW,放電成本為0.5元/(kW·h)。(2) 500×3.3 kW電動(dòng)汽車(chē)。假定該微網(wǎng)內(nèi)有500輛電動(dòng)汽車(chē),采用鋰電池放電成本為0.915元/(kW·h),EV電池容量為30 kW·h,充放電功率為3.3 kW。谷時(shí)段,電動(dòng)汽車(chē)充電。(3) 可中斷負(fù)荷補(bǔ)償成本,為0.6元/(kW·h)。
仿真中優(yōu)化協(xié)調(diào)控制周期根據(jù)多時(shí)空機(jī)制劃分為短期(1 d)、超短期(4 h)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)(15 min)3個(gè)方式,即1 d分為96個(gè)時(shí)段,每段時(shí)長(zhǎng)為15 min,與準(zhǔn)實(shí)時(shí)時(shí)間尺度吻合,采用MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)。含高密度大功率分布式電源的配電網(wǎng)日功率預(yù)測(cè)曲線(xiàn)如圖5所示。
圖5 接入分布式電源的輸電網(wǎng)日功率預(yù)測(cè)Fig.5 Power transmission grid daily power forecast for distributed power supply
該日基礎(chǔ)負(fù)荷曲線(xiàn)中包含一個(gè)用電低谷和兩個(gè)用電高峰,可知該曲線(xiàn)服從三段式正態(tài)分布,經(jīng)過(guò)擬合運(yùn)算得出其概率密度函數(shù)為:
(15)
式中各變量具體取值如下:
(16)
該日功率預(yù)測(cè)曲線(xiàn)概率密度函數(shù)可為后續(xù)分布式電源參與電網(wǎng)互動(dòng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略的執(zhí)行提供參考。各分布式電源的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 分布式電源的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of distributed power supply
輸電層分布式電源參與互動(dòng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化功率曲線(xiàn)對(duì)比如圖6所示。
圖6 DG參與互動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化功率曲線(xiàn)對(duì)比Fig.6 DG participates in the interaction and coordination optimization power curve comparison
由圖可知,若僅執(zhí)行短期(1 d)優(yōu)化,相對(duì)于日預(yù)測(cè)功率曲線(xiàn)優(yōu)化后的波峰功率有所減小、波谷功率有所增大,顯示了削峰填谷效果;但是超短期和準(zhǔn)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)優(yōu)化削峰填谷效果更為顯著,協(xié)調(diào)控制周期越短,削峰填谷效果越明顯。且協(xié)調(diào)優(yōu)化后,大型風(fēng)燃出力相對(duì)于圖5顯著下降,減少污染排放。
分布式電源參與電網(wǎng)互動(dòng)后,系統(tǒng)網(wǎng)損與未接入分布式電源時(shí)的系統(tǒng)網(wǎng)損對(duì)比如圖7所示。
圖7 DG參與互動(dòng)前后系統(tǒng)網(wǎng)損對(duì)比Fig.7 DG participated in the system network loss comparison before and after the interaction
由圖7可知,分布式電源接入主網(wǎng)后的每個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)損比分布式電源未接入前的每個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)損小,說(shuō)明規(guī)?;植际诫娫唇尤牒缶W(wǎng)損降低。
通過(guò)公式(3)計(jì)算優(yōu)化后的最大經(jīng)濟(jì)效益為49.96萬(wàn)元,相比優(yōu)化前12.34萬(wàn)元(崇明供電公司提供的分布式電源參與供電的經(jīng)濟(jì)效益),增加了37.62萬(wàn)元收益。
文中主要研究了含分布式電源接入的電網(wǎng)源網(wǎng)多元智能協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略,建立了以多時(shí)空尺度為基準(zhǔn)的源網(wǎng)多元互動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型,以上海崇明島為例分析了不同分布式電源接入后整個(gè)輸電網(wǎng)層面優(yōu)化功率曲線(xiàn)、風(fēng)燃出力曲線(xiàn)以及最大經(jīng)濟(jì)效益等目標(biāo),驗(yàn)證了所提優(yōu)化控制策略的有效性,可為規(guī)?;呙芏确植际诫娫唇尤腚娋W(wǎng)提供優(yōu)化控制依據(jù)。