基于多端口能源路由器的配電臺區(qū)間優(yōu)化控制策略研究

馬仲坤,黃奇峰,戚星宇,戴黎明,蔣志堅

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司,江蘇 常州 213003)

隨著大量分布式能源、儲能系統(tǒng)的接入,配電系統(tǒng)在逐步進入具有電力電子化特征的“交直流混合”時代[1-4]。由于分布式能源的分散性、隨機性、間歇性,其大規(guī)模接入配電網(wǎng)將對配網(wǎng)運行的安全性和質(zhì)量造成嚴重影響[5-6]。為了應對挑戰(zhàn),大量多端口能源路由器被安裝在配網(wǎng)中以實現(xiàn)配電臺區(qū)內(nèi)源儲荷協(xié)調(diào)控制策略,從而降低臺區(qū)內(nèi)運行損耗,實現(xiàn)新能源發(fā)電、儲能系統(tǒng)、直流充電樁、數(shù)據(jù)中心等設施的高效接入[7-10]。

目前臺區(qū)間的互聯(lián)互通仍采用基于拓撲重構(gòu)、開關(guān)組合狀態(tài)切換等方法。由于交流電網(wǎng)“閉環(huán)設計、開環(huán)運行”的特征,在這種交流互聯(lián)互供方式下,臺區(qū)之間的母聯(lián)開關(guān)在系統(tǒng)正常運行時往往處于冷備用狀態(tài),只有在臺區(qū)配變失電工況下觸發(fā)啟動,無法實現(xiàn)多臺區(qū)在線實時均衡、互濟,且無法精準調(diào)控臺區(qū)之間需要互濟的功率[11-14]。

隨著多端口能源路由器的發(fā)展成熟以及在配網(wǎng)中廣泛應用,通過多端口能源路由器實現(xiàn)臺區(qū)間的互聯(lián)互通成為可能[15]。能源路由器的結(jié)構(gòu)是從固態(tài)變壓器[16]發(fā)展而來的,其在固態(tài)變壓器功能的基礎上,能源路由器還可以實現(xiàn)對分布式能源和各種交直流負載的即插即用式接入。得益于電力電子技術(shù)和通信技術(shù)的進步,能源路由器在交直流混合配電[17]、能源優(yōu)化管理[18]等方面應用廣泛,在低壓配網(wǎng)管理中扮演重要的角色[19]。由于具備高效的能量傳輸和轉(zhuǎn)化功能,采用多端口能源路由器實現(xiàn)臺區(qū)間能量優(yōu)化具有廣闊的應用前景。文獻[20]分析了多端口能源路由器在實現(xiàn)配電臺區(qū)間能量交互的關(guān)鍵技術(shù)和能量交互模式。這些研究的重點多集中在太區(qū)間互聯(lián)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、設備和電能傳輸路徑上。本文從配電臺區(qū)運行的安全性和經(jīng)濟性出發(fā),研究了基于多端口能源路由器的臺區(qū)間的優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)度。

本文旨在通過臺區(qū)間的能源優(yōu)化調(diào)度,從而降低配電臺區(qū)重過載風險,提高配電臺區(qū)運行效率。首先對應用多端口能源路由器進行臺區(qū)間互聯(lián)的作用進行了介紹,并闡釋了應用多端口能源路由器進行臺區(qū)間的互聯(lián)的實現(xiàn)流程。在此基礎上,以臺區(qū)配電變壓器最佳負載率為目標構(gòu)建了基于多端口能源路由器的臺區(qū)間協(xié)調(diào)調(diào)度模型,最后通過算例驗證了所提方法為臺區(qū)配變經(jīng)濟運行帶來的改善,并分析了不同容量的能源路由器對多提方法帶來的影響。

1 能源路由器實現(xiàn)臺區(qū)間互聯(lián)

1.1 臺區(qū)間互聯(lián)運行模型

基于多端口能源路由器的臺區(qū)間互聯(lián)運行示意圖如圖1所示,1號臺區(qū)和2號臺區(qū)分別通過一個多端口能源路由器與臺區(qū)變壓器母線相連,并通過內(nèi)部交直流換流器為裝置內(nèi)部750 V直流母線供電。多端口能源路由器提供了不同電壓幅值的直流端口為臺區(qū)內(nèi)部的充電樁、路燈等供電,并配備了儲能電池以抑制功率波動。1號臺區(qū)和2號臺區(qū)通過能源路由器的750 V直流端口實現(xiàn)2個臺區(qū)間的互聯(lián)互通。當1號臺區(qū)輕載,2號臺區(qū)重載時,可通過1號臺區(qū)向2號臺區(qū)的能源流動實現(xiàn)兩個臺區(qū)間的綜合輕載率和重載率降低。

圖1 臺區(qū)互聯(lián)運行示意Fig.1 Schematic diagram of the interconnection between distribution station areas

1.2 臺區(qū)間配置能源路由器的作用

能源路由器作為多個臺區(qū)間潮流調(diào)控手段,其功率交互直接影響了資源的利用效率和系統(tǒng)運行狀態(tài)的安全穩(wěn)定。對于多端能源路由器的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制是交直流配網(wǎng)能源管理中的重要問題。

基于臺區(qū)配電變壓器運行特性曲線(圖2)可知,當臺區(qū)配變輕載或重載運行時,其均未工作在最佳運行效率點上。當臺區(qū)配變負載率大于額定容量時,配變負載損耗將急劇增加,長期超負荷運轉(zhuǎn)將嚴重影響臺區(qū)配電變壓器的壽命,帶來安全問題;當臺區(qū)配電變壓器長期低于額定功率工作時同樣也會造成大量線損,增加運行成本。此外,通過能源路由器進行臺區(qū)間功率互聯(lián)互通,不僅能夠改善臺區(qū)間配電變壓器的負載率,還能夠?qū)崿F(xiàn)臺區(qū)間功率互補,增強對新能源的消納能力。因此,通過能源路由器優(yōu)化調(diào)控臺區(qū)間功率平衡對臺區(qū)安全經(jīng)濟運行具有重要意義。

圖2 臺區(qū)配變運行特性Fig.2 Distribution station area transformer operating characteristics

1.3 臺區(qū)間優(yōu)化調(diào)度流程

臺區(qū)互聯(lián)新形態(tài)下,通過能源路由器彼此互聯(lián)互濟能夠有效實現(xiàn)對臺區(qū)間功率的在線調(diào)節(jié),從而動態(tài)調(diào)整不同臺區(qū)負載率,提高臺區(qū)群運行效率。臺區(qū)之間互聯(lián)功率決策是改善臺區(qū)間潮流分布的關(guān)鍵,通過臺區(qū)多端口能源路由器管理系統(tǒng)決策臺區(qū)功率交換指令,然后分別下發(fā)給不同臺區(qū)多端口能源路由器,實現(xiàn)臺區(qū)間的能源優(yōu)化調(diào)度。在每個優(yōu)化周期,基于臺區(qū)運行信息,優(yōu)化調(diào)整互濟功率指令,在下次優(yōu)化周期到來時,保持指令值不變。具體實施步驟如下。

(1)基于當前時刻的臺區(qū)配變狀態(tài),判斷是否需要進行優(yōu)化調(diào)控。如果需要則進入第二步。

(2)讀取配電臺區(qū)內(nèi)電源、負荷、儲能等裝置的功率信息,以及多端口能源路由器的容量等相關(guān)信息。

(3)基于當前獲得的數(shù)據(jù),建立臺區(qū)間多端口能源路由器優(yōu)化調(diào)控數(shù)學模型。

(4)調(diào)用優(yōu)化求解器,對優(yōu)化調(diào)控模型進行求解,得到臺區(qū)間多端口能源路由器的調(diào)控指令。

(5)執(zhí)行能源調(diào)控指令,實現(xiàn)臺區(qū)間能源優(yōu)化調(diào)度。此時回到步驟1,再次進行判斷循環(huán)。

2 臺區(qū)間互聯(lián)優(yōu)化控制模型

本文以臺區(qū)間多端口能源路由器為研究對象,以提升臺區(qū)配變設備利用率和運行效率為目標,在臺區(qū)間互聯(lián)基礎上,建立臺區(qū)間基于多端口能源路由器的優(yōu)化調(diào)控模型,如圖3所示。通過對目標函數(shù)和約束條件對臺區(qū)間優(yōu)化調(diào)度策略進行約束和求解,實現(xiàn)在滿足安全性指標的情況下對臺區(qū)間功率進行優(yōu)化調(diào)度。以此為依據(jù),下達功率調(diào)控指令,推動新型電力系統(tǒng)下臺區(qū)間互聯(lián)互濟,提升配電網(wǎng)整體運行水平。

圖3 基于多端能源路由器的互聯(lián)系統(tǒng)Fig.3 Interconnection system based on multiterminal energy routers

2.1 目標函數(shù)

負載率是臺區(qū)配變效率的重要影響因素,以臺區(qū)配電變壓器運行效率最高,也及負載率最接近額定負載率為目標,建立臺區(qū)優(yōu)化調(diào)控模型,其目標函數(shù)為:

(1)

(2)

式中,ST,i為在優(yōu)化周期T時刻,第i個臺區(qū)配電變壓器容量;λi為權(quán)重系數(shù),ηb,i為第i個臺區(qū)配電變壓器的最佳負載率,N為臺區(qū)數(shù)量。

2.2 約束條件

(1)臺區(qū)潮流平衡方程:

Pi=Pac,i+Pdc,i

(3)

(4)

(5)

(6)

φ+,i·φ-,i=0

(7)

式中,Pac,i、Pdc,i分別為臺區(qū)配電變壓器交流側(cè)和直流側(cè)負荷功率;Pvdc為多端口能源路由器的流入和流出功率;φ為0～1變量,代表多端口能源路由器的狀態(tài),當為1時,表示第i個臺區(qū)向多端口能源路由器注入功率;反之,表示第i個臺區(qū)從多端口能源路由器吸收的功率。

(2)臺區(qū)配電變壓器運行安全約束:

0≤Pi≤ηiST,i

(8)

式中,ηi為第i個臺區(qū)配電變壓器重載預警值。

(3)能源路由器功率約束?？紤]能源路由器容量限制以及功率方向,構(gòu)建以下約束:

-Pei,rated≤Pei,i≤Pei,rated

(9)

式中,Pei,rated為能源路由器的功率約束。

(4)能源路由器功率平衡約束:

(10)

式中,Ui為第i個臺區(qū)能源路由器的節(jié)點電壓;Gij為兩個相連的能源路由器間的互電導,當i與j相等時,則Gij為編號為i的能源路由器的自電導。

(5)多端口能源路由器連接處電壓約束。為了保障多端口能源路由器電壓穩(wěn)定在安全運行范圍,對其施加約束條件:

Ui,min≤Ui≤Ui,max

(11)

式中,Ui,min、Ui,max分別為臺區(qū)間多端口能源路由器連接處允許的電壓最小值、電壓最大值。

2.3 模型求解

基于上述目標函數(shù)、功率平衡方程和運行約束條件,構(gòu)建臺區(qū)間基于多端口能源路由器優(yōu)化調(diào)控模型,實現(xiàn)臺區(qū)互聯(lián)的高效運行。為了快速求解,將所提出模型進行標準化處理,建立混合整數(shù)非線性約束二次規(guī)劃問題,如式所示,然后利用主流解法器對優(yōu)化模型進行求解。

(12)

式中,H、h、x1、xu分別為模型系數(shù)矩陣;x為優(yōu)化變量,都可根據(jù)上述模型推導得到。

2.4 評價指標

臺區(qū)配電變壓器負載率是配電臺區(qū)的重要安全性和經(jīng)濟性指標,負載率過大嚴重影響臺區(qū)變壓器的工作壽命,帶來安全性隱患,貳負載率長期處于低于額定電壓水平同樣也會造成大量線損,增加成本。為了評價基于能源路由器的臺區(qū)間能源調(diào)控效果,為模型建立了以臺區(qū)配電變壓器綜合輕載率、重載率以及最佳運行點等指標,從而使臺區(qū)配電變壓器能夠長期運行在額定負載率附近。

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中,δ1、δu、γt分別為臺區(qū)配電變壓器的輕載率、重載率以及最佳運行點接近程度指標;Pi,t為第i個臺區(qū)在t時刻配點變壓器的總負載功率。

3 算例分析

3.1 參數(shù)設置

以圖3所示的基于多端能源路由器的共母線型互聯(lián)系統(tǒng)為例開展調(diào)控效果分析。3個配電臺區(qū)的配電變壓器容量均為400 kVA,配電變壓器最佳運行點對應的負載率設置為0.65。3個配電臺區(qū)的負荷功率曲線如圖4所示。

圖4 臺區(qū)負荷曲線Fig.4 Load curves of the distribution station area

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)過調(diào)控后,最佳運行點接近度曲線以及輕載和重載的統(tǒng)計結(jié)果如圖5、圖6所示。其中,輕載、重載分別指負載率低于0.2、負載率高于0.8。在調(diào)控前,由3個臺區(qū)的最佳運行點綜合接近度曲線可以看出,最佳運行點的偏離度均在0.12以上,且存在輕載和重載的情況,分別為32%和24%。

圖5 最佳運行點綜合接近度曲線Fig.5 The best running point comprehensive proximity curves

圖6 輕載和重載統(tǒng)計分析結(jié)果Fig.6 Results of statistical analysis of light and heavy loads

經(jīng)過所提方法開展調(diào)控后,臺區(qū)配電變壓器輕載率和重載率均顯著降低,變?yōu)?,使得臺區(qū)配點變壓器的工作狀況更加均衡。調(diào)控后,臺區(qū)配電變壓器工作狀況也更加接近最佳運行點。在11:00—21:00,臺區(qū)配電變壓器距最佳運行點的偏離度顯著降低。多端口能源路由器的指令曲線如圖7所示,調(diào)控功率均小于100 kW。

圖7 多端口能源路由器指令曲線Fig.7 Multiport energy router command curves

上述結(jié)果展示了基于多端口能源路由器的臺區(qū)間功率調(diào)控對實現(xiàn)臺區(qū)間能源互聯(lián)互通,改善臺區(qū)配電變壓工況的有效性,調(diào)控的開展顯著降低了臺區(qū)配電變壓器的綜合重載率和輕載率。

3.3 能源路由器容量對優(yōu)化調(diào)控影響

基于100 kW容量的能源路由器進行了調(diào)控策略的研究,驗證了臺區(qū)間優(yōu)化調(diào)控策略的有效性。為了進一步分析多端口能源路由器容量對調(diào)控策略的影響,設置能源路由器容量在40～100 kW,進行不同容量下的調(diào)控效果分析,如圖8所示。

圖8 不同容量下輕載和重載統(tǒng)計分析結(jié)果Fig.8 Statistical analysis results of light and heavy loads under different capacities

由圖8可以看出,在多端口能源路由器容量為0時,對臺區(qū)配電變壓器的輕載率和重載率沒有帶來改變。而當多端口能源路由器容量提升至40 kW時,重載率和輕載率顯著降低,綜合重載率降至4%,輕載率將至0%。隨著臺區(qū)配電變壓器容量的增加,綜合重載率進一步降低,直至0%。

上述分析表明,所提調(diào)控模型能夠適應不同容量的多端口能源路由器帶來的影響,顯著提高臺區(qū)配點變壓器的經(jīng)濟運行能力。

3.4 配電變壓器最佳運行點對優(yōu)化調(diào)控影響

對臺區(qū)配電變壓器的最佳運行點是否對優(yōu)化調(diào)控有影響進行研究。在不同的臺區(qū)配電變壓器最佳運行點時,進行了優(yōu)化調(diào)控。配電變壓器最佳運行點組合見表1,不同組合下偏離度曲線如圖9所示。

表1 配電變壓器最佳運行點組合Tab.1 Combination of optimal operating points for distribution transformers

圖9 不同組合下偏離度曲線Fig.9 Deviation curves under different combinations

由圖9可以看出,針對不同的臺區(qū)配電變壓器最佳運行點,在11:00—21:00內(nèi),所提優(yōu)化調(diào)控策略均能顯著降低臺區(qū)配電變壓器距最佳運行點的偏離度。結(jié)果表明,所提調(diào)控方法能夠適應不同配變最佳運行點帶來的影響。

4 結(jié)語

本文介紹了基于多端口能源路由器的臺區(qū)間協(xié)調(diào)調(diào)度流程,構(gòu)建了基于多端口能源路由器的優(yōu)化調(diào)度模型,最后結(jié)合算例驗證了優(yōu)化調(diào)控模型對配變負載率優(yōu)化效果,探討了多端口能源路由器容量對于優(yōu)化調(diào)控的影響,得出以下結(jié)論。

(1)基于多端口能源路由器的協(xié)調(diào)調(diào)控方法能夠改善臺區(qū)配變的負載率,降低不同臺區(qū)間的重載率和輕載率,提升臺區(qū)配變經(jīng)濟運行水平。

(2)所提出的模型對不同容量的能源路由器具有良好的適應性,在容量較低時也能改善臺區(qū)配變的運行水平。

(3)所提出的模型在臺區(qū)配變最佳運行點改變時仍能夠保持較好的調(diào)控效果。