計(jì)及可平移負(fù)荷的配電網(wǎng)光伏消納策略

江宏玲，周 成

(1.安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院， 合肥 230088； 2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，合肥 230088； 3.安徽國(guó)際商務(wù)職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，合肥 231131)

0 引 言

由于傳統(tǒng)的火電、煤電等發(fā)電方式所帶來(lái)的環(huán)境惡化問(wèn)題日益嚴(yán)重，以光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電方式因具有環(huán)境友好型的特點(diǎn)而使其在電力系統(tǒng)中的裝機(jī)容量比例不斷上升，光伏發(fā)電在配電網(wǎng)中的滲透率會(huì)不斷提高[1]。隨著在當(dāng)今配電網(wǎng)中分布式光伏的大量應(yīng)用，主動(dòng)配電網(wǎng)[2-3]這個(gè)新的概念被提出和研究。主動(dòng)配電網(wǎng)具有傳統(tǒng)配電網(wǎng)所不具備的可控可調(diào)資源，利用這些可控可調(diào)資源可以人為對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和協(xié)同控制。然而，由于環(huán)境因素的影響，光伏發(fā)電的輸出隨機(jī)且不穩(wěn)定，容易引起配電網(wǎng)中的電壓波動(dòng)，并且頻繁發(fā)生光損耗，導(dǎo)致嚴(yán)重的光損耗[4]。

為了避免棄光現(xiàn)象的出現(xiàn)，文獻(xiàn)[5]中提出采用配電網(wǎng)重構(gòu)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電最大化消納。文獻(xiàn)[6]中介紹了一種配電網(wǎng)主動(dòng)管理方法，通過(guò)調(diào)節(jié)有載變壓器、儲(chǔ)能充放電等措施對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行日前優(yōu)化，提高分布式光伏的消納能力。文獻(xiàn)[7]中考慮到實(shí)際運(yùn)行中某些配電網(wǎng)中無(wú)儲(chǔ)能設(shè)施，提出采用統(tǒng)一潮流控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)微網(wǎng)之間的剩余能量傳輸，從而提高配電網(wǎng)的能源互動(dòng)水平，避免棄光的出現(xiàn)。但上述論文均沒(méi)有考慮到對(duì)用戶側(cè)的負(fù)荷管理。文獻(xiàn)[8]中提出將用戶側(cè)負(fù)荷納入到電網(wǎng)調(diào)度可以起到優(yōu)化作用。文獻(xiàn)[9]中指出考慮到間歇性能源的增長(zhǎng)，柔性負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)度具有巨大的潛力可以挖掘。文獻(xiàn)[10]中將用戶側(cè)負(fù)荷分為可平移負(fù)荷與不可平移的隨機(jī)負(fù)荷，根據(jù)可平移負(fù)荷的運(yùn)行特性，采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行日前優(yōu)化調(diào)度，完成了分布式光伏與可平移負(fù)荷間的聯(lián)合優(yōu)化及調(diào)度，提高了微電網(wǎng)對(duì)其消納效率。文獻(xiàn)[11-13]中考慮了調(diào)度單元的時(shí)間特性，并使用了考慮可平移負(fù)荷的多時(shí)間尺度的優(yōu)化調(diào)度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的相關(guān)優(yōu)化。文獻(xiàn)[14-16]中考慮了微電網(wǎng)中的可平移負(fù)荷調(diào)度，根據(jù)可平移負(fù)荷的類(lèi)型與運(yùn)行時(shí)段不同，提出了一系列的可平移負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[17]中將用戶側(cè)負(fù)荷成了3類(lèi)，根據(jù)3種負(fù)荷的特點(diǎn)，建立了住宅用電量的概率模型。實(shí)踐證明，通過(guò)調(diào)度居民用電負(fù)荷可以實(shí)現(xiàn)分布式光伏能源的消納最大化。文獻(xiàn)[18]中將負(fù)荷分為重要負(fù)荷、可調(diào)整負(fù)荷與可平移負(fù)荷三類(lèi)參與配電網(wǎng)主動(dòng)管理。

本文從傳統(tǒng)配電網(wǎng)的實(shí)際情況出發(fā)，將文獻(xiàn)[14-16]中在微網(wǎng)中提到的可平移負(fù)荷應(yīng)用到配電網(wǎng)中來(lái)，綜合考慮調(diào)度可平移負(fù)荷和調(diào)節(jié)靜止無(wú)功補(bǔ)償器來(lái)進(jìn)行配電網(wǎng)的日前有功無(wú)功優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)光伏消納最大化的目標(biāo)。

1 光伏棄光分析

1.1 光伏棄光最小化分析

配電網(wǎng)中光伏并網(wǎng)后，若并網(wǎng)點(diǎn)電壓越限，將引起棄光現(xiàn)象。為了減小棄光量，可加入AM措施[6]。

圖1為光伏并網(wǎng)的等值電路簡(jiǎn)單示意圖。圖中:US為系統(tǒng)電壓；線路阻抗為Z=R+jX；U為光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓；P和Q分別為系統(tǒng)流向光伏并網(wǎng)點(diǎn)的有功、無(wú)功功率；PL和QL分別為并網(wǎng)點(diǎn)的有功、無(wú)功負(fù)荷；Qc是流向并網(wǎng)點(diǎn)處的無(wú)功補(bǔ)償功率。

圖1 光伏并網(wǎng)簡(jiǎn)單示意圖

由文獻(xiàn)[19]可知，對(duì)圖1有公式如下：

(1)

對(duì)式(1)進(jìn)行恒等變換：

(2)

由式(2)可知，若加入主動(dòng)管理措施，可減少的棄光量。

(1) 無(wú)功補(bǔ)償QC。在增大光伏消納中，SVC不再向系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功而是吸收無(wú)功，此時(shí)

(QL+QC1-QPV)X/R

(3)

相比式(2)，光伏減少的棄光量為:

(4)

(2) 可平移負(fù)荷PSL。設(shè)并網(wǎng)點(diǎn)凈轉(zhuǎn)入可平移負(fù)荷量為PSL， 式(3)可恒等變換為：

(5)

可以看出,隨著節(jié)點(diǎn)可平移負(fù)荷的轉(zhuǎn)入，相比式(2)，光伏減少的棄光量為

(6)

1.2 光伏棄光估算

傳統(tǒng)配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓越限時(shí)，光伏會(huì)出現(xiàn)棄光以保護(hù)逆變?cè)O(shè)備的可靠運(yùn)行。本文針對(duì)這一現(xiàn)象，提出了一種傳統(tǒng)配電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中光伏棄光量的計(jì)算方法，具體流程如圖2所示。圖中，tstart、tend分別是發(fā)電起始和結(jié)束時(shí)。

對(duì)圖2有計(jì)算式如下：

(7)

圖2 棄光估算流程圖

2 可平移負(fù)荷模型

2.1 可平移負(fù)荷特性分析

本文中可平移負(fù)荷是指供電時(shí)間可以按照調(diào)度需求變動(dòng)的負(fù)荷，可平移負(fù)荷的變動(dòng)是在優(yōu)化當(dāng)天進(jìn)行的，不涉及到其他時(shí)間段的負(fù)荷。可平移負(fù)荷按照用電量的大小和其用電持續(xù)時(shí)間的不同可劃分成多類(lèi)。由于用電量較大的設(shè)備可以理解為許多相同持續(xù)時(shí)間的用電量較小設(shè)備的疊加，故本文只依據(jù)用電持續(xù)時(shí)間的不同對(duì)可平移負(fù)荷進(jìn)行劃分。下面以3種不同持續(xù)時(shí)間的可平移負(fù)荷為例進(jìn)行可平移負(fù)荷介紹。

圖3中，可平移負(fù)荷1的持續(xù)時(shí)間為1個(gè)時(shí)間段；可平移負(fù)荷2的持續(xù)時(shí)間為3個(gè)時(shí)間段；可平移負(fù)荷3的持續(xù)時(shí)間為2個(gè)時(shí)間段。需要注意的是,在轉(zhuǎn)移過(guò)程中,同一種可平移負(fù)荷的持續(xù)時(shí)間段和持續(xù)時(shí)間段內(nèi)的負(fù)荷量要一定，如圖2中第2類(lèi)負(fù)荷在平移前連續(xù)時(shí)間段的比例為3∶2∶1，則在平移后也要在連續(xù)時(shí)間段內(nèi)以3∶2∶1的比例分配。

圖3 可平移負(fù)荷轉(zhuǎn)移圖

2.2 可平移負(fù)荷約束條件

某一時(shí)刻的有功負(fù)荷可表達(dá)為：

(8)

(9)

根據(jù)可平移負(fù)荷的定義，轉(zhuǎn)出的可平移負(fù)荷必定在時(shí)間上先于轉(zhuǎn)出的可平移負(fù)荷，且本文研究的轉(zhuǎn)出的可平移負(fù)荷需在當(dāng)天內(nèi)全部轉(zhuǎn)入到其他時(shí)間段，故對(duì)于任意節(jié)點(diǎn)可平移負(fù)荷轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出的數(shù)量約束為：

(10)

式中,Ps為第S類(lèi)可平移負(fù)荷的整個(gè)工作時(shí)間段。

3 目標(biāo)函數(shù)與約束條件

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文采用的是日前調(diào)度的模型，模型的目標(biāo)函數(shù)為1 d內(nèi)最小化光伏發(fā)電的棄光量，其目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為：

(11)

3.2 約束條件

3.2.1 配電網(wǎng)潮流約束

由于研究的配電網(wǎng)是為輻射型的，潮流方程的約束可以通過(guò)distflow方程[20]獲得。所有的約束條件如下：

(12)

(13)

(14)

3.2.2 二階錐規(guī)劃

從可平移負(fù)荷約束到潮流約束可以看出,本文要解決的是非線性非凸優(yōu)化問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，本文采用二階錐規(guī)劃(SOCP)。

(21)

對(duì)式(24)進(jìn)行松弛為：

(25)

將其等價(jià)變換為標(biāo)準(zhǔn)二階錐形式：

(26)

文獻(xiàn)[21]中證明了二階錐松弛不會(huì)對(duì)優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生影響。這樣本文的優(yōu)化問(wèn)題就變成了凸優(yōu)化問(wèn)題，這類(lèi)問(wèn)題通?？梢越柚贕urobi、Cplex求解器求解。

4 算 例

4.1 算 例

本文選取金寨縣某28節(jié)點(diǎn)高滲透率配電網(wǎng)作為算例進(jìn)行分析研究，在MatlabR2016a平臺(tái)上利用YALMIP構(gòu)建模型并調(diào)用Cplex求解器來(lái)進(jìn)行算例仿真。金寨縣28節(jié)點(diǎn)某配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 金寨縣某28節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)

配電網(wǎng)電壓等級(jí)為10 kV，功率參考基準(zhǔn)為10 MVA，節(jié)點(diǎn)電壓的上限和下限分別為1.05 p.u.和0.95 p.u.，電流上限取1p.u.。配電網(wǎng)中共接有9個(gè)SVC，無(wú)功補(bǔ)償范圍均為-200～200 kvar；共接了8個(gè)光伏，每個(gè)節(jié)點(diǎn)光伏的總裝機(jī)容量如表1所示。

表1 光伏裝機(jī)容量 kW

4.2 算例分析

4.2.1 場(chǎng)景設(shè)置

考慮到金寨縣配電網(wǎng)在運(yùn)行中的實(shí)際過(guò)程，本文考慮了3種場(chǎng)景下的光伏棄光情況。

場(chǎng)景1未計(jì)及可平移負(fù)荷與SVC的調(diào)節(jié)且不考慮由于負(fù)荷過(guò)重引起的電壓越下限問(wèn)題，考慮到金寨縣配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，電壓越上限時(shí)接有光伏的節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)光伏脫網(wǎng)的情況，且一般會(huì)在1 h左右恢復(fù)并網(wǎng)。

場(chǎng)景2未計(jì)及可平移負(fù)荷，依靠調(diào)節(jié)SVC無(wú)功補(bǔ)償和協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)光伏的出力來(lái)減少棄光。

場(chǎng)景3計(jì)及可平移負(fù)荷，綜合考慮SVC、PV和可平移負(fù)荷來(lái)達(dá)到減少棄光的目標(biāo)。依照文獻(xiàn)[15]中取可平移負(fù)荷占總負(fù)荷的50%，取3類(lèi)可平移負(fù)荷。第1類(lèi)負(fù)荷工作持續(xù)1 h，功率為70 kW；第2類(lèi)負(fù)荷工作持續(xù)2 h，各階段功率分別為40、25 kW；第3類(lèi)負(fù)荷工作持續(xù)3 h，各階段功率分別為20、15和12 kW。

4.2.2 場(chǎng)景分析

由于節(jié)點(diǎn)12的光伏裝機(jī)容量較大且靠近末節(jié)點(diǎn)易出現(xiàn)電壓越下限的問(wèn)題，故本文采用以節(jié)點(diǎn)12為代表分析節(jié)點(diǎn)電壓變化和SVC趨勢(shì)變化。配電網(wǎng)的各時(shí)刻總光伏與總負(fù)荷、可平移負(fù)荷如圖如5所示。圖6顯示了3種場(chǎng)景下做出的節(jié)點(diǎn)12的電壓趨勢(shì)圖。

圖5 負(fù)荷與光伏數(shù)據(jù)曲線圖

圖6 電壓曲線圖

由圖5可知，光伏在10.00～16.00的有功出力值相較于負(fù)荷值非常大，會(huì)導(dǎo)致電壓越限。在圖6中可以看出,場(chǎng)景1在10.00～16.00的電壓值非常逼近或等于1.05 p.u.，這是由于在場(chǎng)景1的設(shè)定下當(dāng)電壓超過(guò)1.05 p.u.時(shí)，會(huì)模擬配電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況進(jìn)行棄光，直至電壓小于等于1.05 p.u.。從圖6場(chǎng)景1的電壓來(lái)看，提出的方法很好地模擬了配電網(wǎng)棄光的運(yùn)行情況。但是由圖6知,場(chǎng)景1不能解決電壓越下限的問(wèn)題且棄光量比較大。

從圖6可以看出，場(chǎng)景2與場(chǎng)景3下電壓既沒(méi)越上限也未越下限，電壓偏差較場(chǎng)景1大幅下降。這是由于在場(chǎng)景2與場(chǎng)景3中協(xié)調(diào)了光伏間的出力，并在場(chǎng)景2中加入了SVC，在場(chǎng)景3中加入了SVC與可平移負(fù)荷的結(jié)果。

圖7為3種場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)12上安裝的SVC的補(bǔ)償容量變化趨勢(shì)圖，其中場(chǎng)景1中的SVC不參與調(diào)節(jié)，故為0。從圖5～7的對(duì)比可知，場(chǎng)景2中SVC在光伏尚未出力的1.00～6.00之間向系統(tǒng)注入約100 kvar的無(wú)功功率，以保證系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓不越下限；7.00～8.00由于光伏出力較小，SVC繼續(xù)保持向電網(wǎng)注入無(wú)功功率，保持電壓穩(wěn)定；在9.00～16.00光伏出力劇增，此時(shí)SVC不再向電網(wǎng)注入無(wú)功功率而是吸收無(wú)功功率，這符合2.1中關(guān)于減小棄光時(shí)SVC運(yùn)行狀況的分析；17.00之后由于光伏出力逐漸減少至0，SVC重新向電網(wǎng)注入無(wú)功功率。

圖8為場(chǎng)景3中加入可平移負(fù)荷后的各時(shí)刻總負(fù)荷優(yōu)化前后對(duì)比圖。對(duì)比圖5、圖8可以看出,在光伏尚未出力或者出力較小的1.00～8.00之間的可平移負(fù)荷大量轉(zhuǎn)出至光伏出力較大的9.00～16.00時(shí)間段內(nèi)。由于可平移負(fù)荷在1.00～8.00內(nèi)大量轉(zhuǎn)出，該時(shí)段內(nèi)總負(fù)荷減小，電壓越下限問(wèn)題不嚴(yán)重，故在圖7中該時(shí)間段內(nèi)場(chǎng)景3的SVC無(wú)功補(bǔ)償相較于場(chǎng)景2中該時(shí)間段內(nèi)的SVC無(wú)功補(bǔ)償減小。

圖7 SVC無(wú)功補(bǔ)償容量

圖8 優(yōu)化前后負(fù)荷曲線圖

此外,對(duì)比圖6～8可知，由于20.00負(fù)荷重載，導(dǎo)致電壓低于下限情況較突出，故在場(chǎng)景3可平移負(fù)荷在20.00轉(zhuǎn)出負(fù)荷，使電壓保持穩(wěn)定，此時(shí)場(chǎng)景3的SVC注入無(wú)功功率較場(chǎng)景2減小。

由于場(chǎng)景2與場(chǎng)景3加入了AM措施，使配電網(wǎng)電壓維持了穩(wěn)定，同時(shí)相較于場(chǎng)景一也減少了光伏的棄光。圖9給出了3種場(chǎng)景下的光伏棄光量曲線。

圖9 光伏棄光數(shù)據(jù)曲線圖

圖9中，場(chǎng)景1的光伏削減總量為18.87 MW；場(chǎng)景2考慮了SVC的調(diào)節(jié)和光伏協(xié)調(diào)出力，總的光伏削減量為17.60 MW；場(chǎng)景3不僅加入了SVC還了計(jì)及可平移負(fù)荷，此時(shí)光伏削減量為0。場(chǎng)景3較場(chǎng)景2的光伏棄光量減少了1.27 MW。這是因?yàn)楸疚脑?.1節(jié)中提出的SVC從系統(tǒng)吸收無(wú)功與調(diào)度可平移負(fù)荷兩個(gè)策略均在場(chǎng)景三中實(shí)現(xiàn)了，從而減小了光伏的棄光量。

圖10給出了3種場(chǎng)景下的光伏消納。場(chǎng)景1的光伏消納率為93.33%，場(chǎng)景2中光伏的消納率為93.78%，場(chǎng)景3中的光伏消納率為100%。

圖10 光伏消納曲線圖

5 結(jié) 語(yǔ)

金寨縣配電網(wǎng)的滲透率非常高，為解決大規(guī)模的棄光出現(xiàn)，本文加入了SVC與可平移負(fù)荷的調(diào)節(jié)。針對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中光伏的棄光量的大小問(wèn)題，提出了一種模擬估算配電網(wǎng)棄光量的方法。證明了加入了AM措施的配電網(wǎng)的光伏消納率較沒(méi)有加入AM措施的光伏消納率明顯提高，且加入的措施越多光伏消納率越高。本文中提到的可平移負(fù)荷在其他類(lèi)型的模型優(yōu)化(如網(wǎng)損最小)中同樣適用，具有可移植性。