王 典,潘 超,鹿 麗,張亞譜
(現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué)),吉林 吉林 132012)
隨著風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展,將分布式電源(Distributed Generation,DG)大規(guī)模并入主動(dòng)配電網(wǎng)(Active Distribution Network,ADN)成為必然趨勢(shì)[1-2].隨著高滲透率風(fēng)、光等DG的并入,棄風(fēng)、棄光問題更加嚴(yán)重;同時(shí),含有新能源的DG具有較高的隨機(jī)波動(dòng)性,會(huì)降低對(duì)ADN運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[3].儲(chǔ)能裝置(Energy Storage System,ESS)的并入可提高ADN運(yùn)行穩(wěn)定性[4].針對(duì)DG并網(wǎng)時(shí)的隨機(jī)性以及ESS配置的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究對(duì)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[5],在此基礎(chǔ)上,ADN的源-儲(chǔ)并網(wǎng)規(guī)劃成為現(xiàn)階段的焦點(diǎn).
文獻(xiàn)[6]以年綜合費(fèi)用以及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)最小為優(yōu)化目標(biāo),建立了DG多目標(biāo)規(guī)劃模型,得到Pareto最優(yōu)解集,但未考慮DG時(shí)序特性與ESS規(guī)劃問題.文獻(xiàn)[7]考慮時(shí)序場(chǎng)景對(duì)DG出力進(jìn)行規(guī)劃,但未考慮利用ESS進(jìn)行風(fēng)光波動(dòng)的平抑.文獻(xiàn)[8]綜合考慮經(jīng)濟(jì)、電能質(zhì)量以及環(huán)保等因素建立ADN規(guī)劃評(píng)價(jià)體系,在分析ESS調(diào)控策略的基礎(chǔ)上建立DG多目標(biāo)規(guī)劃模型.文獻(xiàn)[9]采用改進(jìn)的PSO對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解,獲得DG安裝位置和安裝容量.PSO在ADN規(guī)劃中應(yīng)用非常廣泛,改進(jìn)PSO在尋優(yōu)效果和收斂性能方面顯著提高.文獻(xiàn)[10]考慮DG 出力與負(fù)荷的波動(dòng)性,采用多場(chǎng)景模擬技術(shù)將其不確定性轉(zhuǎn)化為多個(gè)具有代表性的離散場(chǎng)景處理,并將兩種模型的各個(gè)離散場(chǎng)景相聯(lián)合,引入聯(lián)合場(chǎng)景概率.然而,要獲得DG與負(fù)荷的多場(chǎng)景,需要大量的歷史數(shù)據(jù),這在實(shí)踐中是很困難的.
基于風(fēng)、光時(shí)序相關(guān)及隨機(jī)波動(dòng)特征,本文提出源-儲(chǔ)并網(wǎng)階段式規(guī)劃策略.采用改進(jìn)模糊C均值聚類(Improved Fuzzy C-Means Clustering,IFCMC)算法對(duì)風(fēng)-光時(shí)序相關(guān)場(chǎng)景樣本進(jìn)行聚類,并計(jì)算各場(chǎng)景概率,生成ADN風(fēng)-光時(shí)序概率場(chǎng)景.從消納水平,分布式電源滲透率及電壓穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)角度出發(fā),建立多目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型.將逼近理想解的灰色關(guān)聯(lián)度分析(Grey Relation Analysis,GRA)引入多目標(biāo)粒子群算法(Multi-objective Particle Swarm Optimization,MPSO),利用基于灰色關(guān)聯(lián)度支配多目標(biāo)粒子群算法(MPSO-GRA)對(duì)多目標(biāo)規(guī)劃模型進(jìn)行求解,獲得源-儲(chǔ)并網(wǎng)決策方案,并采用電壓累計(jì)概率密度對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià).對(duì)我國東北部某45節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,考慮源-儲(chǔ)并網(wǎng)規(guī)劃對(duì)ADN經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的改善作用,研究多指標(biāo)因素下源-儲(chǔ)并網(wǎng)的最佳規(guī)劃方案.
由于季節(jié)、地理位置及天氣等因素的影響,風(fēng)、光DG出力波動(dòng)性明顯,且存在著時(shí)序相關(guān)特性[11].因此,本文考慮風(fēng)、光時(shí)序相關(guān)性對(duì)源-儲(chǔ)并網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃.
1.1.1 光伏出力
影響PV發(fā)電的決定性因素是光照強(qiáng)度[12],光照強(qiáng)度受外界因素限制具有時(shí)序性,因此需要PV出力的時(shí)序特性進(jìn)行分析,其輸出功率的計(jì)算公式為
(1)
公式中:PPV(t)為t時(shí)刻PV輸出功率;R(t)為t時(shí)刻的光照強(qiáng)度;Rste為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的光照強(qiáng)度(通常為1 000 W/m2);Rc為某個(gè)輻射點(diǎn)光照強(qiáng)度(通常為150 W/m2);Prc為PV額定功率.
1.1.2 風(fēng)電出力
WT出力的決定性因素是風(fēng)速[13],風(fēng)速受天氣等因素影響有著明顯的時(shí)序性,因此對(duì)WT出力的時(shí)序特性進(jìn)行分析,其輸出功率的計(jì)算公式為
(2)
公式中:Pw(t)為WT在t時(shí)刻的輸出功率;Prw為WT額定功率;v(t)為t時(shí)刻的風(fēng)速;vr為WT額定風(fēng)速;vin為WT啟動(dòng)風(fēng)速;vout為WT停機(jī)風(fēng)速.
場(chǎng)景的聚類縮減是將運(yùn)行周期內(nèi)場(chǎng)景縮減為定量的典型場(chǎng)景,即特征相似的場(chǎng)景聚成一類,并選取各聚類中心代表這一類場(chǎng)景.考慮到WT和PV之間的時(shí)序相關(guān)性,本文基于IFCM算法構(gòu)建風(fēng)-光時(shí)序場(chǎng)景.采集k個(gè)等時(shí)間段的風(fēng)速-光照強(qiáng)度數(shù)據(jù),并根據(jù)WT、PV出力模型轉(zhuǎn)化為風(fēng)、光功率,用X表示縮減前全年場(chǎng)景集合中的“風(fēng)-光”場(chǎng)景.
(3)
若風(fēng)-光功率樣本集可劃分成G個(gè)場(chǎng)景,則隨機(jī)生成G個(gè)初始聚類中心
(4)
樣本Xn到第g類場(chǎng)景初始聚類中心的歐式距離用Dng表示,其計(jì)算公式為
(5)
樣本Xn隸屬于第g個(gè)初始聚類中心的程度,可用隸屬度ρng表示,其計(jì)算公式為
(6)
公式中:C為模糊加權(quán)指標(biāo),一般取2.當(dāng)Xn到g場(chǎng)景的ρng值最大,則把Xn劃分到第g類場(chǎng)景.遍歷完所有風(fēng)-光功率樣本組,完成聚類劃分.更新聚類中心,并以此聚類中心作為下次迭代的初始聚類中心,計(jì)算公式為
(7)
式中:Cg為第g類場(chǎng)景所有樣本;Ng為第g類場(chǎng)景包含的樣本數(shù);s為迭代次數(shù).
假設(shè)第g個(gè)聚類中心中包含的原始風(fēng)-光功率樣本數(shù)為kg,其場(chǎng)景的概率用pg表示,即配電網(wǎng)時(shí)序全場(chǎng)景包含G個(gè)風(fēng)-光時(shí)序場(chǎng)景,每種場(chǎng)景概率的計(jì)算公式為
pg=kg/k.
(8)
ADN時(shí)序場(chǎng)景的構(gòu)建步驟如下:
(1)根據(jù)WT、PV出力模型,將采集的風(fēng)速和光照強(qiáng)度時(shí)序樣本轉(zhuǎn)換為風(fēng)-光時(shí)序功率樣本集;
(2)給定最佳聚類場(chǎng)景數(shù)G,并從樣本集隨機(jī)生成G個(gè)初始聚類中心Zg(1);
(3)計(jì)算Xn到Zg的歐式距離及隸屬度,并根據(jù)ρng的大小對(duì)Xn進(jìn)行分類;
(4)計(jì)算新的聚類中心,并作為下次迭代的初始聚類中心;
隨著分布式電源滲透率的提高,ADN的電壓質(zhì)量會(huì)受到一定影響,甚至?xí)霈F(xiàn)電壓越限的問題,因此需要提高電壓質(zhì)量以滿足ADN運(yùn)行穩(wěn)定性,電壓指標(biāo)計(jì)算公式為
(9)
公式中:l為支路數(shù);Ui為節(jié)點(diǎn)i的電壓值;Rij和Xij分別為支路l的電阻值和電抗值;Pj和Qj分別為節(jié)點(diǎn)j的有功功率和無功功率;節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j分別為支路l的首末端.
計(jì)算所有支路的Vk,從中選取最大值作為電壓穩(wěn)定性的衡量指標(biāo),相應(yīng)計(jì)算公式為
f1=max{V1,V2,V3,…,Vl,…,VL},
(10)
公式中:L為支路總個(gè)數(shù).其中f1越小,表示ADN電壓質(zhì)量越好;反之越差,相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)為min(f1).
(11)
公式中:BADN、CADN分別表示ADN規(guī)劃的年效益、年成本.其中f2越大,表示經(jīng)濟(jì)性越好;反之越差,相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)為max(f2).
ADN運(yùn)行的成本費(fèi)用CADN包括DG安裝及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用CDG、儲(chǔ)能裝置安裝及運(yùn)行費(fèi)用CESS、ADN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行費(fèi)用CL、電壓越限的損耗費(fèi)用CV,其計(jì)算公式為
CADN=CDG+CESS+CL+CV,
(12)
(1)DG運(yùn)行費(fèi)用CDG相應(yīng)計(jì)算公式為
(13)
公式中:T為調(diào)度的總時(shí)長(zhǎng);N為節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù);SDG,i為節(jié)點(diǎn)i的DG安裝容量;CDG,I為單位容量DG投資費(fèi)用;λDG為折現(xiàn)率;CDG,M為單位容量DG的維護(hù)費(fèi)用。
(2)儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行費(fèi)用CESS
儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行費(fèi)用CESS包括儲(chǔ)能投資費(fèi)用CESS,I和調(diào)用成本CESS,C,相應(yīng)計(jì)算公式為
(14)
(3)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行費(fèi)用CO
網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行費(fèi)用CO主要包括電網(wǎng)的購電費(fèi)用和網(wǎng)損費(fèi)用,相應(yīng)計(jì)算公式為
(15)
公式中:CP為從電網(wǎng)中的購電單價(jià);SP為從電網(wǎng)中的購電量;CLOSS為單位網(wǎng)損成本;PLOSS為網(wǎng)損.
(4)電壓越限的損耗費(fèi)用CV
(16)
公式中:CVL為電壓越限的損耗費(fèi)用;V為單位時(shí)間電壓越限范圍。
ADN收益主要包括DG發(fā)電收益和政府補(bǔ)貼,計(jì)算公式為
(17)
公式中:BG為DG單位容量發(fā)電收益;BS為DG單位容量的政府補(bǔ)貼。ηi為節(jié)點(diǎn)i處DG的發(fā)電效率。
風(fēng)、光消納指標(biāo)是影響源-儲(chǔ)并網(wǎng)規(guī)劃的原因之一[15],計(jì)算公式為
(18)
DG滲透率的計(jì)算公式為
(19)
公式中:SDG,i為節(jié)點(diǎn)i處分布式電源出力;SL,i為節(jié)點(diǎn)i處負(fù)荷功率.分布式電源最大滲透率越高,規(guī)劃水平越好,相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)為max(f4).
(1)等式約束
對(duì)于含分布式電源的節(jié)點(diǎn),功率平衡方程為
(20)
公式中:PGi、QGi分別為節(jié)點(diǎn)i的有功和無功功率;PLi、QLi分別為節(jié)點(diǎn)i的有功負(fù)荷和無功負(fù)荷;ΔPi、ΔQi分別為節(jié)點(diǎn)i分布式電源的有功和無功變化;Ui為節(jié)點(diǎn)i的電壓;Gij、Bij、θij分別為節(jié)點(diǎn)i和j之間的電導(dǎo)、電納和相角差.
(2)不等式約束
(21)
3.1.1 MPSO算法
以最小化為例,多目標(biāo)優(yōu)化問題[17]可表示為
minF(x)={f1(x),f2(x),…,fm(x)},
s.t.g(x)≤0,
(22)
公式中:x為決策變量;m為目標(biāo)函數(shù)個(gè)數(shù);g(x)為約束函數(shù).
粒子群算法的粒子速度、位置公式為
(23)
(24)
3.1.2 GRA支配策略
首先判斷各個(gè)指標(biāo)方向性,f1為負(fù)向指標(biāo),期望值越小越好;f2、f3、f4為正向指標(biāo),期望值越大越好.為便于計(jì)算,需將指標(biāo)進(jìn)行同向處理,即將負(fù)向指標(biāo)轉(zhuǎn)化正向指標(biāo)[18],其轉(zhuǎn)化方式為
(25)
公式中:fpq為第p個(gè)規(guī)劃規(guī)劃方案的第q個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值;fpq+為同向處理后的指標(biāo)值.
第p個(gè)規(guī)劃方案與第q個(gè)指標(biāo)的的關(guān)聯(lián)度
(26)
公式中:NS為規(guī)劃方案?jìng)€(gè)數(shù);NI為多目標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù);f0q為第q個(gè)指標(biāo)理想狀態(tài)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值;ρ為分辨系數(shù).
圖1 階段式優(yōu)化流程
各規(guī)劃方案與理想方案的關(guān)聯(lián)度
(27)
Tp數(shù)值越大表示方案p規(guī)劃效果越好.
GRA支配策略具體步驟如下:
(1)計(jì)算Tp,在迭代到第s代時(shí),保留當(dāng)前解集中Tp最優(yōu)的個(gè)體Tbest,p;
(2)與下一代群體中的個(gè)體進(jìn)行比較,若在下一代群體中T′p都不大于Tbest,p,則把Tbest,p加入到該群體中;
(3)保證群體規(guī)模不變,淘汰掉該群體中Tp最差的個(gè)體.
階段式規(guī)劃流程,如圖1所示.
以東北地區(qū)某45節(jié)點(diǎn)的配電系統(tǒng)為研究對(duì)象,系統(tǒng)總負(fù)荷為29.726MW+j17.535Mvar,系統(tǒng)接線如圖2所示.系統(tǒng)接入可再生能源包括WT和PV,其中,WT的裝機(jī)容量為12 MW,PV裝機(jī)容量為4 MW.
將該地區(qū)全年中每個(gè)小時(shí)的風(fēng)速、光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為風(fēng)、光功率數(shù)據(jù),得到全年的原始風(fēng)-光時(shí)序場(chǎng)景.根據(jù)IFCM對(duì)原始場(chǎng)景進(jìn)行聚類,結(jié)合該地區(qū)配電系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn),將系統(tǒng)潮流按照風(fēng)-光功率波動(dòng)情況分為30類,統(tǒng)計(jì)其發(fā)生概率進(jìn)行排序,結(jié)果如表1所示.
表1中風(fēng)光電源0出力場(chǎng)景的發(fā)生概率為0.062 1,風(fēng)-光電源70%以上出力場(chǎng)景的累積概率為0.093 1.表明該地區(qū)全年光照強(qiáng)度較高、風(fēng)速較大,且風(fēng)光功率波動(dòng)較大,從而影響了新能源在該配電系統(tǒng)中的消納水平.
圖2 45節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)
表1 風(fēng)-光時(shí)序場(chǎng)景分類
ADN經(jīng)濟(jì)性參數(shù),如表2所示[19-20].
表2 DG投資效益相關(guān)參數(shù)
圖3 DG并網(wǎng)規(guī)劃pareto解分布
綜合考慮DG滲透率、經(jīng)濟(jì)效益以及電壓穩(wěn)定性對(duì)DG出力進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃.采用MPSO-GRA算法,初始種群大小為100,最大迭代次數(shù)為200,學(xué)習(xí)因子c1=c2=1.5,ρ為0.5,A為0.4.得到Pareto解集,如圖3所示.
圖3中基于時(shí)序全場(chǎng)景的DG并網(wǎng)規(guī)劃Pareto解集分布較均勻,說明所用算法具有較好的全局搜索能力,能夠從不同指標(biāo)角度提供多樣的規(guī)劃方案.Pareto解集可劃分為三個(gè)區(qū)域:區(qū)域a的解集表現(xiàn)為DG滲透率較高,經(jīng)濟(jì)效益較高,但電壓穩(wěn)定性比較低;區(qū)域c解集則表現(xiàn)為DG滲透率較低,經(jīng)濟(jì)效益較低,但電壓穩(wěn)定性比較高;區(qū)域b的解集表示優(yōu)化目標(biāo)結(jié)果介于a、c區(qū)域之間.從Pareto解集中選取三種典型的規(guī)劃方案進(jìn)行分析,結(jié)果如表3中方案2~方案4所示.表3中f1的期望值為0 p.u;f3的期望值為1 p.u;f4的期望值為1 p.u.對(duì)f2進(jìn)行去量綱處理,由大量仿真得到f2最大值為1.18,并以1.18為基準(zhǔn)值對(duì)f2進(jìn)行去量綱處理f2,=f2/1.18,此時(shí)該指標(biāo)的期望值為1 p.u.
表3 典型規(guī)劃方案
表3中,方案1為DG未并網(wǎng)的配置方案,方案2~方案4為時(shí)序全場(chǎng)景下的DG配置方案,方案5為僅考慮場(chǎng)景6的DG配置方案.不難看出,方案5的評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)最優(yōu).將方案5的DG配置應(yīng)用于時(shí)序全場(chǎng)景,得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)見方案6.結(jié)果表明,雖然單場(chǎng)景配置方案具有較高的評(píng)價(jià)指標(biāo),但基于單一場(chǎng)景對(duì)ADN進(jìn)行源-儲(chǔ)規(guī)劃存在明顯的局限性;相對(duì)而言,計(jì)及風(fēng)-光時(shí)序全場(chǎng)景的多目標(biāo)規(guī)劃方案具有較強(qiáng)的泛化能力.
綜合考慮電壓穩(wěn)定性、消納水平和經(jīng)濟(jì)效益三方面因素對(duì)ESS進(jìn)行規(guī)劃,結(jié)合表3中方案2~方案4的配置信息,對(duì)ESS接入進(jìn)行規(guī)劃,結(jié)果如表4所示.
表4 ESS規(guī)劃方案
圖4 規(guī)劃結(jié)果分析
由表3和表4可知,ESS接入后各方案配置的評(píng)價(jià)指標(biāo)均得到較大改善,說明ESS的平抑作用能夠削弱風(fēng)光隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響,同時(shí)也提高了新能源消納水平,進(jìn)而提高了ADN經(jīng)濟(jì)效益.
以場(chǎng)景6為例,采用MPSO、Pareto支配型MPSO[21]及MPSO-GRA算法對(duì)源-儲(chǔ)并網(wǎng)多目標(biāo)規(guī)劃問題進(jìn)行求解,對(duì)比三種方法的尋優(yōu)能力與計(jì)算效率,結(jié)果如圖4所示.
由圖4可知,MPSO尋優(yōu)效果較好,但因其缺乏有效的支配策略易陷入局部尋優(yōu),進(jìn)而導(dǎo)致其計(jì)算效率低;Pareto支配型MPSO因其對(duì)Pareto前沿個(gè)體進(jìn)行排序提高了算法計(jì)算效率,但隨著迭代次數(shù)以及指標(biāo)數(shù)量的增加,種群規(guī)模不斷擴(kuò)大,算法易陷入局部尋優(yōu)導(dǎo)致收斂精度及尋優(yōu)效果較差[22];MPSO-GRA引入不受指標(biāo)數(shù)量影響的GRA支配策略,在保證計(jì)算效率的基礎(chǔ)上有效的提高了算法的全局搜索能力.
以電壓幅值累計(jì)概率密度為評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)估源-儲(chǔ)并網(wǎng)規(guī)劃對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響.在時(shí)序全場(chǎng)景下對(duì)DG并網(wǎng)規(guī)劃后的ADN進(jìn)行潮流計(jì)算,以11節(jié)點(diǎn)、28節(jié)點(diǎn)為例,其電壓幅值累計(jì)概率密度分布,如圖5所示.
圖5 DG并網(wǎng)后電壓幅值累計(jì)概率密度分布
圖6 源-儲(chǔ)并網(wǎng)規(guī)劃前后電壓幅值累計(jì)概率密度分布
圖5中由于DG時(shí)序波動(dòng)特性的影響,系統(tǒng)電壓會(huì)發(fā)生較大變化,甚至?xí)霈F(xiàn)電壓越限的問題.其中11節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)性強(qiáng)于28節(jié)點(diǎn),分析其原因是由于11節(jié)點(diǎn)處接入了WT且配置容量較大,電壓受WT出力的時(shí)序波動(dòng)性影響較大.
在時(shí)序全場(chǎng)景下對(duì)源-儲(chǔ)并網(wǎng)規(guī)劃前后ADN的潮流進(jìn)行計(jì)算,其電壓幅值累計(jì)概率密度分布如圖6所示.
圖6中,源-儲(chǔ)并網(wǎng)規(guī)劃前ADN的電壓波動(dòng)性較大;相比之下,源-儲(chǔ)并網(wǎng)規(guī)劃后系統(tǒng)電壓水平顯著提高.結(jié)果表明,源-儲(chǔ)并網(wǎng)階段式規(guī)劃使系統(tǒng)電壓幅值累計(jì)概率分布更為集中,有效的改善了系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定.
計(jì)及風(fēng)光時(shí)序相關(guān)性,采用MPSO-GRA對(duì)源-儲(chǔ)并網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃,得到以下結(jié)論:
(1)風(fēng)-光時(shí)序場(chǎng)景能較好的模擬WT、PV時(shí)序性,在此基礎(chǔ)上對(duì)ADN源-儲(chǔ)并網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃,能夠提高規(guī)劃的可靠性;
(2)本文采用MPSO-GRA能夠提高全局尋優(yōu)性能,得到源-儲(chǔ)多目標(biāo)規(guī)劃解集;
(3)從概率角度對(duì)ADN電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果表明源-儲(chǔ)階段式規(guī)劃方法能保證DG并入配的電壓穩(wěn)定性.