光伏新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的區(qū)間優(yōu)化

董建軍

摘要：新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，勢必增加電力系統(tǒng)運行參數(shù)的諸多不確定性，新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，會增加電力系統(tǒng)運行參數(shù)的諸多不確定性。

關(guān)鍵詞：光伏新能源;并網(wǎng);區(qū)間優(yōu)化

當(dāng)前，發(fā)展光伏發(fā)電等新能源是解決霧霾等環(huán)境問題的有效手段之一。光伏發(fā)電在未來配電網(wǎng)中的高滲透趨勢將日益明顯。傳統(tǒng)配電網(wǎng)與新能源的有機(jī)結(jié)合是配電網(wǎng)規(guī)劃的主流趨勢，新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模為未來新能源并網(wǎng)提供了重要的理論支持。

一、區(qū)間不確定性優(yōu)化方法

1、區(qū)間不確定優(yōu)化問題的提出。在研究分析實際工程問題時，一些工程系統(tǒng)參數(shù)不確定，很難獲得其數(shù)據(jù)，但不確定信息的邊界往往是確定的，所以根據(jù)上下邊界信息描述未知有界參數(shù)變量，并用區(qū)間不確定優(yōu)化方法對其分析較合理有效。

2、將區(qū)間不確定優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為確定性優(yōu)化問題。將基于區(qū)間序關(guān)系的區(qū)間優(yōu)化方法延展為一般的非線性優(yōu)化問題，實現(xiàn)從不確定目標(biāo)函數(shù)到確定性多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題的轉(zhuǎn)化。

二、光伏并網(wǎng)區(qū)間優(yōu)化模型

1、光伏并網(wǎng)區(qū)間優(yōu)化建模。新能源的有功功率調(diào)節(jié)并網(wǎng)是解決新能源并網(wǎng)可控可調(diào)的關(guān)鍵。當(dāng)前，光伏發(fā)電系統(tǒng)被認(rèn)為是配電系統(tǒng)中配電網(wǎng)的一種特殊負(fù)載，與其它普通負(fù)載一起稱為廣義負(fù)荷，對于電網(wǎng)，廣義負(fù)荷功率是光伏電源功率和負(fù)載功率之和，由于光伏發(fā)電功率的間歇性和隨機(jī)波動性，廣義負(fù)荷功率的波動增大，導(dǎo)致負(fù)荷端電壓的變化。若將多個光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)作為廣義節(jié)點，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)的控制問題將轉(zhuǎn)化為光伏并網(wǎng)節(jié)點電流的優(yōu)化問題。光伏功率通過逆變器注入主電網(wǎng)，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)，可通過控制并網(wǎng)節(jié)點電流，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的可控可調(diào)。本研究以光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)節(jié)點功率容量為目標(biāo)函數(shù)，以配電網(wǎng)節(jié)點電壓和支路有功功率特性為約束條件，建立光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)注入主電網(wǎng)的多節(jié)點光伏發(fā)電系統(tǒng)的區(qū)間最優(yōu)調(diào)節(jié)建模，光伏并網(wǎng)配電系統(tǒng)滿足中低壓配電網(wǎng)±5%的波動，利用光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)節(jié)點電壓的區(qū)間約束限制，避免了多節(jié)點光伏并網(wǎng)引起的電壓波動問題。

2、區(qū)間優(yōu)化的確定性轉(zhuǎn)化。當(dāng)前，光伏發(fā)電系統(tǒng)已并網(wǎng)運行，為保證低壓配電系統(tǒng)的端電壓在不增加支路阻抗的情況下在允許范圍內(nèi)工作，采用有功功率注入來平衡無功補(bǔ)償。有學(xué)者提出利用配電系統(tǒng)潮流計算靈敏度矩陣實現(xiàn)有功注入調(diào)節(jié)并網(wǎng)的合理配比。在實現(xiàn)多節(jié)點光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)節(jié)點電壓及光伏發(fā)電的并網(wǎng)注入容量是目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的主要區(qū)間變量，以保證多節(jié)點光伏發(fā)電并網(wǎng)穩(wěn)定運行，將并網(wǎng)節(jié)點的最小電壓波動及全網(wǎng)最小有功損耗作為兩層嵌套目標(biāo)函數(shù)，以注入有功容量及并網(wǎng)節(jié)點電壓的區(qū)間邊界函數(shù)為約束條件，結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率不等式約束與光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)調(diào)節(jié)問題，建立并網(wǎng)多節(jié)點光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化模型。

3、區(qū)間優(yōu)化求解。本文建立了多節(jié)點光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)區(qū)間優(yōu)化模型，將其轉(zhuǎn)化為兩個確定性目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題求解，其步驟為：①內(nèi)部目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化采用前推回代法計算，以光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)容量區(qū)間邊界為約束條件，求解光伏發(fā)電并網(wǎng)節(jié)點的確定性區(qū)間邊界，得到最內(nèi)層優(yōu)化求解，即得到光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)節(jié)點的確定區(qū)間邊界及其并網(wǎng)容量的區(qū)間可能度;②采用迭代法求解外目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，以光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)容量的區(qū)間可能度為約束條件，實現(xiàn)系統(tǒng)有功損耗最小的確定區(qū)間邊界，得到外層優(yōu)化求解的優(yōu)化區(qū)間，實現(xiàn)全局最優(yōu)解;③計算解集，若區(qū)間解集有解，則區(qū)間內(nèi)存在并網(wǎng)優(yōu)化問題存在解;若區(qū)間優(yōu)化問題求解空集，即區(qū)間內(nèi)并網(wǎng)優(yōu)化問題無解。

三、計算分析

1、算例研究。本研究的建模方法在MATLAB R2011b平臺上編程實現(xiàn)，選擇IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)測試，研究了并網(wǎng)節(jié)點負(fù)荷功率及光伏出力的隨機(jī)性，未考慮電網(wǎng)故障引起網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的不確定性。IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)中有四條分岔支路，光伏并網(wǎng)位置越靠近后端，提高末端電壓效果越明顯。因此，用優(yōu)先級編號（8-33）為支路1;（8-16）為支路2;（4-25）為支路3;（3-22）為支路4。在系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化中，尋找光伏發(fā)電系統(tǒng)合理的并網(wǎng)位置及容量是區(qū)間優(yōu)化的基礎(chǔ)。大多數(shù)文獻(xiàn)未對新能源并網(wǎng)配置進(jìn)行準(zhǔn)確描述，在系統(tǒng)設(shè)計中往往根據(jù)隨機(jī)性及經(jīng)驗求解判斷，降低了其可信度與可行性。

2、區(qū)間優(yōu)化結(jié)果。光伏并網(wǎng)是研究新能源與配電網(wǎng)間的協(xié)調(diào)優(yōu)化，光伏并網(wǎng)區(qū)間優(yōu)化問題是在光伏并網(wǎng)區(qū)間不確定性影響下得到優(yōu)化目標(biāo)的區(qū)間，給出了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運行魯棒性的兩個邊界區(qū)間，與不考慮光伏并網(wǎng)的確定性優(yōu)化結(jié)果相比，能準(zhǔn)確判斷光伏與系統(tǒng)的匹配程度，為新能源并網(wǎng)提供合理的優(yōu)化配置方案。多點光伏注入時，根據(jù)不同光伏出力及其并網(wǎng)支路組成分類器樣本，隨機(jī)抽取數(shù)據(jù)計算，比如支路1、2、3、4分別選擇29-12-23-16進(jìn)行光伏注入，光伏出力分別選[0.4P、0.8P]、[0.4P、0.8P]、0.8P、0.4P組成分類器C1～C9，在光伏出力區(qū)間下邊界處，整個網(wǎng)絡(luò)的最小有功功率損耗區(qū)間出現(xiàn)在分類器C4～C5，光伏注入的支路位置及出力容量區(qū)間存在明顯的極值值，在確定性優(yōu)化問題中，系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)呈凸函數(shù)分布，函數(shù)極值如圖1所示，即全集最優(yōu)解。

四點光伏注入：①區(qū)間優(yōu)化的解集中出現(xiàn)相同解，基于系統(tǒng)有功損耗最小，支路1、2的注入選擇重復(fù)29-12，表明光伏并網(wǎng)在分叉支路末端支路實現(xiàn)，位置選擇應(yīng)為支路中間位置;②在末端電壓滿足約束方程前提下，支路3、4并網(wǎng)支路的選擇不影響整個系統(tǒng)的最小損耗。

IEEE33節(jié)點系統(tǒng)實現(xiàn)并網(wǎng)區(qū)間優(yōu)化，其目標(biāo)函數(shù)的區(qū)間分布直觀反映了光伏出力及并網(wǎng)節(jié)點電壓區(qū)間約束下系統(tǒng)有功損耗396.2331，并網(wǎng)區(qū)間優(yōu)化后，有功損耗結(jié)果[131.6576、143.4365]，有功損耗降低63.8～66.8%，末端節(jié)點電壓顯著增加，提升區(qū)間3.3～11.8%，支路1、2末端電壓效果最顯著。此外，未接入新能源時，首端功率結(jié)果為4110.247kW，利用并網(wǎng)區(qū)間優(yōu)化后的計算結(jié)果[3755.657、4079.8]，優(yōu)化目標(biāo)為[30.446、354.5899]，傳統(tǒng)配電網(wǎng)通過開關(guān)投切實現(xiàn)電網(wǎng)對新能源的接納與否，未來，大規(guī)模光伏注入和主動配網(wǎng)是新能源并網(wǎng)的發(fā)展趨勢。本研究考慮多節(jié)點光伏并網(wǎng)的支路有功功率的動態(tài)區(qū)間計算，為光伏并網(wǎng)配置提供一定的理論參考。

四、結(jié)論

光伏發(fā)電系統(tǒng)的隨機(jī)波動特性對光伏接入配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提出了挑戰(zhàn)，新能源并網(wǎng)系統(tǒng)允許接納新能源接入位置及容量是許多學(xué)者研究的熱點問題。本研究提出區(qū)間邊界，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運行參數(shù)的確定性轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)位置及容量的優(yōu)化配置，利用區(qū)間可能度及區(qū)間序關(guān)系，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)區(qū)間優(yōu)化非線性建模目標(biāo)函數(shù)及約束條件的確定性區(qū)間轉(zhuǎn)化，為新能源并網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓極限區(qū)間及系統(tǒng)合理的“承載容量”

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