基于電力電子變壓器的交直流混合配電網(wǎng)日前經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略研究

易文飛，王鑫

（1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇省南京市 210096；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇省南京市 210000）

0 引言

隨著我國能源轉(zhuǎn)型的快速推進(jìn)，分布式可再生能源以其靈活性和經(jīng)濟(jì)性成為可再生能源的重要發(fā)展模式。近年來我國持續(xù)加快分布式能源發(fā)展，以光伏為例，2020年我國新增分布式光伏裝機(jī)1552萬kW，分布式光伏累計裝機(jī)達(dá)到7816萬kW。目前，以分布式光伏、風(fēng)電等形式并網(wǎng)的可再生能源一般需要經(jīng)過多級交直流變換才能并入電網(wǎng)，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，交直流之間互補(bǔ)互濟(jì)能力差，降低了系統(tǒng)的綜合能效，影響了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1-2]。

利用多端口電力電子變壓器(Power Electronic Transformer，PET)的柔性調(diào)節(jié)能力和快速響應(yīng)特性來實(shí)現(xiàn)含高比例分布式可再生能源的交直流混合配電網(wǎng)各子網(wǎng)區(qū)域之間互聯(lián)互通成為目前關(guān)注的熱點(diǎn)[3]。PET結(jié)合了電力電子變換器和高頻變壓器，可以同時連接多個交直流電壓等級，在含大規(guī)?？稍偕茉吹慕恢绷骰旌舷到y(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用價值[4-5]。利用雙向多端口PET構(gòu)建交直流混合系統(tǒng)，通過靈活組網(wǎng)，可以在多個交直流電壓等級集成分布式可再生能源，實(shí)現(xiàn)不同類型可再生能源的互聯(lián)互通，充分消納可再生能源，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，應(yīng)用前景廣闊[6-7]。

目前對于如何根據(jù)PET的柔性調(diào)節(jié)能力和快速響應(yīng)特性制定交直流混合配網(wǎng)優(yōu)化策略，提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，國內(nèi)外已經(jīng)開展了初步研究：文獻(xiàn)[8-9]提出了包含光伏、燃料電池、儲能等多種元素的直流微電網(wǎng)通過PET與交流電網(wǎng)的能量管理策略；文獻(xiàn)[10]提出了基于PET的交直流混合配網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行框架；文獻(xiàn)[11]提出了并網(wǎng)、離網(wǎng)兩種模式下PET的控制策略，仿真驗(yàn)證了PET可以對交流主網(wǎng)、交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)的功率進(jìn)行快速調(diào)節(jié)；文獻(xiàn)[12]提出了多種運(yùn)行工況下儲能與PET的協(xié)調(diào)控制策略，并在多種工況下驗(yàn)證了二者協(xié)調(diào)可以有效提高系統(tǒng)供電的可靠性；文獻(xiàn)[13]以網(wǎng)損為目標(biāo)，構(gòu)建了含PET的交直流混合配網(wǎng)優(yōu)化模型，驗(yàn)證了采用PET可以有效降低配網(wǎng)網(wǎng)損；文獻(xiàn)[14]考慮可再生能源預(yù)測的不確定性，采用機(jī)會約束規(guī)劃方法對多PET互聯(lián)系統(tǒng)制定了日前優(yōu)化調(diào)度策略；文獻(xiàn)[15]從最優(yōu)潮流的角度分析了含PET的交直流混合配網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行策略，提出PET損耗是系統(tǒng)損耗的重要來源；文獻(xiàn)[16]構(gòu)建了含分布式電源、儲能元件和PET在內(nèi)的有源配電網(wǎng)無功優(yōu)化模型，驗(yàn)證了PET的無功調(diào)節(jié)功能；文獻(xiàn)[17]從源荷儲互動的角度以荷儲協(xié)調(diào)負(fù)荷轉(zhuǎn)移策略為上層決策變量,交直流混合微網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行策略為下層決策變量建立源荷儲協(xié)調(diào)二層規(guī)劃模型，驗(yàn)證了該策略可以提高并協(xié)調(diào)微網(wǎng)收益和用戶效益；文獻(xiàn)[18]對于含PET的交直流混合系統(tǒng)，建立了其日前優(yōu)化調(diào)度的模型，以實(shí)現(xiàn)交直流混合系統(tǒng)分布式能源的充分消納以及經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。

上述研究對于交直流混合配網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行開展了初步研究，對于但含多個PET的交直流混合可再生能源系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行場景更為復(fù)雜，交直流網(wǎng)絡(luò)互補(bǔ)運(yùn)行模式和運(yùn)行策略優(yōu)化組合靈活多樣，如何制定合適的系統(tǒng)運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行和可再生能源充分消納需要更為深入的研究。本文針對含多個PET的交直流混合配網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題，分析PET的靈活調(diào)控能力，基于系統(tǒng)能量流動思想，建立含多PET的交直流混合日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度的模型，制定系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，并通過實(shí)際運(yùn)行工程進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基于PET交直流混合配網(wǎng)系統(tǒng)

PET是混合微網(wǎng)系統(tǒng)中交流微網(wǎng)與直流微網(wǎng)的連通環(huán)節(jié)，同時也是聯(lián)系混合微網(wǎng)與上級配電網(wǎng)的耦合環(huán)節(jié)。PET由高頻變壓器與電力電子變換電路構(gòu)成，包含高低壓交流端口與直流端口，具有變壓、隔離以及能量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)不同微網(wǎng)間的互聯(lián)以及對不同端口功率的控制。

以如圖1所示的含多個PET的交直流混合配網(wǎng)為例，該配網(wǎng)含10 kV、380 V兩個交流電壓等級和±750 V、±375 V兩個直流電壓等級，各電壓等級之間通過PET的四個端口互聯(lián)。PET的10 kV交流端口與外部10 kV交流配電網(wǎng)連接，其余交直流端口接入含各類交直流負(fù)荷、儲能、分布式電源等源荷儲元素的交直流微網(wǎng)，兩個PET之間通過±750 V和±375 V直流端口并列運(yùn)行。

對于如圖1所示的含兩個PET交直流混合配電網(wǎng)，由于PET各端口自由可控、功率可以自由交換，當(dāng)任一交、直流區(qū)域出現(xiàn)功率冗余或功率缺額時，功率均可以從其他區(qū)域通過PET端口饋入，實(shí)現(xiàn)能量在多區(qū)域之間自由流動，互聯(lián)互通、互補(bǔ)互濟(jì)。以380 V交流微網(wǎng)為例，當(dāng)微網(wǎng)中的可再生能源出力大于負(fù)荷需求時，多余的功率可以通過PET端口直接流向±375 V直流微網(wǎng)或±750 V直流微網(wǎng)；當(dāng)380 V交流微網(wǎng)功率出現(xiàn)缺額時，若±750 V直流微網(wǎng)有多余的發(fā)電功率，則可以由±750 V直流微網(wǎng)通過PET端口進(jìn)行功率支援。這種功率流動模式減少了交直流變換環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)運(yùn)行損耗，提高可再生能源利用水平。

圖1 基于PET的交直流混合配網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of AC / DC hybrid distribution network

2 能量流動模型

PET通過其交直流端口同時連接多個交直流中低壓配網(wǎng)，各端口承擔(dān)著不同交直流配網(wǎng)之間的功率的交換功能，是能量互聯(lián)互通的通道。受PET自身物理特性的約束，各端口能量流動必須滿足一定的運(yùn)行約束，本節(jié)對多端口PET各端口功率流動關(guān)系和約束進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

以圖2所示的PET各端口功率流動示意圖為例，在時刻t，PET各端口功率包括中壓交流配網(wǎng)與PET交換的有功功率 PMACi(t)、 PMACo(t)，低壓交流微網(wǎng)流與PET交換的有功功率PLACi(t)、 PLACo(t)，中壓直流配網(wǎng)與PET交換的有功功率 PMDCi(t)、PMDCo(t)，低壓直流微網(wǎng)與PET交換的有功功率PLDCi(t)、 PLDCo(t)。

圖2 多端口PET各端口功率流動示意圖Fig.2 Sketch map of power flowing at all terminals of multi-terminal PET

PET作為能量轉(zhuǎn)換的樞紐，其內(nèi)部存在一定的功率損耗，定義參數(shù) KPET為電力電子變壓器的功率損耗系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可以將PET簡化為一個節(jié)點(diǎn)，注入此節(jié)點(diǎn)的有功功率與功率損耗系數(shù)的乘積等于PET的總功率損耗。在PET的運(yùn)行過程中考慮盡可能實(shí)現(xiàn)分布式能源就地充分消納，即不允許將電能從交直流混合配網(wǎng)輸送到中壓交流配網(wǎng)，因此式PET向中壓交流配網(wǎng)的輸出功率PMACo(t)：

對于PET的端口功率平衡：

受PET組件約束，各端口傳輸容量存在限制，可表示為：

式中： SMACm、 SLACm、 PMDCm、 PLDCm分別為PET中壓交流端口、低壓交流端口、中壓直流端口和低壓直流端口的功率限值。

3 日前經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略

3.1 模型簡化

對于含PET的交直流混合配網(wǎng)日前經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，其優(yōu)化目標(biāo)是系統(tǒng)運(yùn)行的日前調(diào)度成本最低，約束條件包含系統(tǒng)功率平衡等系統(tǒng)級約束和設(shè)備出力上下限、爬坡速度等設(shè)備級約束?？紤]到本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注PET對交直流混合微網(wǎng)在運(yùn)行成本以及新能源消納等方面的效果，對交直流混合微網(wǎng)模型做如下簡化：

1) 對微網(wǎng)內(nèi)的分布式電源(如風(fēng)機(jī)、光伏以及儲能系統(tǒng)等)進(jìn)行統(tǒng)一建模，并等效為一個大容量的DG機(jī)組；

2) 假設(shè)交流微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷類型為交流負(fù)荷，直流微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷類型為直流負(fù)荷。

3.2 目標(biāo)函數(shù)

以圖1所示的含雙PET交直流混合配網(wǎng)拓?fù)錇槔?，系統(tǒng)的日前經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)是系統(tǒng)在調(diào)度周期的運(yùn)行成本最小，這里不考慮新能源的發(fā)電設(shè)備和儲能等設(shè)備的維護(hù)成本，因此系統(tǒng)的運(yùn)行成本主要是交直流混合配網(wǎng)的購電成本，表示為：

式中：C 為系統(tǒng)調(diào)度周期總成本； N為系統(tǒng)總調(diào)度周期數(shù)； PMAC1i(t)、 PMAC2i(t) 分 別為t時段主網(wǎng)輸入PET1、PET2的功率； ρMACi(t) 為 t時段配網(wǎng)購電價格。

3.3 約束條件

3.3.1 系統(tǒng)功率平衡約束

對于直流微網(wǎng)，系統(tǒng)功率平衡約束為：

對于交流微網(wǎng)，系統(tǒng)功率平衡約束為：

對于直流配網(wǎng)，系統(tǒng)功率平衡約束為：

對于交流配網(wǎng)，系統(tǒng)功率平衡約束與PET端口功率約束一致，這里也不在贅述。

下面對各類源、荷、儲資源的運(yùn)行約束進(jìn)行分析。

3.3.2 可再生能源運(yùn)行約束

在交直流混合配網(wǎng)中，由于可再生能源發(fā)電成本較低且碳排放小，因此應(yīng)當(dāng)盡可能讓可再生能源出力始終處于最大值。以分布式光伏為例，其應(yīng)當(dāng)運(yùn)行在最大出力點(diǎn)跟蹤狀態(tài)（MPPT）?？稍偕茉唇尤胫绷魑⒕W(wǎng)中，其出力約束為：

式中： Pi,re(t)為 t時 刻可再生能源出力；為可再生能源最大出力限值。

3.3.3 儲能設(shè)備運(yùn)行約束

在混合直流配網(wǎng)中，儲能設(shè)備可以根據(jù)調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)發(fā)電與負(fù)荷功率的缺額/冗余和購電電價情況，調(diào)整各時刻充放電功率，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，消納多余的可再生能源。由于儲能系統(tǒng)自身限制，其充放電約束為：

式 中： Pch(t)、 Pdis(t)分 別 為t時 刻 儲 能 設(shè) 備 充 放 電出 力； Pch,max(t)、 Pdis,max(t) 分 別 為t時 刻 儲 能 設(shè) 備充放電出力最大、最小限值； μch(t)、 μdis(t)分別為t時刻儲能設(shè)備充放電狀態(tài)； E(t)為儲能SOC狀態(tài)；Emax(t)、 Emin(t)分別為儲能設(shè)備最大、最小值。

3.3.4 負(fù)荷響應(yīng)運(yùn)行約束

在混合直流配網(wǎng)中，以電動汽車、空調(diào)等為代表的可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源可以根據(jù)系統(tǒng)供需情況，調(diào)整用電行為，以可中斷負(fù)荷或者可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的形式參與系統(tǒng)運(yùn)行。以電動汽車通過可轉(zhuǎn)移負(fù)荷參與系統(tǒng)運(yùn)行為例，其出力模型如下：

式中： Pvec(t) 為 電動汽車t時 刻充電負(fù)荷；Pvec,max(t)、Pvec,min(t)為 電動汽車最大、最小充電負(fù)荷限值；Evec為參與負(fù)荷響應(yīng)前典型日電動汽車充電總電量。

4 算例分析

4.1 算例基礎(chǔ)參數(shù)

某地區(qū)交直流混合配電網(wǎng)示范工程系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D3所示。系統(tǒng)可再生能源主要包含光伏裝機(jī)2.704 MW、風(fēng)電裝機(jī)0.02 MW、光熱0.025 MW；儲能包含磷酸鐵鋰電池儲能(0.2 MW*2h，充放電功率限制 |Pb|≤0.6 MW，SOC限制為0.1≤Qsoc,b≤0.9，初始SOC為0.9)、混合儲能（超級電容儲能0.1 MW*15s，充放電功率限制 |Pb|≤0.1 MW，SOC限制為 0.05≤Qsoc,b≤0.95，初始SOC為0.95；磷酸鐵鋰電池儲能0.4 MW*2h，充放電功率限制|Pb|≤0.6 MW，SOC限制為 0.1≤Qsoc,b≤0.9，初始SOC為0.9）；主要負(fù)荷包括數(shù)據(jù)中心負(fù)荷0.5 MW、充電樁負(fù)荷2.38 MW、路燈照明負(fù)荷0.0047 MW、直流空調(diào)負(fù)荷0.3 MW、電子公路0.178 MW、居民小區(qū)負(fù)荷0.6 MW；PET各端口容量最大值為5 MW，功率損耗系數(shù)為0.04，系統(tǒng)的可再生能源出力曲線和負(fù)荷曲線見圖4。

圖3 某地區(qū)交直流混合配電網(wǎng)示范工程拓?fù)銯ig.3 Topology of a demonstration project

圖4 系統(tǒng)可再生能源發(fā)電和負(fù)荷需求曲線Fig.4 Renewable energy power generation and load demand curve of the demonstration project

從圖4中可知，示范工程地區(qū)以民用負(fù)荷為主，系統(tǒng)負(fù)荷在8:00?12:00、18:00?20:00呈現(xiàn)典型的民用負(fù)荷兩個高峰。可再生能源發(fā)電主要是光伏，因此系統(tǒng)可再生能源發(fā)電呈現(xiàn)出光伏發(fā)電曲線特征。

示范工程所在地區(qū)實(shí)行峰谷電價，峰時為每日8:00?21:00，電價標(biāo)準(zhǔn)為0.558元，谷時為每日21:00?次日8:00，電價標(biāo)準(zhǔn)為0.358元。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行策略

日前調(diào)度策略中以15min為一個調(diào)度周期，以日前24h為調(diào)度總周期。在matlab軟件提供的yalmip工具箱中編寫算例方程，調(diào)用cplex求解器進(jìn)行求解。計算得到的PET各端口出力曲線如圖5所示。從圖5看出，隨著白天光伏出力的增加，8:00之后10 kV端口從交流配網(wǎng)輸入的功率下降，呈現(xiàn)較低的功率水平。17:00之后，光伏出力快速下降，而系統(tǒng)負(fù)荷上升，10 kV端口購電功率迅速上升。

PET1的交流380 V端口，由于充電樁負(fù)荷盡可能跟蹤風(fēng)電出力，系統(tǒng)流入該端口功率與夜間路燈負(fù)荷曲線一致，呈現(xiàn)出典型的晝低夜高特性。

圖5 PET各端口功率Fig.5 The power at all PET terminals

PET2的交流380 V端口，由于光熱電站功率較小，該端口功率與380 V交流微網(wǎng)2的負(fù)荷曲線一致。

直流±375 V端口，由于該端口接入的儲能容量較高，在夜間光伏出力少的時候，該端口向外輸出功率。白天光伏出力上升，系統(tǒng)消納不足時，系統(tǒng)向儲能設(shè)備充電，該端口由系統(tǒng)輸入功率。

直流±750 V端口，該端口接入的負(fù)荷較多、可再生能源較少，因此該端口功率與±750 V直流母線負(fù)荷曲線一致。

4.3 系統(tǒng)運(yùn)行成本與新能源消納水平驗(yàn)證

PET投運(yùn)前后系統(tǒng)運(yùn)行成本與新能源消納水平的對比見表1。由表1可知，系統(tǒng)成本降低了5.4%，系統(tǒng)運(yùn)行損耗降低1.8%，可再生能源消納水平提高了5.2%。這是由于接入PET后，各區(qū)域之間能量自由流動，儲能和電動汽車可以有效參與系統(tǒng)互動，系統(tǒng)損耗降低。同時可再生能源出力高峰時期，多余的出力可以向其他區(qū)域流動，從系統(tǒng)購電的功率也就相應(yīng)減小，不僅降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，也減少了棄風(fēng)棄光。

表1 PET投運(yùn)前后系統(tǒng)運(yùn)行成本與新能源消納水平對比Table 1 System operating cost of distribution system and renewable resource accommodation level before and after putting PET into operation

5 結(jié)論

本文提出利用PET的功率調(diào)節(jié)功能，對交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)之間的功率傳遞進(jìn)行控制。以系統(tǒng)運(yùn)行成本為目標(biāo)，考慮系統(tǒng)約束和設(shè)備運(yùn)行約束，建立了基于PET的混合直流配網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，并以我國某地區(qū)交直流混合配網(wǎng)示范工程為例，對優(yōu)化策略進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，采用PET后，源、荷、儲等資源可以通過端口處功率的調(diào)控能力，使得功率在交直流各分區(qū)中靈活流動，從而提高了新能源的消納能力，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和清潔性。