基于雙層粒子群算法的主動配電網(wǎng)分布式電源規(guī)劃*

汪慧敏 楊 蘋 余雁琳

（1.華南理工大學電力學院 廣州 510640）（2.廣東省綠色能源技術重點實驗室 廣州 511458）

1 引言

隨著分布式電源在配電網(wǎng)中滲透率日益提高，以及市場環(huán)境下需求響應的開展，傳統(tǒng)配電網(wǎng)正在向主動配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變［1～3］。分布式電源的出力隨機性和需求側(cè)資源的調(diào)度潛能增加了配電網(wǎng)運行和規(guī)劃的不確定性和復雜性，傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法已經(jīng)不適用于主動配電網(wǎng)規(guī)劃［4～5］。

目前國內(nèi)外學者對主動配電網(wǎng)規(guī)劃展開了廣泛研究。文獻［6～8］考慮DG出力的不確定性和時序性，基于隨機潮流、概率場景和模糊理論對多類型DG進行了多目標規(guī)劃。文獻［9］提出一種考慮配電公司、DG運營商和用戶利益的ADN三層規(guī)劃模型，并采用結合支持向量機回歸（SVR）擬合潮流計算的并行遺傳膜算法（PGMA）求解。文獻［10］采用多狀態(tài)模型對光伏和電容器進行協(xié)調(diào)優(yōu)化配置。文獻［11］將儲能、無功補償加入ADN規(guī)劃選項，以綜合成本、供電可靠性、溫室氣體排放量為評價指標進行求解。文獻［12］計及儲能接入的影響，建立上層考慮網(wǎng)損靈敏度、下層考慮投資效益、電壓穩(wěn)定性及有功網(wǎng)損的雙層規(guī)劃模型?，F(xiàn)有研究較少考慮需求側(cè)響應中的可中斷負荷對規(guī)劃結果的影響，沒有充分發(fā)掘需求側(cè)響應的規(guī)劃潛能。因此，本文以年綜合費用最小為目標函數(shù)，建立考慮需求側(cè)響應的主動配電網(wǎng)分布式電源規(guī)劃模型，在IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)上驗證了規(guī)劃模型及求解方法的有效性，并分析了需求側(cè)響應對規(guī)劃結果的影響。

2 規(guī)劃模型建立

選取光伏發(fā)電機（Photovoltaic Generator，PVG）、風力發(fā)電機（Wind Turbine Generator，WTG）和微型燃氣輪機（Micro Turbine Generator，MTG）作為待規(guī)劃分布式電源。光照強度服從Beta分布［13］，風速服從Weibull分布［14～15］，負荷服從正態(tài)分布。利用Homer軟件生成一年8760h內(nèi)光照強度、風速和負荷的數(shù)據(jù)，再由K值聚類將其縮減為30個場景，然后將光照強度、風速轉(zhuǎn)化為光伏和風機的有功出力。從區(qū)域能源供應商利益出發(fā)，以年綜合費用最小為目標函數(shù)，建立考慮DSR的主動配電網(wǎng)DG規(guī)劃模型。

2.1 目標函數(shù)

優(yōu)化目標為年綜合費用最小，如式（1）所示，各分項計算公式如式（2）～（10）所示。

1）折算到每年的DG固定投資費fI

其中，RPVG、RWTG、RMTG為PVG、WTG、MTG的現(xiàn)值轉(zhuǎn)等年值系數(shù)，yPVG、yWTG和yMTG為經(jīng)濟使用年限，d為貼現(xiàn)率，Nbus為分布式電源待規(guī)劃節(jié)點數(shù)，和表示安裝在節(jié)點i處的PVG、WTG、MTG額定容量，和為PVG、WTG、MTG的單位容量固定投資成本。

2）每年的DG運行維護費fOM

3）MTG燃料成本fF

4）ADN向上級電網(wǎng)購電費fB

其中，Psub,s表示在場景s下ADN向上級電網(wǎng)購電的有功功率，δs表示向上級電網(wǎng)購電的單位電價。5）有功網(wǎng)損費用fLOSS

其中，cLOSS表示單位電量有功網(wǎng)損產(chǎn)生的費用，PLOSS,s表示場景s下ADN中總的有功網(wǎng)損。

6）實施需求側(cè)響應產(chǎn)生的補償成本fDSR

其中，NDSM表示DSR待規(guī)劃節(jié)點數(shù)，PDSM,j,s表示在場景s下需求側(cè)響應節(jié)點j處可中斷負荷的中斷功率，τj表示單位電量可中斷負荷的中斷補償費。

2.2 約束條件

1）DG的裝機容量約束

2）節(jié)點功率平衡等式約束

場景s下節(jié)點i的有功功率注入和無功功率注入分別表示為Pi,s和Qi,s；節(jié)點i和j處的電壓幅值分別表示為Ui,s和Uj,s，電壓相角差值表示為θij,s，其間支路電導表示為Gij，支路電納表示為Bij。

3）節(jié)點電壓約束

Ui,s表示模擬運行場景s下節(jié)點i處實際電壓幅值，和分別表示其允許的最大值和最小值。

4）支路容量約束

其中，Sj,s表示場景s下支路j的視在功率實際值，Sjmax表示支路j處允許流過的最大視在功率值。

5）分布式電源滲透率約束

其中，ε為待規(guī)劃ADN內(nèi)允許的最大DG滲透率，PSUM為ADN中負荷有功的總和。

6）負荷中斷量約束

3 模型轉(zhuǎn)化及求解

基于分解協(xié)調(diào)思想，將模型分解為規(guī)劃層和運行層，如圖1。上層確定使年綜合費用最小的分布式電源安裝方案，下層用于確定規(guī)劃層給定分布式電源安裝方案下的最優(yōu)負荷中斷方案。采用雙層粒子群算法和前推回代法的混合策略對上述規(guī)劃模型求解，算法流程圖如圖2。其中，下層目標函數(shù)可表示為

圖1 雙層規(guī)劃模型框圖

圖2 算法流程圖

4 算例分析

4.1 算例概況

利用Matlab軟件對IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)進行仿真分析。33節(jié)點配電網(wǎng)拓撲如圖3所示，網(wǎng)絡中總有功負荷為3715kW、總無功負荷為2300kVar。DG的待選擇節(jié)點為14、17、21、25、30。需求側(cè)響應待選節(jié)點為12、15、26、33。ADN規(guī)劃運行相關參數(shù)如表1所示。ADN所在區(qū)域20m處風速符合兩參數(shù)Weibull分布，其中參數(shù)k=2.30，c=8.92。所在區(qū)域光照強度符合Beta分布，參數(shù)α=0.85，β=0.85。

表1 ADN規(guī)劃運行相關參數(shù)

圖3 IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)拓撲圖

4.2 結果分析

4.2.1 考慮DSR與不考慮DSR的的DG最優(yōu)規(guī)劃方案對比

如表2所示，相比于不考慮DSR的最優(yōu)DG規(guī)劃方案，考慮DSR得到的最優(yōu)DG規(guī)劃方案對應的最小年綜合費用降低了7.6936萬元，降幅為0.78%?？紤]DSR對分布式電源規(guī)劃的影響后，DG滲透率降低，投資和運行維護費用減小，這是因為需求側(cè)響應改變了ADN的潮流分布，在某些極端運行情況下，比如當風光資源很差導致風機光伏出力很小而負荷很大時，ADN可以通過需求側(cè)響應切除部分可中斷負荷，使得電氣約束也能得到滿足，進而維持ADN的潮流分布和安全運行，減少新增分布式電源投資。

表2 考慮DSR與不考慮DSR規(guī)劃結果對比

同時，考慮DSR的優(yōu)化結果中DG總安裝容量更小，由于分布式電源接入配電網(wǎng)是有助于降低網(wǎng)損的，較少的DG安裝容量會帶來更高的網(wǎng)損費用，但實際仿真結果中網(wǎng)損費用降低，說明需求側(cè)響應的可中斷負荷可以等效為發(fā)電側(cè)資源，合理的中斷方案具有降低網(wǎng)損的作用。

4.2.2 需求側(cè)響應對規(guī)劃結果的影響

不同中斷補償電價下的最小年綜合費用及對應的年總中斷量如圖4所示。隨負荷中斷電價的增加，年中斷總量呈下降趨勢，最小年綜合費用呈上升趨勢。其中，0.4元/（kW·h）到0.6元/（kW·h）是轉(zhuǎn)折區(qū)間，當中斷電價低于0.4元/（kW·h）時，可中斷負荷的年中斷總量處于較高水平，最優(yōu)規(guī)劃方案對應的最小年綜合費用增長較快。當中斷電價高于0.6元/（kW·h）時，增長則較緩慢。中斷電價從0.4元/（kW·h）變到0.6元/（kW·h）時，年中斷總量急劇下降，而后趨于平緩。這表明，中斷電價低于折算的等電量發(fā)電成本時，通過DSR切除大量負荷來減少新增DG投資；中斷電價高于折算的等電量發(fā)電成本時，直接投資新增DG更為經(jīng)濟，因此負荷年中斷量較小。

圖4 中斷電價對最小年綜合費用和年中斷總量的影響

5 結語

以年綜合費用最小為目標函數(shù)建立考慮需求側(cè)響應的分布式電源規(guī)劃模型，采用雙層規(guī)劃的粒子群算法和前推回代法的混合策略對模型求解，得出如下結論。

1）在ADN中進行DG規(guī)劃時，DSR會影響DG的接入方案，進而影響年綜合費用。實施DSR后，在某些極端運行情況下可以通過切負荷來維持配電網(wǎng)潮流合理分布和安全運行，而不需要新增分布式電源投資，因此可降低規(guī)劃方案中的分布式電源投資和運行費，進而降低年綜合費用。

2）需求側(cè)響應的可中斷負荷可以等效為發(fā)電側(cè)資源，合理的中斷方案有助于降低系統(tǒng)網(wǎng)損。

3）當中斷電價低于折算的等電量發(fā)電成本時，通過DSR切除大量負荷來減少新增DG投資；當中斷電價高于折算的等電量發(fā)電成本時，直接投資新增DG更為經(jīng)濟。因此，建議根據(jù)實際情況合理設定可中斷負荷的補償電價。