孫 欣, 嚴(yán)佳嘉, 謝敬東, 孫 波
(上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,上海 200090)
目前,我國(guó)能源結(jié)構(gòu)高碳化特征明顯,能源轉(zhuǎn)型壓力巨大.新能源機(jī)組具備零碳排放、零邊際成本等優(yōu)點(diǎn),必將成為“碳中和”目標(biāo)下的主力電源[1].預(yù)計(jì)到2030年,風(fēng)電、太陽(yáng)能總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上[2].隨著裝機(jī)的廣泛普及,將有大量的分布式新能源嵌入到配網(wǎng)中[3].由于配網(wǎng)的無(wú)功支撐能力較弱,高比例可再生能源的接入對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)周圍的電能質(zhì)量和潮流分布將產(chǎn)生較大的影響[1].因此,如何保證大規(guī)??稍谏茉唇尤牒笙到y(tǒng)能夠安全穩(wěn)定、低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,是目前亟待研究的課題.
一些學(xué)者從可再生能源并網(wǎng)的角度出發(fā),提出采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提高局部并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功支撐能力[4].文獻(xiàn)[5]在建模時(shí)將風(fēng)機(jī)視作并網(wǎng)的連續(xù)無(wú)功電源.文獻(xiàn)[6]將電容器組、有載調(diào)壓器進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化.文獻(xiàn)[7]針對(duì)高比例可再生能源接入配網(wǎng)引起的潮流倒送、電壓越限等問(wèn)題,提出了計(jì)及無(wú)功調(diào)節(jié)和配網(wǎng)重構(gòu)的兩階段穩(wěn)健優(yōu)化模型.上述研究在解決分布式電源接入后電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題方面成效顯著,為“碳中和”背景下系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化提供了思路.另一些學(xué)者從可再生能源消納的角度出發(fā),利用不同能源載體之間的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié).文獻(xiàn)[8-9]提出了分布式電-氣集成系統(tǒng)優(yōu)化框架,并將模型轉(zhuǎn)化為最優(yōu)潮流問(wèn)題.以二階錐松弛(Second-Order Cone Relation, SOCR)為代表的凸松弛技術(shù)在電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流求解領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果,但在處理天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流約束過(guò)程中存在失效的可能[10-11].文獻(xiàn)[12]建立了面向風(fēng)電消納的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)健性優(yōu)化調(diào)度模型.文獻(xiàn)[13]考慮了電轉(zhuǎn)氣參與微型能源網(wǎng)調(diào)度的綜合效果.上述方案對(duì)于促進(jìn)可再生能源消納、提升電網(wǎng)調(diào)節(jié)彈性具有重要意義,但在優(yōu)化過(guò)程中較少考慮不同能源系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)(包括母線電壓約束、無(wú)功潮流約束、天然氣管道約束等),優(yōu)化策略準(zhǔn)確度不高.
基于上述分析,本文建立了一種計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償和多能協(xié)同交互的源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)集中優(yōu)化調(diào)度模型,主要包括:考慮“碳中和”背景下新能源機(jī)組接入配網(wǎng)帶來(lái)的無(wú)功問(wèn)題;在考慮能源互聯(lián)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)約束、設(shè)備運(yùn)行約束的基礎(chǔ)上,全方位挖掘多能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)彈性.此外,本文引入松弛約束因子對(duì)天然氣網(wǎng)絡(luò)原始SOCR潮流約束進(jìn)行改進(jìn),從而提高SOCR算法用于天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流方程求解的適應(yīng)性.最后基于改進(jìn)的IEEE系統(tǒng)的算例分析驗(yàn)證所提方法的有效性.
在“碳中和”推進(jìn)的過(guò)程中,電網(wǎng)將迎來(lái)多元驅(qū)動(dòng)、要素融合的高彈性時(shí)代[3].能源集線器(Energy Hub, EH)作為多輸入多輸出單元,能夠?qū)ⅹ?dú)立的配電網(wǎng)(Power Distribution Network, PDN)和配氣網(wǎng)(Gas Distribution Network, GDN)進(jìn)行耦合,通過(guò)多能轉(zhuǎn)換和多能源需求響應(yīng)實(shí)現(xiàn)能源供需更大范圍內(nèi)的平衡,為系統(tǒng)提供彈性[1].同時(shí),在實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的過(guò)程中,氣電具備啟停迅速、運(yùn)行靈活等優(yōu)勢(shì),可作為構(gòu)建“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”的過(guò)渡電源、調(diào)節(jié)電源[14],用于平抑可再生能源和負(fù)荷波動(dòng).為此,本文建立了電氣互聯(lián)系統(tǒng)模型,如圖1所示,詳細(xì)建模過(guò)程如下.
圖1 電氣互聯(lián)系統(tǒng)模型框架圖Fig.1 Model framework of power and gas system
在輻射狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?,Distflow方程[15]常用于建立交流潮流模型.為此,本文采用Distflow方程來(lái)建立電力網(wǎng)絡(luò)相關(guān)約束.
1.1.1含SVC電力網(wǎng)絡(luò)約束 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator, SVC)在提升系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、改善電網(wǎng)電壓水平方面發(fā)揮著重要作用[16],相關(guān)支路約束為
(1)
式中:ΩPL表示電力網(wǎng)絡(luò)中所有支路的集合;ΩOL表示含有載調(diào)壓變壓器支路的集合;Pjk, t和Pij, t分別表示時(shí)刻t由節(jié)點(diǎn)j→k和節(jié)點(diǎn)i→j的有功;rij表示線路ij的電阻;lij, t表示時(shí)刻t流經(jīng)線路ij電流Iij, t的平方;Pj, t表示時(shí)刻t節(jié)點(diǎn)j處的有功負(fù)荷;ΩUP(j)、ΩWind(j)、ΩPV(j)、ΩGU(j)、ΩP2G(j)、ΩEH(j)分別表示與節(jié)點(diǎn)j相連的上級(jí)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、風(fēng)機(jī)、光伏、燃?xì)鈾C(jī)組、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、EH的集合;Px, t、Pa, t、Pb, t和Pu, t分別表示時(shí)刻t上級(jí)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)x、風(fēng)機(jī)a、光伏b和燃?xì)鈾C(jī)組u向節(jié)點(diǎn)j注入的有功;Pg, t表示時(shí)刻t電轉(zhuǎn)氣設(shè)備g消耗的有功;Ph, t表示時(shí)刻t配網(wǎng)給能源集線器h提供的有功功率;ΩB表示配電網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的集合.
(2)
式中:Qjk, t和Qij, t分別表示時(shí)刻t從節(jié)點(diǎn)j→k和節(jié)點(diǎn)i→j的無(wú)功;xij表示線路ij的電抗;Qj, t表示時(shí)刻t節(jié)點(diǎn)j處的無(wú)功負(fù)荷;Qa, t表示時(shí)刻t風(fēng)機(jī)a吸收的無(wú)功;Qc, t表示時(shí)刻t靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置c提供的無(wú)功;ΩSVC(j)表示與節(jié)點(diǎn)j相連SVC裝置的集合.
(3)
?ij∈ΩPL
(4)
式中:vi, t和vj, t表示時(shí)刻t節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的電壓的平方;zij表示支路ij的阻抗;Sij, t表示時(shí)刻t支路的視在功率.
SVC的出力需滿足的約束條件為
(5)
式(4)可松弛為二階錐規(guī)劃約束[10-11]:
(6)
1.1.2含OLTC電力網(wǎng)絡(luò)約束 有載調(diào)壓變壓器(On Load Tap Changer, OLTC)作為一種有效調(diào)節(jié)手段[16],對(duì)于調(diào)節(jié)配網(wǎng)電壓水平具有重要作用.引入虛擬節(jié)點(diǎn)i*,含OLTC的支路如圖2所示,圖中zii*為線路ij與該線路上OLTC阻抗之和;rii*、xii*為線路ij與該線路上OLTC電阻之和、電抗之和.可建模如下:
圖2 含OLTC的支路模型Fig.2 Branch model with OLTC
(7)
(8)
(9)
式中:vi*, t表示時(shí)刻t虛擬節(jié)點(diǎn)i*處電壓的平方;kij, t表示時(shí)刻t線路ij上OLTC的變比;Sii*, t=Pii*, t+jQii*, t為線路ii*在節(jié)點(diǎn)i側(cè)的視在功率;lii*, t表示時(shí)刻t流經(jīng)線路ii*電流Iii*, t的平方.
(10)
(11)
式中:ntr為OLTC分接頭數(shù)量;kij, t, y表示線路ij上OLTC抽頭位置y的變比;κij, t, y為經(jīng)大M法線性化后的eij, t, y;eij, t, y為支路ij上OLTC抽頭位置y的二進(jìn)制虛擬變量;M是一個(gè)很大的正數(shù).
1.1.3含SC電力網(wǎng)絡(luò)約束 傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器(Shunt Capacitor, SC)模型中含有雙線性項(xiàng),通過(guò)大M方法[6]可將原始模型進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換,以便于求解.假設(shè)時(shí)刻t下,節(jié)點(diǎn)j對(duì)應(yīng)電壓的平方為vj, t,SC提供的無(wú)功補(bǔ)償Qd, t(d表示與節(jié)點(diǎn)j相連的SC)可表示為
21σj, t, 1+…+2nSCσj, t, nSC))
(12)
(13)
0≤20xj, t, 0+21xj, t, 1+…+2nSCxj, t, nSC≤
(14)
因此,與節(jié)點(diǎn)j有關(guān)的支路(含SC)的Distflow方程可表示為
(15)
式中:ΩSC(j)表示與節(jié)點(diǎn)j相連的SC的集合.
1.1.4其他約束 此外,配電網(wǎng)還需滿足以下安全運(yùn)行約束,包括配網(wǎng)與上級(jí)電網(wǎng)的交互功率約束、EH與配網(wǎng)的交互功率約束、支路電流約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、根節(jié)點(diǎn)電壓約束、電轉(zhuǎn)氣(Power to Gas, P2G)設(shè)備的出力約束等.
氣電作為“碳中和”目標(biāo)下的調(diào)節(jié)電源,是高碳能源轉(zhuǎn)向低碳能源的必要組成部分.配氣網(wǎng)主要包括節(jié)點(diǎn)和支路兩部分,本文建立相應(yīng)的配氣網(wǎng)模型如下.天然氣節(jié)點(diǎn)m的能量平衡約束可表示為
(16)
式中:ΩNW(m)表示與節(jié)點(diǎn)m相連的天然氣井的集合;Gw, t表示天然氣井w提供的天然氣流量;ΩP2G表示與節(jié)點(diǎn)m相連的P2G設(shè)備的集合;Gg′, t表示P2G設(shè)備g′提供的天然氣流量;ΩEH(m)表示與節(jié)點(diǎn)m相連的能源集線器的集合;Gh, t表示能源集線器h的耗氣量;Gm, t表示節(jié)點(diǎn)m的天然氣負(fù)荷;ΩGU(m)表示與節(jié)點(diǎn)m相連的燃?xì)鈾C(jī)組的集合;Gu′, t表示燃?xì)鈾C(jī)組u′的耗氣量;ψb(m)、ψf(m)分別表示與節(jié)點(diǎn)m相連的上游節(jié)點(diǎn)、下游節(jié)點(diǎn)的集合;Gmn′, t和Gmn, t表示由節(jié)點(diǎn)n′→m和節(jié)點(diǎn)m→n的天然氣流量;ΩGC(mn)表示管道m(xù)n中的壓縮機(jī)的集合;αc′表示壓縮機(jī)c′的燃料消耗系數(shù);ΩGB表示所有天然氣節(jié)點(diǎn)的集合.
天然氣管道潮流由管道兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)氣壓決定,本文采用著名的Weymouth方程[17]對(duì)天然氣管道潮流進(jìn)行近似處理,可表示為
(Gmn, t)2=(Kmnpm, t)2-(Kmnpn, t)2,
(17)
?mn∈ΩGP
式中:Kmn為管道的Weymouth特性參數(shù);pm, t和pn, t分別表示天然氣節(jié)點(diǎn)m和節(jié)點(diǎn)n的氣壓;ΩGP表示所有天然氣管道的集合.
天然氣管道潮流約束可表示為
(18)
式(17)可松弛為二階錐約束
(Gmn, t)2+(Kmnpn, t)2≤(Kmnpm, t)2,
(19)
?mn∈ΩGP
文獻(xiàn)[10-11]給出了SOCR應(yīng)用于電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流求解的準(zhǔn)確性證明,但對(duì)于天然氣網(wǎng)絡(luò)而言,松弛后的管道潮流約束條件與原約束不能完全等價(jià),SOCR松弛技術(shù)在處理天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流約束過(guò)程中存在失效的可能.為了進(jìn)一步提高SOCR算法用于天然氣管道潮流約束求解的適應(yīng)性,本文提出改進(jìn)SOCR方法,即在原始的SOCR松弛約束中引入松弛約束因子ε(ε為極小的正數(shù)),使松弛后的約束條件更加逼近原等式約束.
|(Kmnpm, t)2-(Kmnpn, t)2-(Gmn, t)2|≤ε,
?mn∈ΩGP
(20)
假定天然氣管道中潮流的流向是由節(jié)點(diǎn)m流向節(jié)點(diǎn)n,則有:
pm, t≥pn, t, ?mn∈ΩGP
(21)
此外,有:
pn, t≤γc′pm, t, ?c′∈ΩGC(mn)
(22)
(23)
(24)
(25)
Gu′, t=Pu, t/(ηulgas)
(26)
Gg′, t=Pg, tηg/lgas
(27)
典型的電-熱EH結(jié)構(gòu)如圖3所示.系統(tǒng)的電、熱、氣功率平衡約束可表示為
圖3 電-熱能源集線器模型Fig.3 Model of power-heat energy hub
(28)
(29)
(30)
式中:Gh, α, t和Gh, ζ, t表示能源集線器h中CHP機(jī)組α和燃?xì)忮仩tζ在時(shí)刻t所需的天然氣流量.
電儲(chǔ)能裝置的模型及約束條件
(31)
(32)
儲(chǔ)熱裝置的模型及約束條件
(33)
(34)
能源轉(zhuǎn)換裝置的模型及約束條件
Gh, α, t=Ph, α, t/(ηCElgas)
(35)
Hh, χ, t=ηEHPh, χ, t
(36)
Hh, ζ, t=ηGHGh, ζ, tlgas
(37)
(38)
對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)(Combined Heat and Power, CHP)而言,以往的優(yōu)化模型多采用固定的熱電比對(duì)CHP機(jī)組的熱電出力進(jìn)行約束,這不符合CHP機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況.為提高模型的準(zhǔn)確性,本文采用凸區(qū)域[18]表示CHP機(jī)組的運(yùn)行域(見(jiàn)圖4).相應(yīng)地,CHP機(jī)組的熱電出力運(yùn)行約束可表示為
圖4 CHP機(jī)組運(yùn)行域Fig.4 Operation region for a CHP unit
(43)
為應(yīng)對(duì)“碳中和”目標(biāo)下高比例可再生能源電力系統(tǒng)面臨的諸多挑戰(zhàn),本文以電-氣互聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定安全為約束條件,以系統(tǒng)運(yùn)行成本最優(yōu)、網(wǎng)絡(luò)損耗最小、碳排放量最小為目標(biāo),提出一種計(jì)及無(wú)功優(yōu)化和多能協(xié)同交互的源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)集中優(yōu)化調(diào)度模型.
目標(biāo)函數(shù)包括:購(gòu)電成本C1、天然氣成本C2、網(wǎng)損成本C3、環(huán)境成本C4.以電-氣配網(wǎng)一天的總費(fèi)用C最小為目標(biāo).為平衡求解的精度與速度,本文將電氣互聯(lián)系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度分析的時(shí)間間隔設(shè)定為Δt=1 h,模型在單位調(diào)度時(shí)間內(nèi)需滿足相關(guān)約束條件見(jiàn)2.2節(jié).
(1) 購(gòu)電成本.為了滿足系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡,配網(wǎng)存在向大電網(wǎng)購(gòu)電的可能性.設(shè)P(t)為時(shí)刻t配網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)買的有功功率;δ1(t)為時(shí)刻t單位電量購(gòu)電成本,一天內(nèi)總的購(gòu)電成本為
(44)
式中:ΩUP表示與配網(wǎng)相連的上級(jí)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的集合.
(2) 天然氣成本.設(shè)G(t)為時(shí)刻t天然氣井提供的天然氣的流量(即配網(wǎng)的購(gòu)氣量),δ2為單位體積天然氣成本,一天內(nèi)總的天然氣成本可表示為
(45)
式中:ΩNW表示天然氣網(wǎng)絡(luò)中天然氣井的集合.
(3) 網(wǎng)損成本.設(shè)L(t)為時(shí)刻t系統(tǒng)的有功損耗,δ3(t)為時(shí)刻t單位電量有功損耗費(fèi)用,本文取單位電量購(gòu)電成本作為單位電量有功損耗費(fèi)用,一天內(nèi)總的網(wǎng)損費(fèi)用可表示為
(46)
(4) 碳排放成本.設(shè)E(t)為時(shí)刻t系統(tǒng)的碳排放量,δCO2單位體積CO2排放成本,一天內(nèi)總的碳排放成本可表示為
(47)
式中:μe為單位電量下CO2的排放系數(shù);μg為單位體積天然氣的CO2的排放系數(shù).
綜上,系統(tǒng)整體優(yōu)化函數(shù)C為
minC=min (C1+C2+C3+C4)
(48)
(1) 電力網(wǎng)絡(luò)約束.電力網(wǎng)絡(luò)約束包括功率平衡約束、支路電流約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束等.如式(1)~(15)所示.
(2) 天然氣網(wǎng)絡(luò)約束.天然氣網(wǎng)絡(luò)約束包括節(jié)點(diǎn)約束、管道約束、流量平衡約束等.如式(16)~(27)所示.
(3) 能源集線器約束.能源集線器約束包括與上級(jí)配網(wǎng)的交互功率約束、能源轉(zhuǎn)換/存儲(chǔ)設(shè)備約束、功率平衡約束等.如式(28)~(43)所示.
在求解集中優(yōu)化調(diào)度模型時(shí),潮流方程為非凸方程,OLTC、SC調(diào)節(jié)裝置的投切容量為離散控制變量.為此,本文采用改進(jìn)SOCR對(duì)配網(wǎng)中天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流約束進(jìn)行凸松弛,采用大M法對(duì)OLTC、SC的投切容量進(jìn)行線性化轉(zhuǎn)換,將原來(lái)的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題(Mixed-Integer Nonlinear Programming, MINLP)轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃(Mixed-Integer Second-Order Cone Programming, MISOCP)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的高效求解.本文在MATLAB 2016b平臺(tái)上建立MISOCP模型,并通過(guò)調(diào)用求解器Gurobi 9.1.1對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解.
本文以修改的IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)和比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)配氣網(wǎng)耦合形成的電氣互聯(lián)系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)作為測(cè)試算例,驗(yàn)證所提模型的有效性.圖5中GW1與GW2為天然氣井1和天然氣井2.配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓范圍標(biāo)幺值設(shè)置為0.95~1.05,并將配電網(wǎng)平衡節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)電壓設(shè)置為12.66 kV.配網(wǎng)中無(wú)功補(bǔ)償裝置的相關(guān)參數(shù)如表1所示,SVC1和SVC2為兩類調(diào)節(jié)范圍不同的無(wú)功補(bǔ)償裝置.本算例的調(diào)度周期為T=24 h,單位調(diào)度時(shí)間Δt=1 h.可再生能源的預(yù)測(cè)出力Ps如圖6所示.電價(jià)δ1采用分時(shí)電價(jià)(見(jiàn)圖6),燃?xì)獾臒嶂等?.97 kW·h/m3(1 kW·h=3.6×106J),天然氣價(jià)格δ2取2.7元/m3,碳排放價(jià)格δ4取80元/t,單位電量煤電的CO2的排放系數(shù)取1.303 kg/(kW·h),單位體積天然氣燃燒后的CO2排放系數(shù)取 0.564 7 kg/(kW·h).
表1 無(wú)功補(bǔ)償裝置相關(guān)參數(shù)
圖6 分時(shí)電價(jià)及可再生能源預(yù)測(cè)出力Fig.6 Time-of-use electricity price and forecasted output of renewable energy sources
3.2.1松弛準(zhǔn)確性分析 為驗(yàn)證采用改進(jìn)SOC松弛法對(duì)配網(wǎng)潮流約束進(jìn)行凸松弛的有效性,本文對(duì)時(shí)段8配網(wǎng)支路潮流誤差進(jìn)行分析,配電網(wǎng)和配氣網(wǎng)的支路潮流誤差ζ1和ζ2計(jì)算公式如下.
(49)
ζ2=|(Kmnpm, t)2-(Kmnpn, t)2-(Gmn, t)2|,
?mn∈ΩGP
(50)
圖7、8分別為時(shí)段8配電、配氣網(wǎng)支路潮流的誤差散點(diǎn)圖.可知,配電網(wǎng)和配氣網(wǎng)支路潮流的松弛精度分別達(dá)到10-5和10-3量級(jí),滿足運(yùn)行要求.
圖7 時(shí)段8配電網(wǎng)支路潮流的誤差散點(diǎn)圖Fig.7 Error scatter of branch power flow in the PDN in the 8th period
圖8 時(shí)段8配氣網(wǎng)支路潮流的誤差散點(diǎn)圖Fig.8 Error scatter of branch gas flow in the GDN in the 8th period
3.2.2考慮無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠行则?yàn)證
(1) 電壓波動(dòng)及網(wǎng)損分析.為了進(jìn)一步分析計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償對(duì)于系統(tǒng)的影響,本文對(duì)計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償前后的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平va、系統(tǒng)的電壓水平v和有功損耗L進(jìn)行分析.
計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償前后風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)水平如表2所示, 圖9所示為計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償前后風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓隨時(shí)間變化的曲線圖.由圖9可知,在接入無(wú)功補(bǔ)償裝置后,風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓得到了提高,這有利于風(fēng)機(jī)與并網(wǎng)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行,避免因?yàn)闊o(wú)功支撐不足導(dǎo)致電壓過(guò)低而發(fā)生棄風(fēng)現(xiàn)象.結(jié)合表2可知,在接入無(wú)功補(bǔ)償裝置后風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓波動(dòng)更小,電能質(zhì)量得到了改善.
表2 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)水平
圖9 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓曲線Fig.9 Voltage curves at the grid-connection point of wind turbine
圖10所示為計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償前配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓隨時(shí)間變化的曲線圖,圖11所示為計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償前后配電網(wǎng)有功損耗隨時(shí)間變化的曲線圖,圖12所示為計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償后配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓隨時(shí)間變化的曲線圖.從圖10可以看出,在計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償前系統(tǒng)的最低電壓水平為0.95,且在時(shí)段 00:00—6:00、22:00—24:00 系統(tǒng)電壓下降較為明顯,這是因?yàn)樵摃r(shí)段風(fēng)機(jī)功率輸出較大,消耗的無(wú)功比較多,并網(wǎng)點(diǎn)電壓大幅下降,相應(yīng)地在該時(shí)段系統(tǒng)的有功網(wǎng)損也隨之增加.在計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償后,系統(tǒng)的無(wú)功支撐能力得到很大提升,系統(tǒng)的最低電壓提升到12.5 kV,相較于計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償前提升了4%,其他各節(jié)點(diǎn)的電壓水平也得到了改善,系統(tǒng)的網(wǎng)損大幅降低,有利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.
圖10 配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓曲線(未計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償)Fig.10 Node voltage curves of PDN without reactive power compensation considered
圖11 配電網(wǎng)24 h有功損耗Fig.11 24 h active power loss of PDN
圖12 配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓曲線(計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償)Fig.12 Node voltage curves of PDN with reactive power compensation considered
綜上,配網(wǎng)中接入無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠提高各節(jié)點(diǎn)電壓水平、有效抑制電壓波動(dòng)、降低有功損耗.
(2) 關(guān)于可再生能源滲透率的討論.表3為以風(fēng)電為例的可再生能源消納結(jié)果對(duì)比.表中:風(fēng)電滲透率Φ是指風(fēng)電預(yù)測(cè)出力與系統(tǒng)總電力負(fù)荷的比值;消納滲透率φ是指風(fēng)電的消納量占滲透量的比例;相對(duì)變化率Δ是指同一滲透率條件下考慮無(wú)功補(bǔ)償后消納滲透率的增量與滲透率的比例.根據(jù)可再生能源滲透比例,未來(lái)可再生能源發(fā)展可分為中比例(10%~30%)、高比例(10%~30%)、極高比例(50%~100%)3個(gè)階段[1].為了驗(yàn)證本文所提模型的有效性,本文在可再生能源不同發(fā)展階段對(duì)考慮無(wú)功補(bǔ)償前后的新能源的可消納滲透率進(jìn)行了對(duì)比分析.
表3 可再生能源消納結(jié)果對(duì)比(以風(fēng)電為例)
由表3可以看出,在考慮無(wú)功補(bǔ)償后,風(fēng)電消納滲透率有所提升.特別是在可再生能源處于高比例甚至極高比例發(fā)展階段,考慮無(wú)功補(bǔ)償對(duì)于提升風(fēng)電消納滲透率效果更為顯著(見(jiàn)圖13).對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言,在負(fù)荷水平較高的21:00—24:00時(shí)段,系統(tǒng)的無(wú)功流動(dòng)較大,系統(tǒng)電壓水平較低,此時(shí)風(fēng)機(jī)有功功率輸出較大,需要消耗大量無(wú)功.如果此時(shí)缺乏足夠的無(wú)功支撐,必然會(huì)導(dǎo)致棄風(fēng)(見(jiàn)圖14).考慮無(wú)功補(bǔ)償后,風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功支撐能力得到了提高,風(fēng)機(jī)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以及其他各節(jié)點(diǎn)的電壓水平都得到了提高,風(fēng)機(jī)輸出的有功能夠正常地輸送到系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電與并網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行.
圖13 計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償后風(fēng)電消納相對(duì)變化率Fig.13 Relative change rate of wind power consumption with reactive power compensation considered
圖14 風(fēng)電消納變化曲線Fig.14 Variation of wind power consumption
3.2.3系統(tǒng)靈活性分析 靈活性作為構(gòu)建“以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)”運(yùn)行優(yōu)化的內(nèi)在要求,本質(zhì)上也是一種彈性.本文所建模型能夠充分調(diào)用系統(tǒng)存量資源的可調(diào)節(jié)可響應(yīng)能力,通過(guò)多能轉(zhuǎn)換和多能源需求響應(yīng)為系統(tǒng)消納新能源提供彈性.具體分析如下.
(1) GU出力分析.對(duì)于光伏而言,出力時(shí)段集中在一天內(nèi)的 7:00—18:00.圖15所示為燃?xì)鈾C(jī)組出力.由圖15可知,燃?xì)鈾C(jī)組的出力與光伏出力呈現(xiàn)互補(bǔ)狀態(tài),燃?xì)鈾C(jī)組能夠快速靈活響應(yīng)系統(tǒng)的凈負(fù)荷變化,出力時(shí)段集中在19:00—24:00,氣電耦合特性為系統(tǒng)消納可再生能源提供了巨大的調(diào)節(jié)空間.
圖15 燃?xì)鈾C(jī)組出力Fig.15 Output of gas unit
(2) EH能量平衡分析.EH可通過(guò)調(diào)整內(nèi)部設(shè)備的出力計(jì)劃為電氣互聯(lián)系統(tǒng)提供較大的靈活性.EH電功率、熱功率日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖16、17所示.圖中Ph為電出力,Hh為熱出力.
圖16 EH優(yōu)化調(diào)度電負(fù)荷平衡曲線Fig.16 Power load balance for optimal scheduling of EH
配電網(wǎng)中EH(節(jié)點(diǎn)13)作為風(fēng)機(jī)(節(jié)點(diǎn)10)的下游節(jié)點(diǎn),其內(nèi)部電儲(chǔ)能裝置出力與風(fēng)機(jī)出力密切相關(guān).結(jié)合圖16(a)可以發(fā)現(xiàn),在時(shí)段00:00—8:00、22:00—24:00風(fēng)電出力較大,有富余的電量注入EH,EH首先將注入的電量用于供給電負(fù)荷,然后通過(guò)電儲(chǔ)能裝置充電消納多余的電量.在時(shí)段9:00—21:00,節(jié)點(diǎn)13的電負(fù)荷需求有所上升,同時(shí)段風(fēng)電出力也有所下降,注入EH的電功率不能滿足EH內(nèi)部的電負(fù)荷需求,缺額部分由CHP機(jī)組產(chǎn)電、電儲(chǔ)能裝置放電補(bǔ)足,必要時(shí)(例如在時(shí)段 13:00—18:00,風(fēng)電出力極低)EH向配網(wǎng)注入功率,為配網(wǎng)的靈活運(yùn)行提供支撐.對(duì)比圖16(a)、16(b)可知,隨著風(fēng)電滲透率的提高,配網(wǎng)向EH注入的電功率將顯著增加,EH內(nèi)部的用能方式也隨之改變.在時(shí)段9:00—12:00、20:00—21:00,能源集線器內(nèi)部的電負(fù)荷可由配網(wǎng)的注入功率、儲(chǔ)能裝置的放電功率滿足,CHP機(jī)組的出力幾乎為0,天然氣耗量顯著減少,有助于降低系統(tǒng)的碳排放.
由圖17可知,在時(shí)段9:00—21:00,系統(tǒng)的熱負(fù)荷主要是通過(guò)CHP機(jī)組產(chǎn)熱來(lái)滿足.由于熱電比的限制,在時(shí)段13:00—19:00,CHP機(jī)組產(chǎn)熱出力高于系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求,多余的熱量可以通過(guò)儲(chǔ)熱裝置存儲(chǔ)起來(lái).在時(shí)段0:00—8:00以及時(shí)段 22:00—24:00CHP機(jī)組不進(jìn)行產(chǎn)熱,該時(shí)段利用儲(chǔ)熱裝置放熱、燃?xì)忮仩t產(chǎn)熱、電鍋爐產(chǎn)熱實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱力平衡.對(duì)比圖17(a)、17(b)可知,隨著風(fēng)電滲透率的提高,能源集線器的部分用能實(shí)現(xiàn)了電能替代,在時(shí)段00:00—8:00、22:00—24:00電鍋爐出力增加,通過(guò)電熱轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納,降低了對(duì)天然氣的依賴,有助于系統(tǒng)降碳.
圖17 EH優(yōu)化調(diào)度熱負(fù)荷平衡曲線Fig.17 Heating load balance for optimal scheduling of EH
(3) P2G對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響.考慮P2G前后系統(tǒng)碳排放量對(duì)比結(jié)果如表4所示,圖18所示為不同場(chǎng)景光伏出力和P2G電負(fù)荷對(duì)比.由圖18可知,未考慮P2G之前,系統(tǒng)的光伏利用率為38.59%,棄光現(xiàn)象嚴(yán)重.引入P2G之后,系統(tǒng)的光伏利用率為100%,提升了61.41%,減少的棄光電量通過(guò)P2G技術(shù)轉(zhuǎn)換為天然氣注入配氣網(wǎng),以滿足氣負(fù)荷需求,從而降低系統(tǒng)的購(gòu)氣量.需要說(shuō)明的是,P2G在制取天然氣的過(guò)程中需要大量的CO2作為原料[13].因此,在引入P2G技術(shù)后,既能解決系統(tǒng)的棄光問(wèn)題,又能消耗CO2,有助于促進(jìn)局部區(qū)域的降碳.
表4 不同場(chǎng)景碳排放量對(duì)比
圖18 不同場(chǎng)景光伏出力和P2G電負(fù)荷對(duì)比Fig.18 Comparison for photovoltaic output and power load of P2G under different scenarios
3.2.4計(jì)及碳排放成本對(duì)于系統(tǒng)用能方式的影響 在當(dāng)前發(fā)展階段,為了滿足系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡,配網(wǎng)存在向大電網(wǎng)購(gòu)電的可能性,假設(shè)此部分電量由煤電構(gòu)成.圖19所示為計(jì)及碳排放成本前后能源集線器入氣量、入電量隨時(shí)間變化的曲線圖。不同風(fēng)電滲透率條件下考慮碳排放成本前后系統(tǒng)的碳排放量?jī)?yōu)化結(jié)果如表5所示.由圖19可知,當(dāng)計(jì)及碳排放成本后,在時(shí)段2:00—6:00系統(tǒng)的購(gòu)電量下降,購(gòu)氣量上升.這是因?yàn)閱挝还β蕷怆姷奶寂欧乓陀诿弘?,盡管在該時(shí)段電價(jià)處于較低的水平,EH還是更傾向于使用天然氣來(lái)滿足系統(tǒng)的電、熱負(fù)荷需求,以減少整個(gè)系統(tǒng)的購(gòu)電量,從而降低碳排放Eh.由表5可以看出,在不同的可再生能源發(fā)展階段,考慮碳排放成本均能夠促進(jìn)系統(tǒng)采用較為低碳的用能方式,降低系統(tǒng)的碳排放.且隨著可再生能源滲透比例的提高,系統(tǒng)的碳排放和經(jīng)濟(jì)成本將進(jìn)一步降低.
圖19 EH入氣量/入電量對(duì)比Fig.19 Comparison of gas and power inflow of EH
表5 考慮/不考慮碳排放成本模型優(yōu)化結(jié)果對(duì)比
隨著可在生能源的大規(guī)模接入,外購(gòu)電力中煤電的占比將不斷降低,清潔能源占比ρ將不斷提升.圖20所示為電氣互聯(lián)系統(tǒng)能源消耗量隨外購(gòu)電力中清潔能源占比變化的曲線圖.由圖20可知,隨著外購(gòu)電力中清潔能源占比的提高,系統(tǒng)外購(gòu)電量呈上升趨勢(shì),購(gòu)氣量呈下降趨勢(shì),氣電作為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過(guò)程中的過(guò)渡電源,將逐步被清潔能源取代.可以看出,本文所建模型能夠引導(dǎo)系統(tǒng)按照可再生能源>氣電>煤電的優(yōu)先級(jí)順序調(diào)整自身的用能方式以降低系統(tǒng)的碳排放,適用于可再生能源發(fā)展的不同階段.
圖20 電氣互聯(lián)系統(tǒng)能源消耗變化曲線Fig.20 Variation of energy consumption of power and gas system
“碳中和”目標(biāo)下將有大量新能源機(jī)組接入配網(wǎng),其波動(dòng)性給配網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn).本文針對(duì)可再生能源出力的波動(dòng)性,建立了計(jì)及無(wú)功補(bǔ)償和多能協(xié)同交互的源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)日前集中優(yōu)化調(diào)度模型,并轉(zhuǎn)化為MISOCP問(wèn)題進(jìn)行求解.優(yōu)化方案不僅能夠從整體上降低電氣互聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行成本,還能有效保證新能源機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)、耦合節(jié)點(diǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,為“碳中和”背景下多能源系統(tǒng)的有功/無(wú)功聯(lián)合調(diào)控提供思路.根據(jù)本文研究分析,得出以下結(jié)論:
(1) 考慮無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾姎饣ヂ?lián)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略能夠提高新能源機(jī)組并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓水平、改善系統(tǒng)電壓分布,有利于提高大規(guī)??稍偕茉唇尤胂屡渚W(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,為可再生能源進(jìn)入高比例甚至極高比例發(fā)展階段提供支撐.
(2) 考慮“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)的優(yōu)化策略能夠引導(dǎo)“荷隨源動(dòng)”,充分挖掘需求側(cè)資源的可調(diào)節(jié)能力,利用不同能源載體之間彈性的協(xié)同互動(dòng),以自組織、自趨優(yōu)的方式為可再生能源的消納提供更大的調(diào)節(jié)空間,實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置.
(3) 在效用等同的情況下,系統(tǒng)傾向于采用更為經(jīng)濟(jì)的能源,考慮碳排放成本能夠促進(jìn)系統(tǒng)按照可再生能源>氣電>煤電的優(yōu)先級(jí)順序調(diào)整自身的用能方式,以獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益,多能協(xié)同可以充分發(fā)揮不同能源之間的替代作用,為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用能低碳化提供了可能性.