基于多元源網(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃方法研究

于冰濤，劉文娟

1.天津天智華研電力技術(shù)集團(tuán)股份有限公司，天津 300001

2.北京中恒博瑞數(shù)字電力科技有限公司，北京 100001

0 引言

環(huán)境的變化使得電力企業(yè)監(jiān)管體系的創(chuàng)新勢在必行?；诙嘣淳W(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃需要建立在源網(wǎng)荷友好交互系統(tǒng)之上[1]，這對當(dāng)下的我國還是一種陌生事物，缺乏相應(yīng)的管理制度及運(yùn)轉(zhuǎn)模式，從而極大地影響了其在電力企業(yè)的應(yīng)用效果[2]。電力企業(yè)在源網(wǎng)荷儲模式的協(xié)同優(yōu)化方面面臨的問題非常復(fù)雜和多元化，源網(wǎng)荷儲需要的超高壓材料對電網(wǎng)的安全水平和事故預(yù)防能力提出了更高的要求，再加上當(dāng)下新能源及可再生資源的發(fā)展，給電網(wǎng)的安全控制及平穩(wěn)運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)。

因此，電力企業(yè)需要改進(jìn)管理制度，做好基于多元源網(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計。

1 多元源網(wǎng)荷儲的基本功能

1.1 源源互補(bǔ)

隨著分布式電源的廣泛并網(wǎng)，未來電網(wǎng)中的一次能源將呈現(xiàn)出多樣性，其空間和時間將具有一定的互補(bǔ)性。同時，隨著大規(guī)模儲能技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用，未來配電網(wǎng)中的能源將具有更強(qiáng)的相關(guān)性和動態(tài)廣域互補(bǔ)性。通過主動配電網(wǎng)的源源互補(bǔ)和互動運(yùn)行，利用主網(wǎng)電能、儲能設(shè)備、多類型分布式等能源的廣域互補(bǔ)性、相關(guān)性效應(yīng)，可以彌補(bǔ)單一分布式可再生能源的隨機(jī)性、間歇性、波動性等缺點(diǎn)，進(jìn)而提高配電網(wǎng)供電的可靠性、可再生能源的利用率以及系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力，減少電網(wǎng)備用容量[3]。

1.2 源網(wǎng)協(xié)調(diào)

隨著FACTS技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，未來的電網(wǎng)必將是柔性電網(wǎng)，而且大型風(fēng)電、光伏等可再生能源與分布式能源將大規(guī)模接入電網(wǎng)。未來的源網(wǎng)協(xié)調(diào)主要表現(xiàn)在兩個方面：

一方面，將大規(guī)模接入的間歇性新能源與傳統(tǒng)水電、火電甚至核電進(jìn)行分工協(xié)作，聯(lián)合打捆外送；

另一方面，組合應(yīng)用主動配電網(wǎng)內(nèi)部豐富的分布式能源，提高配電網(wǎng)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性，提高配電網(wǎng)的運(yùn)行效率[4]。

源網(wǎng)協(xié)調(diào)技術(shù)將極大地提高間歇性可再生能源地可調(diào)度性、可控制性，提高電網(wǎng)對新能源的消納能力，提高新能源的友好性。

1.3 源網(wǎng)荷儲

隨著新能源的發(fā)展，多元源網(wǎng)荷儲可以在峰值儲存電能，在電力谷值釋放儲能，有利于配電網(wǎng)用電量的供給，提高新能源的利用效率。

2 基于多元源網(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計

2.1 基于線性規(guī)劃建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

在基于多元源網(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃過程中，應(yīng)將源網(wǎng)按照運(yùn)算符劃分節(jié)點(diǎn)，并將每個節(jié)點(diǎn)作為一個線性調(diào)度內(nèi)容進(jìn)行處理，處理過程如下[5]：

式中：g(x)為源網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化控制模式；ki(i=1,2,…,n)xi(i=1,2,…,n)為項目處理系數(shù)；為線性同步處理項目；n為處理次數(shù)。

為了降低源網(wǎng)荷儲成本，提高控制效率，使配電網(wǎng)規(guī)劃更為合理，可選擇在線性約束條件下建立優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)，計算源網(wǎng)荷儲約束的極值，得到的目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：Pen,i為線性規(guī)劃中第i條線路的源網(wǎng)荷載；PDG,L為線路總能耗下的網(wǎng)絡(luò)能源成本控制的源網(wǎng)荷載；PB,H為源網(wǎng)代理功率下的優(yōu)化控制目標(biāo)；Ck為項目處理下的線性規(guī)劃；C1為項目處理下的線性規(guī)劃源網(wǎng)荷儲約束規(guī)劃；DG為網(wǎng)絡(luò)線路中可再生能源的成本；e為源網(wǎng)荷載；n為線性規(guī)劃下的約束條件；B為源網(wǎng)代理功率；L為線路總能耗；H為優(yōu)化控制目標(biāo)。

根據(jù)式（2），可以選擇源網(wǎng)控制最小目標(biāo)。在選定線性控制目標(biāo)的基礎(chǔ)上，劃分在線性約束下的源網(wǎng)荷載能源分布層次。源網(wǎng)荷載能源分布最頂層為協(xié)調(diào)控制的起始端，應(yīng)將優(yōu)化控制的目標(biāo)直接與荷儲控制建立聯(lián)系，并將其完全置于與內(nèi)置ARM的源網(wǎng)線性關(guān)系中。為此，選擇一個源網(wǎng)控制節(jié)點(diǎn)作為自變量，建立多元線性回歸方程檢索源網(wǎng)頂層的優(yōu)化控制目標(biāo)[6]，函數(shù)表達(dá)式為

式中：ni為源網(wǎng)儲存能源在某一節(jié)點(diǎn)的使用量；mi為使用量的平均值；α和β分別為荷載控制與荷載優(yōu)化系數(shù)；εi為在線性回歸方程中無法直接控制的荷儲能源量。

根據(jù)式（3），將控制目標(biāo)近似看作一個整體，可以達(dá)成選擇源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制目標(biāo)的目的。

2.2 多空間源網(wǎng)荷儲約束

結(jié)合基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法，根據(jù)源網(wǎng)的不同層荷儲量劃分源網(wǎng)優(yōu)化控制空間。考慮到不同空間內(nèi)源網(wǎng)的正消耗量，需要計算負(fù)載狀態(tài)下的源網(wǎng)荷儲在傳輸功率過程的能源消耗，計算公式如下：

在能源傳輸過程中，損耗的能源量通常在5%～9%[7]。為此，在明確回歸方程控制變量的情況下，將控制變量設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)源網(wǎng)荷儲空間的使用量歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計相關(guān)資料，并以此為依據(jù)，明確源網(wǎng)在不同狀態(tài)下的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制條件。多元源網(wǎng)荷儲約束條件如表1所示。

表1 多元源網(wǎng)荷儲約束條件

為了獲得源網(wǎng)的等邊優(yōu)化約束條件，采用控制約束邊界成本的方式引入自適應(yīng)擴(kuò)散算法，對迭代產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次更新[8]，并估算全局的約束成本，進(jìn)而在實現(xiàn)主動源網(wǎng)荷儲間協(xié)調(diào)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對擴(kuò)散邊界源網(wǎng)實施有效約束[9]。

2.3 目標(biāo)函數(shù)求解

在源網(wǎng)荷儲運(yùn)行中，求解目標(biāo)函數(shù)，得到：

式中：qi為源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制邊界；λi為控制上限元素集合；δi為控制下限元素集合。

采用控制協(xié)調(diào)面板的方式控制源網(wǎng)荷儲面板中的能源輸送功率，根據(jù)控制功率的大小進(jìn)行優(yōu)化增量值的計算，計算公式如下[10]：

式中：ΔP為功率增量；PT0為能源穩(wěn)定存儲目標(biāo)的計劃控制功率；PT為實際輸出功率。

根據(jù)式（6），可分析荷儲優(yōu)化控制偏差值。結(jié)合線性約束條件選擇控制路徑，建立路徑與目標(biāo)的映射聯(lián)系，及時矯正在優(yōu)化控制中出現(xiàn)偏差的路徑，依照環(huán)境對優(yōu)化控制提出的要求，提升優(yōu)化控制過程的穩(wěn)定性，實現(xiàn)基于多元源網(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計。

3 設(shè)計方法有效性的驗證實驗

3.1 實驗方法

為了驗證基于多元源網(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計方法的有效性，將其與傳統(tǒng)的規(guī)劃方法的源網(wǎng)荷儲的調(diào)速耗能情況進(jìn)行比較，設(shè)計了如下對比實驗。

選擇某新能源變電站和某條出線配電線路為實驗對象，并按照實驗需求布設(shè)風(fēng)力電廠和大型消耗燃?xì)獾碾妱虞啓C(jī)，將實驗需求設(shè)備接入源網(wǎng)控制節(jié)點(diǎn)。選擇源網(wǎng)交換電站為此次實驗的充換電必須場所，并接入源網(wǎng)饋線節(jié)點(diǎn)。

在控制源網(wǎng)荷儲的過程中，源網(wǎng)運(yùn)行需滿足下述要求。

3.1.1 負(fù)荷要求

源網(wǎng)運(yùn)行可承受的最高負(fù)荷值為108 MW，其中，10 kV以下的供應(yīng)設(shè)備可承受的最高負(fù)荷值為98 MW。

3.1.2 峰谷時段劃分

最高峰時間段為5：00～21：00，此時控制成本為0.455元/（kW·h）；低谷時間段為21：00～次日5：00，此時控制成本為0.205元/（kW·h）。

3.1.3 各級單元能源補(bǔ)償與供應(yīng)量

為了確保此次實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，可選擇8塊太陽能源網(wǎng)能源供應(yīng)板。實驗所需源網(wǎng)供應(yīng)板的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 實驗所需源網(wǎng)供應(yīng)板的參數(shù)設(shè)置

3.2 實驗結(jié)果

根據(jù)表2選擇設(shè)備參數(shù)，完成實驗流程，采用基于多元源網(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃方法，選擇控制的配電網(wǎng)線路與控制目標(biāo)對源網(wǎng)荷儲進(jìn)行控制，計算控制目標(biāo)的日消耗功率，并以此作為評估方法有效性的主要依據(jù)。之后，應(yīng)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行相同步驟的操作，獲取兩種優(yōu)化控制方法的日消耗功率數(shù)據(jù)，并整理實驗數(shù)據(jù)將其繪制成曲線圖，如圖1所示。由圖1可知，文章設(shè)計的基于多元源網(wǎng)荷儲優(yōu)化后的控制方法在實際應(yīng)用中消耗的功率明顯低于傳統(tǒng)方法與實時優(yōu)化控制所消耗的功率，無論是實時優(yōu)化控制方法還是傳統(tǒng)優(yōu)化控制方法，均無法實現(xiàn)基于多元源網(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化控制方法的低耗能量。

圖1 優(yōu)化控制效率功率對比

4 結(jié)論

綜上所述，基于多元源網(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃方法在應(yīng)用中耗能更低，具有更高的實用性，更能滿足低能耗的市場需求。在基于多元源網(wǎng)荷儲的配電網(wǎng)規(guī)劃中采用合理的設(shè)計方法，可以有效節(jié)約降耗。