配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置方法

黃 翔，劉子華，陳李豐，徐奕樂(lè)

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310000;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司臺(tái)州供電公司,臺(tái)州 318000;3.浙江大學(xué) 竺可楨學(xué)院，杭州 310000)

0 引言

能源短缺以及環(huán)境污染問(wèn)題是近年人類需要面臨的重要問(wèn)題，此種背景下，新能源技術(shù)的發(fā)展受到眾多研究學(xué)者的重視。分布式光伏系統(tǒng)受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影響較大[1]，有效的配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量配置方案是保障配電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

近年來(lái)針對(duì)配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)容量?jī)?yōu)化的研究較多，于騰凱等人對(duì)配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)容量?jī)?yōu)化進(jìn)行研究[2]；姚天宇等人考慮安全邊界對(duì)分布式光伏容量?jī)?yōu)化的影響[3]。以上兩種方法雖然均可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)分布式光伏容量?jī)?yōu)化，但并未考慮配電網(wǎng)有序布點(diǎn)對(duì)容量?jī)?yōu)化的影響，導(dǎo)致容量配置優(yōu)化效果并不理想。研究配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置方法，針對(duì)配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量進(jìn)行有序配置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量的有序配置，保證配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)可靠運(yùn)行，提升配電網(wǎng)承載能力，滿足光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)日益增加的用電負(fù)荷需求。

1 光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置

1.1 光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置模型

1.1.1 有序布點(diǎn)優(yōu)化模型

配電網(wǎng)接入分布式光伏電源后，受到負(fù)荷以及隨機(jī)擾動(dòng)電源的影響，造成配電網(wǎng)存在明顯的負(fù)荷波動(dòng)，同時(shí)令配電網(wǎng)出現(xiàn)明顯的峰谷差情況。為了令配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)抑制負(fù)荷波動(dòng)，確定最優(yōu)的光伏并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)的有序布點(diǎn)模型目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下：

式(1)中，t與T分別表示配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間以及運(yùn)行周期；Pave與PDN(t)分別表示負(fù)荷平均值以及負(fù)荷功率。

式(1)中，負(fù)荷功率PDN(t)的表達(dá)式如下：

式(1)中，負(fù)荷平均值Pave的表達(dá)式如下：

式(2)與式(3)中，Pload，i(t)與PPV，i(t)分別表示配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷以及接入配電網(wǎng)的分布式光伏系統(tǒng)的有功功率；PiDESS(t)與N分別表示分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率以及配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量；利用DLi判斷配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i處是否配置分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，配電網(wǎng)中配置分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，該值為1，未配置儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，該值為0。

1.1.2 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)容量?jī)?yōu)化配置模型

用Pload(t)與PPV(t)分別表示配電網(wǎng)本地負(fù)荷功率以及分布式光伏系統(tǒng)內(nèi)光伏組件的輸出功率。當(dāng)PPV(t)＜Pload(t)時(shí)，配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)處于缺電狀態(tài)，利用DC/DC變換器將分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量傳送至配電網(wǎng)，為配電網(wǎng)提供負(fù)荷，通過(guò)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放的能量滿足配電網(wǎng)負(fù)荷能量的平衡需求[4]。時(shí)間段為t-t+Δt時(shí)，配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)所釋放能量計(jì)算公式如式(4)所示：

式(4)中，ηd表示分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電效率。

當(dāng)PPV(t)＞Pload(t)時(shí)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)利用DC/DC變換器吸收能量，令分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能電池保持充電狀態(tài)。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在時(shí)間段為t-t+Δt時(shí)，能量吸收表達(dá)式如式(5)所示：

式(5)中，ηc表示分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電效率。

引入可以體現(xiàn)電池剩余能量的荷電狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電以及放電過(guò)程。時(shí)間為t時(shí)，荷電狀態(tài)計(jì)算公式如式(6)所示：

用SOC0表示荷電狀態(tài)初始值，SOCmax與SOCmin分別表示配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)允許荷電狀態(tài)上限以及荷電狀態(tài)下限。引入荷電狀態(tài)初始值后，可將公式(6)轉(zhuǎn)化如式(7)所示：

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程中，時(shí)間為t+Δt時(shí)，存在SOC(t+Δt)＜SOCmin時(shí)，可得時(shí)間段為t-t+Δt時(shí)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)中的儲(chǔ)能單元放電電量表達(dá)式如式(8)所示：

時(shí)間為t+Δt時(shí)，存在時(shí)，可得時(shí)間段為t-t+Δt時(shí)，儲(chǔ)能單元充電電量表達(dá)式如式(9)所示：

建立分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)容量?jī)?yōu)化配置模型如式(10)所示：

1.2 光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置模型約束條件

1.2.1 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)約束

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)該滿足容量約束與功率約束，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)參與配電網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置優(yōu)化時(shí)，設(shè)置約束條件如式(11)所示：

式(11)中，Pi與Pmin、Pmax分別表示分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率及其最小值和最大值；Qi與Qmin、Qmax分別表示分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功功率及其最小值和最大值；Ei，i與Ei，s、Ei，e分別表示節(jié)點(diǎn)i處的電容量設(shè)定值以及配電網(wǎng)運(yùn)行起始時(shí)間和終止時(shí)間的能量存儲(chǔ)容量。

1.2.2 分布式光伏系統(tǒng)的配置約束

分布式光伏系統(tǒng)的容量配置約束表達(dá)式如式(12)所示：

式(12)中，Ppvi與Ppvi，max分別表示分布式光伏系統(tǒng)容量以及節(jié)點(diǎn)i可接入分布式光伏系統(tǒng)的最大配置容量；Ppv∑表示分布式光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的總規(guī)劃容量。

分布式光伏系統(tǒng)通過(guò)串聯(lián)以及并聯(lián)太陽(yáng)能電池板建設(shè)，分布式光伏系統(tǒng)存儲(chǔ)容量表達(dá)式如式(13)所示：

式(13)中，Ki與Ppv0分別表示單臺(tái)光伏逆變器的額定容量以及并入配電網(wǎng)的光伏逆變器數(shù)量；a表示調(diào)節(jié)系數(shù)。

分布式光伏系統(tǒng)并入配電網(wǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量限制約束表達(dá)式如式(14)所示：

式(14)中，n與Nmax分別表示并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量以及配電網(wǎng)允許接入分布式光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量上限。

1.2.3 電壓安全約束

配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓禁止超過(guò)安全運(yùn)行范圍，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓約束表達(dá)式如式(15)所示：

式(15)中，Vre與Vmax分別表示配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓以及節(jié)點(diǎn)電壓上限；Vmin與R分別表示配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓下限以及修正節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣；P與Q分別表示配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)電壓的有功負(fù)荷以及無(wú)功負(fù)荷。

1.2.4 線路安全約束

配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，配電網(wǎng)線路電流需要滿足線路容量限制，避免線路運(yùn)行過(guò)程中存在過(guò)載情況[5]。建立配電網(wǎng)線路安全約束表達(dá)式如式(16)所示：

式(16)中，Ib與L分別表示配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)中支路電流以及支路導(dǎo)納絕對(duì)值。B與Ibmax、Ibmin分別表示配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)支路關(guān)聯(lián)系數(shù)以及配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)支路電流的上、下限。

1.3 遺傳算法的光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置模型求解

采用遺傳算法求解所建立的光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置模型，遺傳算法具有求解速度快、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，常應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化算法中。

采用遺傳算法求解光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置模型的流程圖如圖1所示。

圖1 遺傳算法的模型求解流程圖

采用遺傳算法求解光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置模型的流程如下：

1）編碼與初始化

對(duì)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量以及分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率編碼，初始化遺傳算法的種群個(gè)體。

2）構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)

以有序布點(diǎn)優(yōu)化模型和存儲(chǔ)容量?jī)?yōu)化配置模型為基礎(chǔ)，設(shè)置種群的適應(yīng)度函數(shù)表達(dá)式如式(17)所示：

式(17)中，Vk與k分別表示越限節(jié)點(diǎn)的電壓幅值以及迭代后種群的節(jié)點(diǎn)電壓越限數(shù)量；VN表示電壓幅值最大值，本文設(shè)置1.05p.u.。

3）交叉變異操作

利用適應(yīng)度函數(shù)評(píng)價(jià)遺傳算法內(nèi)種群的全部個(gè)體，對(duì)滿足條件的遺傳算法個(gè)體進(jìn)行選擇操作、交叉操作以及變異操作，形成下一代種群。

4）遺傳算法滿足約束條件以及最大迭代次數(shù)時(shí)，終止算法迭代，輸出配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置結(jié)果。

2 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證所研究配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置方法對(duì)光伏并入配電網(wǎng)存儲(chǔ)容量的優(yōu)化性能，選取某電力企業(yè)的45節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)配電網(wǎng)作為研究算例。配電網(wǎng)總有功負(fù)荷為14.55MW；總無(wú)功負(fù)荷為7.45Mvar。光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓上限和下限分別為1.05p.u.以及0.95p.u.。采用本文方法利用光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置模型的有序布點(diǎn)模型對(duì)光伏并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，確定配電網(wǎng)的光伏并網(wǎng)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)。

分布式光伏系統(tǒng)存在較高的波動(dòng)性，設(shè)置配電網(wǎng)的負(fù)荷水平固定。分布式光伏系統(tǒng)出力存在變化情況下，配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓越限統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同光伏出力時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓變化

通過(guò)圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，配電網(wǎng)中接入的分布式光伏系統(tǒng)具有越高出力時(shí)，配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓越限情況越嚴(yán)重。節(jié)點(diǎn)電壓越限情況越嚴(yán)重時(shí)，配電網(wǎng)對(duì)分布式光伏系統(tǒng)的接納水平越低，此時(shí)，配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的波動(dòng)性越高，穩(wěn)定性越差。通過(guò)圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，配電網(wǎng)接入的分布式光伏系統(tǒng)容量過(guò)高時(shí)，容易造成節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量降低的情況，此時(shí)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓幅值容易超過(guò)額定范圍內(nèi)，影響配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。光伏出力過(guò)多時(shí)，將造成過(guò)多的剩余能量無(wú)法被配電網(wǎng)及時(shí)消納，因此配電網(wǎng)存儲(chǔ)容量的有序配置極為重要。

接入分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)后，配電網(wǎng)運(yùn)行24小時(shí)的負(fù)荷功率變化如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)日負(fù)荷曲線

通過(guò)圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可以滿足配電網(wǎng)的靜態(tài)安全約束以及電壓節(jié)點(diǎn)約束。接入分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)后，可以保證配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證本文方法設(shè)置的有序布點(diǎn)模型對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行有序布點(diǎn)有效性。

配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)后，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)出力情況如圖4所示。

通過(guò)圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在考慮容量限制時(shí)，配電網(wǎng)運(yùn)行的輸出功率在0時(shí)～4時(shí)，明顯高于未考慮容量限制時(shí)的輸出功率。其余時(shí)間考慮容量限制以及未考慮容量限制時(shí)，配電網(wǎng)的輸出功率相差較小。

圖4 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)出力

統(tǒng)計(jì)配置不同數(shù)量分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，將分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)布置于不同節(jié)點(diǎn)時(shí)，配電網(wǎng)運(yùn)行狀況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 不同配置配電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果

分析表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果，配電網(wǎng)中接入的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)量為3-6個(gè)時(shí)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大充電容量可以滿足配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)的運(yùn)行要求。本文方法所設(shè)置約束有效限制配電網(wǎng)接入的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量越限情況。本文方法可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有效配置，配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可以依據(jù)實(shí)際情況設(shè)定滿足配電網(wǎng)運(yùn)行需求容量以及功率負(fù)荷的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，保證配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量配置具有較高經(jīng)濟(jì)性。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)置數(shù)量為5時(shí)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)100%的利用率，可以保證配電網(wǎng)中設(shè)置的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)高效運(yùn)行。

采用本文方法獲取的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)配置容量如表2所示。

通過(guò)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文方法可以有效獲取配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)時(shí)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置。本文方法可以利用分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)消納分布式光伏系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中形成的多余電能，改善配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓越限情況，提升配電網(wǎng)的供電可靠性。伴隨配電網(wǎng)中分布式光伏系統(tǒng)出力增加，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)配置容量同樣呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。本文方法可以有效獲取光伏接入配電網(wǎng)時(shí)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的最優(yōu)配置，具有較高的應(yīng)用性。

表2 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)配置容量

采用本文方法有序配置存儲(chǔ)容量，選取節(jié)點(diǎn)16作為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)配電網(wǎng)運(yùn)行24小時(shí)，該節(jié)點(diǎn)電壓變化如圖5所示。

圖5 配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓變化

通過(guò)圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本文方法對(duì)配電網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置，節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性更高，節(jié)點(diǎn)電壓可以穩(wěn)定在理想范圍內(nèi)。圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文方法可以提升配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，令配電網(wǎng)保持在穩(wěn)定運(yùn)行電壓范圍內(nèi)，圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文方法對(duì)配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)容量配置過(guò)程中存在明顯的不確定性，研究配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量有序配置方法，考慮配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)的有序布點(diǎn)優(yōu)化以及存儲(chǔ)容量配置優(yōu)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)光伏并網(wǎng)存儲(chǔ)容量的有效優(yōu)化，令節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定至正常范圍內(nèi)，具有較高的靈活性。該方法可以實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能電池容量的有效配置，改善電壓質(zhì)量。