面向高比例光伏消納的低壓交直流混合配電網(wǎng)時(shí)-空協(xié)調(diào)優(yōu)化方法

付宇，白浩，李躍，袁智勇，何肖蒙，吳聰聰，王祖峰，徐進(jìn)

（1. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 貴陽(yáng) 550002；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院， 廣州 510663；3. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽(yáng)供電局， 貴陽(yáng) 550001；4. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司六盤水盤州供電局， 貴州 六盤水 553537）

0 引言

電力系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)的重要組成部分，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要途徑。近年來(lái)，大量分布式光伏接入低壓配電網(wǎng)，其間歇性、隨機(jī)性出力的特點(diǎn)給配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)［1］。一方面，光伏在低壓配電網(wǎng)中單相或兩相接入的情況相對(duì)較多，容易導(dǎo)致高電壓和三相不平衡問(wèn)題［2-3］；另一方面，在高比例光伏接入的情況下，低壓配電網(wǎng)的消納能力有限，易在光伏出力高峰期出現(xiàn)功率倒送，增大網(wǎng)絡(luò)損耗［4-6］。因此，提升低壓配電網(wǎng)的光伏消納能力，改善高比例光伏并網(wǎng)導(dǎo)致的問(wèn)題，具有重要意義。

為了促進(jìn)配電網(wǎng)的光伏消納，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。一些學(xué)者提出充分利用光伏逆變器的潛力，通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功功率來(lái)改善配電網(wǎng)的電壓。文獻(xiàn)［7-8］提出了一種基于電壓靈敏度矩陣的光伏逆變器無(wú)功補(bǔ)償方法，改善電壓越限問(wèn)題，促進(jìn)光伏消納。文獻(xiàn)［9］按照分布式光伏接入點(diǎn)的電壓情況，將其分為正常、預(yù)警、緊急3 種狀態(tài)，提出了一種綜合無(wú)功補(bǔ)償和光伏切機(jī)的協(xié)調(diào)控制策略。無(wú)功補(bǔ)償可以在高比例光伏接入的情況下調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)電壓，但實(shí)際并不能真正實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的本地消納，也不能減小向上級(jí)電網(wǎng)返送的功率。因此，一些學(xué)者提出了通過(guò)線路間的功率轉(zhuǎn)供來(lái)促進(jìn)光伏消納，文獻(xiàn)［10-11］研究了以光伏消納為目標(biāo)的配電網(wǎng)重構(gòu)方法，與單純控制無(wú)功功率相比，有效地減少了向上級(jí)電網(wǎng)的返送功率。文獻(xiàn)［12］將光伏納入“邊-端”體系，通過(guò)拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別搭建低壓配電網(wǎng)邊端分布式控制通信架構(gòu)，建立多模態(tài)分布式控制模型，進(jìn)一步提高最大可再生能源消納。然而，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)通過(guò)改變聯(lián)絡(luò)開關(guān)的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)供，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)動(dòng)作［13］，想要進(jìn)一步促進(jìn)光伏消納，需要進(jìn)行更靈活的功率調(diào)控方法。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電壓源型換流器（voltage source converter， VSC）越來(lái)越多地被應(yīng)用于配電網(wǎng)中［14］。由于直流電網(wǎng)有容量大、損耗小等優(yōu)勢(shì)，可以利用直流配電網(wǎng)消納分布式光伏的功率。貴州電網(wǎng)柔性直流配電系統(tǒng)［15］和深圳寶龍柔性直流配電示范工程［16］均采用VSC 進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換。利用VSC可以打破傳統(tǒng)配電網(wǎng)的輻射狀限制，實(shí)現(xiàn)交直流互聯(lián)，文獻(xiàn)［17-18］均采用VSC 接在低壓配電網(wǎng)首端，將原本的交流配電網(wǎng)改造為直流配電網(wǎng)，再在網(wǎng)絡(luò)末端使用另一個(gè)VSC，與其他交流配電網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)成交直流混合配電網(wǎng)典型拓?fù)?。其中，文獻(xiàn)［17］研究了VSC 的控制模式和調(diào)節(jié)能力，結(jié)合交直流配電網(wǎng)中的潮流模型，提出了VSC的優(yōu)化運(yùn)行方法；文獻(xiàn)［18］證明了中壓交直流混合配電網(wǎng)能減輕傳統(tǒng)交流電網(wǎng)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，促進(jìn)可再生能源消納，綜上，在示范工程中證實(shí)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠取得比較好的效果。

VSC 能實(shí)現(xiàn)功率在空間層面的轉(zhuǎn)供，用直流配電網(wǎng)消納交流配電網(wǎng)中無(wú)法消納的光伏功率。從時(shí)間層面上，儲(chǔ)能具有削峰填谷、改善電能質(zhì)量和提高電網(wǎng)可靠性的作用，隨著儲(chǔ)能成本的進(jìn)一步降低，越來(lái)越多的儲(chǔ)能接入配電網(wǎng)。因此，一些學(xué)者提出利用儲(chǔ)能促進(jìn)光伏消納。文獻(xiàn)［19-20］針對(duì)中壓配電網(wǎng)中風(fēng)光電源出力的波動(dòng)性進(jìn)行了建模，提出了基于儲(chǔ)能的削峰填谷優(yōu)化運(yùn)行策略，使配電網(wǎng)能最大限度消納可再生能源發(fā)電的功率。文獻(xiàn)［21］提出了一種考慮氫儲(chǔ)能和并網(wǎng)逆變器無(wú)功控制能力的有功-無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略，以光伏消納最大、氫-光-儲(chǔ)電站和配電網(wǎng)綜合運(yùn)營(yíng)收益最大為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解。文獻(xiàn)［22］針對(duì)大量分布式電源接入導(dǎo)致的配電網(wǎng)電壓偏移和網(wǎng)損增加等問(wèn)題，研究分布式儲(chǔ)能的選址定容方法，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率四象限輸出運(yùn)行策略，并應(yīng)用區(qū)間魯棒優(yōu)化模型對(duì)風(fēng)電機(jī)組出力和負(fù)荷需求的不確定性進(jìn)行處理。文獻(xiàn)［23］提出了一種基于VSC 和儲(chǔ)能協(xié)同的調(diào)度策略，并通過(guò)算例證明了所提方法在光伏消納方面的優(yōu)越性。

綜上，交直流混合配電網(wǎng)和儲(chǔ)能是低壓配電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是促進(jìn)光伏消納的重要手段。然而，現(xiàn)有的研究大多數(shù)針對(duì)中壓配電網(wǎng)，未考慮光伏接入低壓配電網(wǎng)的三相不平衡問(wèn)題；另一方面，現(xiàn)有方法大多采用VSC或儲(chǔ)能單一手段進(jìn)行光伏消納，綜合利用VSC功率空間調(diào)度能力和儲(chǔ)能功率時(shí)間調(diào)度能力的研究也較少。

因此，本文提出了一種面向高比例光伏消納的低壓交直流混合配電網(wǎng)時(shí)-空協(xié)調(diào)優(yōu)化方法。首先，分析了VSC 和儲(chǔ)能的功率轉(zhuǎn)移特性和功率調(diào)度能力；其次，針對(duì)高比例光伏接入的交直流低壓配電網(wǎng)建立了時(shí)-空協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，并轉(zhuǎn)化為二階錐規(guī)劃模型進(jìn)行求解；最后，通過(guò)算例分析驗(yàn)證了所提方法可以改善光伏接入導(dǎo)致的問(wèn)題，提升低壓配電網(wǎng)的光伏消納能力。

1 VSC和儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)移特性分析

在高比例光伏接入的低壓交直流配電網(wǎng)中，光伏電源出力的波動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)中出現(xiàn)電壓越限、三相不平衡和功率倒送問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，利用VSC和儲(chǔ)能促進(jìn)光伏消納，首先需要分析設(shè)備的運(yùn)行特性。

1.1 VSC特性分析

電壓源型換流器是一種電力電子元件，通過(guò)其整流和逆變電路，能夠?qū)崿F(xiàn)交流和直流線路間的電能變換。在交直流混合配電網(wǎng)中，VSC 具有建立直流電壓和實(shí)現(xiàn)交直流線路功率轉(zhuǎn)移的功能。

換流器可以從有功功率、無(wú)功功率、交流電壓、直流電壓等變量中選擇其中兩個(gè)變量進(jìn)行控制［24］。根據(jù)控制狀態(tài)量的不同，可以分為Vdc-θ控制、Vdc-Q控制、Vdc-Vac控制、P-Q控制等［25］。對(duì)于圖1所示的交直流混合配電網(wǎng)，位于線路首端的換流器（VSC1）的主要作用是穩(wěn)定首端直流電壓，因此選擇Vdc-Q控制方式；連接在兩條線路中間的換流器（VSC2）作用是完成兩條線路之間有功功率的轉(zhuǎn)移，并且調(diào)節(jié)交流側(cè)無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)潮流的靈活控制，因此采用P-Q控制方式。

圖1 交直流混合配電網(wǎng)典型拓?fù)銯ig. 1 Typical topology of hybrid AC/DC distribution network

VSC2 運(yùn)行時(shí)，需要滿足兩端有功功率平衡的約束，即交流側(cè)注入VSC2 的總有功功率應(yīng)該等于直流側(cè)輸出的有功功率，如式（1）所示。

式中：PACφ，VSC，t為VSC 在t時(shí)刻交流側(cè)的有功功率；PDCVSC，t為t時(shí)刻直流側(cè)的有功功率；Φ為ABC 三相的集合。

VSC 的有功、無(wú)功輸出功率交換方式是雙向的，VSC 交流側(cè)的有功、無(wú)功功率的輸入輸出可正可負(fù)，在四象限內(nèi)都可運(yùn)行，如圖2 所示。在運(yùn)行過(guò)程中，VSC2 的有功功率、無(wú)功功率輸出都需要滿足VSC的容量約束，如式（2）所示。

圖2 VSC運(yùn)行范圍Fig. 2 Operation range of VSC

式中：QACφ，VSC，t為VSC 在交流側(cè)的無(wú)功功率；SVSC為VSC容量。

同時(shí)，VSC 通過(guò)互聯(lián)線路進(jìn)行功率轉(zhuǎn)移，其功率和線路本來(lái)的負(fù)荷功率疊加后的功率不能超過(guò)線路容量，如式（3）所示。

式中：PACφ，LOAD，t、QACφ，LOAD，t和PDCLOAD，t分別為交、直流配電網(wǎng)中的負(fù)荷功率；SAC、SDC分別為交流、直流線路的容量。

1.2 儲(chǔ)能特性分析

在配電網(wǎng)中，分布式儲(chǔ)能設(shè)備的功率從幾千瓦至幾兆瓦不等，儲(chǔ)能容量一般小于10 MWh，多接入中低壓配電網(wǎng)和用戶側(cè)。本文中所提的儲(chǔ)能主要目的是與VSC 協(xié)調(diào)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)功率在時(shí)空層面上的轉(zhuǎn)移，因此，不考慮調(diào)度用戶側(cè)接入的儲(chǔ)能，只考慮接入低壓配電網(wǎng)的分布式儲(chǔ)能。與用戶側(cè)儲(chǔ)能相比，這些儲(chǔ)能安裝在網(wǎng)絡(luò)中的目的就是通過(guò)在負(fù)荷低谷期光伏充電，在負(fù)荷高峰期放電，通過(guò)削峰填谷實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，因此可以在優(yōu)化調(diào)度過(guò)程中完全跟隨調(diào)度中心的命令。儲(chǔ)能削峰填谷前后配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的變化如圖3所示?？梢钥闯觯瑑?chǔ)能優(yōu)化調(diào)度后，配電網(wǎng)的電壓幅值變化更加平緩，波動(dòng)更小。

圖3 儲(chǔ)能參與優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)電壓示意圖Fig. 3 Diagram of node voltage before and after energy storage optimization

儲(chǔ)能參與優(yōu)化時(shí)需要滿足以下約束。首先，儲(chǔ)能的充放電功率不能超過(guò)功率上限。其次，儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）會(huì)隨著充放電變化，SOC=0 時(shí)代表儲(chǔ)能中沒(méi)有能量，SOC=1 時(shí)代表儲(chǔ)能中電量已經(jīng)充滿。為了保證儲(chǔ)能的使用壽命，SOC應(yīng)保持在20%～80%［26］。最后，為了保證每天都能在上一天的優(yōu)化后開始新的優(yōu)化，需保證每日SOC結(jié)束調(diào)度時(shí)與開始調(diào)度時(shí)相等。具體公式如式（4）、（5）所示。

式中：PACESS，φ，j，t為低壓交流配電網(wǎng)內(nèi)j節(jié)點(diǎn)處第φ相的儲(chǔ)能功率；SACOCφ，ESS，j，t為低壓交流配電網(wǎng)內(nèi)j節(jié)點(diǎn)處第φ相儲(chǔ)能 的 電量情況；SACESS，φ，j、SACOCMIN，φ，ESS，j和SACOCMAX，φ，ESS，j分別為低壓交流配電網(wǎng)j節(jié)點(diǎn)處第φ相儲(chǔ)能的容量和最小、最大SOC；CACφ，ESS，j為交流儲(chǔ)能最大儲(chǔ)電量；PDCESS，j，t為低壓直流配電網(wǎng)內(nèi)j節(jié)點(diǎn)處的儲(chǔ)能功率；SOCEDSCS，j，t為低壓直流配電網(wǎng)內(nèi)j節(jié)點(diǎn)處儲(chǔ)能的電量情況；SEDSCS，j、SODCCMIN，ESS，j和SODCCMAX，ESS，j分別為低壓直流配電網(wǎng)j節(jié)點(diǎn)處儲(chǔ)能的容量和最小、最大SOC；CDCESS，j為直流儲(chǔ)能最大儲(chǔ)電量；SACφ，ESS，j，Tmax為一個(gè)調(diào)度周期結(jié)束時(shí)交流系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)j處φ項(xiàng)儲(chǔ)能的SOC，SDCφ，ESS，j，Tmax為一個(gè)調(diào)度周期結(jié)束時(shí)直流系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)j處儲(chǔ)能的SOC。

2 低壓配電網(wǎng)時(shí)-空協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型

VSC 可以實(shí)現(xiàn)功率在空間上的轉(zhuǎn)移，儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)功率在時(shí)間上的轉(zhuǎn)移。由于低壓配電網(wǎng)中功率分布存在時(shí)空差異，即光伏電源的出力高峰與負(fù)荷的用電高峰時(shí)間不一致。通過(guò)功率時(shí)空轉(zhuǎn)移充分均衡配電網(wǎng)中負(fù)荷與新能源功率分布，將有助于提升低壓配電網(wǎng)負(fù)荷承載能力和新能源消納能力。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，需要對(duì)建立VSC 和儲(chǔ)能協(xié)同優(yōu)化模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文所提優(yōu)化模型的目標(biāo)是促進(jìn)低壓交直流混合配電網(wǎng)中的光伏消納。由于光伏的出力在一天內(nèi)存在明顯的周期性規(guī)律，所以以低壓交直流混合配電網(wǎng)中光伏日切機(jī)總量與日總網(wǎng)損之和最小為目標(biāo)函數(shù)，如式（6）—（8）所示。

式中：ΔPPV為光伏切機(jī)的有功功率；ΔPACPV和ΔPDCPV分別為交流、直流配電網(wǎng)中的光伏切機(jī)容量；Ploss為總網(wǎng)損；NAC為低壓交流配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)集合；NDC為低壓直流配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)集合；i、j為節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)；v（i）為與節(jié)點(diǎn)i直接相連的節(jié)點(diǎn)集合；φ代表相（A、B 或C）；Tmax為時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)，即24 h；rACφ，ij，t和IACφ，ij，t分別為交流配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的支路第φ相在t時(shí)刻的電阻和電流；rDCij，t和IDCij，t分別為直流配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的支路第φ相在t時(shí)刻的電阻和電流；PACPVgen，φ，i，t和PACPVnet，φ，i，t分別為交流配電網(wǎng)中光伏發(fā)電的量和上網(wǎng)的量；NACPV為交流配電網(wǎng)中接入光伏 的 節(jié)點(diǎn)集合；PDCPVgen，i，t和PDCPVnet，i，t分別為直 流配電網(wǎng)中光伏發(fā)電的有功功率和上網(wǎng)的有功功率；NDCPV為直流配電網(wǎng)中接入光伏的節(jié)點(diǎn)集合；f1和f2為權(quán)重，在設(shè)置時(shí)需注意權(quán)重的和為1。

2.2 約束條件

2.2.1 潮流約束

由于低壓交流配電網(wǎng)的相位從線路首端到線路末端的變化并不大，所以本文中使用的潮流模型采用Distflow 形式，在計(jì)算潮流的過(guò)程中忽略電壓的相角，只考慮電壓的幅值，以此簡(jiǎn)化計(jì)算的過(guò)程，減少求解所需時(shí)間［27］。具體潮流公式如式（9）—（10）所示。

對(duì)于低壓交流配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)j和支路ij，在t時(shí)刻有：

式中：u（j）為網(wǎng)絡(luò)中以 節(jié)點(diǎn)j為末節(jié)點(diǎn)的支路的首節(jié)點(diǎn)集合；v（j）為網(wǎng)絡(luò)中以節(jié)點(diǎn)j為首節(jié)點(diǎn)的支路的末節(jié)點(diǎn)集合；PACφ，ij，t和QACφ，ij，t為支路ij未減去網(wǎng)損情況下的有功和無(wú)功功率；VACφ，i，t為節(jié)點(diǎn)i三相的電壓幅值；rACφ，ij，t和xACφ，ij，t分別為支路ij的電阻和電抗；PACφ，j，t和QACφ，j，t分別為節(jié)點(diǎn)j的三相有功、無(wú)功功率的注入量。

對(duì)于低壓直流配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)j和支路ij，在t時(shí)刻有：

式中：PDCij，t為支路ij上的有功功率；IDCij，t和rDCij，t分別為該支路上的電流和電阻；PDCj，t節(jié)點(diǎn)j有功功率的注入量；VDCi，t、VDCj，t為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓幅值。

2.2.2 節(jié)點(diǎn)電壓約束

對(duì)于低壓交流配電網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，其電壓幅值不能超過(guò)電壓上限，也不能低于下限，由于本文針對(duì)低壓配電網(wǎng)，因此該范圍為標(biāo)稱電壓的90%～107%，即需滿足式（13）中的約束：

同樣，對(duì)于低壓直流配電網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，其電壓幅值需滿足式（14）中的約束：

式中：VACmin和VACmax分別為交流電壓幅值最小和最大值；VDCmin和VDCmax分別為直流電壓幅值最小和最大值。

2.2.3 交流節(jié)點(diǎn)三相不平衡度約束

對(duì)于低壓交流配電網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，其電壓三相不平衡度不能超過(guò)三相不平衡度的最大值，即需滿足式（15）中的約束。

式中：UACi，t為 節(jié) 點(diǎn)i的 電 壓 不 平 衡 度；UACmax為 配 電網(wǎng)三相電壓不平衡度的最大允許值，本文取4%。

2.2.4 向上級(jí)電網(wǎng)倒送功率的約束

本文所提方法的目的是促進(jìn)分布式光伏在低壓配電網(wǎng)的消納，因此，應(yīng)保證低壓配電網(wǎng)不向上級(jí)倒送有功功率，具體約束如式（16）所示。

式中PACφ，01，t為t時(shí)刻的配變出口功率。

2.3 優(yōu)化模型的二階錐凸化方法

在上文提到的優(yōu)化模型中，主要的非凸問(wèn)題來(lái)自于式（9）和式（10），為了對(duì)其進(jìn)行二階錐松弛，使用文獻(xiàn)［28］中的方法，引入變量節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流幅值平方vAC2j，i，t和iAC2φ，ij，t，如式（17）所示。

用上述變量替換目標(biāo)函數(shù)中的相關(guān)項(xiàng)后，需要將式（18）加入約束條件。

根據(jù)文獻(xiàn)［18］，在本優(yōu)化問(wèn)題中，上式可變形為式（19）所示的形式。

經(jīng)過(guò)等價(jià)變形，式（19）可以寫成二階錐的標(biāo)準(zhǔn)形式，具體公式如式（20）所示。

因此，式（9）和式（10）變?yōu)槭剑?1）。

因此，式（7）變?yōu)槭剑?2）所示的形式。

至此，模型凸化完成，所提時(shí)-空優(yōu)化模型的最終形式所式（23）所示，可以使用CPLEX 等商業(yè)求解器進(jìn)行求解。

3 算例分析

3.1 算例介紹

本文采用低壓21 節(jié)點(diǎn)的交流配電網(wǎng)與21 節(jié)點(diǎn)的直流配電網(wǎng)互聯(lián)形成交直流混合配電網(wǎng)進(jìn)行仿真，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，交流網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及基準(zhǔn)負(fù)荷與文獻(xiàn)［28］一致，直流側(cè)負(fù)荷曲線和負(fù)荷總量與交流側(cè)一致。由于本文針對(duì)的問(wèn)題是低壓配電網(wǎng)中高比例分布式光伏接入導(dǎo)致的供電質(zhì)量和網(wǎng)損問(wèn)題，在交流、直流側(cè)均接入光伏，其中，交流側(cè)為不對(duì)稱接入。具體情況如下。

圖4 低壓交直流混合配電網(wǎng)Fig. 4 Low voltage hybrid AC/DC distribution network

在交流側(cè)和直流側(cè)節(jié)點(diǎn)4、8、10、11、12、13、15、20處接入分布式光伏電源，光伏逆變器的額定容量為7.35 kVA，額定輸出功率為7 kW。根據(jù)分布式光伏并網(wǎng)的相關(guān)規(guī)定，本文中考慮交流側(cè)光伏逆變器的無(wú)功功率不參與優(yōu)化，而是默認(rèn)其出力使光伏電源輸出功率的功率因數(shù)保持在0.98。在交流側(cè)的節(jié)點(diǎn)4、5、13、15安裝儲(chǔ)能，最大電量分別為三相各20 kWh，最大輸出功率為5 kW，在直流側(cè)節(jié)點(diǎn)4、5、13安裝儲(chǔ)能，分別為24 kWh，最大輸出功率為6 kW。儲(chǔ)能的SOC 變化為［20%，80%］。在交直流配電網(wǎng)間的VSC 總?cè)萘繛?00 kVA。負(fù)荷與光伏電源功率變化曲線如圖5所示。

圖5 光伏、負(fù)荷的功率曲線Fig. 5 Power curve of PV and load

3.2 算例結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提方法的效果，采用以下4 種情況進(jìn)行對(duì)比。

1）Case1：不采取任何優(yōu)化控制，VSC 不進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)間功率傳遞，儲(chǔ)能也不進(jìn)行充放電，即功率的時(shí)間、空間轉(zhuǎn)移都不存在。

2）Case2：VSC 進(jìn)行功率調(diào)度，但儲(chǔ)能不進(jìn)行充放電，功率僅在空間層面上進(jìn)行轉(zhuǎn)移，不在時(shí)間層面上轉(zhuǎn)移。

3）Case3：儲(chǔ)能進(jìn)行充放電優(yōu)化調(diào)度，VSC 不動(dòng)作，功率僅在時(shí)間層面上轉(zhuǎn)移，不在空間層面上轉(zhuǎn)移。

4）Case4：采用本文所提方法，利用VSC 和儲(chǔ)能進(jìn)行時(shí)-空協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，使功率在時(shí)間、空間層面上轉(zhuǎn)移。

Case1 中的三相交流電壓如圖6 所示，可以看出，三相電壓隨著一天內(nèi)負(fù)荷和光伏的變化而發(fā)生變化。由于三相負(fù)荷和光伏不對(duì)稱接入，光伏接入較多的A、B 相在光伏出力較高的中午電壓幅值較高，分布式光伏較少、負(fù)荷較重的C 相電壓偏低，網(wǎng)絡(luò)中存在比較嚴(yán)重的三相不平衡問(wèn)題。

圖6 優(yōu)化前交流配電網(wǎng)三相電壓情況Fig. 6 Three-phase voltage of AC distribution network before optimization

以交流配電網(wǎng)15 節(jié)點(diǎn)為例，Case1 中三相電壓不平衡度變化如圖7 所示。從圖中可以看出，在光伏出力高峰的中午和負(fù)荷高峰期的19 點(diǎn)左右，三相不平衡度較高。

圖7 優(yōu)化前交流15節(jié)點(diǎn)三相電壓不平衡度曲線Fig. 7 Three-phase voltage unbalance curve of AC node 15 before optimization

4 種控制策略下，配電網(wǎng)一天的總網(wǎng)損、總光伏切機(jī)量、總?cè)嚯妷翰黄胶舛热绫?所示。

表1 4種控制策略效果對(duì)比Tab. 1 Comparison of four control strategies

從表中可以看出，在分布式光伏大量接入配電網(wǎng)的情況下，儲(chǔ)能和VSC都能在促進(jìn)光伏消納的同時(shí)提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量，但單純依靠?jī)?chǔ)能或VSC都存在棄光現(xiàn)象，無(wú)法保證完全消納光伏。VSC 不能完全消納光伏是因?yàn)樵诠夥β矢叻迤陂g，不論是低壓交流配電網(wǎng)還是低壓直流配電網(wǎng)中都會(huì)有大量需要消納的功率，如果VSC把過(guò)多功率從交流側(cè)轉(zhuǎn)移到直流側(cè)，會(huì)超過(guò)配電網(wǎng)的容量，難以滿足式（3）的約束；儲(chǔ)能無(wú)法完全消納光伏是因?yàn)楣夥β实母叻鍟?huì)持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，在前半段時(shí)間里，儲(chǔ)能已經(jīng)完全充滿電，無(wú)法再在后半段時(shí)間里繼續(xù)充電。而本文所提出的時(shí)空協(xié)同調(diào)度方法中，儲(chǔ)能和VSC 一起消納出力高峰期的分布式光伏，可以互相彌補(bǔ)缺陷，有效地發(fā)揮低壓配電網(wǎng)中光伏消納的潛力，實(shí)現(xiàn)光伏大發(fā)時(shí)段不切機(jī)。

在時(shí)-空協(xié)調(diào)優(yōu)化過(guò)程中，VSC 兩側(cè)的有功功率變化如圖8 所示，功率為正代表功率從VSC 流向母線。從圖中可以看出，在光伏接入較多的A、B兩相，在光伏出力較高的09：00—15：00 期間，大量功率流入VSC，一小部分流進(jìn)C 相，絕大多數(shù)流入直流側(cè)。這個(gè)現(xiàn)象證明了VSC在優(yōu)化過(guò)程中利用直流側(cè)負(fù)荷消納了交流側(cè)無(wú)法消納的功率。

圖8 VSC兩側(cè)有功功率的優(yōu)化結(jié)果Fig. 8 Optimization result of active power on both sides of VSC

Case3 和Case4 的控制策略下交流網(wǎng)絡(luò)中4 節(jié)點(diǎn)處儲(chǔ)能的SOC 變化情況如圖9 所示，從圖中可以看出，儲(chǔ)能在光伏不發(fā)電和發(fā)電較低的時(shí)段放電，改善網(wǎng)絡(luò)的低電壓?jiǎn)栴}，在光伏出力高峰時(shí)段充電。這證明了儲(chǔ)能在優(yōu)化過(guò)程中發(fā)揮了功率的時(shí)間調(diào)度能力，促進(jìn)光伏消納效果。而對(duì)比兩種控制策略下儲(chǔ)能的SOC 曲線可知，在SOC 和儲(chǔ)能協(xié)調(diào)調(diào)度時(shí)，由于功率能夠通過(guò)VSC在交流相間和交直流網(wǎng)絡(luò)間轉(zhuǎn)移，在04：00-07：00 期間，VSC 向光伏電源較少C 相輸送功率，使C 相的儲(chǔ)能充電，在光伏出力高峰期適當(dāng)升高C 相電壓，降低三相不平衡度，而在沒(méi)有VSC 的時(shí)候，C 相在該階段的充電效果不佳，使得后續(xù)控制的效果也不夠好，該結(jié)果證明了本文所提方法的優(yōu)越性。

圖9 不同控制策略下交流4節(jié)點(diǎn)處儲(chǔ)能SOC變化曲線Fig. 9 SOC variation curve of energy storage at AC node 4

在Case2 和Case3 的控制策略下，優(yōu)化后的三相電壓如圖10 所示。從圖中可以看出，在不調(diào)度VSC 的情況下，三相不平衡問(wèn)題相對(duì)較嚴(yán)重，而在不調(diào)度儲(chǔ)能的情況下，由于本算例中VSC的容量足夠大，三相不平衡問(wèn)題并不嚴(yán)重，但網(wǎng)絡(luò)中整體電壓較低，在網(wǎng)絡(luò)末端易發(fā)生低電壓?jiǎn)栴}。

圖10 Case2、Case3控制策略下優(yōu)化后交流配電網(wǎng)三相電壓情況Fig. 10 Three-phase voltage of AC distribution network after optimization under the control strategy of Case 2 and Case 3

在Case4的控制策略下，優(yōu)化后交流配電網(wǎng)的三相電壓如圖11所示，從圖中可以看出，A、B相中午時(shí)段的電壓明顯降低，三相不平衡問(wèn)題明顯改善。

考慮儲(chǔ)能模型后，問(wèn)題的求解規(guī)?？赡芗眲≡黾?，對(duì)模型的計(jì)算求解帶來(lái)挑戰(zhàn)，因此，為了驗(yàn)證所提方法解決更復(fù)雜問(wèn)題的能力，本文針對(duì)圖11所示的兩交流、一直流系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)度，其中兩個(gè)低壓交流配電網(wǎng)部分的參數(shù)設(shè)置與上文相同。

控制結(jié)果如表2 所示。從表2 中可以看出，采用本文所提控制方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度后，在保證光伏不切機(jī)的情況下，直流部分的網(wǎng)損略微增加，但交流部分的網(wǎng)損顯著減小，總網(wǎng)損減小，同時(shí)，三相不平衡問(wèn)題有所改善，配電網(wǎng)電能質(zhì)量提高。

圖12 兩交流、一直流低壓交直流混合配電網(wǎng)Fig. 12 Two AC-one DC hybrid low voltage AC / DC distribution networks

表2 控制前后效果對(duì)比Tab. 2 Effect comparison before and after control

綜上，算例證明了本文所提方法對(duì)于促進(jìn)交直流混合低壓配電網(wǎng)的光伏消納效果顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高比例光伏接入的低壓交直流混合配電網(wǎng)的光伏消納問(wèn)題，首先分析了VSC和儲(chǔ)能的功率調(diào)節(jié)特性，確定了設(shè)備調(diào)節(jié)能力的約束；其次，將上述約束嵌入優(yōu)化模型，建立了基于VSC和儲(chǔ)能的時(shí)-空協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，并把模型轉(zhuǎn)化為二階錐求解；最后通過(guò)與只依靠單一設(shè)備進(jìn)行光伏消納進(jìn)行對(duì)比，證明了在高比例分布式光伏接入的低壓配電網(wǎng)中，所提方法可以實(shí)現(xiàn)VSC和儲(chǔ)能調(diào)節(jié)能力的互補(bǔ)，最大限度減少棄光，促進(jìn)光伏消納。