計(jì)及模型差異的分布式電源優(yōu)化配置方法研究

董 智，李小明，趙 陽(yáng)

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司，河南鄭州 450052）

隨著“雙碳”目標(biāo)的確立，碳中和的概念改變了全社會(huì)用電需求的驅(qū)動(dòng)力，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式發(fā)電技術(shù)的地位也愈發(fā)重要。與此同時(shí)，該技術(shù)也將得到迅速發(fā)展與大力推廣。一方面，分布式發(fā)電技術(shù)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性及友好性；另一方面，自然條件嚴(yán)重限制了分布式發(fā)電的輸出能力，導(dǎo)致其輸出功率具有隨機(jī)波動(dòng)性，且在并網(wǎng)后會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定影響[1]。

分布式電源最大的特性便是分散性強(qiáng)、容量較小但數(shù)量多。其在現(xiàn)有分布式電源容量水平下，對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行并未產(chǎn)生較大影響。但隨著分布式發(fā)電技術(shù)的深入推廣，一旦分布式電源的裝機(jī)容量達(dá)到一定水平，必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)保護(hù)性能的設(shè)定產(chǎn)生巨大影響。現(xiàn)階段，分布式發(fā)電逆變輸出直接并網(wǎng)于配網(wǎng)，即直接作用于配網(wǎng)，其電壓波動(dòng)及諧波占比嚴(yán)重影響了電網(wǎng)電能質(zhì)量。

自然條件主導(dǎo)分布式電源的電壓波動(dòng)現(xiàn)象，只要分布式電源輸出隨機(jī)波動(dòng)性電壓，便會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。此外，分布式電源的不同裝機(jī)容量也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不同程度的影響。因此，在某些情況下該電源輸出的波動(dòng)性電壓將決定其裝機(jī)容量。但若能優(yōu)化光伏、風(fēng)電等分布式電源的容量配置，進(jìn)而找到分布式電源間的最優(yōu)互補(bǔ)平衡，便可解決輸出電壓的隨機(jī)波動(dòng)性。分布式電源典型的結(jié)構(gòu)特征是電子元件、換流器等元件占主導(dǎo)構(gòu)架。與傳統(tǒng)火力等發(fā)電相比，其開(kāi)關(guān)元件的使用率更高，相應(yīng)產(chǎn)生諧波也就越多，且還會(huì)使系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生機(jī)理及傳輸途徑復(fù)雜且曲折，進(jìn)而更易引發(fā)電壓諧波占比率較高及穩(wěn)定性較差的問(wèn)題[2]。所以，研究如何消除分布式電源的輸出電壓波動(dòng)性及諧波占比率具有重要意義。

為此，該文結(jié)合改進(jìn)時(shí)間動(dòng)態(tài)算法（Dynamic Time Warping，DTW）及遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）構(gòu)建了最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。在此基礎(chǔ)上利用分布式優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行求解，即考慮如何把一個(gè)綜合性任務(wù)分解成若干子任務(wù)安排給多個(gè)核心，并利用這些核心來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)總體問(wèn)題的并行快速求解。通過(guò)遺傳算法的目標(biāo)線(xiàn)性函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)搜索，并找尋系統(tǒng)的最佳接入點(diǎn)與注入容量，使得系統(tǒng)有功網(wǎng)損最小。最終，提供了可靠的分布式電源優(yōu)化方案。

1 改進(jìn)時(shí)間動(dòng)態(tài)與遺傳算法

對(duì)模擬信號(hào)m(t)與待測(cè)信號(hào)x(t)進(jìn)行特征匹配計(jì)算，從相關(guān)系數(shù)算法的理論出發(fā)，可以將其理解為m(t)與x(t)的內(nèi)積除以其模的乘積。而當(dāng)x(t)分別為m(t)+Δ(t)和km(t)時(shí)，傳統(tǒng)相關(guān)系數(shù)法與改進(jìn)相關(guān)系數(shù)法處理的結(jié)果則有所不同[3]。對(duì)于信號(hào)m(t)和x(t)，傳統(tǒng)相關(guān)系數(shù)c的計(jì)算公式為：

設(shè)Δ 為時(shí)間長(zhǎng)度，當(dāng)x(t)=m(t)+Δ 時(shí)，則有：

將上式離散化，有：

只有在Δ →0 時(shí)，α→0，相關(guān)系數(shù)c→1。

當(dāng)x(t)=km(t)時(shí)，有：

此時(shí)，無(wú)論x(t)與m(t)的數(shù)值關(guān)系如何，相關(guān)系數(shù)c始終為1。所以當(dāng)x(t)為m(t)的不同倍數(shù)時(shí)，無(wú)法識(shí)別傳統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)法，這就使基于相關(guān)系數(shù)算法的模板匹配方法所檢測(cè)到的波形不具備唯一性。

該文改進(jìn)的相關(guān)系數(shù)法對(duì)于信號(hào)m(t)和x(t)的計(jì)算公式定義為：

上式表明，當(dāng)α→0，則有c→1 。即僅在Δ →0 時(shí)才會(huì)有c→1。

當(dāng)x(t)=km(t)時(shí)，則：

為了綜合平衡各參數(shù)在目標(biāo)函數(shù)中的份額，考慮分布式電源的類(lèi)型、安裝位置及計(jì)劃容量，通過(guò)設(shè)計(jì)可靠的目標(biāo)函數(shù)，得到與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)應(yīng)比例的目標(biāo)函數(shù)，并用以權(quán)衡實(shí)際因素，且最終得到最優(yōu)化的分布式電源配置布局[4-5]。

2 分布式電源屬性分析

分布式電源發(fā)電效率及并網(wǎng)輸出受限于自然條件，自然條件的不定性直接造成該電源的電壓波動(dòng)[7-8]。主流的分布式電源包括分布式光伏、雙饋風(fēng)電機(jī)組等發(fā)電技術(shù)。各自運(yùn)行狀態(tài)的差異性決定了輸出功率的波動(dòng)性，造成功率的波動(dòng)性大致存在3種情況[9-10]：

1）自然條件造成原始隨機(jī)性

分布式光伏發(fā)電裝置如何確定最佳陽(yáng)光角度，是決定發(fā)電效率及輸出電壓波動(dòng)性的主導(dǎo)因素，而風(fēng)電機(jī)組的輸出功率則受風(fēng)力角度及方向等因素主導(dǎo)。為了最大化分布式電源發(fā)電效率及最小化電壓波動(dòng)，例如光伏、風(fēng)機(jī)等分布式能源發(fā)電采用動(dòng)態(tài)跟隨方式。然而自然條件的變化決定了動(dòng)態(tài)跟隨方式，因此其輸出功率在不同時(shí)段會(huì)產(chǎn)生不同的波動(dòng)[11]。

2）分布式電源啟動(dòng)、停運(yùn)統(tǒng)一性較差

由于分散性強(qiáng)、容量較小等問(wèn)題，大多數(shù)分布式電源不屬于國(guó)家所有，因此較難做到分布式電源啟動(dòng)、停運(yùn)統(tǒng)一性。而錯(cuò)過(guò)最佳啟停時(shí)間則會(huì)極大影響電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[12]。

3）內(nèi)部轉(zhuǎn)化效率及其他外界干擾

自然條件限制分布式能源的發(fā)電效率，內(nèi)部電子元件固有效率則限制發(fā)電輸出效率，因此高效、便捷的發(fā)電組合元件尤為重要。此外，還有其他一些外界干擾因素，如輸電方式、調(diào)峰等。

以上內(nèi)在及外在的不可抗力因素決定了分布式發(fā)電的輸出效率，故優(yōu)化分布式能源配置是最小化內(nèi)因及外因影響的重要手段。因此，采用某種算法或改善硬件條件均能使復(fù)雜的分布式能源配置問(wèn)題簡(jiǎn)單化，從而保障電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定。

3 混合數(shù)據(jù)處理算法

由于數(shù)據(jù)含有噪聲，所以需先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲預(yù)處理，再基于改進(jìn)時(shí)間動(dòng)態(tài)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)間性排列。最后再與遺傳算法相結(jié)合，獲取與實(shí)際對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，并考慮類(lèi)型、位置與容量因素。以此優(yōu)化分布式電源配置，進(jìn)而確定最優(yōu)網(wǎng)損下的可靠運(yùn)行方式[13]。

3.1 算法設(shè)計(jì)

噪聲是實(shí)際數(shù)據(jù)采集中固有的異常數(shù)據(jù)，其特性區(qū)別于有效數(shù)據(jù)。而分布式電源監(jiān)測(cè)電壓的數(shù)據(jù)為正弦式分布，且在分辨數(shù)據(jù)時(shí)有高值、低值及零值噪聲。但由于一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)恒定不變，所以必須依靠相應(yīng)剔除算法來(lái)獲取有效數(shù)據(jù)，并用于分布式電源的最優(yōu)化配置。例如對(duì)光伏并網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有58 條記錄中有異常值，其可細(xì)分為3 種情況：

1）12 條記錄，5 個(gè)字段值全為0，6 個(gè)字段值全為高值，1 個(gè)字段值則全為低值，可在噪聲分析時(shí)剔除該類(lèi)記錄。

2）其中，1條記錄中的零值為正常值，即恰好為0。

3）剩下記錄的零值為異常值，可采用相鄰兩個(gè)值的平均值將其替換。

剔除異常數(shù)值的核心是設(shè)定有效值范圍及相鄰值的記憶，監(jiān)測(cè)值若超過(guò)有效值范圍則剔除，若低于相鄰兩側(cè)區(qū)間值也應(yīng)剔除。則最終正常范圍內(nèi)的剩余數(shù)據(jù)，即為有效值。分布式電源數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)的分類(lèi)，如圖1、2 所示。

圖1 分布式電源數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

圖2 分布式電源有效及異常數(shù)據(jù)分類(lèi)

自然選擇保留優(yōu)良基因，進(jìn)化獲取適合的生存基因，遺傳算法便是模擬自然優(yōu)劣淘汰、適者生存的規(guī)則，通過(guò)多次迭代性遺傳、變異、交叉與復(fù)制，來(lái)獲得問(wèn)題的最優(yōu)解[14-15]。該文采用遺傳算法的基本迭代思想，來(lái)解決分布式電源的優(yōu)化配置的實(shí)際問(wèn)題。

在遺傳算法中，需解決映射問(wèn)題，即“數(shù)學(xué)建?！保褂梅稚⒃O(shè)定閾值范圍判斷[16-18]。首先將同類(lèi)型分布式電源電氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分批歸類(lèi)處理，統(tǒng)計(jì)不同位置電源的容量，以獲取相應(yīng)的電氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)x(t)與理論輸出數(shù)據(jù)m(t)進(jìn)行如上文所述的相關(guān)系數(shù)計(jì)算，得到數(shù)值c。最后，與設(shè)定閾值相比較，并結(jié)合位置、類(lèi)型和容量等信息，再根據(jù)系數(shù)分布范圍設(shè)定最優(yōu)的電源分配。

3.2 仿真算例

為檢驗(yàn)改進(jìn)時(shí)間動(dòng)態(tài)與遺傳算法交叉模型的正確性，為光伏、風(fēng)電等分布式電源電壓的自適應(yīng)控制、指導(dǎo)優(yōu)化能源配置提供有力數(shù)據(jù)支撐?；贒IgSILENT 仿真平臺(tái)搭建典型風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)模型，不考慮系統(tǒng)故障，設(shè)定風(fēng)機(jī)發(fā)電自然風(fēng)速是10～14 m/s 的階躍變化風(fēng)速，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷妮敵龉β适欠穹巷L(fēng)機(jī)輸出的電壓特性。在不同風(fēng)速下觀(guān)察風(fēng)機(jī)模型輸出電壓的波動(dòng)性及隨機(jī)性，同時(shí)基于混合算法觀(guān)察電壓及其他電氣量的控制水平。運(yùn)用IEEE14 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模擬電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，如圖3 所示，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)解尋找。

圖3 IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖

基于圖3 所示的原始數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，采用算法結(jié)合方式搜尋最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，得到分布式電源優(yōu)化后的最優(yōu)解，從而根據(jù)實(shí)際位置、容量等因素配置分布式電源。

給風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供10～14 m/s 變化的階躍風(fēng)速，分布式電源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化如圖4 所示。

圖4 分布式電源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化

不考慮任何外在或內(nèi)在故障因素，在模型中按照風(fēng)速設(shè)定方案添加風(fēng)速因子，持續(xù)運(yùn)行25 s。分布式電源輸出的并網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 并網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)1

改變風(fēng)速因子，基于原方案繼續(xù)運(yùn)行25 s。分布式電源輸出的仿真數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 并網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)2

由上述分析結(jié)果可知，在實(shí)際的分布式電源優(yōu)化配置中，安裝位置是初始過(guò)程中的主導(dǎo)因素，其可決定光伏等分布式電源的發(fā)電效率，所以需要首先考慮位置的影響。而且改變風(fēng)速因子后，輸出量在一定波動(dòng)周期后很快恢復(fù)穩(wěn)定輸出，表明提出方法的強(qiáng)自適應(yīng)性。其次在位置確定后，再確定相應(yīng)的安裝容量。這樣權(quán)衡分布式電源類(lèi)型、位置與容量，并在此基礎(chǔ)上利用最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)一步取得最佳的配置適應(yīng)度。由屬性權(quán)重的最優(yōu)分配獲得環(huán)境成本及網(wǎng)損降低的最優(yōu)方案，而最優(yōu)配置方案的魯棒性也更強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文提出了以分布式電源類(lèi)型、位置和容量為目標(biāo)函數(shù)建立基礎(chǔ)因子，并采用改進(jìn)時(shí)間動(dòng)態(tài)算法和遺傳算法優(yōu)化了分布式電源配置。改進(jìn)時(shí)間算法計(jì)算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間特性，結(jié)合遺傳算法優(yōu)勝劣汰的自然特性，且綜合考慮了位置、容量及類(lèi)型因素，解決了內(nèi)在因素及外在干擾條件造成的分布式電源電壓的輸出問(wèn)題，提高了能源配置的自適應(yīng)及決策能力，從而達(dá)到了最優(yōu)化配置分布式電源的目的，最終使能源配置效益提高15%。