考慮負荷可調(diào)度特性的農(nóng)村配電系統(tǒng)光-儲-充規(guī)劃展望

鄒 鐵 ，沈 慶 ，邵 宏 ，李亞飛 *

（1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000;2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210029）

2021 年3 月，習近平總書記在中央財經(jīng)委員會第九次會議上對未來能源領(lǐng)域的重點工作進行了部署，要求實施可再生能源替代行動，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。農(nóng)村配電系統(tǒng)是我國電力系統(tǒng)的重要組成部分，與全國近一半人口的生產(chǎn)、生活用能供應(yīng)密切相關(guān)[1]。與城市地區(qū)相比，農(nóng)村地區(qū)物理空間更為充足，具備更好的可再生能源開發(fā)條件。因此，建設(shè)以新能源為主體的新型農(nóng)村配電系統(tǒng)是新型電力系統(tǒng)建設(shè)必不可少的重要組成部分之一。

我國太陽能資源豐富，據(jù)中國可再生能源學會光伏專業(yè)委員會統(tǒng)計[2]，我國接近97%的國土年太陽總輻射量超過1 050 kW·h/m2，其中，約66.8%的國土年太陽總輻射量超過1 400 kW·h/m2。經(jīng)過多年發(fā)展，光伏發(fā)電技術(shù)已趨于成熟，成為我國電力系統(tǒng)中的重要電源之一。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計：2022 年，我國新增光伏并網(wǎng)容量8 740.8 萬kW（其中，集中式光伏3 629.4 萬kW，分布式光伏5 111.4 萬kW），累計光伏并網(wǎng)容量達39 204 萬kW（其中，集中式光伏23 442 萬kW，分布式光伏15 762 萬kW）[3]。與風電相比，光伏更適宜以分布式電源的形式接入配電系統(tǒng)，因此，大力發(fā)展光伏是建設(shè)新型農(nóng)村配電系統(tǒng)的關(guān)鍵措施。

現(xiàn)有農(nóng)村配電系統(tǒng)普遍存在網(wǎng)架偏弱、供電線路較長、負荷眾多但小而分散等特點[4]，光伏消納能力受限。光伏規(guī)?；尤牒螅瑯O易出現(xiàn)潮流越限與電壓偏差超標等問題，甚至引發(fā)光伏頻繁脫網(wǎng)[5]，嚴重阻礙了農(nóng)村光伏的進一步開發(fā)，導(dǎo)致全國已有超過10 個縣（市、區(qū)）暫停光伏項目備案。因此，提升配電系統(tǒng)光伏消納能力是新型農(nóng)村配電系統(tǒng)建設(shè)中迫切須要解決的關(guān)鍵問題。本文從提升新型農(nóng)村配電系統(tǒng)光伏消納能力的角度出發(fā)，在對柔性負荷可調(diào)度特性建模研究現(xiàn)狀進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，對光伏電站、電池儲能系統(tǒng)與電動汽車充電站規(guī)劃的研究進行分析，并提出建議和展望。

1 現(xiàn)有配電系統(tǒng)規(guī)劃理論的不足

由于未充分考慮農(nóng)村配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)特征、光伏出力特征與負荷特性，現(xiàn)有配電系統(tǒng)規(guī)劃理論與方法無法直接用于面向光伏消納能力提升的新型農(nóng)村配電系統(tǒng)光-儲-充規(guī)劃，一定程度上阻礙了農(nóng)村光伏的進一步開發(fā)與新型農(nóng)村配電系統(tǒng)的建設(shè)。理論研究的不完善主要體現(xiàn)在以下幾方面：

農(nóng)村配電系統(tǒng)中，配電臺區(qū)存在數(shù)目眾多、位置分散、且特性各異的小容量電力負荷，缺少能在規(guī)劃中對“多、散、小”負荷可調(diào)度特性進行等效聚合的理論與方法；

與城市地區(qū)相比，農(nóng)村光伏電站地理距離相對較遠，受微氣象影響，光伏電站群時序出力間存在復(fù)雜差異性與相關(guān)性，缺少對此進行建模與模擬的理論與方法；

長周期時序運行優(yōu)化是農(nóng)村配電系統(tǒng)光-儲-充協(xié)同規(guī)劃的基礎(chǔ)，現(xiàn)有方法很難對農(nóng)村配電系統(tǒng)時序運行優(yōu)化模型進行高效求解，難以滿足農(nóng)村配電系統(tǒng)光-儲-充協(xié)同規(guī)劃的要求。

2 柔性負荷可調(diào)度特性建模研究現(xiàn)狀

以空調(diào)/電采暖、電動汽車等為代表的柔性負荷在農(nóng)村配電系統(tǒng)中不斷涌現(xiàn)，為利用負荷消納光伏奠定了良好的條件。

2.1 用戶空調(diào)/電采暖負荷時序可調(diào)度特性

建筑物具有巨大的熱慣性，可在滿足熱舒適度的前提下對空調(diào)/電采暖功率進行時序調(diào)節(jié)[6]，因此，建筑物熱特性建模是分析空調(diào)/電采暖負荷時序可調(diào)度特性的重要基礎(chǔ)。文獻[7]對別墅、聯(lián)排別墅以及公寓等不同類型建筑物的熱特性進行了對比分析，并評估了熱功率在多時間尺度下的靈活性?；诳赏瑫r考慮建筑物室內(nèi)空氣與建筑物本體熱慣性的雙熱容模型，文獻[8]研究了如何利用電采暖功率的時序可調(diào)度特性平衡可再生能源出力波動，支撐可再生能源電力消納。建筑物熱特性模型較為復(fù)雜，部分參數(shù)難以確定，且難以考慮用戶偏好差異，因此，基于模型驅(qū)動的空調(diào)/電采暖負荷時序可調(diào)度特性建模方法具有局限性。

近年來，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動對空調(diào)/電采暖負荷的時序可調(diào)度特性進行建模的方法，取得顯著進展。文獻[9]采用深度強化學習方法對建筑物空調(diào)、通風與電熱負荷功率的時序可調(diào)度特性進行建模，并提出了可確保室內(nèi)環(huán)境舒適度的空調(diào)、通風與電熱負荷功率優(yōu)化方法。文獻[10]建立了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的空調(diào)負荷模型參數(shù)在線辨識架構(gòu)，采用粒子群算法實現(xiàn)了模型參數(shù)的快速、準確辨識，顯著提升了建模速度與精度。

2.2 用戶電動汽車充電負荷時序可調(diào)度特性

農(nóng)村地區(qū)物理空間充足，通過戶用充電樁在居所對電動汽車進行充電是農(nóng)村地區(qū)的重要充電形式之一。對農(nóng)村地區(qū)小容量電力用戶來說，戶用電動汽車充電功率的時序可調(diào)度特性建模相對容易，可根據(jù)用戶交通行為特性、充電偏好以及充電樁技術(shù)特性給出解析模型。

隨著電動汽車的逐漸普及，研究者對電動汽車充電負荷的時空特性進行了大量研究，文獻[11]考慮電池充電狀態(tài)和充電行為等因素的影響，使用排隊論對電動汽車充電站（electric vehicle charging station，EVCS）充電負荷24 h 內(nèi)的時序特性進行建模，并分析了充電負荷對配電系統(tǒng)的影響。在充分考慮充電負荷隨機影響因素的前提下，文獻[12]對EVCS 日充電負荷的時序特性進行了模擬，并對配電系統(tǒng)進行了概率潮流分析。文獻[13]考慮電動汽車出行之間的擁堵效應(yīng)和相互影響，提出基于交通均衡的充電負荷模擬方法，對城市充電負荷的空間分布特性進行了建模。

2.3 公用變壓器負荷時序可調(diào)度特性等效聚合建模

作為農(nóng)村配電系統(tǒng)中的單一柔性可控負荷，公用變壓器數(shù)目眾多、位置分散，增大了光-儲-充規(guī)劃的復(fù)雜度。目前，較少有文獻對農(nóng)村配電系統(tǒng)配電臺區(qū)內(nèi)眾多小容量電力負荷的整體可調(diào)度特性進行分析，但圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在電力系統(tǒng)領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，取得了良好的成效。

文獻[14]在考慮電網(wǎng)母線特征、線路特征與拓撲的基礎(chǔ)上，采用消息傳遞圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估不同拓撲下的電網(wǎng)暫穩(wěn)態(tài)性能，并驗證了網(wǎng)絡(luò)的泛化能力。文獻[15]提出了基于圖卷積網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障診斷方法，通過鄰接矩陣表征未知樣本和標記樣本間的相似性度量，并采用圖卷積層作為分類器揭示溶解氣體與斷層類型間的復(fù)雜非線性關(guān)系。文獻[16]提出了一種用于配電網(wǎng)故障定位的圖卷積網(wǎng)絡(luò)模型，在考慮系統(tǒng)拓撲的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了不同的總線上多測量點的集成，該方法具有較強的魯棒性，能兼容測量噪聲和數(shù)據(jù)丟失。

3 配電系統(tǒng)光伏電站、電池儲能系統(tǒng)與電動汽車充電站規(guī)劃的研究現(xiàn)狀

近年來，隨著光伏等分布式電源的規(guī)?；尤?，以及BESS、EVCS 的不斷涌現(xiàn)，配電系統(tǒng)已由“簡單無源配電網(wǎng)絡(luò)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬?fù)雜有源配電系統(tǒng)”，并呈現(xiàn)出潮流復(fù)雜化、狀態(tài)時序耦合化及源荷模糊化等特征。與此同時，配電規(guī)劃問題也由“基于最大負荷場景的電網(wǎng)規(guī)劃問題”拓展為“基于時序運行場景的源網(wǎng)荷協(xié)同規(guī)劃問題”。

近年來，研究者對配電系統(tǒng)中的光伏電站、BESS 與EVCS 規(guī)劃問題進行了系統(tǒng)研究，初步形成了適應(yīng)配電系統(tǒng)形態(tài)變化的規(guī)劃理論與方法體系。

3.1 光伏電站接入配電系統(tǒng)規(guī)劃研究現(xiàn)狀

如前所述，分布式光伏大規(guī)模接入將顯著改變配電系統(tǒng)運行工況，并可能導(dǎo)致線路潮流越限，節(jié)點電壓偏差超標等一系列問題，影響配電系統(tǒng)安全、高效運行。

為緩解分布式光伏大規(guī)模接入對配電系統(tǒng)運行的不利影響，國內(nèi)外學者對光伏規(guī)劃問題進行了研究，并在規(guī)劃中考慮了經(jīng)濟性指標。文獻[17]通過優(yōu)化光伏電站接入位置，提升配電系統(tǒng)技術(shù)性能，如降低網(wǎng)損、減少電壓偏移等。文獻[18]提出兼顧經(jīng)濟性、安全性的光伏規(guī)劃模型，以投資運維成本最低、網(wǎng)損最小為經(jīng)濟性規(guī)劃目標，以電壓偏差、電壓波動、諧波指標為規(guī)劃約束。文獻[19]提出了以年凈收益最大為目標的光伏接入容量優(yōu)化模型，并考慮了“棄光”優(yōu)化，最大化消納光伏。

綜上，現(xiàn)有研究工作主要考慮如何通過優(yōu)化光伏接入位置和容量，提升配電系統(tǒng)運行性能與光伏并網(wǎng)效益，很少關(guān)注如何提升現(xiàn)狀網(wǎng)架的光伏消納能力。

3.2 儲能接入配電系統(tǒng)規(guī)劃研究現(xiàn)狀

近年來，以電化學儲能技術(shù)為代表的儲能技術(shù)取得飛速進步，為提升光伏高密度接入后的配電系統(tǒng)運行性能提供了有效的解決手段。

儲能設(shè)備仍較為昂貴，成為其商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙，因此，經(jīng)濟可行性分析是儲能接入配電系統(tǒng)規(guī)劃的重要工作之一。文獻[20]提出了基于運行工況時序優(yōu)化的混合整數(shù)隨機評估模型，對儲能接入配電系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性進行了全面評估。在儲能運行狀態(tài)時序優(yōu)化的基礎(chǔ)上，文獻[21]對我國現(xiàn)行電價制度下的用戶側(cè)儲能的投資、收益進行了分析。研究表明，只要運行策略得當，對配電系統(tǒng)中的儲能來說，收益有望覆蓋投資成本，初步具備商業(yè)化應(yīng)用潛力。

選址、定容問題是儲能接入配電系統(tǒng)規(guī)劃核心問題，對儲能來說，若其接入位置/容量選擇得當，經(jīng)濟性可顯著提升、并能促進光伏消納。文獻[22]在對儲能年運行狀態(tài)進行時序仿真的基礎(chǔ)上，建立了以儲能全壽命周期經(jīng)濟效益最大為目標的配電系統(tǒng)儲能優(yōu)化配置模型，并在研究中考慮了儲能容量衰退。文獻[23]提出了計及N-1 安全準則的配電網(wǎng)、儲能聯(lián)合規(guī)劃方法，對配電系統(tǒng)中的儲能接入位置與容量進行優(yōu)化，旨在降低包括儲能成本在內(nèi)的系統(tǒng)投資、運維總成本。文獻[24]基于最優(yōu)潮流模型對配電系統(tǒng)進行了時序運行優(yōu)化，并以此為依據(jù)對儲能接入位置與容量進行優(yōu)化，降低網(wǎng)損成本與購電費用。文獻[25]提出了計及光伏并網(wǎng)不確定性的自適應(yīng)魯棒優(yōu)化模型，優(yōu)化儲能在配電系統(tǒng)中的接入位置，提升配電系統(tǒng)光伏消納能力。為進一步提升配電系統(tǒng)光伏消納能力，文獻[26]構(gòu)建了光-荷聯(lián)合時序場景，提出了以分布式光伏全年總發(fā)電量最大為目標，并兼顧配網(wǎng)經(jīng)濟性的光、儲聯(lián)合優(yōu)化配置模型。

儲能運行具有強時序耦合特征，因此，上述關(guān)于儲能規(guī)劃的研究大多基于配電系統(tǒng)時序運行優(yōu)化進行?，F(xiàn)有研究中，大多將配電系統(tǒng)時序運行優(yōu)化模型建模為混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed integer linear programming，MILP）問題，并采用CPLEX 等商業(yè)優(yōu)化軟件求解。農(nóng)村配電系統(tǒng)時序運行優(yōu)化模型為變量規(guī)模更大、優(yōu)化周期更長且約束更為復(fù)雜的MILP 問題，現(xiàn)有求解技術(shù)為建立基于農(nóng)村配電系統(tǒng)時序運行優(yōu)化的光-儲-充規(guī)劃模型，并進行高效求解打下了堅實的基礎(chǔ)。

3.3 電動汽車充電站規(guī)劃研究現(xiàn)狀

EVCS 是支撐電動汽車可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，布局合理的EVCS 網(wǎng)絡(luò)既能給車主提供便捷的充電服務(wù)，又可緩解大規(guī)模電動汽車充電對配電系統(tǒng)運行的不利影響，甚至能提升配電系統(tǒng)的光伏消納能力。

目前，EVCS 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題主要包括選址與定容2 個子優(yōu)化問題。文獻[27]對EVCS 充電負荷的隨機特性進行了模擬，建立了同時考慮充電服務(wù)能力最優(yōu)與網(wǎng)損最小的模糊多目標優(yōu)化模型，用于EVCS 的最優(yōu)選址與定容。文獻[28]對電動公交系統(tǒng)和充電負荷進行了模擬，建立了同時考慮公交系統(tǒng)與配電系統(tǒng)運行需求的EVCS 最優(yōu)選址模型，旨在降低EVCS 的建設(shè)、運維成本與網(wǎng)損成本。文獻[29]采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模擬交通行為的隨機特性，建立了同時考慮充電等待時間最短、電壓質(zhì)量最佳與網(wǎng)損最小等多個優(yōu)化目標的EVCS 兩階段選址、定容模型。

EVCS 充電負荷是配電系統(tǒng)中的新型用電負荷，可通過充電功率與光伏出力間的最優(yōu)匹配提升配電系統(tǒng)運行性能，促進光伏消納。文獻[30-31]對此問題進行了研究，提出了以網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標的光伏電站-EVCS 聯(lián)合選址、定容模型。

4 結(jié)束語

新型電力系統(tǒng)建設(shè)目標背景下，大力發(fā)展農(nóng)村光伏既是建設(shè)新型農(nóng)村配電系統(tǒng)的關(guān)鍵措施，又是促進鄉(xiāng)村振興、提高農(nóng)村居民生活水平的重要保障。

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，城鄉(xiāng)差異的不斷縮小，農(nóng)村居民對生活舒適度要求的不斷提升，電動汽車與空調(diào)/電采暖等柔性負荷將在農(nóng)村地區(qū)不斷涌現(xiàn)，成為農(nóng)村配電系統(tǒng)中的重要新增負荷，為利用負荷消納光伏奠定了良好的條件。通過光伏、充電負荷與其他柔性負荷之間的最優(yōu)匹配，可提升農(nóng)村配電系統(tǒng)的光伏消納能力。隨著電化學儲能技術(shù)的不斷進步，電池儲能系統(tǒng)的可靠性穩(wěn)步提升、成本不斷下降，為通過合理配置BESS 進一步提升農(nóng)村配電系統(tǒng)光伏消納能力提供了技術(shù)保障。

光-儲-充協(xié)同規(guī)劃（分布式光伏、充電負荷與其他柔性負荷間的最優(yōu)匹配與BESS 合理配置）可以做到充分挖掘農(nóng)村配電系統(tǒng)現(xiàn)狀網(wǎng)架下的光伏消納潛力，這給未來提升農(nóng)村配電系統(tǒng)光伏消納能力、促進新型農(nóng)村配電系統(tǒng)建設(shè)提供了一種有效技術(shù)手段。