可再生能源接入下配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度策略研究

宮 帥,方 圓,曹彎彎,張 敏,吳小華

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司信息通信分公司,安徽 合肥 230061;2.安徽繼遠軟件有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引言

可再生能源在化石能源不斷減少和全球性環(huán)境危機不斷加劇的背景下得到了飛速發(fā)展[1]。光伏與風(fēng)力發(fā)電是可再生能源中的典型代表。當(dāng)光伏、風(fēng)能進入配電網(wǎng)絡(luò)時,會對電力系統(tǒng)的運行造成一定的影響。因此,在提高可再生能源利用效率的同時保證配電網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性,是目前亟需解決的問題[2]。

國內(nèi)一些學(xué)者對此開展了研究。李彥吉等[3]提出考慮效率、效益與碳減排提升的含可再生能源的配電網(wǎng)投資優(yōu)選模型,在用能需求、預(yù)期效益和投資額度等約束條件下構(gòu)建協(xié)同調(diào)度模型,結(jié)合非支配排序遺傳遞推最小二乘法(non-dominated sorting genetic algorithm-II-recursive least square,NSGA-II-RLS)完成調(diào)度。該策略調(diào)度后配電網(wǎng)的網(wǎng)損值和棄風(fēng)棄光率較高。任智君等[4]提出含高比例可再生能源的配電網(wǎng)靈活資源雙層優(yōu)化配置,將配電網(wǎng)運行成本最小作為調(diào)度目標,將棄風(fēng)棄光量和網(wǎng)損作為約束條件,構(gòu)建協(xié)同調(diào)度模型。該模型通過粒子群優(yōu)化算法求解,從而完成調(diào)度。此方法存在靈活性不足率高和系統(tǒng)綜合安全性差的問題。朱俊澎等[5]提出考慮移動氫儲能和高密度可再生能源的主動配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度,根據(jù)軟開關(guān)模型精確線性化建模策略,構(gòu)建多座氫儲能電站在配電網(wǎng)內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,以此實現(xiàn)對配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度。該策略存在優(yōu)化后的配電網(wǎng)功率網(wǎng)損較高的問題。查永星等[6]提出基于多目標多任務(wù)進化算法的含可再生能源混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度,通過構(gòu)建優(yōu)化調(diào)度模型,結(jié)合多目標多任務(wù)進化算法,完成發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。該策略調(diào)度后棄風(fēng)棄光率較高。

為了解決上述策略中存在的問題,本文提出1種含可再生能源的配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度策略。該策略通過構(gòu)建目標函數(shù),并設(shè)置儲能運行約束條件和雙向潮流約束條件,采用交叉熵隨機抽樣算法獲取目標函數(shù)的最優(yōu)解,從而完成含可再生能源配電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度。試驗結(jié)果表明,所提策略能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度。

1 含可再生能源的配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度研究

1.1 目標函數(shù)

電力物聯(lián)網(wǎng)下含可再生能源的配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度策略利用電力物聯(lián)網(wǎng)獲取電力數(shù)據(jù),將網(wǎng)損水平最小、可再生能源利用率最高[7]和系統(tǒng)運行成本最低作為目標,構(gòu)建目標函數(shù)。

①系統(tǒng)運行成本。

本文設(shè)T為調(diào)度周期,h;VD(t)為可再生能源在t時段的運行成本,元;VIL(t)為可中斷負荷(interuptible load,IL)在t時段產(chǎn)生的費用,元。本文構(gòu)建目標函數(shù)G1min,以降低配電網(wǎng)在運行過程中產(chǎn)生的成本:

(1)

式中:VH(t)為配電網(wǎng)在t時段的購電成本,元;VE(t)為儲能設(shè)備在t時段的運行成本,元。

本文設(shè)μH(t)為t時段配電網(wǎng)的購電價格,元/kWh;AH(t)為t時段配電網(wǎng)對應(yīng)的注入功率,W;Δt為單次調(diào)度時間間隔,h;T′為儲能設(shè)備對應(yīng)的節(jié)點集合。本文設(shè)置2個缺電成本系數(shù)為L1、L2和中斷意愿因子為υk′。此時,VH(t)、VD(t)、VE(t)、VIL(t)可通過式(2)計算得到:

(2)

通過式(1)和式(2)的計算,能夠得出系統(tǒng)的最低運行成本,從而有效降低配電網(wǎng)的運行費用。

②可再生能源利用。

(3)

根據(jù)式(3),可以計算出發(fā)電功率消減量的最小值,從而提升配電網(wǎng)可再生能源的利用率。

③配電網(wǎng)網(wǎng)損。

配電網(wǎng)的運行情況可通過網(wǎng)損反映[10]。本文設(shè)O為線路在配電網(wǎng)中的節(jié)點集合;AJ為線路J在配電網(wǎng)中的有功功率,W;UJ為線路J在配電網(wǎng)中對應(yīng)的電壓,V。

本文將網(wǎng)損最小作為目標,構(gòu)建目標函數(shù)G3min。

(4)

式中:XJ為線路J在配電網(wǎng)中的阻抗值,Ω;WJ為線路J在配電網(wǎng)中的無功功率,Var。

通過式(4)構(gòu)建的配電網(wǎng)網(wǎng)損目標函數(shù),可以計算出最小網(wǎng)損值,以增加配電網(wǎng)的運行效率。

1.2 約束條件

根據(jù)構(gòu)建的目標函數(shù),設(shè)置儲能運行約束條件和雙向潮流約束條件。設(shè)置這2個條件是為了防止配電網(wǎng)中的儲能單元出現(xiàn)過放和過充現(xiàn)象,以保證配電網(wǎng)的安全運行。

①儲能運行約束。

本文設(shè)Ri,t為t時段儲能單元i對應(yīng)的電量,kWh;tc為儲能單元對應(yīng)的充電效率;Ri,0為起始時刻儲能單元i對應(yīng)的電量,kWh;SOC,i,t為t時段儲能單元i的荷電狀態(tài)[11]。

配電網(wǎng)的荷電狀態(tài)和電量變化情況應(yīng)滿足:

(5)

②雙向潮流約束。

儲能單元在配電網(wǎng)中的潮流雙向約束條件可以表示為:

(6)

2 函數(shù)求解

根據(jù)構(gòu)建的可再生能源配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度目標函數(shù),本文采用交叉熵隨機抽樣算法,求解含可再生能源的配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度目標函數(shù)的最優(yōu)解,以實現(xiàn)對可再生能源配電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度。

本文用{f(x;v),v∈V}表示參數(shù)v在有限狀態(tài)空間δ中的概率分布密度函數(shù)簇,則目標函數(shù)在此狀態(tài)下的最大值ηmax為:

(7)

本文采用以下相關(guān)隨機問題表示含可再生能源配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度優(yōu)化問題:

m(η)=Au[f(X)≥η]=RuI{f(x)≥η}

(8)

式中:Ru為事件期望;Au為X對應(yīng)的概率量度;I{f(x)≥η}為指示函數(shù)。

(9)

可再生能源配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度目標函數(shù)求解流程如圖1所示。

圖1 可再生能源配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度目標函數(shù)求解流程圖Fig.1 Renewable energy distribution network cooperative scheduling objective function solution flowchart

3 試驗與分析

為了驗證含可再生能源的配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度策略的整體有效性,本文選取某含可再生能源的配電網(wǎng)作為測試對象,采用所提策略對其展開調(diào)度測試。配電網(wǎng)包括5個220 kV電源點、25個變電節(jié)點。光伏和儲能電站安裝在節(jié)點16和節(jié)點20上。其中:光伏電站額定功率為200 kW;儲能電站額定容量為150 kW。配電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:SO2治理費用為14.5元/kg;可再生能源電量補償價格為0.13 元/kWh;CO2治理費用為0.25 元/kg;主網(wǎng)購電價為0.5 元/kWh;NOx治理費用為65 元/kg;網(wǎng)損電價為0.4元/kWh;SO2排放系數(shù)為1.7 g/kWh;棄風(fēng)棄光懲罰電價為0.5 元/kWh;CO2排放系數(shù)為885 g/kWh。

試驗采用電力物聯(lián)網(wǎng)下含可再生能源的配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度策略調(diào)度前后的配電網(wǎng)網(wǎng)損值。配電網(wǎng)調(diào)度前后的網(wǎng)損值如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)調(diào)度前后的網(wǎng)損值Fig.2 Network loss values before and after distribution network scheduling

由圖2可知,采用電力物聯(lián)網(wǎng)下含可再生能源配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度策略調(diào)度優(yōu)化后,配電網(wǎng)的網(wǎng)損值在680 MWh以內(nèi),明顯低于調(diào)度前的網(wǎng)損值。所提策略在調(diào)度過程中將網(wǎng)損水平最小作為目標對配電網(wǎng)展開調(diào)度優(yōu)化,可有效降低配電網(wǎng)的網(wǎng)損值。

棄風(fēng)棄光率越低,表明配電網(wǎng)的調(diào)度效果越好。本文將其作為指標,對比調(diào)度前后配電網(wǎng)的棄風(fēng)棄光率。配電網(wǎng)調(diào)度前后的棄風(fēng)棄光率如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)調(diào)度前后的棄風(fēng)棄光率Fig.3 Wind and light abandonment rates before and after distribution network scheduling

分析圖3可知,采用所提策略調(diào)度后,配電網(wǎng)每月的棄風(fēng)棄光率明顯降低,保持在30%以內(nèi),使得能源利用率提高。這有效降低了配電網(wǎng)的棄風(fēng)棄光率。

本文以靈活性不足率和系統(tǒng)綜合安全性作為指標,測試電力物聯(lián)網(wǎng)下可再生能源配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度策略的整體性能。

靈活性不足率越低,表明策略的適應(yīng)性越強;相反,靈活性不足率越高,則表明策略的適應(yīng)性越弱。系統(tǒng)綜合安全性越高,表明調(diào)度后的配電網(wǎng)運行的安全性越好。

靈活性不足率和系統(tǒng)綜合安全性測試結(jié)果如表1所示。由表1可知,采用電力物聯(lián)網(wǎng)下含可再生能源配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度策略調(diào)度后,配電網(wǎng)的靈活性不足率均低于10%,系統(tǒng)綜合安全性指數(shù)接近1。該結(jié)果表明本文策略具有良好的調(diào)度性能。

表1 靈活性不足率和系統(tǒng)綜合安全性測試結(jié)果Tab.1 Insufficient flexibility rate and comprehensive system security test results

為了更進一步驗證所提策略的有效性,本文采用文獻[3]策略與文獻[4]策略作對比,對配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度后的功率進行檢測。不同策略下配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度后的功率如圖4所示。

圖4 不同策略下配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度后的功率Fig.4 Power after optimal dispatching of distribution network under different stratgegies

由圖4可知,在優(yōu)化調(diào)度前,配電網(wǎng)的功率波動幅度較大,采用所提策略對配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度后,其功率值在1.48 MW左右,波動幅度較小。而文獻[3]策略與文獻[4]策略功率值波動較大,且功率值低于1.2 MW。所提策略對配電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化后,降低了功率波動,提高了配電網(wǎng)整體運行效率。

配電網(wǎng)在運行調(diào)控中會產(chǎn)生一定的損耗,進而影響設(shè)備使用壽命。為了保證配電網(wǎng)的安全、降低新能源發(fā)電的成本,本文對配電網(wǎng)功率損耗進行優(yōu)化調(diào)度。不同策略優(yōu)化后配電網(wǎng)功率損耗如圖5所示。

圖5 不同策略優(yōu)化后配電網(wǎng)功率損耗Fig.5 Power loss in distribution network after optimization by different strategies

由圖5可知,采用所提策略優(yōu)化后配電網(wǎng)功率損耗與調(diào)度前相比明顯降低,最大值低于200 kW,而文獻[3]策略與文獻[4]策略的功率損耗沒有明顯的降低。通過對比可知,所提策略優(yōu)化后的配電網(wǎng)功率損耗最低,能夠降低新能源發(fā)電的成本。

4 結(jié)論

可再生能源發(fā)電具有不確定性,將其接入配電網(wǎng)時會對配電網(wǎng)的運行安全產(chǎn)生影響。目前,配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度方法存在網(wǎng)損值高、棄風(fēng)棄光率高、靈活性不足率高和系統(tǒng)綜合安全性差的問題。本文提出電力物聯(lián)網(wǎng)下含可再生能源的配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度策略。所提策略在調(diào)度約束條件的基礎(chǔ)上建立含可再生能源配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度的目標函數(shù),有效解決了目前策略中存在的問題。試驗結(jié)果為:①所提策略的網(wǎng)損值、棄風(fēng)棄光率得到了有效降低;②配電網(wǎng)的靈活性不足率在10%以內(nèi)、增加了系統(tǒng)綜合安全性指數(shù);③所提策略對配電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化后,配電網(wǎng)的功率波動以及功率損耗得到有效降低。

試驗結(jié)果驗證了所提策略的整體有效性。該策略為含可再生能源配電網(wǎng)的安全運行提供了保障。