含高比例分布式電源的自洽型配電單元構(gòu)建方法研究

施天成 ，楊 欣 ，李志偉 ，種亞林 ，王 蕊 ，王 磊

（1. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，安徽 合肥 230031; 2. 合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

在“雙碳”目標的指引下，我國分布式電源裝機得到了爆發(fā)式增長。然而，出力具有隨機性和間歇性的分布式電源大量并網(wǎng)將給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了系列問題[1-3]。雖然，現(xiàn)有文獻對接入配電網(wǎng)中的分布式發(fā)電的選址定容等規(guī)劃問題開展了深入研究，一定程度上解決了高比例分布式發(fā)電對配電網(wǎng)造成的不利影響[4-5]。但是，隨著分布式發(fā)電并網(wǎng)比例的進一步提升以及需求響應(yīng)激勵政策的推廣，含高比例分布式電源的配電網(wǎng)的運行特性將變得異常復(fù)雜。為此，需要在配電網(wǎng)的規(guī)劃階段，開展運行特性研究[6-7]。針對高比例分布式電源并網(wǎng)的配電網(wǎng)，可將配電網(wǎng)按照電壓的不同采用分層規(guī)劃方法，針對集中控制過程的復(fù)雜性，可采用集群控制方法[8-10]。

因此，本文在充分計及新型配電網(wǎng)中高比例可再生能源與負荷在時空上的互補耦合特性，通過集群方式解決可再生能源能源并網(wǎng)和消納問題[11]。從分布式電源互補特性、多元化負荷互補特性和電源-負荷匹配特性3 個角度展開分析，以集群結(jié)構(gòu)為切入點，提出自洽型配電單元的概念，然后對分布式可再生能源發(fā)電特性及需求響應(yīng)機制下的負荷特性進行充分的分析，依據(jù)源、荷特性進行自洽型配電單元的構(gòu)建，結(jié)合仿真分析進行佐證。

1 自洽型配電單元的概念

當前，為解決高比例分布式電源接入新型配電網(wǎng)所造成的一些列問題，電力系統(tǒng)中主要采用集群、微電網(wǎng)、虛擬電廠等新技術(shù)。微電網(wǎng)（micro-grid，MG）主要由一定空間范圍內(nèi)的分布式發(fā)電、儲能裝置和負荷等共同組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)[12-13]。虛擬電廠（virtual power plant，VPP）是一套高度智能的能源管理系統(tǒng)[14-15]，可以很好的實現(xiàn)其內(nèi)部的分布式資源的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，使其可以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。分布式發(fā)電集群（distributed generation cluster，DGC）并沒有一個明確的定義，但是一般多針相同類的單元設(shè)備所組成的一個集合體。可理解為地理空間或電氣上相互接近或形成互補關(guān)系的若干分布式發(fā)電單元集合所構(gòu)成，易于實現(xiàn)運行控制的垂直化、扁平化，其劃分的依據(jù)更側(cè)重于分布式電源之間的聚合[16-17]。

自洽型配電單元（self-consistent power distribution units，SCPDU）是本文在DGC 的基礎(chǔ)上構(gòu)建的一種新型的配電單元形式。所謂自洽，就是在空間和時間上便于源荷的平衡，減少因負荷過高而停電或冗余電源的一個概念。當負荷過高時，對電源、需求側(cè)的負載進行平衡計算，多方達成共識，自動降低非重要負荷（如空調(diào)低降低溫度），達成平衡，保障可靠性；當負荷過低時，加大生產(chǎn)或儲能，減少電力損失。自洽是更敏感的，在負荷過高或不平衡時，能夠協(xié)同供需側(cè)多點達成用電“智能合約”，自我形成平衡。類似虛擬電廠關(guān)注點在儲能、微電網(wǎng)關(guān)注點在自治電網(wǎng)，而SCPDU 關(guān)注點聚焦與分布式發(fā)電和用電終端的智能交互響應(yīng)。

顯然，SCPDU 仍然屬于“集群”的范疇。相比傳統(tǒng)集群僅考慮分布式發(fā)電特性的構(gòu)建方法，SCPDU 的集群構(gòu)建則不僅僅關(guān)注分布式發(fā)電的特性，還要更多的考慮負荷的特性，尤其在需求響應(yīng)發(fā)展迅速的當下。某種意義上也可以將自洽型配電單元稱為“源荷集群”或“集群”。另外，從某種程度上而言，也可將其視為大量接入分布式電源的智能電網(wǎng)。實現(xiàn)了物理空間和邏輯上大量分散資源接入和匯集的分布式智能電網(wǎng)?？梢姡琒CPDU 更加強調(diào)“分布式 + 智能”：分布式能源靠近負荷，利于實現(xiàn)就地平衡和就近消納；用戶將從剛性電力消費者變?yōu)榫哂胸摵烧{(diào)節(jié)能力和需求彈性的“產(chǎn)銷者”；形成“源網(wǎng)荷儲”靈活互動的一體化系統(tǒng)。其特征是：小型、分散、自平衡。所謂自平衡，指能源平衡范圍是彈性的、可伸縮的，沒有“微電網(wǎng)”的物理邊界特征和“增量配網(wǎng)”的產(chǎn)權(quán)特征，資源調(diào)節(jié)的范圍更廣、程度更深、靈活性更強。從覆蓋的對象看，無論是“增量配電網(wǎng)”試點還是各類“微網(wǎng)”或綜合能源示范項目、需求側(cè)響應(yīng)試點項目，都是以大工業(yè)用戶作為參與主體，調(diào)節(jié)對象數(shù)量有限。“自洽型配電單元”不僅僅強調(diào)大用戶的調(diào)節(jié)能力，還要更加著力提高配網(wǎng)中的中小型用戶負荷調(diào)節(jié)能力。從技術(shù)上而言，對配電網(wǎng)主動感知能力和調(diào)節(jié)能力提出了更高的要求，尤其是連接用戶的低壓配電網(wǎng)，促使“配電”和“用電”的聯(lián)系更加緊密，提高配電網(wǎng)對分布式新能源的主動響應(yīng)和服務(wù)能力。自洽型配電單元與其他相關(guān)技術(shù)比較方案如表1 所示，其構(gòu)成示意圖如圖1 所示。

圖1 自洽型配電單元構(gòu)成示意圖

表1 自洽型配電單元與相關(guān)技術(shù)解決方案比較

2 基于源荷特性匹配的自洽型配電單元構(gòu)建

配電網(wǎng)中的多元化分布式電源和負荷之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，電源之間、負荷之間存在互補特性，電源-負荷之間存在匹配特性，關(guān)聯(lián)程度的大小對供需雙側(cè)的運行和協(xié)同產(chǎn)生差異化的影響。同時，由于可再生能源的滲透不斷增加，基于集群模式的自洽型配電單元可實現(xiàn)不同電壓等級及不同區(qū)域內(nèi)分布式電源和負荷的最佳匹配。通過聚類劃分所得到的集群分成物理集群和虛擬集群2 種，因后者不存在實際集群管控裝置的集群，具有靈活、適應(yīng)性好的優(yōu)點，將成為未來電力系統(tǒng)發(fā)展的方向。

2.1 源荷互補匹配理論

在電力系統(tǒng)中，不同類型的電源出力、負荷用電規(guī)律不同，其在時間尺度上的形態(tài)可以用典型日源荷曲線來描繪。不同特性的電源出力曲線、負荷曲線疊加之后，得到的新的曲線或許會比兩者各自的曲線都要平滑，因為它們在出力、用電時間上具有一定的互補性。因此，為了定量的研究電源與電源、負荷與負荷之間的這種互補性，定義互補度為不同電源、用電設(shè)備的典型日出力曲線、負荷曲線之間的互補程度。不同源荷曲線的互補程度越低，互補度越小；互補程度越高，互補度越大；當源荷曲線能夠峰和谷互補時，互補度最大。以負荷互補度的計算方法為例，電源互補度計算方法類似。電力源荷有功互補評估指標包含縱向互補度PV及橫向互補度PH，縱向互補度是指各時刻不同源荷大小之和的平均值與和的最大值之比，反映的是不同源荷曲線疊加后，新源荷曲線整體的平滑程度。橫向互補度是指各時刻不同源荷大小之和的最小值與和的最大值之比，反映的是不同源荷曲線疊加后新源荷曲線的峰谷差大小?；パa度綜合評估指標由縱向互補度PV及橫向互補度PH2 個指標組成，從而更加準確全面的描述源荷有功功率曲線間的互補程度。其計算公式為：

式中：n為統(tǒng)計周期內(nèi)的時刻數(shù)；m為各時刻參與匹配計算的源荷數(shù)目；Px,t為t時刻源荷設(shè)備x的有功功率；PΣ.max和PΣ.min分別為統(tǒng)計周期內(nèi)源荷聯(lián)合有功出力的最大值和最小值。

同理，類似源荷有功功率曲線互補度的定義，也可以定義源荷無功功率曲線互補度φQ，其計算公式為：

式中：Qx,t為t時刻源荷設(shè)備x的無功功率；QΣ.max和QΣ.min分別為統(tǒng)計周期內(nèi)源荷聯(lián)合無功出力的最大值和最小值。

2.2 自洽型配電單元的構(gòu)建原則

自洽型配電單元的構(gòu)建需遵循如下原則。

自洽型配電單元構(gòu)建對象依照電氣距離的大小進行集群構(gòu)建，一個自洽型配電單元內(nèi)的各構(gòu)建對象必有電氣聯(lián)系，且各對象的電氣距離相近，以便進行功率互補交換；可通過各構(gòu)建對象之間的無功電壓靈敏度體現(xiàn)各構(gòu)建對象的距離遠近程度。

自洽型配電單元內(nèi)部的各元件的空間距離相近，利于進行線路擴展來增加元件間功率交流。

自洽型配電單元內(nèi)部的各構(gòu)建對象的凈負荷特性盡量具有互補功能，對外特性相對較為平坦，實現(xiàn)自洽型配電單元內(nèi)部有功供需平衡，從而增強各自洽型配電單元之間的功率協(xié)調(diào)能力。

自洽型配電單元內(nèi)部各節(jié)點的無功供需應(yīng)盡量維持平衡，避免出現(xiàn)過電壓情況。

可采用基于源荷互補特性的模塊度指標ρ0評價自洽型配電單元構(gòu)建效果，該指標能夠反映網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的最優(yōu)分區(qū)數(shù)目及網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)強度，其具體定義如下：

式中：Aij為兩個節(jié)點i和j之間邊的權(quán)重；Ai、Aj分別為節(jié)點i、j的權(quán)重，表示與節(jié)點i、j相連的所有邊的權(quán)重之和；為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的權(quán)重之和，Ak為任一節(jié)點k的權(quán)重； Φ 為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集合； δ(i,j) 采用基于源荷互補特性的修正鄰接矩陣表述，即：

3 自洽型配電單元的構(gòu)建方法

為解決基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中的自洽型配電單元構(gòu)建，可采用近年來發(fā)展比較迅速的社團發(fā)現(xiàn)算法。該算法在人工智能、模式識別各領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用和成果，并且已被逐漸引入到電力網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜行為研究中。社團就是網(wǎng)絡(luò)中部分頂點的集合，但該集合內(nèi)部頂點之間具有緊密的耦合關(guān)系，對外則相對稀疏，即不同社團之間的為較為松散的耦合關(guān)系?；谏鲜龇治?，將電力系統(tǒng)構(gòu)建為若干社團結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 虛擬集群示意圖

則基于Fast-Newman 算法的網(wǎng)絡(luò)集群構(gòu)建步驟如下所示：

步驟1，對具有n個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)集群進行初始化構(gòu)建，將每一節(jié)點當作一個集群，則初始集群有n個；

步驟2，依次將具有邊連接關(guān)系的兩個群進行合并，計算合并后的模塊度增量Δρ；

根據(jù)貪婪算法的思想，每次應(yīng)沿使著Δρ 最大的方向合并；

步驟3，更新操作，重復(fù)執(zhí)行步驟2，直至網(wǎng)絡(luò)成為一個群；

步驟4，選擇對應(yīng)ρ 最大的集群個數(shù)進行分解，得到的自洽型配電單元構(gòu)建結(jié)構(gòu)就是基于此方法的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

4 仿真分析

利用本文所提出的方法對某10 kV 線路進行自洽型配電單元構(gòu)建仿真分析，選用社團構(gòu)建算法Fastnewman 算法進行集群構(gòu)建演示，通過模塊度指標對集群構(gòu)建的質(zhì)量以及自洽型配電單元個數(shù)進行衡量，所得自洽型配電單元劃分結(jié)果如圖3 所示。

圖3 基于源荷匹配的自洽型配電單元構(gòu)建結(jié)果示意圖

選擇空間距離和基于電壓無功耦合程度的電氣距離為依據(jù)進行自洽型配電單元構(gòu)建并與基于本文所述方法的自洽型配電單元構(gòu)建結(jié)果進行對比，計劃將空間距離與電氣距離綜合較近的節(jié)點劃入同一集群。對兩距離進行歸一化處理后各取0.5 權(quán)重相加，所得集群結(jié)果如表2 所示。

表2 自洽型配電單元構(gòu)建指標

從指標上可以看出，采用計及源荷匹配特性并考慮電氣距離和空間距離耦合的自洽型配電單元模塊度顯著提高，說明集群在結(jié)構(gòu)上更加合理，內(nèi)部聯(lián)系上更為緊密。綜合構(gòu)建結(jié)果與單一依據(jù)構(gòu)建結(jié)果進行比較，將有變動的節(jié)點對展示如表3 所示（為便于比較，表中對電氣距離進行了歸一化處理）。

表3 變動節(jié)點間數(shù)據(jù)

從表3 可以看出，節(jié)點對68-69、81-82 的空間距離以及電氣距離比節(jié)點對69-70、82-83 的要小，因而將68-69 節(jié)點對、81-82 節(jié)點對劃入同一自洽型配電單元，將69-70、82-83 節(jié)點對劃入不同自洽型配電單元；節(jié)點對74-112，雖然其空間距離較遠，但是其電氣距離很近，綜合比較，將它們劃入同一自洽型配電單元較為合理。

5 結(jié)束語

本文將自洽型配電單元定義為考慮源荷特性匹配的源荷集群，相比微電網(wǎng)、分布式發(fā)電集群及虛擬電廠等現(xiàn)有技術(shù)手段，其具有更高等級的自治能力，能夠促使“配電”和“用電”的聯(lián)系更加緊密，顯著提升配電網(wǎng)對分布式新能源的主動響應(yīng)和服務(wù)能力。在傳統(tǒng)分布式發(fā)電集群的基礎(chǔ)上，充分考慮到負荷之間的特性匹配、分布式電源之間的特性匹配以及分布式電源與負荷特性的匹配，本文提出了基于源荷特性匹配特性及綜合評價指標的自洽型配電單元構(gòu)建方法，通過算例分析，驗證了本文所述方法的有效性，為智能配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)典型理論基礎(chǔ)。