含高比例分布式電源的配電網(wǎng)靈活性評(píng)估方法

蘇本慶, 李宏仲

(上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

為應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)重的化石能源枯竭和氣候環(huán)境惡化等問題,我國(guó)在2020年9月聯(lián)合國(guó)成立75周年紀(jì)念峰會(huì)上正式提出了“雙碳”目標(biāo)。在該目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下,以風(fēng)光為主的分布式電源(Distributed Generation,DG)在配電網(wǎng)中得到大力發(fā)展和應(yīng)用。然而,大量不可控DG的接入加劇了配電網(wǎng)的波動(dòng)性和不確定性[1]。此時(shí),配電網(wǎng)需要具有足夠的靈活性才可有效應(yīng)對(duì)高比例DG接入帶來的不利影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從運(yùn)行和規(guī)劃兩個(gè)角度對(duì)電力系統(tǒng)靈活性展開了研究。運(yùn)行靈活性著重關(guān)注系統(tǒng)應(yīng)對(duì)源荷波動(dòng)和預(yù)測(cè)誤差所產(chǎn)生的不確定性的響應(yīng)能力[2],常通過運(yùn)行模擬建立相應(yīng)確定性指標(biāo)[3]或構(gòu)建靈活性運(yùn)行域[4]等形式對(duì)其進(jìn)行描述。規(guī)劃靈活性則著重關(guān)注合理配置和充分利用靈活性資源以提升運(yùn)行靈活性[5],常通過概率評(píng)估[6]或場(chǎng)景評(píng)估[7]的方式對(duì)其進(jìn)行描述。

上述研究大多從主網(wǎng)或系統(tǒng)層面對(duì)靈活性進(jìn)行量化,而針對(duì)配電網(wǎng)靈活性的研究目前還處于初級(jí)階段[8]。從本質(zhì)來看,配電網(wǎng)靈活性反映了配電網(wǎng)充分統(tǒng)籌和利用系統(tǒng)內(nèi)可調(diào)度資源,有效應(yīng)對(duì)多重不確定性因素?cái)_動(dòng)的能力[9]。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[10]提出了靈活性裕度指標(biāo)量化配電網(wǎng)靈活性。文獻(xiàn)[11]通過配電網(wǎng)網(wǎng)供負(fù)荷可行域的上下邊界來反映配電網(wǎng)的靈活性情況。

然而,該類文獻(xiàn)大多只是將系統(tǒng)層面相應(yīng)評(píng)估指標(biāo)和方法應(yīng)用到配電網(wǎng)中,且所建評(píng)估指標(biāo)大多無(wú)法全面反映網(wǎng)絡(luò)傳輸能力對(duì)配電網(wǎng)靈活性供需情況的影響,雖有部分文獻(xiàn)[12-13]提出利用支路靈活性應(yīng)對(duì)能力指標(biāo)和支路裕度指標(biāo)來表征配電網(wǎng)靈活性,但是前者不能反映配電網(wǎng)靈活性不足的具體原因,后者則不能反映整個(gè)規(guī)劃周期內(nèi)配電網(wǎng)的靈活性情況。

針對(duì)上述問題,本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上提出了一種含高比例DG的配電網(wǎng)靈活性評(píng)估方法。首先,通過靈活性供需平衡分析,得到配電網(wǎng)靈活性供需匹配的4種情況。然后,提出了3類配電網(wǎng)靈活性評(píng)估指標(biāo),基于典型場(chǎng)景運(yùn)行態(tài)勢(shì)模擬對(duì)配電網(wǎng)靈活性水平進(jìn)行評(píng)估。最后,采用改進(jìn)的IEEE33節(jié)點(diǎn)算例驗(yàn)證了所提評(píng)估方法的有效性和優(yōu)越性,并分析了不同光伏接入量下配電網(wǎng)靈活性供需匹配的變化情況。

1 配電網(wǎng)靈活性供需平衡分析

1.1 配電網(wǎng)靈活性需求建模

從產(chǎn)生原因分析,配電網(wǎng)的靈活性需求主要來源于源荷的隨機(jī)波動(dòng)和預(yù)測(cè)誤差[14]。利用凈負(fù)荷曲線描述配電網(wǎng)源荷時(shí)序特征,2種類型的配電網(wǎng)靈活性需求情況如圖1所示。

圖1 2種類型的配電網(wǎng)靈活性需求情況

基于以上特征,可以對(duì)配電網(wǎng)靈活性需求進(jìn)行建模,公式如下:

(1)

1.2 配電網(wǎng)靈活性供給建模

1.2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)具有雙向調(diào)節(jié)的能力,其靈活性供給能力受當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)、最大充放電功率和充放電效率的影響。為便于分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性供給情況,假定在時(shí)間尺度τ內(nèi)其他能源出力不變。儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性供給情況如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性供給情況

圖2中,以系統(tǒng)有上調(diào)靈活性需求為例,當(dāng)其他能源出力小于P1時(shí),儲(chǔ)能處于放電狀態(tài),需要提高放電功率提供上調(diào)靈活性以滿足凈負(fù)荷的向上波動(dòng)。當(dāng)其他能源出力大于P1小于P2時(shí),儲(chǔ)能處于充電狀態(tài),需要將充電狀態(tài)轉(zhuǎn)化為放電狀態(tài)以提供上調(diào)靈活性。當(dāng)其他能源出力大于P2時(shí),儲(chǔ)能處于充電狀態(tài),需要減少充電功率以提供上調(diào)靈活性。因此,儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性供給模型可以表述為

Pg,max、Pc,max——儲(chǔ)能在時(shí)間尺度τ下的最大放電和充電功率;

Es,t、Es,min、Es,max——t時(shí)刻儲(chǔ)能s的存儲(chǔ)電量、最小和最大存儲(chǔ)電量;

ηg、ηc——儲(chǔ)能s的放電和充電效率;

1.2.2 可削減負(fù)荷

與儲(chǔ)能放電類似,可削減負(fù)荷可通過增大(減小)負(fù)荷削減量提供上(下)調(diào)靈活性,具體公式為

(4)

Pq,max,t+τ——t+τ時(shí)刻可削減負(fù)荷q的最大削減功率;

Pq,t——t時(shí)刻可削減負(fù)荷q的削減功率。

1.2.3 上級(jí)主網(wǎng)

上級(jí)主網(wǎng)通過增大(減小)主網(wǎng)購(gòu)電量提供上(下)調(diào)靈活性,其靈活性供給能力公式為

(5)

Pb,max、Pb,t——t時(shí)刻主網(wǎng)最大購(gòu)電功率和主網(wǎng)購(gòu)電功率;

ΔPb,max——時(shí)間尺度τ下t時(shí)刻上級(jí)主網(wǎng)最大爬坡功率。

1.3 配電網(wǎng)靈活性供需平衡分析

配電網(wǎng)作為一個(gè)多節(jié)點(diǎn)多支路系統(tǒng),其靈活性供需平衡不僅受制于靈活性資源的充裕情況,還受制于配電線路的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。在不考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的前提下,配電網(wǎng)靈活性供需平衡主要關(guān)注靈活性資源的充裕情況,可通過靈活性供需建模對(duì)其進(jìn)行量化。因此,可定義靈活性資源供給充裕量為At,其公式為

(6)

ns、nq——儲(chǔ)能系統(tǒng)和可削減負(fù)荷的數(shù)量。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸能力,則可通過配電網(wǎng)靈活性不足所產(chǎn)生的影響對(duì)其進(jìn)行量化。當(dāng)配電網(wǎng)在t時(shí)刻靈活性供給不足時(shí),會(huì)在t+τ時(shí)刻發(fā)生棄風(fēng)棄光或切負(fù)荷現(xiàn)象[15]。因此,可定義t+τ時(shí)刻配電網(wǎng)棄風(fēng)棄光或切負(fù)荷量為Bt+τ,并通過典型場(chǎng)景運(yùn)行態(tài)勢(shì)模擬得到Bt+τ的值。

基于以上分析,本文將配電網(wǎng)靈活性傳輸不足的情況進(jìn)行分解,得到配電網(wǎng)靈活性供需的4種情況,如表1所示。

表1 配電網(wǎng)靈活性供需情況

2 配電網(wǎng)靈活性評(píng)估方法

2.1 配電網(wǎng)靈活性評(píng)估指標(biāo)

為反映配電網(wǎng)靈活性資源的充裕和缺失情況,定義靈活性平均充裕度指標(biāo)Ea和靈活性平均不足度指標(biāo)Ee。其物理意義分別為配電網(wǎng)靈活性資源供給的總充裕量與充裕時(shí)段的比值,以及總?cè)鳖~量與缺額時(shí)段的比值,公式為

(7)

(8)

同時(shí),為反映配電網(wǎng)靈活性不足的成因,定義整體靈活性供需匹配率指標(biāo)γ。其物理意義為4種靈活性供需情況的時(shí)段數(shù)占總時(shí)段數(shù)的比例,公式為

(9)

式中:γ1、γ2、γ3、γ4——4種靈活性供需情況下整體靈活性供需匹配率指標(biāo);

NT1、NT2、NT3、NT4——4種靈活性供需情況的時(shí)段數(shù);

NT——評(píng)估周期內(nèi)的總時(shí)段數(shù)。

2.2 運(yùn)行評(píng)估模型

以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù),構(gòu)建優(yōu)化調(diào)度模型對(duì)配電網(wǎng)典型場(chǎng)景運(yùn)行態(tài)勢(shì)進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬得到各時(shí)段配電網(wǎng)的棄風(fēng)棄光切負(fù)荷功率以及靈活性資源運(yùn)行結(jié)果,進(jìn)而計(jì)算配電網(wǎng)靈活性評(píng)估指標(biāo)。該模型目標(biāo)函數(shù)為

(10)

式中:Cf、Cl——靈活性資源運(yùn)行成本和切負(fù)荷懲罰成本;

Cv、Cn——棄風(fēng)棄光懲罰成本和網(wǎng)損成本;

cb、cs、cq——單位主網(wǎng)購(gòu)電成本、單位儲(chǔ)能充電成本和單位可削減負(fù)荷響應(yīng)成本;

cl、cv、cn——單位切負(fù)荷懲罰成本、單位棄風(fēng)棄光懲罰成本和單位網(wǎng)損成本;

Pl,t、Pv,t——t時(shí)刻配電網(wǎng)切負(fù)荷功率和棄風(fēng)棄光功率;

Iij,t、Rij——t時(shí)刻支路ij上的電流和電阻。

模型約束條件分別為二階錐轉(zhuǎn)化后的配電網(wǎng)支路潮流約束、運(yùn)行安全約束、靈活性資源運(yùn)行約束等,具體公式參考文獻(xiàn)[16]。經(jīng)二階錐轉(zhuǎn)化后,可調(diào)用CPLEX 求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。

2.3 配電網(wǎng)靈活性評(píng)估流程

含高比例DG的配電網(wǎng)靈活性評(píng)估流程如圖3所示。

圖3 含高比例DG的配電網(wǎng)靈活性評(píng)估流程

3 算例分析

3.1 算例參數(shù)及典型場(chǎng)景生成

本文采用改進(jìn)的IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)進(jìn)行算例分析。該配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。其中,節(jié)點(diǎn)4、12、27的光伏接入容量均為1 MW,節(jié)點(diǎn)17、21的儲(chǔ)能接入容量均為0.6 MWh。PV表示光伏設(shè)備,ESS表示儲(chǔ)能設(shè)備,IL表示可控負(fù)荷。

圖4 IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

算例采用的光伏和節(jié)點(diǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)均來自美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室,評(píng)估周期為1 a,數(shù)據(jù)分辨率為1 h。分別采用屬性加權(quán)的多元時(shí)間序列算法[17]和K-Means算法對(duì)配電網(wǎng)多節(jié)點(diǎn)負(fù)荷時(shí)序數(shù)據(jù)和光伏運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)景削減,負(fù)荷場(chǎng)景削減為5類,光伏場(chǎng)景削減為4類。各場(chǎng)景的出現(xiàn)概率如表2所示。

表2 源荷典型運(yùn)行場(chǎng)景的出現(xiàn)概率

3.2 配電網(wǎng)靈活性評(píng)估結(jié)果

3.2.1 靈活性評(píng)估結(jié)果有效性分析

為驗(yàn)證本文所提評(píng)估指標(biāo)和評(píng)估方法的有效性,設(shè)置以下方案進(jìn)行對(duì)比分析:方案1,不考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)和可削減負(fù)荷接入;方案2,考慮可削減負(fù)荷接入,不考慮儲(chǔ)能系統(tǒng);方案3,考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)接入,不考慮可削減負(fù)荷;方案4,同時(shí)考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)和可削減負(fù)荷接入。各方案靈活性評(píng)估結(jié)果如表3所示。

表3 4種方案的靈活性評(píng)估結(jié)果

由表3可以看出,隨著可削減負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)的逐步接入和全接入,配電網(wǎng)靈活性水平逐步提升。方案1中,高比例DG接入配電網(wǎng),而配電網(wǎng)僅依靠上級(jí)主網(wǎng)參與靈活性調(diào)節(jié),這導(dǎo)致配電網(wǎng)靈活性均處于最差的狀態(tài),且網(wǎng)絡(luò)阻塞嚴(yán)重,整個(gè)評(píng)估周期內(nèi)發(fā)生靈活性傳輸不足的情況(情況2+情況4)高達(dá)17.2%。方案2中,配電網(wǎng)靈活性水平的增長(zhǎng)幅度不高,但可削減負(fù)荷的接入大幅減少了發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞的情況,與方案1相比,其靈活性傳輸不足的情況約能減少30%。

與方案2相比,方案3的靈活性水平得到大幅提升。這是因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)接入量遠(yuǎn)大于可削減負(fù)荷,約為可削減負(fù)荷的10倍左右。但相比于方案1,方案3的靈活性傳輸不足的情況卻只減少約60%,這說明在相同接入量的情況下,可削減負(fù)荷能有效解決靈活性傳輸不足的問題。方案4中,可削減負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)全部接入配電網(wǎng),配電網(wǎng)整體靈活性水平達(dá)到最高,且不再發(fā)生配電網(wǎng)傳輸能力和靈活性供給均不足的情況。

由此可見,在高比例DG接入配電網(wǎng)的背景下,所提評(píng)估方法可有效反映配電網(wǎng)的靈活性供需匹配水平,辨識(shí)靈活性不足的成因,為配電網(wǎng)靈活性規(guī)劃提供針對(duì)性指導(dǎo)。

3.2.2 靈活性評(píng)估結(jié)果合理性和優(yōu)越性分析

為驗(yàn)證所提評(píng)估方法的合理性和優(yōu)越性,采用文獻(xiàn)[18]所提出的指標(biāo)計(jì)算方法對(duì)方案4的靈活性水平進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估結(jié)果如表4所示。

表4 文獻(xiàn)[18]所提指標(biāo)計(jì)算方法的評(píng)估結(jié)果

由表3和表4可知,本文所提評(píng)估方法的靈活性充裕度指標(biāo)略大于文獻(xiàn)[18],而靈活性不足度指標(biāo)則與其相同。這是因?yàn)楸疚膶㈧`活性資源供給與網(wǎng)絡(luò)傳輸靈活性進(jìn)行了分解,所建靈活性充裕度和不足度指標(biāo)反映的是靈活性資源的充裕情況,而文獻(xiàn)[18]所提指標(biāo)則將兩者進(jìn)行了耦合,反映的是配電網(wǎng)整體靈活性的充裕情況。受網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的影響,正常情況下靈活性資源的充裕度會(huì)略大于整體靈活性的充裕度,且由于方案4不會(huì)發(fā)生配電網(wǎng)傳輸能力和靈活性供給均不足的情況,因此兩種方法的靈活性不足度指標(biāo)完全相同。

綜上可知,相較于其他方法,本文所提方法可以有效反映配電網(wǎng)靈活性不足的成因。

3.2.3 不同光伏接入容量下的靈活性評(píng)估結(jié)果

為研究不同比例DG接入下配電網(wǎng)靈活性供需匹配的變化情況,本文在方案4的基礎(chǔ)上等比例改變3個(gè)光伏接入點(diǎn)的光伏接入容量。對(duì)不同光伏接入量下配電網(wǎng)靈活性供需匹配率進(jìn)行仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同光伏接入量下配電網(wǎng)靈活性供需匹配變化情況

由圖5可以看出,當(dāng)光伏接入容量小于3 MW時(shí),靈活性供需匹配率指標(biāo)變化不大,此時(shí)光伏接入產(chǎn)生的靈活性需求基本能夠得到滿足。當(dāng)光伏接入容量大于3 MW小于6 MW時(shí),γ1逐漸降低,γ2、γ3、γ4逐漸升高,配電網(wǎng)靈活性供給逐漸無(wú)法滿足光伏接入產(chǎn)生的靈活性需求,此時(shí)導(dǎo)致配電網(wǎng)靈活性供需不匹配的主要原因是靈活性資源供給不足。當(dāng)光伏接入容量大于6 MW時(shí),配電網(wǎng)靈活性供需匹配能力進(jìn)一步下降。γ1和γ3的下降、γ2和γ4的上升說明了此時(shí)配電網(wǎng)的主要問題是配電網(wǎng)靈活性傳輸能力不足,需要對(duì)線路進(jìn)行擴(kuò)容以提升配電網(wǎng)的靈活性傳輸能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

在高比例DG接入配電網(wǎng)的背景下,針對(duì)現(xiàn)有方法對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力考慮不足的問題,提出了一種含高比例DG的配電網(wǎng)靈活性評(píng)估方法。通過算例分析得知,所提出的評(píng)估方法可有效反映高比例DG接入下配電網(wǎng)的靈活性供需匹配水平,為配電網(wǎng)規(guī)劃提供針對(duì)性指導(dǎo)。與其他方法相比,所提方法可反映配電網(wǎng)靈活性不足的成因,具有一定的優(yōu)越性。隨著DG并網(wǎng)比例的進(jìn)一步提升,配電網(wǎng)傳輸能力在配電網(wǎng)靈活性供需中的限制作用將愈加顯著。