含高渗透分布式电源配电网灵活性提升优化调度方法

0 引言

随着中国能源结构调整以及电力体制改革的不断推进,分布式电源(distributed generation,DG)高渗透率接入配电网成为必然。随机性、波动性强的可再生能源接入电力系统,引起电能质量、继电保护、灵活性等诸多问题[1-3],影响系统的安全可靠运行。可再生能源的波动性、间歇性和难预测性[4-5],加剧了高渗透率DG接入下配电网净负荷的波动性,造成配电设备运行效率低、投资大等问题。欧洲电力系统的运行经验表明,在充分利用灵活性资源及有效调度策略的情况下,可以减少2/3的电力网络改造扩建投资费用[6]。提高配电网的灵活性,有效降低高渗透率DG接入的不利影响,是近年来国内外研究热点。

灵活性一直是电力系统运行和规划中需要充分考虑的问题,国内外学者对配电网灵活性的研究仍处于起步阶段[7-8],尚未形成一致的灵活性定义,仍缺乏系统性的评价指标体系。现阶段引用比较多的电力系统灵活性的定义是由北美电力可靠性委员会(North American Electric Reliability Council,NERC)和国际能源署(International Energy Agency,IEA)提出的。NERC主要针对运行灵活性,认为电力系统灵活性是利用系统资源满足负荷变化的能力。IEA则认为电力系统灵活性是指电力系统在其边界约束下,快速响应供应和负荷的大幅波动,对可预见、不可预见的变化和事件迅速反应,负荷需求减小时减小供应,负荷需求增加时增加供应。

许多学者在电力系统灵活性的定性和定量分析方面开展了广泛的研究,提出了不同的灵活性评价指标。文献[9]基于技术和经济因素,提出了技术不确定灵活性指标和技术经济不确定灵活性指标。文献[10]研究电力系统灵活性评估方法,并应用在发电计划和电力市场。文献[11]构建了考虑大规模风电接入下电力系统灵活性定量评估指标体系,建立了基于蒙特卡洛模拟方法的经济调度模型,实现了灵活性指标的定量计算。文献[12]针对电力系统可再生能源大规模的接入,提出了电力系统规划的灵活性指标,并进行了灵活性的评估。文献[13]从有功功率平衡的角度给出了电力系统灵活性的概念及其特征,提出了多时间尺度灵活性平衡的通用数学方法和4个灵活性度量指标。以上研究成果均为对互联大电力系统灵活性开展的研究,针对配电网灵活性的研究工作开展较少,文献[14]分析了电动汽车和需求响应对微电网灵活性的影响。

本文对高渗透率DG接入下配电网的灵活性开展研究,从配电网容量的灵活充裕度和DG接纳的灵活适应性两个方面提出了灵活性评价指标体系,并建立了灵活性约束下计及可中断负荷和储能的灵活性提升多目标优化调度模型,引入粒子群归一化算法求解,通过对灵活性资源的快速、准确的调控,能够实现配电网功率供需平衡,有效解决高渗透率DG接入下配电网灵活性不足的问题。

1 含高渗透率DG配电网灵活性需求

电力系统从固有特征、方向性、时间尺度3个方面反映灵活性特征[15]。固有特征是指电力系统在运行允许偏差下的自我调节能力,无需优化调度。本文的高渗透率DG接入下配电网灵活性提升优化调度主要体现在方向性和时间尺度上。因此,含高渗透率DG配电网灵活性定义为“应对高渗透率DG接入配电网引起的不确定性和波动性,快速调度灵活性资源,快速响应配电网净负荷功率变化的能力”。净负荷是负荷、可控DG、不可控DG以及其他灵活性资源的聚集体[16]。

1.1 高渗透率配电网灵活性需求

配电网DG渗透率一般是指DG装机总容量与负荷峰值的比率[17]。预计中国2050年可再生能源装机占比将达到60%,高渗透率DG接入是配电网发展的必然趋势[18-19]。高渗透率DG接入配电网,不发生弃风、弃光的情况下,净负荷曲线会出现频繁大幅度的波动。含高渗透率光伏配电网净负荷曲线一般将呈现鸭子形状,即所谓“鸭型曲线”[20]。配电网净负荷的剧烈波动,影响了系统的安全与稳定,需要更多的灵活性资源。

为更好地分析波动性和随机性对配电网灵活性的影响,将标准IEEE 33节点配电网的负荷做了一定的波动处理,某典型日24 h的负荷以及光伏、风机的功率变化如附录A表A1所示。

在保证配电网运行安全的前提下,逐步加大DG的渗透率,依次将分布式风电和光伏接入配电网预接入节点,研究DG渗透率对配电网灵活性的影响,得到的净负荷曲线如图1所示。

图1 不同渗透率DG下的净负荷曲线
Fig.1 Net load curve with different DG penetrations

通过图1净负荷曲线可以发现,随着DG渗透率的逐渐增大,净负荷曲线出现3点显著的变化:①净负荷的波峰点逐渐降低,对提升配电网变压器向上容量裕度灵活性具有一定的效果,但是不显著;②净负荷的波谷点显著降低,并出现2个波谷点,造成系统的变压器向下容量裕度的灵活性的不足,如果渗透率继续增加,甚至可能会超出了配电网的就地消纳能力;③14:00至19:00,净负荷的波动率逐渐增大,净负荷波动率灵活性不足,其主要原因是这段时间的负荷需求较大,而DG的出力却减少。

通过上述的分析,高渗透率DG接入配电网,会引起配电网灵活性的不足。为了充分利用风、光等可再生能源,满足高渗透率DG接入下配电网的灵活性需求,需优化调度配电网的灵活性资源。

1.2 配电网灵活性调度资源

配电网灵活性调度资源应具备及时性、宽幅性、快速性、平移性等物理特性及满足供需平衡调控时的经济性[21]。配电网灵活性调度资源分别在电源侧、电网侧、用电侧以不同的形式存在。

1)电源侧灵活性资源:包括配电网与输电网连接的变电站,各种形式的DG,及各类型储能设备等。DG既是产生灵活性需求的根源,同时也可以作为一种灵活性资源参与配电系统的供需平衡。储能是高渗透率DG接入下保证配电网电能质量,平抑波动的有效方式[22]。

2)电网侧灵活性资源:配电网网架结构本身不能提供灵活性资源,但是能为各种灵活性资源的优化调度提供可靠的传输通道,提升配电网灵活性。

3)用电侧灵活性资源:主要是各类需求侧响应资源,负荷侧需求响应的类型多样、分布广,能够满足灵活性的平移性和宽幅性的要求。

2 含高渗透率DG配电网灵活性评价指标

本文从配电网容量的灵活充裕度和DG接纳的灵活适应性两个方面定义含高渗透率DG配电网灵活性评价指标。

2.1 配电网容量的灵活充裕度

配电网大量新型负荷以及DG的接入,加大了净负荷的波动性和随机性,容易引起配电变压器和线路的局部阻塞。本文提出线路容量裕度、变压器向上容量裕度和变压器向下容量裕度3个指标,反映配电线路和变压器容量的灵活充裕度。

1)线路容量裕度

线路容量裕度是指某一时刻配电线路允许传输容量的最大值与线路传输容量实际值的差值比上允许传输容量的最大值,体现了配电线路对负荷波动的向上灵活性。如式(1)所示。

%

(1)

式中:为t时刻第i条配电线路容量裕度;Pmax,li为线路i的最大传输电流;为线路i在t时刻电流;一般指负荷峰值对应时刻的线路裕度,说明线路裕度充分,能够适应负荷功率波动,说明线路裕度不足,会出现线路阻塞。

2)变压器灵活充裕度指标

变压器容量灵活充裕度是指与配电网连接某一台主变压器传输容量的裕度,包括变压器向上容量裕度和变压器向下容量裕度,分别反映变压器对功率波动的向上和向下灵活性。变压器向上容量裕度和向下容量裕度分别如式(2)和式(3)所示。

%

(2)

%

(3)

式中: 和 分别为t时刻上级变电站第i台变压器向上、向下容量裕度;Pmax,ti和Pmin,ti分别为变压器i的最大允许传输容量和最小允许传输容量;为变压器i在t时刻传输容量;一般指净负荷峰值所对应时刻的容量裕度,体现向上的灵活性,说明变压器容量能够响应净负荷功率向上波动;一般指净负荷谷值所对应时刻的容量裕度,体现向下的灵活性,说明变压器具有向下容量裕度。

上述3个配电网容量灵活充裕度是指单条线路或单台变压器的容量灵活充裕度指标。为了能够定量刻画不同运行方式下配电网的灵活性,若某条线路或某台变压器容量的灵活充裕度不足,则说明配电网的灵活充裕度不足,若全部线路和变压器容量灵活充裕度均满足要求,则用线路和变压器容量的灵活充裕度平均值分别刻画线路和变压器容量的灵活充裕度。

2.2 配电网DG接纳的灵活适应性

配电网DG接纳的灵活适应性是指配电网承受DG不确定性波动的适应能力。本文定义了净负荷最大允许波动率、净负荷波动率2个灵活适应性指标,以表征配电网承受不确定性波动在时间尺度和方向性上的灵活性。

1)净负荷最大允许波动率

净负荷最大允许波动率反映了配电网自身调节能力,即爬坡能力,如式(4)所示。

%

(4)

式中:为净负荷t时段最大允许波动率;为当前时刻净负荷;为可控DG允许爬坡率;为储能允许爬坡率;为配电网允许爬坡率;NGC为可控DG数量;NESS为储能数量。净负荷最大允许波动率越大,越能适应DG及负荷的波动,配电网的灵活适应性越高。

2)净负荷波动率

净负荷波动率是指配电网净负荷的单位时间变化率,体现了净负荷单位时间内的波动剧烈程度,如式(5)所示。

%

(5)

式中:为净负荷波动率;为前一时刻净负荷,当 时,说明系统满足灵活性需求;反之,则系统的灵活性不足。

3 含高渗透率DG配电网灵活性提升优化调度模型

高渗透率DG接入配电网的净负荷波动大,灵活性不足,极大影响了配电网的运行安全稳定性、经济性和对可再生能源的接纳能力[23]。风力发电、光伏发电等DG具有清洁、无污染、零排放等优点,本文考虑风力发电、光伏发电两种DG高渗透率接入情况下,配电网灵活性提升优化调度方法,实现配电网的安全可靠经济运行。

高渗透率不可控DG接入下配电网可调度灵活性资源包括储能、需求响应以及配电网重构。灵活性提升的优化调度应满足高渗透率DG接入下配电网的灵活性需求,合理优化调度现有的灵活性资源。

储能充放电响应速度快,能够满足灵活性的及时性和快速性的要求,并且满足电能供需时间上的平移性;负荷侧需求响应的类型多、分布广,能够满足灵活性的平移性和宽幅性的要求。在此基础上综合考虑电网购电费用、需求响应价格机制、储能装置运行费用、网络损耗、灵活性控制目标等,使得满足灵活性需求时的成本最小、运行最优。

3.1 目标函数

本文计及可中断负荷和储能两种灵活性调度资源,构建运行费用最小和净负荷波动率最小两目标的灵活性提升优化调度模型。基于线性加权求和法[24],采用权重系数将多目标转换为单目标优化模型,采用粒子群优化(PSO)算法进行求解。目标函数如式(6)所示:

(6)

式中:Ji(X)为第i个目标函数;λi为权重系数,可由专家经验综合考虑运行费用和净负荷波动率的实际情况进行适当调整,本文取λ1=0.75,λ2=0.25;C(F)为惩罚函数,用于引入灵活性约束项,F≥0表示满足灵活性约束,F<0表示不满足灵活性约束。

本文中DG全部消纳不参与调度,选择配电网中的可中断负荷和储能为优化变量,并定义X如式(7)所示:

(7)

式中:为可中断负荷削减量;和分别为储能放电功率和充电功率;α和β为储能充放电状态标志参数,为0-1变量,满足α+β≤1。

1)目标函数1:运行费用最小

运行总费用主要包括电网的购电费用、网损费用、可中断负荷的合同费用、储能装置的运行费用,目标函数1如式(8)所示。

J1(X)=

(8)

式中:T为调度总时段数,本文为每时段购电分时单价;为从系统的购电量;为网损;NL为可中断负荷数;为可中断负荷合同的分时电价;为第i个储能购买成本;为第i个储能充放电循环寿命次数。

2)目标函数2:净负荷波动率最小

为提升配电系统的灵活性,以净负荷波动率最小为目标函数2,如式(9)所示。

(9)

3.2 约束条件

1)有功功率平衡约束

(10)

式中:NDG为DG的个数;为DG发出的有功功率;Pi,t为节点有功功率;N为节点数;为节点i的网损。

2)无功功率平衡约束

(11)

式中:为输电系统无功功率;为DG发出无功功率;为可中断负荷无功功率;Qi,t为节点无功功率。

3)可中断负荷约束

(12)

式中:和为可中断负荷的最小和最大值。

4)可中断负荷允许时间约束

(13)

式中:和为可中断负荷中断时间的最小和最大值。

5)储能荷电状态约束

SOC,min≤SOC,i≤SOC,max

(14)

式中:SOC,min和SOC,max分别为荷电状态最小值和最大值。

6)灵活性约束

(15)

(16)

(17)

(18)

7)潮流约束

(19)

式中:Vi,t和Vj,t分别为节点i,j的节点电压;Gij和Bij分别为节点i与j之间的电导和电纳;θij为节点i与j之间的相角差。

8)节点电压约束

Vi,min≤Vi,t≤Vi,max

(20)

式中:Vi,min和Vi,max分别为节点电压最小值与最大值。

3.3 模型求解

本文考虑灵活性约束下,储能与可中断需求响应联合优化调度,利用线性加权求和法将多目标转换为单目标优化模型,采取PSO算法进行求解[25-26]。具体求解步骤如下。

步骤1:输入网络参数、负荷波动系数、光伏出力、风机出力等原始数据。

步骤2:对粒子群相关参数,最大迭代次数等进行初始化,随机生成M个控制量个体,构成初始种群。

步骤3:进行潮流计算,进行灵活性计算,并判断灵活性是否满足要求;计算各粒子的适应值,根据目标函数式(6)进行全局搜索,获得个体最优和群体最优值的初始值。

步骤4:更新粒子的速度及位置。

步骤5:重新进行潮流计算,获得全局最优解。

步骤6:判断是否满足优化结束条件,若满足转向步骤7;若不满足,转向步骤4。

步骤7:输出优化调度结果,结束。

本文的PSO算法求解流程如图2所示。

图2 PSO算法流程图
Fig.2 Flow chart of PSO algorithm

4 算例分析

本文采用改进IEEE 33配电系统,如附录A图A1所示,分析高渗透率DG接入对配电网灵活性的影响,通过灵活性资源的优化调度提升含高渗透率DG配电网的灵活性指标。

4.1 仿真情景设定

本文设定两种情景,分析储能和需求响应优化调度对配电网灵活性提升的作用。

情景1:没有灵活性资源情景下,含高渗透率DG配电网的灵活性。

情景2:在储能和可中断负荷优化调度情景下,含高渗透率DG配电网的灵活性。

4.2 基础数据

配电网的负荷及光伏、风机数据见附录A表A1。配电网包含5个500 kW的分布式光伏,接在节点2,5,10,18,28;3个500 kW的分布式风力发电,接在节点17,22,24;分布式光伏分别配置150 kW/800 kW·h储能;节点6和23为可中断负荷。线路1至线路5最大允许负荷电流为450 A,其他线路最大允许负荷电流为300 A。优化调度周期T=24 h,电网购电单价采用分时电价,8:00至15:00为波谷电价0.25元,18:00至21:00为波峰电价1.0元,其他时段为平段单价0.50元,可中断负荷参照电网分时购电单价,储能每千瓦单位运行成本3 000元,循环寿命4 500次。储能的最大爬坡率为150 kW/h,系统的最大爬坡率为1 000 kW/h。为保证可再生能源的最大消纳,DG以实际出力运行。

4.3 结果分析

1)灵活性资源优化调度结果

可中断负荷及储能的优化调度结果如附录A图A2和图A3所示。结合图A2和图A3可以看出,通过优化调度,可中断负荷起到了削峰的作用,储能起到了填谷和削峰的作用,在灵活性资源参与优化调度的作用下,净负荷曲线的峰谷差缩小。

图3为配电网两种情景下网损随时间的变化对比曲线,情景2与情景1相比,网损平均降幅达到35%,降损效果明显。

图3 两种情景下网损变化曲线
Fig.3 Network loss change curves of two scenarios

2)灵活性提升分析

通过两种灵活性资源的优化调度,含高渗透率DG配电网灵活性得到了显著提升。图4为两种情景下高渗透率DG接入下配电网净负荷变化对比曲线。

图4 两种情景下配电网净负荷变化曲线
Fig.4 Net load change curves of two scenarios

结合图4可以看出,通过灵活性资源的优化调度,其净负荷的变化趋缓,波峰和波谷差减少,特别是14:00至19:00,净负荷的波动率明显趋缓。

图5为两种情景下调度24 h周期内净负荷最大允许波动率曲线和净负荷波动率曲线。结合图5可以看出,在情景1的两个时间阶段,07:00左右和17:00至21:00,净负荷波动率超出了最大允许波动率的范围,配电网的净负荷波动率灵活性不足,为保证系统的稳定,定会发生弃风、弃光和甩负荷的情况。而在有灵活性资源参与优化调度的情景2,净负荷波动率灵活性指标显著提升,每一时刻均满足净负荷最大允许波动率指标。净负荷波动率指标 由情景1的35%降低至情景2的23.1%,并且在其他绝大多数时刻,情景2的净负荷波动率明显低于情景1。

图5 两种情景下净负荷波动率曲线
Fig.5 Net load fluctuation rate curves of two scenarios

图6为配电网净负荷高峰19:00线路容量裕度灵活性指标对比。结合图6可以看出,情景1中的线路1、线路2的线路容量裕度灵活性指标分别为-20.5%和-6.9%,线路过载阻塞,线路容量裕度灵活性不足,而情景2将其提升到18.2%和29.3%,消除了过载,满足灵活性需求,其他线路容量裕度灵活性也有一定提升。

图6 两种情景下线路容量裕度对比
Fig.6 Line capacity margin contrast of two scenarios

表1为两种情景下,配电网变压器容量灵活充裕度指标对比结果。通过表1可以发现,灵活性资源的优化调度使高渗透率DG接入下配电网的变压器向上容量裕度和变压器向下容量裕度均有较大的提升。

表1 两种情景下变压器容量灵活充裕性指标
Table 1 Comparison of the flexibility of transformer capacity margin indexes of two scenarios

情景1配电网的19:00与13:00(分别对应净负荷的波峰点与波谷点)的变压器容量裕度和灵活性指标明显不足,分别达到了-5.51%和-0.69%,已经超出了变压器允许容量裕度。情景2变压器的和分别达到了29.8%和59.3%,变压器容量灵活充裕度充分。

通过以上分析,利用灵活性资源的优化调度,配电网容量的灵活充裕度指标和配电网DG接纳的灵活适应性指标均有不同程度的提升,若只考虑满足配电网安全稳定的技术条件,配电网灵活性提升后,对于提高配电网的DG渗透率有着积极的作用。

5 结论

本文分析了配电网灵活性调度资源特征及高渗透率DG接入对配电网灵活性的影响,从配电网容量的灵活充裕度和DG接纳的灵活适应性两个方面提出配电网的5个灵活性评价指标。建立了灵活性约束下计及可中断负荷和储能的高渗透率DG接入配电网灵活性提升的优化调度模型,通过优化调度灵活性资源,对含高渗透率DG配电网的灵活性提升作用显著。主要得出以下结论。

1)本文提出的配电网的灵活性指标能够很好地描述配电网的灵活性,而且能够进行定量计算。

2)高渗透率DG的接入会影响配电网的灵活性,当渗透率达到一定程度时,在局部时段造成配电线路容量裕度、变压器向上容量裕度、变压器向下容量裕度以及净负荷波动率等灵活性不足。

3)利用配电网灵活性资源的优化调度方法,对含高渗透率DG配电网的灵活性能够显著提升。

通过分析,本文所提出的灵活性指标具有正确性和有效性,计及储能和可中断负荷两种灵活性资源的优化调度,显著提升了含高渗透率DG配电网的灵活性。本文下一步结合经济性,研究更多灵活性资源的优化调度,将多种需求响应模式加入优化调度模型,进一步提升含高渗透率DG配电网的灵活性。