賈 巍,方兵華,雷才嘉,高 慧,張晏玉,黃裕春
(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局,廣州 510620)
我國(guó)城市配電網(wǎng)在“十三五”期間發(fā)展快速,近年來電網(wǎng)公司全面推進(jìn)世界一流配電網(wǎng)的建設(shè),且已初顯成效[1-3]。隨著高比例可再生分布式電源(Renewable Dis?tributed Generation.RDG)、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車等元素的接入,促使城市配電網(wǎng)向低碳性和智能性方向發(fā)展[4-5]。因此,研究“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制是一流城市配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中的重要組成部分。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制開展了大量研究。曾順奇等[6]以年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo),建立了主動(dòng)配電網(wǎng)網(wǎng)架三層規(guī)劃模型,對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化;姜琦等[7]構(gòu)建了基于遺傳算法的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型;Sharma S等[8]對(duì)風(fēng)電、電容器和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度進(jìn)行研究,以降低配電網(wǎng)運(yùn)行損耗及成本;周任軍等[9]應(yīng)用新能源-負(fù)荷相似度指標(biāo)和曲線波動(dòng)度指標(biāo),建立含相似度與波動(dòng)度指標(biāo)約束的源荷協(xié)調(diào)兩階段優(yōu)化模型;曾鳴等[10]提出了能源互聯(lián)網(wǎng)廣義“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)營(yíng)模式;彭春華等[11]提出基于指數(shù)變化的差異化需求響應(yīng)機(jī)制,建立以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)的微電網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型。上述文獻(xiàn)在荷端是通過制定電動(dòng)汽車充電電價(jià)來協(xié)調(diào)充電時(shí)段,且大多缺乏對(duì)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)程度的約束,協(xié)調(diào)效果有限。
由于電動(dòng)汽車充電會(huì)增加配電網(wǎng)的負(fù)擔(dān),在電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行方面,Trivino-Cabrera A等[12]考慮V2G市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景下,提出了一種聯(lián)合的電動(dòng)汽車路由和充放電調(diào)度策略;Sufyan M等[13]研究車輛接入電網(wǎng)(Vehicle-to-grid.V2G)技術(shù)的電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)特性,采用螢火蟲算法優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行成本;劉東奇等[14]提出一種基于T-S模糊控制器,用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)(V2G)技術(shù)的電動(dòng)汽車智能充電站控制策略;呂耀棠等[15]以減小饋線網(wǎng)損和日內(nèi)電壓波動(dòng)為目標(biāo),建立了基于電價(jià)引導(dǎo)原則的車網(wǎng)互聯(lián)(V2G)功率模型;陳忠華等[16]提出V2G模式下的電動(dòng)汽車有序充放電控制模型的設(shè)計(jì)方法。但以上研究鮮有考慮將電動(dòng)汽車充電樁參與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化。
基于此,本文針對(duì)一流城市配電網(wǎng)現(xiàn)階段面臨的問題,提出源網(wǎng)荷儲(chǔ)充協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。通過分析源網(wǎng)荷儲(chǔ)充設(shè)備資源的協(xié)調(diào)運(yùn)行特性以及運(yùn)行場(chǎng)景,進(jìn)而提出適應(yīng)多運(yùn)行場(chǎng)景的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略,包括分布協(xié)同策略和集中優(yōu)化策略,最后通過算例分析對(duì)本文所提控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。
“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”中源端包括中壓接入的微型燃?xì)獍l(fā)電、光伏、水電等以及低壓接入的居民光伏。網(wǎng)端主要為配電變壓器低壓側(cè)集中無功補(bǔ)償裝置,包括分別以電容器為代表的離散型補(bǔ)償裝置和SVG為代表的連續(xù)型補(bǔ)償裝置;荷端主要為電動(dòng)汽車和可中斷負(fù)荷;儲(chǔ)端即為儲(chǔ)能裝置;充端為電動(dòng)汽車充電樁。源網(wǎng)荷儲(chǔ)充間的協(xié)調(diào)本質(zhì)上是有功和無功的交互影響與協(xié)調(diào),在保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,平抑配電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng),降低配電網(wǎng)運(yùn)行損耗,釋放設(shè)備資源的利用空間,進(jìn)而達(dá)到設(shè)備優(yōu)化配置、資源優(yōu)化利用及優(yōu)化效益的目的。一流配電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)充運(yùn)行如圖1所示。由圖可以看出,有功潮流主要受源荷儲(chǔ)充的影響,源端為RDG的有功出力,荷端為電動(dòng)汽車、可中斷負(fù)荷等的用電需求,儲(chǔ)端為儲(chǔ)能裝置的充放電,充端為電動(dòng)汽車充電樁的V2G響應(yīng)[6];無功潮流主要受源網(wǎng)充的影響,源端為RDG的無功出力,網(wǎng)端為電容器、SVG的無功出力,充端為電動(dòng)汽車充電樁的無功響應(yīng)[17]。
圖1 一流配電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)充運(yùn)行
由于在電網(wǎng)運(yùn)行中有功潮流主要體現(xiàn)為負(fù)荷運(yùn)行特性,若有功未協(xié)調(diào)則可能出現(xiàn)儲(chǔ)能充電負(fù)荷、電動(dòng)汽車負(fù)荷與傳統(tǒng)負(fù)荷曲線峰峰疊加,加劇配電網(wǎng)的運(yùn)行壓力,而在谷期儲(chǔ)能放電、電動(dòng)汽車負(fù)荷退出,進(jìn)一步加大配電網(wǎng)的峰谷差,降低設(shè)備整體利用率。無功潮流主要通過功率因數(shù)、電壓和網(wǎng)損等指標(biāo)體現(xiàn),若無功未協(xié)調(diào)則可能會(huì)增大配電網(wǎng)的無功潮流,惡化運(yùn)行電壓,增加運(yùn)行損耗。
因此,一流配電網(wǎng)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)充協(xié)調(diào)特性表現(xiàn)為負(fù)荷曲線平滑、設(shè)備利用率較高、電壓合格、運(yùn)行網(wǎng)損較低。在源網(wǎng)荷儲(chǔ)充各手段滿足剛性可控的條件下,其協(xié)調(diào)運(yùn)行特性最優(yōu),即各資源優(yōu)劣互補(bǔ),較好地滿足配電網(wǎng)運(yùn)行需求,達(dá)到最佳的電網(wǎng)運(yùn)行效果;而在柔性可控條件下,應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷特性與設(shè)備特性的差異,針對(duì)性地制定控制策略。
源荷儲(chǔ)充接入給配電網(wǎng)運(yùn)行控制帶來了重大影響,由于在不同的運(yùn)行條件下,源網(wǎng)荷儲(chǔ)充控制方式方法和協(xié)調(diào)運(yùn)行特性具有差異性,配電網(wǎng)運(yùn)行控制效益也有所不同。本節(jié)從通信與協(xié)調(diào)控制的角度,對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)充不同的協(xié)調(diào)運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行分析。
為區(qū)分和準(zhǔn)確表達(dá)配電網(wǎng)不同場(chǎng)景下的源網(wǎng)荷儲(chǔ)充協(xié)調(diào)控制能力,現(xiàn)根據(jù)其通信完善程度及自動(dòng)化水平高低進(jìn)行分類,如表1所示。
可以看出,源網(wǎng)荷儲(chǔ)充協(xié)調(diào)運(yùn)行場(chǎng)景實(shí)際上涵蓋了配電網(wǎng)發(fā)展控制的各個(gè)階段,為滿足各種條件下配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行的要求,源網(wǎng)荷儲(chǔ)充協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略應(yīng)具備自適應(yīng)性、普適性和魯棒性,實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下的控制應(yīng)用。
基于一流城市配電網(wǎng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)充的運(yùn)行場(chǎng)景分析,結(jié)合現(xiàn)有技術(shù),從全局有功-無功電壓優(yōu)化控制的角度,提出適應(yīng)多運(yùn)行場(chǎng)景的源網(wǎng)荷儲(chǔ)充協(xié)調(diào)優(yōu)化策略。
源網(wǎng)荷儲(chǔ)充協(xié)調(diào)優(yōu)化控制包括有功協(xié)調(diào)、無功協(xié)調(diào),在保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提下,以節(jié)能降損、削峰填谷提升設(shè)備利用率為目的,其可控設(shè)備包括RDG、無功補(bǔ)償設(shè)備、電動(dòng)汽車充電樁、儲(chǔ)能裝置等??刂颇J桨袃?yōu)化和分布協(xié)同兩種,兩者互為主輔,集中優(yōu)化控制作為第一優(yōu)先級(jí)的高級(jí)控制模式,分布協(xié)同作為通信及自動(dòng)化控制手段缺失或異常時(shí)的補(bǔ)充控制模式,可根據(jù)不同運(yùn)行工況進(jìn)行自適應(yīng)配電網(wǎng)優(yōu)化控制,其架構(gòu)如圖2所示。圖中的實(shí)線箭頭表示配網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息流由起始端流向指向端,虛線箭頭表示控制信息流由起始端流向指向端。在集中優(yōu)化控制模式下,系統(tǒng)層通過GIS系統(tǒng)信息對(duì)線路進(jìn)行建模,并通過通信層收集受控層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和負(fù)荷信息,在主站內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,然后再通過通信層進(jìn)行控制指令的下發(fā)。而在分布協(xié)同控制模式下,由于通信及自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)不完善或異常,受控層無法與上層系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,則根據(jù)本地測(cè)量得到的電氣數(shù)據(jù),按照預(yù)設(shè)的就地協(xié)同策略進(jìn)行自動(dòng)控制,其數(shù)據(jù)和控制信息只在本層流動(dòng)。
圖2 協(xié)調(diào)控制架構(gòu)
分布協(xié)同控制策略主要針對(duì)集中控制條件缺失的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”設(shè)備,根據(jù)控制手段對(duì)有功及無功的調(diào)節(jié)效應(yīng),分別設(shè)置儲(chǔ)能及充電樁互動(dòng)需求響應(yīng)控制、無功補(bǔ)償設(shè)備及RDG的V/Q控制。
(1)儲(chǔ)能及充電樁的互動(dòng)需求響應(yīng)控制
根據(jù)當(dāng)前充電樁及儲(chǔ)能接入配電網(wǎng)的RDG與負(fù)荷特性,對(duì)負(fù)荷的峰平谷時(shí)間段進(jìn)行劃分并設(shè)置不同的激勵(lì)電價(jià),基于變壓器功率監(jiān)測(cè)設(shè)置變壓器過載時(shí)充電樁輸出功率為0,并給出兩種充電模式供用戶選擇,分別實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與充電樁的互動(dòng)需求響應(yīng)控制。具體步驟如下:
①收集充電樁及儲(chǔ)能接入?yún)^(qū)域的總負(fù)荷容量、各負(fù)荷類型及其占比,RDG接入類型及滲透率,電動(dòng)汽車滲透率等;
②擬合其區(qū)域源荷復(fù)合負(fù)荷特性曲線;
③根據(jù)區(qū)域負(fù)荷特性曲線,劃分峰平谷3個(gè)時(shí)間段,并結(jié)合電動(dòng)汽車充電特性設(shè)置不同的激勵(lì)電價(jià),引導(dǎo)電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能用戶的充放電;
④對(duì)于充電站直接應(yīng)用峰平谷電價(jià),對(duì)于分散充電樁,監(jiān)測(cè)收集充電樁接入配變低壓側(cè)母線的總功率,計(jì)算配變的負(fù)載率,在配變過載時(shí)控制充電樁輸出功率為0,對(duì)處于空閑時(shí)段且電量充足的電動(dòng)汽車,通過充電樁向電網(wǎng)輸入有功功率,且利用充電樁的無功響應(yīng)能力向電網(wǎng)輸入無功功率;
⑤在配變正常運(yùn)行時(shí),設(shè)置不同的充電優(yōu)惠模式,并結(jié)合用戶充電電量需求,計(jì)算推送電動(dòng)汽車充滿所需的時(shí)間及費(fèi)用表,供用戶選擇。
(2)無功補(bǔ)償設(shè)備及RDG的V/Q控制
對(duì)于無功補(bǔ)償設(shè)備的V/Q控制,依據(jù)負(fù)荷水平不同對(duì)無功補(bǔ)償需求的差異性制定3組電壓控制區(qū)間和功率因數(shù)控制限值,則不同負(fù)載水平下的電壓控制分區(qū)及功率因數(shù)控制分區(qū)如表2所示。
表2 不同負(fù)載水平下的分區(qū)表
無功補(bǔ)償設(shè)備的V/Q控制流程如圖3所示。
圖3 無功補(bǔ)償設(shè)備的V/Q控制流程
對(duì)于RDG的V/Q控制,通過對(duì)配電網(wǎng)中RDG的并網(wǎng)點(diǎn)電壓監(jiān)測(cè),用以評(píng)估當(dāng)前并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和無功狀況,并針對(duì)不同的電壓水平實(shí)行差異化控制,設(shè)置RDG不同的功率因數(shù)區(qū)間作為其無功出力的依據(jù)和約束條件。其控制流程如圖4所示。
圖4 RDG的V/Q控制流程
本文在蔡永翔等[18]研究中的中壓配電網(wǎng)集中式優(yōu)化控制模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出根據(jù)負(fù)載阻抗和等效阻抗對(duì)控制變量的敏感性分配控制變量,即“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”的有功功率和無功功率,以實(shí)現(xiàn)集中優(yōu)化控制的最優(yōu)目標(biāo)。
(1)目標(biāo)函數(shù)
目標(biāo)函數(shù)如下:
式中:w∈[0.1]為懲罰項(xiàng);為節(jié)點(diǎn)i的負(fù)載阻抗;為節(jié)點(diǎn)i的等效阻抗;和分別為節(jié)點(diǎn)i的負(fù)載阻抗和等效阻抗對(duì)控制變量的靈敏度矢量;、和分別為節(jié)點(diǎn)i的負(fù)載阻抗和等效阻抗對(duì)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”注入的有功功率和無功功率的敏感度矢量;Δu=[ΔP.ΔQ]T為控制變量變化的向量,ΔP、ΔQ分別為“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”注入的有功功率和無功功率的變化向量;ε=[ε1.ε2]T為電壓約束松弛變量矢量;G為懲罰昂貴發(fā)電控制變量的權(quán)重矩陣;H為懲罰松弛變量的權(quán)重矩陣。
(2)約束條件
約束條件如下:
式中:Vi(t+k)、Vi(t+k-1)分別為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的電壓預(yù)測(cè)值和量測(cè)值,和分別為節(jié)點(diǎn)i的電壓上下限值;為節(jié)點(diǎn)電壓相對(duì)于控制變量的靈敏度矩陣;ΔPx、ΔQx分別為“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”設(shè)備x的注入有功功率和無功功率變化量,和分別為注入有功功率和無功功率變化量的上下限值;Px、Qx分別為“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”設(shè)備x的注入有功功率和無功功率,和分別為注入有功功率、無功功率的上下限值。
分布協(xié)同控制作為基本的后備保障控制,會(huì)預(yù)先設(shè)置嵌入到各受控設(shè)備,而集中優(yōu)化控制則作為常規(guī)控制模式設(shè)置在后臺(tái)系統(tǒng)中,在實(shí)際應(yīng)用中,“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制以集中優(yōu)化控制作為第一控制模式;在通信和自動(dòng)化控制手段缺失或異常時(shí),才會(huì)采用分布協(xié)同控制模式,作為第二控制模式。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。以上流程可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置間隔時(shí)間,每個(gè)固定周期重復(fù)進(jìn)行判斷和控制,為適應(yīng)配網(wǎng)自動(dòng)化的建設(shè)和數(shù)據(jù)要求,建議每個(gè)運(yùn)行周期為1 h,出于運(yùn)行需要在人為干預(yù)下可靈活切換兩種運(yùn)行模式。
圖5 協(xié)調(diào)優(yōu)化策略流程
為驗(yàn)證本文所提協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略的有效性,在Matlab中對(duì)IEEE33標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行多運(yùn)行場(chǎng)景的算例仿真分析,擴(kuò)展后的線路模型如圖6所示。
圖6 IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)擴(kuò)展模型
在節(jié)點(diǎn)17、29均接入裝機(jī)容量為1 MW,超前功率因數(shù)為0.9,滯后功率因數(shù)為0.95的光伏電源;節(jié)點(diǎn)10、24均接入4組單組容量為60 kvar的電容器;節(jié)點(diǎn)15、31均接入無功出力區(qū)間為[-1 Mvar.1 Mvar]的SVG;節(jié)點(diǎn)6、14、33均接入充電樁,其電動(dòng)汽車的充放電功率區(qū)間為[-0.4 MW.0.4 MW],容量極限為[0.1.0 MW·h],充放電容量需求為0.6 MW·h;節(jié)點(diǎn)18、30均接入充放 電 功 率 區(qū) 間 為[-0.3 MW.0.3 MW],容 量 極 限 為[0.0.9 MW·h],充放電系數(shù)為0.9/0.11的儲(chǔ)能。光伏出力及負(fù)荷功率曲線如圖7所示。
圖7 光伏出力及負(fù)荷功率曲線
采用本文所提協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略對(duì)1.2節(jié)的3個(gè)運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)置,仿真結(jié)果中有功負(fù)荷曲線如圖8所示,線路末端節(jié)點(diǎn)的電壓曲線如圖9所示。
圖8 3種場(chǎng)景下的有功負(fù)荷曲線
圖9 3種場(chǎng)景下線路末端節(jié)點(diǎn)32的電壓曲線
(1)場(chǎng)景1:?jiǎn)我浑妰r(jià)下,考慮光伏并網(wǎng),電動(dòng)汽車根據(jù)用戶需求進(jìn)行恒功率充電,儲(chǔ)能作為應(yīng)急電源,不參與日常電網(wǎng)調(diào)度;利用無功補(bǔ)償裝置,控制并網(wǎng)點(diǎn)補(bǔ)償功率因數(shù)在0.95及以上。
(2)場(chǎng)景2:考慮需求側(cè)響應(yīng)與光伏并網(wǎng)的情況,采用分布協(xié)同策略調(diào)節(jié)儲(chǔ)能充放電、電動(dòng)汽車接入以及無功補(bǔ)償裝置,提高并網(wǎng)點(diǎn)的穩(wěn)定性。
(3)場(chǎng)景3:考慮需求側(cè)響應(yīng)與光伏并網(wǎng)的情況,采用集中優(yōu)化策略調(diào)節(jié)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車充放電以及無功補(bǔ)償裝置,使得配電網(wǎng)的綜合效益最高。
可以看出,場(chǎng)景1由于僅利用無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行調(diào)控,負(fù)荷曲線的波動(dòng)未得到明顯改善,且中午時(shí)段光伏并網(wǎng)點(diǎn)及其鄰近節(jié)點(diǎn)易出現(xiàn)電壓越上限的情況,而夜間用電高峰可能出現(xiàn)電壓越下限;場(chǎng)景2設(shè)定了峰平谷電價(jià),促使儲(chǔ)能及電動(dòng)汽車進(jìn)行電價(jià)需求響應(yīng),削峰填谷,一定程度上平緩了負(fù)荷曲線;場(chǎng)景3根據(jù)電網(wǎng)綜合效益指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控,使得負(fù)荷曲線趨于平穩(wěn),防止出現(xiàn)有功倒送的情況,同時(shí)降低了無功負(fù)荷水平,進(jìn)一步降低了網(wǎng)損,保證了線路末端節(jié)點(diǎn)的電壓在合格區(qū)間。
3種場(chǎng)景下配電網(wǎng)控制的綜合運(yùn)行效益如表3所示。由表可見,分布協(xié)同控制以及集中優(yōu)化控制均可以取得較高的配電網(wǎng)控制效益,相較于場(chǎng)景1,配電網(wǎng)控制的綜合效益在場(chǎng)景2下提升約6.34%,在場(chǎng)景3下提升約7.72%。
表3 3種場(chǎng)景下配電網(wǎng)控制綜合運(yùn)行效益對(duì)比
本文針對(duì)城市配電網(wǎng)中接入新能源技術(shù)帶來的復(fù)雜多樣性與隨機(jī)不確定性問題,提出考慮多種運(yùn)行場(chǎng)景的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略,總結(jié)如下:
(1)本文充分考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)充協(xié)調(diào)運(yùn)行特性,提出的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略能夠適應(yīng)配電網(wǎng)的多種運(yùn)行場(chǎng)景;
(2)針對(duì)不同運(yùn)行場(chǎng)景所實(shí)施的控制策略,可以有效平緩負(fù)荷曲線、改善運(yùn)行電壓水平、具有較好的配電網(wǎng)控制效益;
(3)利用“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”各設(shè)備資源進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制,可實(shí)現(xiàn)調(diào)控高效靈活,為一流城市配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)工作提供參考價(jià)值。