林永君，景 琛，曹 翠，白 康

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071000)

1 引言

分布式發(fā)電作為能源領(lǐng)域的新技術(shù)，近年來受到國際社會(huì)越來越多的關(guān)注。大量分布式電源并入配電網(wǎng)給系統(tǒng)的投資建設(shè)、電能質(zhì)量、穩(wěn)定性等方面帶來了巨大壓力。在建設(shè)過程中，配電站規(guī)劃要綜合考慮建設(shè)經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行穩(wěn)定性等目標(biāo)的優(yōu)化問題。因此，合理進(jìn)行包含分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃有著重要意義。

目前，已有學(xué)者對(duì)于分布式電源接入配電網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行了不同角度的研究。建立經(jīng)濟(jì)性、可靠性和穩(wěn)定性的多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用粒子群算法優(yōu)化求解[1]。對(duì)實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)和用電量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建用戶反應(yīng)曲線并建立需求側(cè)峰谷分時(shí)電價(jià)優(yōu)化模型[11]本文重點(diǎn)研究含多種分布式電源接入配電網(wǎng)的規(guī)劃方案，考慮分布式電源的不同出力場(chǎng)景、負(fù)荷的時(shí)序特性及峰谷分時(shí)電價(jià)，綜合配電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，根據(jù)功率平衡、電能質(zhì)量約束條件建立分布式電源多場(chǎng)景接入配電網(wǎng)的多目標(biāo)規(guī)劃模型，并采用非支配排序遺傳算法獲得帕累托最優(yōu)解集。利用實(shí)際算例對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)檢驗(yàn)解集與約束條件的可靠性。

2 風(fēng)-光-儲(chǔ)模型及時(shí)序特性

2.1 風(fēng)電模型

(1)

(2)

風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速-功率特性[1-4]表達(dá)式為

(3)

(4)

式中：Pr為風(fēng)電的額定功率；vci，vco為切入、切出風(fēng)速；vr和vwind為額定風(fēng)速和實(shí)際風(fēng)速。

2.2 光伏發(fā)電模型

光照強(qiáng)度具有明顯的日周期性，同一時(shí)段上可以利用Beta概率密度分布函數(shù)[5]來描述

fb(s)

(5)

式中：s為光照強(qiáng)度；fb(s)為光強(qiáng)s的Beta概率密度分布函數(shù)；α和β為概率密度函數(shù)參數(shù)。

給定太陽能電池方陣的輸出功率為

PPV=ISPVη

(6)

式中：SPV為太陽能電池方陣總面積；η為方陣光電轉(zhuǎn)換效率；I為實(shí)際光照強(qiáng)度。

風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)速影響較大，不同季節(jié)的風(fēng)速變化趨勢(shì)不同，典型日內(nèi)傍晚風(fēng)速較大且在冬季表現(xiàn)尤為突出，即風(fēng)力發(fā)電具有時(shí)序特性。光伏發(fā)電與溫度和光照強(qiáng)度密切相關(guān)，白天太陽能充裕夜晚光伏不發(fā)電，夏季光照強(qiáng)度最大，即光伏發(fā)電同樣具有時(shí)序特性。風(fēng)電與光伏出力時(shí)序特性如圖1、2所示。

圖1 風(fēng)電出力曲線圖

圖2 光伏出力曲線圖

3 負(fù)荷時(shí)序特性及實(shí)時(shí)電價(jià)

本文選取工業(yè)負(fù)荷作為研究對(duì)象，以某地典型日負(fù)荷變化情況為例，其負(fù)荷在不同季節(jié)每個(gè)時(shí)刻用電量比例曲線如圖3所示。

圖3 負(fù)荷變化曲線圖

實(shí)時(shí)電價(jià)是指按系統(tǒng)運(yùn)行狀況，將一天劃分為24個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段按系統(tǒng)運(yùn)行的平均邊際成本收取電費(fèi)。本文考慮配電網(wǎng)的交易機(jī)制為三個(gè)方面：向主網(wǎng)購電、向主網(wǎng)售電、向用戶售電，針對(duì)具體環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)電價(jià)如圖4所示。

圖4 各環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)電價(jià)

4 多目標(biāo)優(yōu)化

4.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)由兩部分組成，主要解決配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化問題：①經(jīng)濟(jì)性最佳；②電網(wǎng)穩(wěn)定性最佳。針對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的決策變量為分布式電源、儲(chǔ)能單元接入配電網(wǎng)容量。

4.1.1 綜合費(fèi)用

1)網(wǎng)損費(fèi)用

在設(shè)定節(jié)點(diǎn)處加入一定容量的電源時(shí)，會(huì)導(dǎo)致潮流分布情況不同，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p耗不同。網(wǎng)損費(fèi)用的函數(shù)模型如下所示

(7)

式中：CSH為加入電源后的網(wǎng)損費(fèi)用，Ui、Ui+1為加入電源后節(jié)點(diǎn)i、i+1的電壓，Ri為節(jié)點(diǎn)i與i+1之間的阻抗，m為場(chǎng)景數(shù)量，n為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，cSH為損耗單位量對(duì)應(yīng)的電價(jià)。

2)風(fēng)電投入運(yùn)行維護(hù)成本

(8)

3)光伏投入運(yùn)行維護(hù)成本

(9)

4)儲(chǔ)能單元投入運(yùn)行維護(hù)成本

(10)

5)向電網(wǎng)購/售電成本

本文在考慮功率平衡問題的情況下，在配電網(wǎng)系統(tǒng)中選取首節(jié)點(diǎn)接入外部電網(wǎng)，用此點(diǎn)的購/售電使系統(tǒng)輸入及輸出功率達(dá)到平衡。

(11)

我國的各種自然資源基本都屬于全民或者集體所有，這種自然資源的單一制的運(yùn)行形式與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)嚴(yán)重脫離，導(dǎo)致自然、生態(tài)資源在公有制的條件下與民眾的私權(quán)意識(shí)貌合神離，由此造成民眾的環(huán)保意識(shí)普遍淡薄。各種破壞自然環(huán)境、自然資源的行為屢見不鮮，致使生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化［3］。由于制度的不完善，很多生產(chǎn)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過程中造成的環(huán)境污染問題也不重視，環(huán)境污染和生態(tài)破壞成為一種必然結(jié)果。

6)供電收益

規(guī)劃過程中考慮配電網(wǎng)為負(fù)荷供電的收益情況。具體售電收益模型如下所示

(12)

考慮光伏、風(fēng)電使用年限為20年、儲(chǔ)能單元使用年限為10年，將以上函數(shù)統(tǒng)一整合為20年總值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到總成本(利潤)函數(shù)模型，如下所示

C=CWPP+CPV+2*CEN+20*(CSH+CDW-Cload)

(13)

4.1.2 配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差

規(guī)劃目標(biāo)中節(jié)點(diǎn)電壓偏差采用規(guī)劃周期內(nèi)各時(shí)段平均值，每個(gè)時(shí)段的電壓偏差為該時(shí)段中所有場(chǎng)景下平均節(jié)點(diǎn)電壓偏差的期望值。計(jì)算過程如下

(14)

式中：Ui為規(guī)劃過程中各節(jié)點(diǎn)電壓真實(shí)值，Ub為節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)電壓值，n為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

4.2 約束條件

4.2.1 潮流等式約束

(15)

4.2.2 電源安裝容量約束

新增配電網(wǎng)加入電源需滿足以下條件：

EDGmin≤EiDG≤EDGmax

(16)

式中：EiDG為節(jié)點(diǎn)i安裝的分布式電源容量，EDGmin和EDGmax為分布式電源安裝容量的下、上限。

4.2.3 儲(chǔ)能設(shè)備容量約束

假定在一個(gè)周期內(nèi)，電儲(chǔ)裝置的充放電功率恒定，充電容量隨儲(chǔ)能時(shí)間的耗散忽略不計(jì)，其容量約束表述為

EPmin≤EP≤EPmax

(17)

式中：EP為電儲(chǔ)裝置的充電容量；EPmin和EPmax分別為電儲(chǔ)裝置充電容量下限和上限。

5 算例分析

5.1 規(guī)劃場(chǎng)景

考慮風(fēng)-光-儲(chǔ)同時(shí)規(guī)劃，本文選取IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)開展案例分析，具體規(guī)劃節(jié)點(diǎn)布置如圖6所示。每個(gè)安裝節(jié)點(diǎn)上風(fēng)電安裝容量上限為5MW，儲(chǔ)能裝置安裝容量上限為500kW，考慮充放能效率為90%，光伏安裝容量上限為4MW。本算例對(duì)三個(gè)規(guī)劃情境進(jìn)行分析：(1)不考慮電價(jià)變化、電源及負(fù)荷的時(shí)序特性；(2)考慮四個(gè)時(shí)段分布式電源及負(fù)荷實(shí)際出力特性、分時(shí)電價(jià)；(3)考慮實(shí)時(shí)電價(jià)、分布式電源及負(fù)荷的時(shí)序特性。

圖6 規(guī)劃節(jié)點(diǎn)布置圖

算例采用本文所提出的多目標(biāo)優(yōu)化規(guī)劃模型對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能單元進(jìn)行容量配置，規(guī)劃過程中涉及的參數(shù)如表1、2所示，除接入電源節(jié)點(diǎn)外的其它節(jié)點(diǎn)負(fù)荷值均為給定值。

表1 情境(2)中出力特性及電價(jià)

表2 規(guī)劃過程中參數(shù)值

5.2 規(guī)劃結(jié)果

不同類型的負(fù)荷和分布式電源出力在不同季節(jié)不同時(shí)段表現(xiàn)出明顯差異。本論文針對(duì)三個(gè)規(guī)劃情境進(jìn)行規(guī)劃分析，規(guī)劃算法采用NSGA-Ⅱ遺傳算法，雙目標(biāo)對(duì)比趨勢(shì)如圖7、8所示，結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

圖7 情境(1)、(2)雙目標(biāo)趨勢(shì)圖

圖8 情境(3)雙目標(biāo)趨勢(shì)圖

表3 規(guī)劃結(jié)果

綜合對(duì)比上述表格數(shù)據(jù)，可知在利潤值與偏差值兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)上情境(3)規(guī)劃結(jié)果均為最優(yōu)，說明考慮時(shí)序特性后配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性得到有效提高。故對(duì)情境(3)進(jìn)行詳盡分析，迭代數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

表4 情境(3)規(guī)劃數(shù)據(jù)

針對(duì)春、夏、秋、冬四季典型日的同一時(shí)刻(中午十二時(shí))計(jì)算配電網(wǎng)系統(tǒng)中的潮流分布情況，對(duì)比結(jié)果如圖9、圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，多目標(biāo)規(guī)劃問題中側(cè)重點(diǎn)不同會(huì)導(dǎo)致潮流分布的差別，側(cè)重偏差值時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓變化趨勢(shì)平緩，側(cè)重利潤值時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓變化明顯。

圖9 最低偏差對(duì)應(yīng)潮流分布圖

圖10 最高利潤對(duì)應(yīng)潮流分布圖

針對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行回溯，計(jì)算一年四季中各典型日對(duì)應(yīng)損耗值如圖11、圖12所示。由以上各圖表對(duì)比可知：季節(jié)不同、時(shí)段不同配電網(wǎng)網(wǎng)損也不相同，整體上夏季功率損耗較高，每個(gè)季節(jié)的16：00-21：00功率損耗最多。考慮時(shí)序特性直接影響著對(duì)分布式電源及儲(chǔ)能設(shè)備的規(guī)劃結(jié)果。不考慮分布式電源的時(shí)序特性及分時(shí)電價(jià)，無法真實(shí)地體現(xiàn)兩種電源實(shí)時(shí)出力值隨風(fēng)速和光照的實(shí)際變化?？紤]時(shí)序特性，分布式電源實(shí)時(shí)出力值、負(fù)荷實(shí)時(shí)變化值因外界環(huán)境的變化而變化，因此對(duì)分布式電源的規(guī)劃應(yīng)考慮電源、負(fù)荷、電價(jià)的時(shí)序特性，使規(guī)劃結(jié)果更符合實(shí)際。

圖11 最低偏差對(duì)應(yīng)各季節(jié)損耗值

圖12 最高利潤對(duì)應(yīng)各季節(jié)損耗值

6 總結(jié)

本文對(duì)分布式電源、負(fù)荷進(jìn)行時(shí)序特性分析，并且考慮實(shí)時(shí)電價(jià)、節(jié)點(diǎn)功率平衡問題，在此基礎(chǔ)上以線路損耗和綜合費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，采用非支配排序遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解，通過算例分析結(jié)果可得出以下結(jié)論：負(fù)荷和分布式電源出力在不同季節(jié)不同時(shí)段具有明顯的差異，若不考慮時(shí)序特性，對(duì)分布式電源容量規(guī)劃會(huì)產(chǎn)生一定偏差。負(fù)荷和分布式電源出力的時(shí)序特性對(duì)分布式電源定容影響顯著，考慮時(shí)序特性更符合實(shí)際，規(guī)劃結(jié)果更優(yōu)；配電網(wǎng)功率損耗隨負(fù)荷和分布式電源的時(shí)序特性而呈現(xiàn)出季節(jié)性、時(shí)段性，考慮時(shí)序特性使配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性更高；實(shí)時(shí)電價(jià)可有效緩解供/用電不平衡情況，具有一定實(shí)際意義。