馬仲坤,黃奇峰,戚星宇,戴黎明,蔣志堅(jiān)

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司,江蘇 常州 213003)

隨著大量分布式能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入,配電系統(tǒng)在逐步進(jìn)入具有電力電子化特征的“交直流混合”時(shí)代[1-4]。由于分布式能源的分散性、隨機(jī)性、間歇性,其大規(guī)模接入配電網(wǎng)將對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行的安全性和質(zhì)量造成嚴(yán)重影響[5-6]。為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn),大量多端口能源路由器被安裝在配網(wǎng)中以實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)內(nèi)源儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制策略,從而降低臺(tái)區(qū)內(nèi)運(yùn)行損耗,實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流充電樁、數(shù)據(jù)中心等設(shè)施的高效接入[7-10]。

目前臺(tái)區(qū)間的互聯(lián)互通仍采用基于拓?fù)渲貥?gòu)、開關(guān)組合狀態(tài)切換等方法。由于交流電網(wǎng)“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行”的特征,在這種交流互聯(lián)互供方式下,臺(tái)區(qū)之間的母聯(lián)開關(guān)在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)往往處于冷備用狀態(tài),只有在臺(tái)區(qū)配變失電工況下觸發(fā)啟動(dòng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)多臺(tái)區(qū)在線實(shí)時(shí)均衡、互濟(jì),且無(wú)法精準(zhǔn)調(diào)控臺(tái)區(qū)之間需要互濟(jì)的功率[11-14]。

隨著多端口能源路由器的發(fā)展成熟以及在配網(wǎng)中廣泛應(yīng)用,通過(guò)多端口能源路由器實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)間的互聯(lián)互通成為可能[15]。能源路由器的結(jié)構(gòu)是從固態(tài)變壓器[16]發(fā)展而來(lái)的,其在固態(tài)變壓器功能的基礎(chǔ)上,能源路由器還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源和各種交直流負(fù)載的即插即用式接入。得益于電力電子技術(shù)和通信技術(shù)的進(jìn)步,能源路由器在交直流混合配電[17]、能源優(yōu)化管理[18]等方面應(yīng)用廣泛,在低壓配網(wǎng)管理中扮演重要的角色[19]。由于具備高效的能量傳輸和轉(zhuǎn)化功能,采用多端口能源路由器實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)間能量?jī)?yōu)化具有廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[20]分析了多端口能源路由器在實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)間能量交互的關(guān)鍵技術(shù)和能量交互模式。這些研究的重點(diǎn)多集中在太區(qū)間互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和電能傳輸路徑上。本文從配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā),研究了基于多端口能源路由器的臺(tái)區(qū)間的優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)度。

本文旨在通過(guò)臺(tái)區(qū)間的能源優(yōu)化調(diào)度,從而降低配電臺(tái)區(qū)重過(guò)載風(fēng)險(xiǎn),提高配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行效率。首先對(duì)應(yīng)用多端口能源路由器進(jìn)行臺(tái)區(qū)間互聯(lián)的作用進(jìn)行了介紹,并闡釋了應(yīng)用多端口能源路由器進(jìn)行臺(tái)區(qū)間的互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)流程。在此基礎(chǔ)上,以臺(tái)區(qū)配電變壓器最佳負(fù)載率為目標(biāo)構(gòu)建了基于多端口能源路由器的臺(tái)區(qū)間協(xié)調(diào)調(diào)度模型,最后通過(guò)算例驗(yàn)證了所提方法為臺(tái)區(qū)配變經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)的改善,并分析了不同容量的能源路由器對(duì)多提方法帶來(lái)的影響。

1 能源路由器實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)間互聯(lián)

1.1 臺(tái)區(qū)間互聯(lián)運(yùn)行模型

基于多端口能源路由器的臺(tái)區(qū)間互聯(lián)運(yùn)行示意圖如圖1所示,1號(hào)臺(tái)區(qū)和2號(hào)臺(tái)區(qū)分別通過(guò)一個(gè)多端口能源路由器與臺(tái)區(qū)變壓器母線相連,并通過(guò)內(nèi)部交直流換流器為裝置內(nèi)部750 V直流母線供電。多端口能源路由器提供了不同電壓幅值的直流端口為臺(tái)區(qū)內(nèi)部的充電樁、路燈等供電,并配備了儲(chǔ)能電池以抑制功率波動(dòng)。1號(hào)臺(tái)區(qū)和2號(hào)臺(tái)區(qū)通過(guò)能源路由器的750 V直流端口實(shí)現(xiàn)2個(gè)臺(tái)區(qū)間的互聯(lián)互通。當(dāng)1號(hào)臺(tái)區(qū)輕載,2號(hào)臺(tái)區(qū)重載時(shí),可通過(guò)1號(hào)臺(tái)區(qū)向2號(hào)臺(tái)區(qū)的能源流動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)臺(tái)區(qū)間的綜合輕載率和重載率降低。

圖1 臺(tái)區(qū)互聯(lián)運(yùn)行示意Fig.1 Schematic diagram of the interconnection between distribution station areas

1.2 臺(tái)區(qū)間配置能源路由器的作用

能源路由器作為多個(gè)臺(tái)區(qū)間潮流調(diào)控手段,其功率交互直接影響了資源的利用效率和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的安全穩(wěn)定。對(duì)于多端能源路由器的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制是交直流配網(wǎng)能源管理中的重要問(wèn)題。

基于臺(tái)區(qū)配電變壓器運(yùn)行特性曲線(圖2)可知,當(dāng)臺(tái)區(qū)配變輕載或重載運(yùn)行時(shí),其均未工作在最佳運(yùn)行效率點(diǎn)上。當(dāng)臺(tái)區(qū)配變負(fù)載率大于額定容量時(shí),配變負(fù)載損耗將急劇增加,長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)將嚴(yán)重影響臺(tái)區(qū)配電變壓器的壽命,帶來(lái)安全問(wèn)題;當(dāng)臺(tái)區(qū)配電變壓器長(zhǎng)期低于額定功率工作時(shí)同樣也會(huì)造成大量線損,增加運(yùn)行成本。此外,通過(guò)能源路由器進(jìn)行臺(tái)區(qū)間功率互聯(lián)互通,不僅能夠改善臺(tái)區(qū)間配電變壓器的負(fù)載率,還能夠?qū)崿F(xiàn)臺(tái)區(qū)間功率互補(bǔ),增強(qiáng)對(duì)新能源的消納能力。因此,通過(guò)能源路由器優(yōu)化調(diào)控臺(tái)區(qū)間功率平衡對(duì)臺(tái)區(qū)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

圖2 臺(tái)區(qū)配變運(yùn)行特性Fig.2 Distribution station area transformer operating characteristics

1.3 臺(tái)區(qū)間優(yōu)化調(diào)度流程

臺(tái)區(qū)互聯(lián)新形態(tài)下,通過(guò)能源路由器彼此互聯(lián)互濟(jì)能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)區(qū)間功率的在線調(diào)節(jié),從而動(dòng)態(tài)調(diào)整不同臺(tái)區(qū)負(fù)載率,提高臺(tái)區(qū)群運(yùn)行效率。臺(tái)區(qū)之間互聯(lián)功率決策是改善臺(tái)區(qū)間潮流分布的關(guān)鍵,通過(guò)臺(tái)區(qū)多端口能源路由器管理系統(tǒng)決策臺(tái)區(qū)功率交換指令,然后分別下發(fā)給不同臺(tái)區(qū)多端口能源路由器,實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)間的能源優(yōu)化調(diào)度。在每個(gè)優(yōu)化周期,基于臺(tái)區(qū)運(yùn)行信息,優(yōu)化調(diào)整互濟(jì)功率指令,在下次優(yōu)化周期到來(lái)時(shí),保持指令值不變。具體實(shí)施步驟如下。

(1)基于當(dāng)前時(shí)刻的臺(tái)區(qū)配變狀態(tài),判斷是否需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控。如果需要?jiǎng)t進(jìn)入第二步。

(2)讀取配電臺(tái)區(qū)內(nèi)電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能等裝置的功率信息,以及多端口能源路由器的容量等相關(guān)信息。

(3)基于當(dāng)前獲得的數(shù)據(jù),建立臺(tái)區(qū)間多端口能源路由器優(yōu)化調(diào)控?cái)?shù)學(xué)模型。

(4)調(diào)用優(yōu)化求解器,對(duì)優(yōu)化調(diào)控模型進(jìn)行求解,得到臺(tái)區(qū)間多端口能源路由器的調(diào)控指令。

(5)執(zhí)行能源調(diào)控指令,實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)間能源優(yōu)化調(diào)度。此時(shí)回到步驟1,再次進(jìn)行判斷循環(huán)。

2 臺(tái)區(qū)間互聯(lián)優(yōu)化控制模型

本文以臺(tái)區(qū)間多端口能源路由器為研究對(duì)象,以提升臺(tái)區(qū)配變?cè)O(shè)備利用率和運(yùn)行效率為目標(biāo),在臺(tái)區(qū)間互聯(lián)基礎(chǔ)上,建立臺(tái)區(qū)間基于多端口能源路由器的優(yōu)化調(diào)控模型,如圖3所示。通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件對(duì)臺(tái)區(qū)間優(yōu)化調(diào)度策略進(jìn)行約束和求解,實(shí)現(xiàn)在滿足安全性指標(biāo)的情況下對(duì)臺(tái)區(qū)間功率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。以此為依據(jù),下達(dá)功率調(diào)控指令,推動(dòng)新型電力系統(tǒng)下臺(tái)區(qū)間互聯(lián)互濟(jì),提升配電網(wǎng)整體運(yùn)行水平。

圖3 基于多端能源路由器的互聯(lián)系統(tǒng)Fig.3 Interconnection system based on multiterminal energy routers

2.1 目標(biāo)函數(shù)

負(fù)載率是臺(tái)區(qū)配變效率的重要影響因素,以臺(tái)區(qū)配電變壓器運(yùn)行效率最高,也及負(fù)載率最接近額定負(fù)載率為目標(biāo),建立臺(tái)區(qū)優(yōu)化調(diào)控模型,其目標(biāo)函數(shù)為:

(1)

(2)

式中,ST,i為在優(yōu)化周期T時(shí)刻,第i個(gè)臺(tái)區(qū)配電變壓器容量;λi為權(quán)重系數(shù),ηb,i為第i個(gè)臺(tái)區(qū)配電變壓器的最佳負(fù)載率,N為臺(tái)區(qū)數(shù)量。

2.2 約束條件

(1)臺(tái)區(qū)潮流平衡方程:

Pi=Pac,i+Pdc,i

(3)

(4)

(5)

(6)

φ+,i·φ-,i=0

(7)

式中,Pac,i、Pdc,i分別為臺(tái)區(qū)配電變壓器交流側(cè)和直流側(cè)負(fù)荷功率;Pvdc為多端口能源路由器的流入和流出功率;φ為0～1變量,代表多端口能源路由器的狀態(tài),當(dāng)為1時(shí),表示第i個(gè)臺(tái)區(qū)向多端口能源路由器注入功率;反之,表示第i個(gè)臺(tái)區(qū)從多端口能源路由器吸收的功率。

(2)臺(tái)區(qū)配電變壓器運(yùn)行安全約束:

0≤Pi≤ηiST,i

(8)

式中,ηi為第i個(gè)臺(tái)區(qū)配電變壓器重載預(yù)警值。

(3)能源路由器功率約束?？紤]能源路由器容量限制以及功率方向,構(gòu)建以下約束:

-Pei,rated≤Pei,i≤Pei,rated

(9)

式中,Pei,rated為能源路由器的功率約束。

(4)能源路由器功率平衡約束:

(10)

式中,Ui為第i個(gè)臺(tái)區(qū)能源路由器的節(jié)點(diǎn)電壓;Gij為兩個(gè)相連的能源路由器間的互電導(dǎo),當(dāng)i與j相等時(shí),則Gij為編號(hào)為i的能源路由器的自電導(dǎo)。

(5)多端口能源路由器連接處電壓約束。為了保障多端口能源路由器電壓穩(wěn)定在安全運(yùn)行范圍,對(duì)其施加約束條件:

Ui,min≤Ui≤Ui,max

(11)

式中,Ui,min、Ui,max分別為臺(tái)區(qū)間多端口能源路由器連接處允許的電壓最小值、電壓最大值。

2.3 模型求解

基于上述目標(biāo)函數(shù)、功率平衡方程和運(yùn)行約束條件,構(gòu)建臺(tái)區(qū)間基于多端口能源路由器優(yōu)化調(diào)控模型,實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)互聯(lián)的高效運(yùn)行。為了快速求解,將所提出模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,建立混合整數(shù)非線性約束二次規(guī)劃問(wèn)題,如式所示,然后利用主流解法器對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

(12)

式中,H、h、x1、xu分別為模型系數(shù)矩陣;x為優(yōu)化變量,都可根據(jù)上述模型推導(dǎo)得到。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

臺(tái)區(qū)配電變壓器負(fù)載率是配電臺(tái)區(qū)的重要安全性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),負(fù)載率過(guò)大嚴(yán)重影響臺(tái)區(qū)變壓器的工作壽命,帶來(lái)安全性隱患,貳負(fù)載率長(zhǎng)期處于低于額定電壓水平同樣也會(huì)造成大量線損,增加成本。為了評(píng)價(jià)基于能源路由器的臺(tái)區(qū)間能源調(diào)控效果,為模型建立了以臺(tái)區(qū)配電變壓器綜合輕載率、重載率以及最佳運(yùn)行點(diǎn)等指標(biāo),從而使臺(tái)區(qū)配電變壓器能夠長(zhǎng)期運(yùn)行在額定負(fù)載率附近。

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中,δ1、δu、γt分別為臺(tái)區(qū)配電變壓器的輕載率、重載率以及最佳運(yùn)行點(diǎn)接近程度指標(biāo);Pi,t為第i個(gè)臺(tái)區(qū)在t時(shí)刻配點(diǎn)變壓器的總負(fù)載功率。

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

以圖3所示的基于多端能源路由器的共母線型互聯(lián)系統(tǒng)為例開展調(diào)控效果分析。3個(gè)配電臺(tái)區(qū)的配電變壓器容量均為400 kVA,配電變壓器最佳運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的負(fù)載率設(shè)置為0.65。3個(gè)配電臺(tái)區(qū)的負(fù)荷功率曲線如圖4所示。

圖4 臺(tái)區(qū)負(fù)荷曲線Fig.4 Load curves of the distribution station area

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)調(diào)控后,最佳運(yùn)行點(diǎn)接近度曲線以及輕載和重載的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5、圖6所示。其中,輕載、重載分別指負(fù)載率低于0.2、負(fù)載率高于0.8。在調(diào)控前,由3個(gè)臺(tái)區(qū)的最佳運(yùn)行點(diǎn)綜合接近度曲線可以看出,最佳運(yùn)行點(diǎn)的偏離度均在0.12以上,且存在輕載和重載的情況,分別為32%和24%。

圖5 最佳運(yùn)行點(diǎn)綜合接近度曲線Fig.5 The best running point comprehensive proximity curves

圖6 輕載和重載統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Fig.6 Results of statistical analysis of light and heavy loads

經(jīng)過(guò)所提方法開展調(diào)控后,臺(tái)區(qū)配電變壓器輕載率和重載率均顯著降低,變?yōu)?,使得臺(tái)區(qū)配點(diǎn)變壓器的工作狀況更加均衡。調(diào)控后,臺(tái)區(qū)配電變壓器工作狀況也更加接近最佳運(yùn)行點(diǎn)。在11:00—21:00,臺(tái)區(qū)配電變壓器距最佳運(yùn)行點(diǎn)的偏離度顯著降低。多端口能源路由器的指令曲線如圖7所示,調(diào)控功率均小于100 kW。

圖7 多端口能源路由器指令曲線Fig.7 Multiport energy router command curves

上述結(jié)果展示了基于多端口能源路由器的臺(tái)區(qū)間功率調(diào)控對(duì)實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)間能源互聯(lián)互通,改善臺(tái)區(qū)配電變壓工況的有效性,調(diào)控的開展顯著降低了臺(tái)區(qū)配電變壓器的綜合重載率和輕載率。

3.3 能源路由器容量對(duì)優(yōu)化調(diào)控影響

基于100 kW容量的能源路由器進(jìn)行了調(diào)控策略的研究,驗(yàn)證了臺(tái)區(qū)間優(yōu)化調(diào)控策略的有效性。為了進(jìn)一步分析多端口能源路由器容量對(duì)調(diào)控策略的影響,設(shè)置能源路由器容量在40～100 kW,進(jìn)行不同容量下的調(diào)控效果分析,如圖8所示。

圖8 不同容量下輕載和重載統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Fig.8 Statistical analysis results of light and heavy loads under different capacities

由圖8可以看出,在多端口能源路由器容量為0時(shí),對(duì)臺(tái)區(qū)配電變壓器的輕載率和重載率沒有帶來(lái)改變。而當(dāng)多端口能源路由器容量提升至40 kW時(shí),重載率和輕載率顯著降低,綜合重載率降至4%,輕載率將至0%。隨著臺(tái)區(qū)配電變壓器容量的增加,綜合重載率進(jìn)一步降低,直至0%。

上述分析表明,所提調(diào)控模型能夠適應(yīng)不同容量的多端口能源路由器帶來(lái)的影響,顯著提高臺(tái)區(qū)配點(diǎn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力。

3.4 配電變壓器最佳運(yùn)行點(diǎn)對(duì)優(yōu)化調(diào)控影響

對(duì)臺(tái)區(qū)配電變壓器的最佳運(yùn)行點(diǎn)是否對(duì)優(yōu)化調(diào)控有影響進(jìn)行研究。在不同的臺(tái)區(qū)配電變壓器最佳運(yùn)行點(diǎn)時(shí),進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)控。配電變壓器最佳運(yùn)行點(diǎn)組合見表1,不同組合下偏離度曲線如圖9所示。

表1 配電變壓器最佳運(yùn)行點(diǎn)組合Tab.1 Combination of optimal operating points for distribution transformers

圖9 不同組合下偏離度曲線Fig.9 Deviation curves under different combinations

由圖9可以看出,針對(duì)不同的臺(tái)區(qū)配電變壓器最佳運(yùn)行點(diǎn),在11:00—21:00內(nèi),所提優(yōu)化調(diào)控策略均能顯著降低臺(tái)區(qū)配電變壓器距最佳運(yùn)行點(diǎn)的偏離度。結(jié)果表明,所提調(diào)控方法能夠適應(yīng)不同配變最佳運(yùn)行點(diǎn)帶來(lái)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于多端口能源路由器的臺(tái)區(qū)間協(xié)調(diào)調(diào)度流程,構(gòu)建了基于多端口能源路由器的優(yōu)化調(diào)度模型,最后結(jié)合算例驗(yàn)證了優(yōu)化調(diào)控模型對(duì)配變負(fù)載率優(yōu)化效果,探討了多端口能源路由器容量對(duì)于優(yōu)化調(diào)控的影響,得出以下結(jié)論。

(1)基于多端口能源路由器的協(xié)調(diào)調(diào)控方法能夠改善臺(tái)區(qū)配變的負(fù)載率,降低不同臺(tái)區(qū)間的重載率和輕載率,提升臺(tái)區(qū)配變經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

(2)所提出的模型對(duì)不同容量的能源路由器具有良好的適應(yīng)性,在容量較低時(shí)也能改善臺(tái)區(qū)配變的運(yùn)行水平。

(3)所提出的模型在臺(tái)區(qū)配變最佳運(yùn)行點(diǎn)改變時(shí)仍能夠保持較好的調(diào)控效果。