呂德生

(百色新鋁電力有限公司,廣西 百色 533000)

0 引 言

分布式光伏以居民屋頂或者工業(yè)廠房為建設(shè)場地,所發(fā)電量接入配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行就地消納,具有不占用耕地和不向上一電壓等級系統(tǒng)返送功率的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。隨著國家大力推動整縣分布式光伏建設(shè)[3],高比例的分布式光伏接入配電網(wǎng)有助于降低化石能源的消耗,對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。隨著配電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式光伏比例的升高,電壓越限、線路過載、繼電保護(hù)不正確動作等問題威脅配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-6]。目前已有較多防止電壓越限的研究,多從源、荷、儲方面進(jìn)行研究:文獻(xiàn)[7]利用光伏逆變器可以快速調(diào)節(jié)有功出力的特點(diǎn)調(diào)整光伏出力保證節(jié)點(diǎn)電壓不越限,但此方法棄光量偏多;文獻(xiàn)[8]通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭改善系統(tǒng)電壓分布防止電壓越限,但此種方法不能連續(xù)平滑調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)效果不理想;文獻(xiàn)[9]基于電壓-有功無功靈敏度對配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū),然后在各分區(qū)利用儲能設(shè)施進(jìn)行調(diào)節(jié)防止電壓越限,但儲能設(shè)施建造成本昂貴。隨著越來越多靈活可控負(fù)荷接入配電網(wǎng),利用分時電價引導(dǎo)用戶在各時段合理用電可以提高系統(tǒng)對光伏電量的消納,降低峰谷差。文獻(xiàn)[10]通過構(gòu)建價格彈性矩陣引導(dǎo)用戶調(diào)整用電計劃,達(dá)到削峰填谷的目的。文獻(xiàn)[11]基于消費(fèi)者心理學(xué)的價格理論,對分時電價進(jìn)行優(yōu)化,提高包括光伏在內(nèi)的新能源消納量。文獻(xiàn)[12]提出利用分時電價引導(dǎo)電動汽車主充電行為,提高光伏出力高峰期電動汽車的接入量,達(dá)到降低棄光量的目的。但以上研究僅涉及如何利用分時電價提高光伏消納量,而提高光伏消納量的同時有可能造成用戶用電成本增加,因此優(yōu)化分時電價提高配電網(wǎng)光伏消納能力應(yīng)該是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題。

綜合以上分析,本文建立分時電價優(yōu)化模型和分布式光伏最大消納模型用于提升配電網(wǎng)光伏消納能力。分時電價優(yōu)化模型以配電網(wǎng)系統(tǒng)凈用電負(fù)荷最大和用戶用電成本最低為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化分時電價得到用戶各時段的用電需求。以分時電價優(yōu)化模型計算結(jié)果為基礎(chǔ),分布式光伏最大消納模型以光伏消納量最大為目標(biāo)函數(shù),約束條件包括線路潮流約束和節(jié)點(diǎn)電壓約束等。以某一實(shí)際配電網(wǎng)系統(tǒng)為算例,驗(yàn)證所建立的2個模型能夠優(yōu)化分時電價時段的劃分和定價,降低用戶用電成本的同時提高光伏消納量。

1 分布式光伏接入對節(jié)點(diǎn)電壓的影響分析

如圖1所示的輻射狀饋線線路上假設(shè)節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷為PL,i+QL,i,由線路傳輸功率公式可以推導(dǎo)得到節(jié)點(diǎn)j的電壓表達(dá)式如式(1)所示。

圖1 含分布式光伏配電網(wǎng)接線

(1)

式中:U0、Uj分別為線路始端電壓和節(jié)點(diǎn)j電壓,k表示起始節(jié)點(diǎn)0到節(jié)點(diǎn)j之間的節(jié)點(diǎn)數(shù)量;n為線路節(jié)點(diǎn)總數(shù),Rk+jXk為節(jié)點(diǎn)k和k-1之間的阻抗。

由于PL,i、QL,i均為正數(shù),所以沿著線路末端節(jié)點(diǎn)電壓之間降低,當(dāng)0-j之間的節(jié)點(diǎn)i有分布式光伏電源接入時,式(1)變?yōu)槭?2)。

(2)

式中:PPV表示分布式光伏電源出力。

當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)接入分布式光伏電源后電壓抬升,若沿著線路不斷地有分布式光伏電源接入,將造成線路節(jié)點(diǎn)電壓不斷上升,最終導(dǎo)致電壓越限。

2 模型建立

2.1 分時電價優(yōu)化模型

建立基于提升用戶用電功率和降低用電成本的分時電價多目標(biāo)優(yōu)化模型,第一個目標(biāo)函數(shù)F1為1個調(diào)度周期內(nèi)用戶響應(yīng)分時電價后總的凈用電功率最大,第二個目標(biāo)函數(shù)F2為1個調(diào)度周期內(nèi)用戶總用電成本最小,具體表達(dá)式如下:

(3)

(4)

用戶通過智能終端決定是否響應(yīng)分時電價及調(diào)整用電功率的大小,本文設(shè)定平時段電價與優(yōu)化前電價相同,因此,對電價進(jìn)行優(yōu)化需滿足式(5)—(7)的約束條件。

(5)

式(6)為峰谷時段電價比約束。

(6)

式(7)為峰谷時段電價上下限約束。

(7)

2.2 分布式光伏最大消納模型

以2.1小節(jié)優(yōu)化得到的配電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)用戶各時段用電功率為基礎(chǔ),建立系統(tǒng)最大光伏消納量優(yōu)化模型,具體目標(biāo)函數(shù)為

(8)

模型約束條件如下:

1)線路潮流約束。

(9)

2)節(jié)點(diǎn)電壓約束。

Vmin≤Vi,t≤Vmax

(10)

式中:Vmin,Vmax為節(jié)點(diǎn)電壓允許的下/上限。

3)線路傳輸容量約束。

(11)

上述建立的2個優(yōu)化模型均為非線性優(yōu)化模型,本文采用NSGA-II算法求解第1個模型,用NSGA算法求解第2個模型,2種算法見文獻(xiàn)[13-14]。

3 算例分析

以廣西百色市某一分布式光伏滲透率較高的10 kV配電系統(tǒng)對上述模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證[15]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分布式光伏電源接入點(diǎn)如圖2所示,線路參數(shù)、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷和光伏消納容量如表1、表2所示。選取某一典型日負(fù)荷曲線作為算例中用戶響應(yīng)分時電價前的用電負(fù)荷,負(fù)荷曲線和光伏出力曲線如圖3所示。設(shè)定優(yōu)化前電價為η0=0.49(元/kW·h)。

表1 10 kV配網(wǎng)算例線路參數(shù)

表2 10 kV配網(wǎng)算例節(jié)點(diǎn)平均負(fù)荷及光伏消納量數(shù)據(jù)

圖2 含分布式光伏的10 kV配電系統(tǒng)

圖3 負(fù)荷曲線和分布式光伏出力曲線

3.1 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析

將上述數(shù)據(jù)代入分時電價優(yōu)化模型計算,可以得到如圖4所示的Pareto解集。從圖中可以看出隨著用戶總用電量的增加,總用電費(fèi)用先略有降低,然后增加,這是因?yàn)閷﹄妰r優(yōu)化后,用戶將用電功率集中在電價較低時段,出于提高用電總量的目的,配電網(wǎng)運(yùn)營商將負(fù)荷高峰期電價進(jìn)一步降低,所以開始階段總用電費(fèi)用隨用電量增加反而下降,但由于谷時段電價存在下限且可轉(zhuǎn)移負(fù)荷也存在下限,因此,隨著用電量越來越多,總用電費(fèi)用和用電量成正比地增加。

圖4 多目標(biāo)優(yōu)化模型計算結(jié)果

選擇圖4中曲線最低點(diǎn)作為折中最優(yōu)解,得到峰、谷、平各時段劃分分時電價結(jié)果,如表3所示,優(yōu)化后用戶總用電負(fù)荷曲線如圖5所示。從表3和圖5可以看出,在負(fù)荷高峰期,由于負(fù)荷調(diào)度潛力大,優(yōu)化過程中將此時段負(fù)荷盡可能提升,并將電費(fèi)降至最低,同時達(dá)到增大用電功率和降低用電費(fèi)用的目的,從圖5的優(yōu)化后負(fù)荷曲線可以看出,雖然曲線峰谷差增大,但負(fù)荷增多的時段集中于光伏出力峰時段,恰好可以促進(jìn)光伏電量的消納。

表3 優(yōu)化前后時段劃分及相應(yīng)電價

圖5 電價優(yōu)化前后負(fù)荷曲線對比

3.2 光伏電量最大消納模型優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)3.1節(jié)優(yōu)化得到的用戶用電曲線,代入分布式光伏消納優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化計算,選取部分節(jié)點(diǎn)光伏消納量提升結(jié)果,如表4所示(以13:00光伏上網(wǎng)功率為例,表中的電價優(yōu)化前光伏消納量指未經(jīng)分時電價優(yōu)化模型優(yōu)化,直接以分布式光伏消納優(yōu)化模型對光伏消納量進(jìn)行優(yōu)化得到的結(jié)果)。

表4 優(yōu)化電價后光伏消納量對比

分析表4的計算結(jié)果可以看出,經(jīng)電價優(yōu)化后,系統(tǒng)中間節(jié)點(diǎn)4,6,24等節(jié)點(diǎn)消納量提升幅度較小,線路末端的節(jié)點(diǎn)如22,28,29節(jié)點(diǎn)上漲幅度較大。仍以13:00為例,對系統(tǒng)進(jìn)行前推回代潮流計算,得到系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓分布如圖6所示。

圖6 電價優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)電壓對比

從圖中可以看出,電價優(yōu)化前,由于系統(tǒng)線路末端電壓較高,所以限制了光伏上網(wǎng)功率,依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定電壓上下限為1.06 p.u.,0.93 p.u.[16]。在線路的中間節(jié)點(diǎn)4,6,24,由于負(fù)荷較為集中,消耗抵消掉了光伏上網(wǎng)功率,使得節(jié)點(diǎn)電壓上升幅度較小而不至于越限,所以光伏消納量較大,而經(jīng)電價優(yōu)化后用戶負(fù)荷在分布式光伏出力的峰時段增加了用電量,可以抵消光伏功率,因此系統(tǒng)線路末端節(jié)點(diǎn)如22,28,29可以接納更多的光伏上網(wǎng)功率,處于系統(tǒng)“中樞”的節(jié)點(diǎn)4,6,24節(jié)點(diǎn)消納量提升較低的原因?yàn)樘幱凇爸袠小蔽恢?這3個節(jié)點(diǎn)起到匯聚和分配功率的作用。根據(jù)潮流計算,節(jié)點(diǎn)6至節(jié)點(diǎn)7之間線路潮流為(4813+j2855)kV·A,本文設(shè)置線路容量上限為6 000 kV·A,由于電價優(yōu)化前線路已存在較高的傳輸容量,所以即使電價優(yōu)化后由于線路傳輸容量的限制,3個節(jié)點(diǎn)光伏消納量能夠提升的幅度較小,其他節(jié)點(diǎn)和線路情況類似,這里不再列出。綜合以上分析,限制線路末端節(jié)點(diǎn)光伏消納量是電壓越限問題,而位于系統(tǒng) “中樞”的節(jié)點(diǎn)限制光伏消納量是線路過載問題,經(jīng)電價優(yōu)化后線路末端節(jié)點(diǎn)可以消納更多光伏電量以提高光伏整體消納量。

3.3 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷量對光伏消納量影響分析

為分析用戶可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例α對分布式光伏消納量的影響,將α值設(shè)置為10%,20%,30%,40%,同樣以13:00計算結(jié)果為例,如表5所示。

表5 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例對光伏消納量對比

從表5可以看出,隨著用戶可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例的增加,系統(tǒng)對分布式光伏的消納量也隨著上升,這是由于可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例增大之后,用戶將更多負(fù)荷轉(zhuǎn)移至分布式光伏出力峰時段,提高了消納量。表5計算結(jié)果說明,隨著越來越多柔性負(fù)荷接入配電網(wǎng),合理的調(diào)整電價引導(dǎo)用戶用電,將有利于提高配電網(wǎng)系統(tǒng)對清潔能源的消納量,使系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié) 論

針對高比例分布式光伏接入配電網(wǎng)造成節(jié)點(diǎn)過電壓限制光伏電量消納問題,提出利用分時電價引導(dǎo)用戶將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至光伏出力峰時段,以提高光伏消納量,得到以下結(jié)論:

1)通過優(yōu)化分時電價引導(dǎo)用戶調(diào)整用電行為。隨著用戶用電量上升,用戶用電費(fèi)用先下降后上升,因此需合理地選擇優(yōu)化電價,才能同時消納光伏電量和降低用戶用電成本。

2)通過優(yōu)化電價調(diào)整用戶用電行為后得到的負(fù)荷曲線在分布式光伏出力峰時段用電量增多,既提高了光伏消納量,又降低節(jié)點(diǎn)電壓越限風(fēng)險。

3)隨著用戶可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例的上升,配電網(wǎng)系統(tǒng)光伏消納量也隨之上升,表明隨著越來越多柔性負(fù)荷接入配電網(wǎng)系統(tǒng)將有助于光伏消納,促進(jìn)系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。