劉洋 劉吉成
摘要:為了提升分布式光伏資源利用率,提高時均用電效率,提出大數(shù)據(jù)聯(lián)盟下分布式光伏資源共享算法。依據(jù)光伏發(fā)電-電-用電價(jià)值鏈建立資源共享目標(biāo),并在約束條件下利用線性電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型建立主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇矩陣,劃分資源共享集群。針對集成的分布式光伏資源,依據(jù)大數(shù)據(jù)聯(lián)盟理論,將資源共享分為兩種資源共享模式,建立資源共享動態(tài)模型,實(shí)現(xiàn)資源共享。結(jié)果表明,所提方法的資源共享效果較好,能夠有效提升資源利用率,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞:分布式光伏資源;資源共享;價(jià)值鏈;資源利用率;時均用電效率
中圖分類號:TM73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1000-1646(2024)01-0109-06
隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,人們對于能源的需求不斷增長,引發(fā)了越來越多的環(huán)境問題。以非可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)無法滿足環(huán)保需求,因此,人們將目光轉(zhuǎn)移向風(fēng)力、光伏、水電等清潔能源,尤其是光伏資源具有分布范圍廣、開發(fā)潛力大等特點(diǎn),成為最受到關(guān)注的能源??紤]到光伏能源的分散性,分布式光伏資源的集中共享成為亟待解決的問題之一。
相關(guān)學(xué)者提出了自己的看法:羅首權(quán)等根據(jù)可調(diào)度資源的歸屬主體,明確區(qū)域可調(diào)度資源種類,在保證主體利益平衡的基礎(chǔ)上,建立以用電滿意度最高為目標(biāo)的雙層優(yōu)化共享模型。通過目標(biāo)級聯(lián)分析法不斷調(diào)整調(diào)度資源量,實(shí)現(xiàn)分布式資源的集中分配。但是,該算法需要調(diào)度大量聯(lián)動的硬件資源,運(yùn)行成本較高,時均用電效率較低。付文杰等為了解決分布式資源集中共享問題,設(shè)計(jì)一種雙層規(guī)劃模型,該模型能夠?qū)崿F(xiàn)分布式資源容量優(yōu)化。雖然方法按照強(qiáng)對偶理論將規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)公式進(jìn)行求解,但是方法以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),要求執(zhí)行過程不能中斷,導(dǎo)致其抗干擾能力較差。陳瑞捷等從光伏出力不確定性人手,設(shè)計(jì)一種以模糊集理論為核心的兩階段調(diào)度模型。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)資源調(diào)度的約束條件后,優(yōu)化調(diào)度模型,得到合理的資源共享方案。但是,該方法分階段調(diào)度過程中相互之間缺少協(xié)調(diào)機(jī)制,應(yīng)用后資源利用率依舊較低。以解決上述共享算法的不足為目標(biāo),本文基于大數(shù)據(jù)聯(lián)盟理論,設(shè)計(jì)了一種分布式光伏資源集成共享算法,力圖解決當(dāng)前存在的問題。
1 算法設(shè)計(jì)與應(yīng)用
1.1 建立光伏資源共享目標(biāo)約束條件
在資源集成共享算法設(shè)計(jì)中,首先需要建立共享目標(biāo)約束條件,在此基礎(chǔ)上完成后續(xù)計(jì)算。針對分布式光伏資源的運(yùn)行模式,可以得出光伏發(fā)電一儲能一用電價(jià)值鏈。資源共享目標(biāo)約束條件的建立需要從價(jià)值鏈節(jié)點(diǎn)活動人手。光伏發(fā)電-儲能-用電價(jià)值鏈節(jié)點(diǎn)之間的互動關(guān)系如圖1所示。
根據(jù)圖1可知,在價(jià)值鏈中通過光伏節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電,為儲能節(jié)點(diǎn)、用電節(jié)點(diǎn)提供能源支持。而儲能節(jié)點(diǎn)的主要職能是保存日常供電后剩余的光伏資源,也是資源共享的主體。以此為基礎(chǔ)建立目標(biāo)約束條件,具體包括兩個優(yōu)化目標(biāo),分別是能源交易總利潤和用電效率。
實(shí)際計(jì)算過程中,選取固定時間段,根據(jù)資源共享收益和光伏資源產(chǎn)生成本得到資源共享總利潤,計(jì)算表達(dá)式為
式中:λ為光伏資源共享總利潤;M為配電網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)量;i為某用戶;T為集中共享時間段;t為時刻;,為用戶在選定時刻通過共享向外輸出的資源量;B為用戶在選定時刻通過共享向內(nèi)輸入的資源量。
用電效率是所有用戶總用電量與光伏資源總發(fā)電量之比,需要注意的是總用電量的計(jì)算需要用總用電量減去外部買入電量,即
式中:θ為用電效率;F為光伏電網(wǎng)用電量;J為光伏資源發(fā)電量;D為從外部電網(wǎng)購買電量。在上述兩個共享目標(biāo)的約束下進(jìn)行光伏資源集中共享研究。
1.2 分布式光伏資源共享集群劃分
考慮到分布式光伏資源會受到外界因素干擾,存在不確定性,為了達(dá)到更好的資源共享效果,針對分布式光伏集群進(jìn)行動態(tài)劃分,實(shí)現(xiàn)光伏資源集成處理。文中設(shè)計(jì)的光伏集群劃分方法主要包括兩個環(huán)節(jié):一是主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇;二是集群劃分?;诠夥Y源共享區(qū)域的電壓偏差調(diào)節(jié)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的無功電源出力,選取區(qū)域內(nèi)二次指標(biāo)最小的節(jié)點(diǎn)為主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算過程中,利用線性電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型建立主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇矩陣,結(jié)合靈敏度矩陣進(jìn)行線性處理,便于集群劃分計(jì)算,規(guī)?;植际焦夥潆娋W(wǎng)線性化矩陣可表示為
式中:S1、S2、S3、S4為節(jié)點(diǎn)靈敏度矩陣;AX為擾動增量;△Y為控制增量;△C為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓增值;△V為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)無功功率的變化量??紤]到光伏資源共享區(qū)域內(nèi)往往包含多個負(fù)荷節(jié)點(diǎn),為了準(zhǔn)確選取主導(dǎo)節(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)η的目標(biāo)約束條件G為
η(G)=min(φ△C△V) (4)
式中,φ為對稱權(quán)值。主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)束后,需要根據(jù)分布式光伏的調(diào)節(jié)能力、響應(yīng)速度等特點(diǎn)進(jìn)行集群劃分,分布式光伏場站的可調(diào)容量是集群成員選取的依據(jù)。將光伏并網(wǎng)逆變器感性無功功率約束區(qū)間表示為
2 共享效果驗(yàn)證與分析
2.1 實(shí)驗(yàn)背景與場景設(shè)置
在分布式光伏規(guī)?;l(fā)展、多點(diǎn)接人配電網(wǎng)的發(fā)展背景下可知,分布式光伏資源共享的關(guān)鍵問題在于共享集群劃分,因此,要充分考慮資源共享區(qū)域內(nèi)電壓偏差問題,搭建“高光伏出力、低系統(tǒng)負(fù)荷”場景驗(yàn)證所提方法的有效性與可行性。采用MATLAB仿真軟件搭建分布式光伏的典型配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
由圖2可知,運(yùn)用MATLAB軟件搭建的仿真模型中共包含38個可觀測節(jié)點(diǎn),9個光伏電源以及1個變電站。參考分布式光伏的接入電壓規(guī)模,可以將其劃分為35kV、10kV、380V以及220V四個等級。按照集群劃分結(jié)果,對配電網(wǎng)內(nèi)分布式光伏資源進(jìn)行集成共享處理。配電網(wǎng)內(nèi)分布式光伏電源的接入信息如表1所示。
根據(jù)表1可知,本次實(shí)驗(yàn)從裝機(jī)容量、通信方式兩方面描述光伏接入狀態(tài)。其中,觀測節(jié)點(diǎn)16、27、29、35所接入的光伏電源采用無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信,其余光伏電源的通信方式則是光纖通信。結(jié)合國家制定的供電標(biāo)準(zhǔn),在測試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中,設(shè)置每個觀測節(jié)點(diǎn)的電壓標(biāo)值在[0.93,1.07]之間。
2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源
以國電電網(wǎng)電子商務(wù)公司的光伏運(yùn)維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)1.1節(jié)中建立的光伏資源共享目標(biāo)約束條件,從中抽取能源交易總利潤和用電效率相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。
2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
2.3.1 時均用電效率分析
在上述實(shí)驗(yàn)設(shè)置場景下,展開資源共享效果測試。結(jié)合式(2)得出資源共享后仿真系統(tǒng)的時均用電效率,并以此來反映文中設(shè)計(jì)算法的有效性。選用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法在仿真環(huán)境中進(jìn)行光伏資源共享處理,同樣計(jì)算優(yōu)化后24h系統(tǒng)時均用電效率,得到圖3所示的用電效率對比圖。
根據(jù)圖3可知,相比其他兩種共享方法的優(yōu)化結(jié)果,所提方法的時均用電效率得到了明顯提升。所提方法在資源共享處理之前劃分了分布式光伏資源共享集群,準(zhǔn)確選取主導(dǎo)節(jié)點(diǎn),有效提升了時均用電效率。
2.3.2 光伏資源利用率分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法分布式光伏資源集成共享效果,將資源利用率作為評價(jià)指標(biāo),以表1中分布式光伏節(jié)點(diǎn)16、20、23、29和35為目標(biāo),驗(yàn)證3種方法對上述節(jié)點(diǎn)的資源利用效果,結(jié)果如圖4所示。
根據(jù)圖4可知,所提方法的資源利用率高于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法,通過該方法處理后,光伏資源的利用率始終高于92%,說明其能夠有效提升光伏資源的利用效果,有利于緩解資源浪費(fèi)問題。所提方法結(jié)合分布式光伏的響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)能力等特點(diǎn)對光伏集群進(jìn)行了劃分,然后再進(jìn)行集成處理,提升了光伏資源利用率。
2.3.3 資源共享抗干擾效果分析
由于分布式光伏資源會受到外界因素干擾,存在不確定性,因此,從抗干擾效果出發(fā)驗(yàn)證不同方法的資源共享效果。通過電壓偏差反映抗干擾效果,其計(jì)算表達(dá)式為
式中:U為實(shí)際電壓;UN為電網(wǎng)標(biāo)稱電壓。根據(jù)式(15)計(jì)算得出不同方法的電壓偏差,結(jié)果如圖5所示。
根據(jù)圖5可知,在實(shí)驗(yàn)開始階段3種方法的電壓偏差變化趨勢明顯,其中,文獻(xiàn)[3]方法呈現(xiàn)出快速下降的特點(diǎn);文獻(xiàn)[4]方法呈現(xiàn)出快速上升的特點(diǎn);而所提方法的電壓偏差則保持在相對穩(wěn)定的變化區(qū)間。通過對比可知,所提方法的電壓偏差較為穩(wěn)定,說明在分布式光伏資源共享中,所提方法不易受到干擾因素的影響,抗干擾效果較好。本文針對分布式光伏集群進(jìn)行動態(tài)劃分,并結(jié)合靈敏度矩陣進(jìn)行線性處理,避免了傳統(tǒng)方法以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),要求執(zhí)行過程不能中斷的問題,使方法的抗干擾性能得到了提升。
3 結(jié)束語
針對分布式光伏資源的集成共享問題進(jìn)行研究,提出一種新的共享算法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,所提方法有效提升了配電網(wǎng)的時均用電效率,達(dá)到了提升光伏資源利用率的目的,同時提升了資源共享的抗干擾效果,說明所提方法的資源共享效果較好,能夠有效提升資源利用效果。下一步研究重點(diǎn)是將用戶不確定性因素融入到共享算法中,實(shí)現(xiàn)日前市場與實(shí)時市場的資源協(xié)調(diào)調(diào)度。
(責(zé)任編輯:景勇 英文審校:尹淑英)