孫 可,楊 翾,徐祥海,衛(wèi) 煒,張祿亮,陳佳佳
(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司 浙江華云電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,浙江 杭州 310000;2.國(guó)網(wǎng)杭州供電公司,浙江 杭州 310016;3.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510640;4.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255049)
在“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)下,分布式光伏(Distributed Photovoltaic,DPV)因其資源豐富、環(huán)境優(yōu)化、安全可靠等優(yōu)點(diǎn),得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1],[2]。隨著DPV在配電網(wǎng)中大規(guī)模接入,打破了配電網(wǎng)原有的單相供電模式[3],DPV輸出功率的變化加劇了配電網(wǎng)凈負(fù)荷功率波動(dòng),致使系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)資源需求激增,配電設(shè)備運(yùn)行效率低、投資費(fèi)用高;當(dāng)靈活性調(diào)節(jié)資源不足時(shí),容易造成電能質(zhì)量下降、供電可靠性降低等問題。另外,DPV無(wú)序接入極易引起網(wǎng)絡(luò)堵塞、配電網(wǎng)反調(diào)峰問題,不利于配電網(wǎng)整體的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
儲(chǔ)能系統(tǒng)(Energy Storage System,ESS)具有快速響應(yīng)以及對(duì)功率進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)的能力。ESS能夠在不同時(shí)刻提供充放電服務(wù),將發(fā)電峰值時(shí)段的電能轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)期,具有提高可再生能源的就地消納、緩解網(wǎng)絡(luò)堵塞、降低配電網(wǎng)凈負(fù)荷波動(dòng)等諸多優(yōu)勢(shì)[4],[5]。將ESS和DPV相結(jié)合,能夠降低大規(guī)模DPV接入對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響,在提高自平衡度、平滑負(fù)荷曲線和削減峰值負(fù)荷方面發(fā)揮積極作用。
DPV和ESS的安裝位置和運(yùn)行方式直接影響配電網(wǎng)可靠運(yùn)行與靈活性提升[6]。對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多的配電網(wǎng)系統(tǒng),若采用集中式優(yōu)化方法,會(huì)造成系統(tǒng)可靠性降低和運(yùn)行靈活性不足等問題。因此,對(duì)于含有分布式電源的配電網(wǎng)系統(tǒng),適合采用分區(qū)控制方法,即將整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)虛擬聚合為多個(gè)微電網(wǎng)群,每個(gè)虛擬微電網(wǎng)實(shí)行自治管理,通過(guò)對(duì)每個(gè)微電網(wǎng)的單獨(dú)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)的能量管理。采用合理的虛擬聚合指標(biāo)是進(jìn)行配電網(wǎng)分區(qū)控制的前提。文獻(xiàn)[7]基于電氣距離指標(biāo),采用粒子群算法實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無(wú)功分區(qū)。文獻(xiàn)[8]基于導(dǎo)納矩陣參數(shù)建立IEEE-39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分區(qū)模型,并通過(guò)聚類算法求解。文獻(xiàn)[9]基于電壓穩(wěn)定指標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建分區(qū)的內(nèi)外層,并通過(guò)圖層疊加,實(shí)現(xiàn)無(wú)功電壓分區(qū)。在一定區(qū)域內(nèi),將配電網(wǎng)虛擬聚合為多個(gè)微電網(wǎng),每個(gè)微電網(wǎng)實(shí)行自治管理的同時(shí),聯(lián)合形成互聯(lián)互供電的集群微電網(wǎng)系統(tǒng),可以降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本,提高配電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性[10]。靈活性反映了配電網(wǎng)充分統(tǒng)籌和利用系統(tǒng)內(nèi)可控資源,有效應(yīng)對(duì)運(yùn)行中的多重不確定性因素?cái)_動(dòng)并達(dá)到供需平衡,適應(yīng)各種復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境并維持安全穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的能力[11]。文獻(xiàn)[12]在一定時(shí)間尺度內(nèi),在考慮靈活性資源的調(diào)控成本基礎(chǔ)上,通過(guò)合理調(diào)度節(jié)點(diǎn)型和網(wǎng)絡(luò)型兩類靈活性資源,有效應(yīng)對(duì)電源和負(fù)荷的波動(dòng)性和不確定性,使系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到電力平衡和靈活性供需平衡,從而處于一個(gè)兼具經(jīng)濟(jì)性和靈活性的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。上述文獻(xiàn)的主要工作集中在虛擬聚合后的功率控制和電壓控制,而未考慮配電網(wǎng)虛擬聚合和已聚合形成微電網(wǎng)的功率交互共同作用對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行靈活性的影響。
本文提出了基于虛擬聚合的多微電網(wǎng)功率交互提升配電系統(tǒng)運(yùn)行靈活性方法,靈活性指標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)損耗和系統(tǒng)運(yùn)行成本,在保證電力供需平衡的前提下,降低系統(tǒng)運(yùn)行成本與網(wǎng)絡(luò)損耗,同時(shí)平滑系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線。首先,綜合考慮負(fù)荷特性和配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提出基于ECS的微電網(wǎng)虛擬聚合方法,將一個(gè)配電網(wǎng)虛擬聚合為多個(gè)微電網(wǎng),通過(guò)對(duì)每個(gè)微電網(wǎng)的單獨(dú)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)的能量管理與靈活性提升。然后,構(gòu)建了多微電網(wǎng)功率交互提升系統(tǒng)靈活性模型,提出多目標(biāo)進(jìn)化捕 食 策 略 (Multiple Preys-based Evolutionary Predator and Prey Strategy,MPEPPS)求解多目標(biāo)優(yōu)化模型,并確定分布式發(fā)電機(jī)組在虛擬微電網(wǎng)中的最優(yōu)位置和功率輸出。
微電網(wǎng)虛擬聚合是根據(jù)空間、功能或結(jié)構(gòu)等綜合指標(biāo)將配電網(wǎng)劃分為多個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)。針對(duì)配電網(wǎng)虛擬聚合形成微電網(wǎng)問題,本文綜合節(jié)點(diǎn)的阻抗特性和傳輸容量,構(gòu)建基于ECS的虛擬聚合方法,具體描述如下:
對(duì)于給定的網(wǎng)絡(luò)G=(V,L),其中V為節(jié)點(diǎn)的數(shù)目,L為支路的數(shù)目。假設(shè)節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重為Wij,則網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鄰接矩陣A=[aij]可表示為
Newman分區(qū)算法能夠自動(dòng)生成最佳分區(qū)數(shù)目而不需要提前設(shè)定[13],已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)集群劃分[10],[14]。本文采用Newman算法對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行虛擬聚合。假設(shè)Cij和Zij分別為節(jié)點(diǎn)i和j的傳輸容量和阻抗參數(shù),本文定義節(jié)點(diǎn)間的ECS為ECSij=Cij/Zij。結(jié)合鄰接矩陣A,網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)i的度可表示為ki=∑jAij。若將配電網(wǎng)虛擬聚合為多個(gè)微電網(wǎng),節(jié)點(diǎn)i和j分別位于各自的微電網(wǎng)di和dj,則量化參數(shù)定義為
式中:若di=dj,則δ(di,dj)=1;否則,δ(di,dj)=0。
結(jié)合節(jié)點(diǎn)間的ECS函數(shù),節(jié)點(diǎn)的度可更新為Ei=∑VjECSij,則配電網(wǎng)虛擬聚合的量化參數(shù)為
Qe為配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)間電氣關(guān)聯(lián)強(qiáng)度與配電網(wǎng)虛擬聚合形成的微電網(wǎng)中電氣關(guān)聯(lián)強(qiáng)度分布概率的差值,其值越大,說(shuō)明各個(gè)虛擬微電網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間電氣關(guān)聯(lián)越緊密。因此,通過(guò)尋求Qe的最優(yōu)值,將配電網(wǎng)虛擬聚合為多個(gè)微電網(wǎng),保證每個(gè)集群內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電氣關(guān)聯(lián)緊密。
在一定區(qū)域內(nèi),將配電網(wǎng)虛擬聚合為多個(gè)微電網(wǎng),多個(gè)相鄰的微電網(wǎng)組成一個(gè)互聯(lián)互通的功率交互系統(tǒng)。當(dāng)某一個(gè)微電網(wǎng)存在功率缺額或剩余時(shí),可以安排其他的微電網(wǎng)為該微電網(wǎng)提供能量供應(yīng)或消納服務(wù),通過(guò)這種方式,能量可在多微電網(wǎng)間共享與互補(bǔ)。多微電網(wǎng)功率交互能夠有效利用不同區(qū)域多類型資源,發(fā)揮能量互濟(jì)的作用,實(shí)現(xiàn)新能源的就地消納,減少網(wǎng)絡(luò)堵塞,在提高自平衡度、提升新能源滲透率、平滑負(fù)荷曲線、降低峰谷差和削減峰值負(fù)荷等方面具有重要意義。
本文構(gòu)建以支路功率損耗和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為靈活性指標(biāo)的多微電網(wǎng)功率交互提升系統(tǒng)靈活性模型,以確定各個(gè)聚合微電網(wǎng)中分布式電源的最優(yōu)位置和輸出功率,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)的能量管理。
多目標(biāo)模型為
式中:Ploss和CDN分別為配電網(wǎng)的功率損耗和運(yùn)行成本;Pl,Ql,Vl和Rl分別為第i條支路的有功功率、無(wú)功功率、電壓幅值和電阻;CDPV,CESS,CH和CPS分別為DPV成本、儲(chǔ)能系統(tǒng)成本、購(gòu)電成本及上網(wǎng)收益。
DPV成本由光伏的投資成本和維護(hù)成本組成,其表達(dá)式為
虛擬微電網(wǎng)中的ESS成本由儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本和維護(hù)成本組成,主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命、單位容量和投資成本等因素組成,即:
功率交互成本為
DPV上網(wǎng)收益為
式中:IPV為DPV單位功率的上網(wǎng)收益。
在多微電網(wǎng)功率交互提升系統(tǒng)靈活性優(yōu)化模型中,還須考慮功率、電壓、儲(chǔ)能等運(yùn)行約束,以確保配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,其中功率平衡約束為
式中:Pi和Qi分別為節(jié)點(diǎn)i注入的有功功率和無(wú)功功率;Ui和Uj為節(jié)點(diǎn)的電壓幅值;Gij和Bij分別為節(jié)點(diǎn)i和j間的支路電導(dǎo)和電納;θij為節(jié)點(diǎn)i和j間的電壓相角差。
電壓和支路功率約束:
儲(chǔ)能系統(tǒng)充放功率及SOC約束:
每個(gè)虛擬微電網(wǎng)可等效為一個(gè)可調(diào)度的發(fā)電機(jī),具有雙向功率流,并在其整體上進(jìn)行調(diào)度。為避免使用負(fù)值變量,定義了4個(gè)變量來(lái)表示t時(shí)刻單個(gè)微電網(wǎng)交互的功率:從其他的微電網(wǎng)購(gòu)電的功率、向其他的微電網(wǎng)售電的功率、從電網(wǎng)購(gòu)電的功率以及向電網(wǎng)售電的功率。
考慮到虛擬微電網(wǎng)不能同時(shí)進(jìn)行購(gòu)電和售電,因此,對(duì)于單個(gè)微電網(wǎng)任意時(shí)刻都要滿足如下約束:
式中:h和k為虛擬微電網(wǎng)的編號(hào);t為時(shí)間變量;T為運(yùn)行周期;uh,k,t和sh,k,t分別為t時(shí)刻微電網(wǎng)h和k進(jìn)行購(gòu)電,售電的功率交互狀態(tài);αk,t和βk,t分別為微電網(wǎng)與電網(wǎng)進(jìn)行購(gòu)電和售電的功率交互狀態(tài),若uh,k,t=sh,k,t=0,則微電網(wǎng)h和微電網(wǎng)k不存在功率交互;若僅uh,k,t或sh,k,t等于1,則微電網(wǎng)h和k存在功率交互。若αk,t=βk,t=0,微電網(wǎng)與電網(wǎng)不存在功率交易;若αk,t或βk,t等于1,則微電網(wǎng)k與電網(wǎng)存在功率交互。每個(gè)虛擬微電網(wǎng)在同一時(shí)刻既可以與其他微電網(wǎng)進(jìn)行功率交互,又可以與電網(wǎng)進(jìn)行能量交易[15]。
由于線路容量和逆變器接口的技術(shù)限制,交換功率不能超過(guò)相應(yīng)的功率限制。
微電網(wǎng)h從微電網(wǎng)k購(gòu)電的功率與微電網(wǎng)k向微電網(wǎng)h售電的功率相同。
為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)基于虛擬聚合的多微電網(wǎng)功率交互提升配電系統(tǒng)的靈活性,本文引入了自平衡度、負(fù)荷曲線平滑度、峰谷差和峰補(bǔ)償4個(gè)技術(shù)指標(biāo)。自平衡度函數(shù)Zk反映分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷的供應(yīng)情況以及虛擬微電網(wǎng)間的自治能力,具體參考文獻(xiàn)[16]。表征負(fù)荷曲線平滑度函數(shù)的負(fù)荷因子F1、負(fù)荷曲線的峰谷差函數(shù)F2和凈負(fù)荷的峰補(bǔ)償函數(shù)F3詳見文獻(xiàn)[17],此處不再贅述。
為了驗(yàn)證所提模型的性能,在典型的IEEE-33節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真研究。圖1給出了基于虛擬聚合的多微電網(wǎng)功率交互優(yōu)化模型的流程圖,MPEPPS及單目標(biāo)優(yōu)化算法EPPS的詳細(xì)介紹詳見文獻(xiàn)[17],[18]。
圖1 基于虛擬聚合的多微電網(wǎng)功率交互模型流程Fig.1 Flow chart of multi-microgrid power interaction model based on virtual aggregation
本文采用啟發(fā)式約束處理技術(shù)來(lái)保證算法更新解滿足系統(tǒng)約束條件,該技術(shù)描述詳見文獻(xiàn)[18],此處不再贅述。IEEE-33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的最大峰值負(fù)荷為3 715 kW和2 300 kVar,每小時(shí)負(fù)荷占峰值負(fù)荷的百分比和太陽(yáng)輻射預(yù)測(cè)值如圖2所示。
圖2 日負(fù)荷曲線Fig.2 Daily demand curve
本文根據(jù)ECS作為虛擬聚合的結(jié)構(gòu)指標(biāo),通過(guò)EPPS算法得到最優(yōu)的聚合結(jié)果。IEEE-33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)虛擬聚合的結(jié)果如圖3所示。
圖3 IEEE-33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)劃分結(jié)果Fig.3 The partition result of IEEE-33 bus system
由圖3可知,該系統(tǒng)集群形成4個(gè)虛擬微電網(wǎng),集群1包含節(jié)點(diǎn)1,18,19,20和21,集群2包含節(jié)點(diǎn)2,3,4,22,23和24,集群3包含節(jié)點(diǎn)5~17,25,26,27,28,29,集群4包含節(jié)點(diǎn)30,31和32。
當(dāng)虛擬聚合完成之后,將配電網(wǎng)的劃分結(jié)果作為優(yōu)化DG位置的約束條件,通過(guò)求解上述多目標(biāo)優(yōu)化模型來(lái)確定每個(gè)集群中DG的安裝位置和輸出功率。通過(guò)MPEPPS算法得到的帕累托前沿如圖4所示。橫軸和縱軸分別為配電網(wǎng)的運(yùn)行成本和功率損耗。從圖中可以看出,較小的功率損耗將面臨較高的運(yùn)行成本,必須同時(shí)考慮配電網(wǎng)的運(yùn)行成本和功率損耗,以得到最優(yōu)的DG安裝位置和輸出功率。
圖4 通過(guò)MPEPPS得到的最優(yōu)帕累托前沿Fig.4 The best Pareto front obtained by MPEPPS
通過(guò)MPEPPS算法得到帕累托解后,采用多屬性決策方法(Technique for Order Ppreference by Similarity Ideal Solution,TOPSIS)獲得最優(yōu)的配置方案。最優(yōu)解已在圖4中標(biāo)出,最優(yōu)的運(yùn)行成本和功率損耗分別為4 919.181 0萬(wàn)元和10 222.84 kW。此外,為驗(yàn)證MPEPPS算法的有效性,表1給出了多目標(biāo)粒子群算法(Multi-objective Particle Swarm Optimization,MPPSO)[20]和多目標(biāo)群體搜索算 法 (Multi-objective Group Search Optimizer,MPGSO)[21]在TOPSIS決策算法下的最優(yōu)結(jié)果。值得一提的是,MPPSO和MPGSO的約束處理技術(shù)也是參考文獻(xiàn)[21]。
表1 MPPSO,MPGSO和MPEPPS仿真結(jié)果Table 1 Simulation results obtained by MPPSO,MPGSO and MPEPPS
由表1可以看出,在求解本文所提模型方面,MPEPPS明顯優(yōu)于MPPSO和MPGSO。
為了評(píng)價(jià)所提模型的靈活性,引入自平衡度指標(biāo)。圖5顯示了考慮虛擬聚合和DG、僅考慮DG和僅考慮虛擬聚合3種情況自平衡度的對(duì)比情況。
圖5 不同情況下不同集群的自平衡度Fig.5 The self-balance degree of various clusters in different cases
由圖5可以看出,本文所提模型的自平衡度大于其他兩種情況。這表明對(duì)配電網(wǎng)實(shí)行分區(qū)控制后,促進(jìn)了DPV的功率輸出和集群間的功率交互,減少了從大電網(wǎng)購(gòu)電的功率,提高了虛擬微電網(wǎng)的自主性。同時(shí),計(jì)算了集群間有無(wú)功率交互情況下,DPV系統(tǒng)輸出功率的情況。當(dāng)集群間不存在功率交互時(shí),DPV輸出功率滲透率為8.34%;當(dāng)集群間存在功率交互時(shí),DPV輸出功率滲透率提高為10.19%。因此,本文所提的多微電網(wǎng)功率交互模型,能有效整合可再生能源,提高可再生能源的滲透率。
每個(gè)虛擬微電網(wǎng)中DG最優(yōu)安裝位置分別為節(jié)點(diǎn)18,23,6和31(圖3)。不同虛擬集群中DPV系統(tǒng)的功率輸出如圖6所示。
圖6 在不同集群中DPV的功率輸出Fig.6 The output of DPV in different clusters
由圖6可以看出,DPV在1:00-7:00和18:00-00:00沒有功率輸出,因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)段沒有太陽(yáng)輻射輸入,主要通過(guò)ESS和購(gòu)電滿足負(fù)荷需求。
圖7給出了集群1~4中ESS的功率輸出。
圖7 在不同集群中ESS的功率輸出Fig.7 The output of ESS in different clusters
由圖7可知,集群3中ESS的功率波動(dòng)較大,而其他集群中ESS的貢獻(xiàn)相對(duì)均勻,這是因?yàn)榧?比其他集群包含更多的節(jié)點(diǎn)和負(fù)荷,需要ESS更多的功率輸出參與功率平衡。
為了定量分析所提模型對(duì)凈負(fù)荷曲線改善的影響,引入了負(fù)荷因子F1、峰谷差F2和峰補(bǔ)償F3,3個(gè)指標(biāo)因子。負(fù)荷因子和峰谷差分別用于評(píng)價(jià)負(fù)荷曲線的平滑度和峰谷距離比,峰補(bǔ)償則為了表明峰值減少的標(biāo)準(zhǔn)化量。表2列出了考慮與不考慮虛擬聚合的負(fù)荷曲線特征。表3列出了考慮與不考慮功率交互的負(fù)荷曲線特征。
表2 考慮和不考慮虛擬聚合的負(fù)荷曲線特征Table 2 Characteristics of the load curve with and without virtual aggregation %
由表2可以看出,考慮虛擬聚合后,凈負(fù)荷曲線的平滑度由84.01%提高到84.22%,峰谷差由原來(lái)的34.77%下降到31.12%。由表3可以看出,考慮功率交互后,凈負(fù)荷曲線的平滑度由82.23%提高到84.22%,峰谷差由原來(lái)的42.34%下降到31.12%,這表明配電網(wǎng)分區(qū)控制和集群功率交互能夠降低凈負(fù)荷的波動(dòng)。同時(shí),分區(qū)之后,峰補(bǔ)償指標(biāo)為9.77%,集群功率交互后,峰補(bǔ)償指標(biāo)為4.53%,這表明配電網(wǎng)分區(qū)控制和集群功率交互起到了削峰的效果。
為減少大規(guī)模DPV接入對(duì)配電系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的影響,本文提出了一種基于虛擬聚合的多微電網(wǎng)功率交互提升配電系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的方法,并通過(guò)MPEPPS算法求解該模型,通過(guò)確定最優(yōu)DG的位置和多微電網(wǎng)交互功率,改善配電系統(tǒng)自平衡度和凈負(fù)荷曲線,并得出以下結(jié)論。①基于ECS指標(biāo)的虛擬聚合策略,將配電網(wǎng)虛擬聚合為4個(gè)微電網(wǎng)群,通過(guò)對(duì)每個(gè)微電網(wǎng)的單獨(dú)控制,提高了微電網(wǎng)的自主性和配電網(wǎng)的自平衡度,進(jìn)而促進(jìn)了配電網(wǎng)的靈活性提升。此外,當(dāng)微電網(wǎng)群間存在功率交互時(shí),DPV輸出功率的滲透率由8.34%提高為10.19%,顯著提高了可再生能源的滲透率和就地消納能力。②構(gòu)建考慮功率損耗和運(yùn)行成本的多虛擬微電網(wǎng)交互的優(yōu)化調(diào)度模型,得到了DG在微電網(wǎng)中的最優(yōu)位置和最優(yōu)功率輸出。配電網(wǎng)分區(qū)控制有效改善了凈負(fù)荷曲線的波動(dòng),將凈負(fù)荷曲線的平滑度由84.01%提高到84.22%,峰谷差由原來(lái)的34.77%下降到31.12%,峰補(bǔ)償提高了9.77%。因此,所提模型在平滑負(fù)荷曲線、降低峰谷差和削減峰值負(fù)荷方面,實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的靈活性提升。