主動配電系統與主網的有功協調

邵成成,王錫凡,王秀麗,杜超

(西安交通大學電力設備與電氣絕緣國家重點實驗室, 710049, 西安)

主動配電系統與主網的有功協調

邵成成,王錫凡,王秀麗,杜超

(西安交通大學電力設備與電氣絕緣國家重點實驗室, 710049, 西安)

針對現有主動配電系統優化運行研究局限于主動配電網內部而忽略了其與主網間聯系的問題,提出了一種主動配電網與主網的有功協調方法。基于奔德斯分解將協調調度問題轉化為分層優化問題,在上層實施發電調度優化主網運行,在下層調度分布式能源優化主動配電系統運行。通過上下層協調迭代,考慮主動配電系統運行策略對主網運行的影響,實現主動配電系統和主網間的有功協調。改編的IEEE-RTS算例表明:主動配電系統的運行策略會對主網運行產生顯著影響,甚至導致主網運行計劃無解,在研究和運行中需要考慮二者的協調;限制饋線功率波動的策略能保證主網運行計劃有解,但經濟性較差;所提的有功協調方法可行、有效,能顯著提升全系統的經濟性與安全性,可將算例系統的生產成本由638 326.62美元降至626 011.45美元。

主動配電網;主網;有功協調;奔德斯分解;分布式能源

分布式電源的廣泛接入和需求側響應是發展智能電網的重要內涵。分布式風電、光伏發電和電動汽車等分布式能源(DER)的廣泛接入將對電力系統各個層次的運行產生深刻影響,而配電網作為并網接口,所受影響最為直接,主動配電網[1-2]的概念應運而生。按照CIGRE C6的定義,主動配電網指可以通過靈活的網絡拓撲結構管理潮流以實現對局部DER主動控制和主動管理的配電系統[1],從功率平衡角度來說,它與傳統配電網的區別在于:后者被動接受功率、功率單向流動;分布式電源并網提供技術支持的微網,容量規模較小,強調功率的自給自足和內部自治,與主電網聯系不夠緊密。

主動配電網作為規模較大的公共服務配電網,為保證供電可靠性,通過饋線與主網相連,與主網功率聯系緊密,常態下不以孤島方式運行(見圖1)。在強調對DER開展主動控制與主動管理實現多電源雙向供電的同時,主動配電網實質上為零散分布的分布式電源以及可控負荷與主電網協調運行、參與電力市場提供了接口。隨著DER滲透率提高和電力市場的開放,主動配電網的這種接口管理作用將更加凸顯。

圖1 主動配電系統示意圖

主動配電網通過內部能量管理和優化運行,協調分布式發電和電動汽車等可控負荷,形成規模化的發電或其他形式的系統可調度資源,由饋線并入主網,參與主網和電力市場的運行。作為DER并入主電網的實際接口,饋線上的交換功率集中反映了主動配電網外在的功率特性。考慮到風電、光伏的隨機性,DER規模較大時,隨機波動的分布式電源出力將無法在主動配電網內部平衡、消納,饋線交換功率將在一定范圍內波動[3];DER規模進一步擴大時,也有可能出現文獻[4]中提到的配電網向主網反送功率的情形。交換功率的波動會對主網運行的經濟性產生影響,交換功率波動范圍過大時還會超出主網大型發電機的功率調節范圍,使主網運行困難。同時,主動配電網的運行策略還有可能會使主網線路潮流越限,影響主網運行的安全性。

諸多文獻對主動配電網的能量管理和日運行問題制定進行了研究[5-11],部分文獻還引入了長周期和短周期調整結合的方式來適應可再生能源出力的波動[9],但它們大都以主網電價確定、饋線交換功率可以任意取用為基本假設,忽略了主動配電網運行策略對主網運行經濟性和安全性的影響,也忽略了主網對其運行策略的限制。研究多個微電網協調運行的文獻[12]和研究主動配電網與下轄微電網的協調運行的文獻[11]描述了層面不同但性質相近的問題,然而它們尚不能從經濟性和安全性兩方面對此類問題進行完整考慮。

本文以饋線交換功率為聯系變量,考慮主動配電網能量管理策略對主網運行的影響,建立主動配電系統與主網的有功協調模型,并基于奔德斯分解設計了協調算法,以提升主網、主動配電網日運行計劃整體的經濟性與安全性。

1 有功協調模型

受風電、光伏等出力隨機波動DER的影響,饋線功率將呈現一定的隨機、波動性,而主網發電機調節速率有限,主網的運行策略將受到影響。隨著DER滲透率的提高和主動配電網技術的推廣,這種交互影響會更加顯著,因而有必要建立主動配電網和主網的協調調度模型。考慮到問題的復雜性和無功功率就地平衡的特點,本文重點關注二者的有功協調問題。

1.1 目標函數

以多場景模型描述主動配電系統中風電等可再生能源出力的隨機波動性,根據日前的概率性出力預測,通過模擬抽樣和場景削減技術,生成可再生能源出力場景[13],通過不同的場景和相應的概率描述可再生能源出力的隨機性。饋線功率的隨機波動本質上源于風電、光伏出力的隨機波動,因而饋線功率也可通過相應的多場景模型描述。

以整個系統生產成本最小為目標函數,可得

(1)

式中:s為場景指標;ps為場景s出現的概率;ug,t、Pg,t,s分別為主網中發電機組g的開機狀態和發電功率;fg為發電成本函數,通常包括燃料成本和啟停成本;fa為第a個主動配電網的日運行成本,計算如下

(2)

1.2 主網約束

主網約束包括系統潮流約束和主網發電機約束。本文采用直流潮流計算系統潮流,并考慮線路傳輸容量的限制條件

(3)

(4)

(5)

與機組組合問題類似,主網發電機需滿足最大、最小出力,最小開停機時間等運行約束,見文獻[14],不再贅述。考慮到饋線功率的隨機、波動性,還需要考慮主網發電機功率調節速率的約束條件

Pg,t,s1-Pg,t,s2≤ΔPgug,t

(6)

式中:ΔPg表示發電機的功率調節范圍。

1.3 主動配電網約束

主動配電網約束主要包括各DER的運行約束、配網運行約束和饋線容量約束。研究人員對主動配電網日運行問題已有較為深入的研究,建立了風電、光伏、儲能、熱電聯產機組等多種DER的模型[10-12],并考慮了網損、電壓等多種運行因素的影響[8-10]。

在DER建模方面,本文重點考慮電動汽車,出行是電動汽車的首要功能。電動汽車不僅要滿足設備的技術約束,還要滿足用戶出行需求,即

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式(7)、式(8)描述了最大充、放電功率約束;式(9)描述了儲能容量約束;式(10)描述儲能平衡,不僅與充放電過程有關,而且與用戶出行耗能有關;式(9)、式(10)共同保證了用戶出行需求的滿足;式(11)計算了電動汽車實際并網的負荷功率。

(12)

其他類型DER的約束可以參見文獻[10-12],此處不再詳述。

考慮到與主網協調調度問題的復雜性,在運行約束方面,我們僅考慮有功平衡

(13)

此外,不同場景下饋線功率均應滿足傳輸容量約束條件

(14)

2 算法設計與流程

由于DER種類數量繁多,而單個DER的容量規模遠小于主網中的大型發電機組,從數學角度分析,有功協調模型是一個變量繁多、約束復雜的數學規劃問題,難以直接求解。

因此,將有功協調模型抽象為如下形式

s.t.:h1(x,y)≤0

h2,a(ya,za)≤0

(15)

式中:x、ya和za分別表示主電網運行變量、主網與第a個主動配電網聯結的饋線交換功率和第a個主動配電網內部的運行變量。如式(15)所示,有功協調問題由主網有功運行問題和Nadn(表示主網接受主網供電的主動配電網數目)個并行的主動配電網優化運行問題組成。這兩類問題相對獨立,通過饋線功率yai相互關聯。

采用奔德斯分解法[15]求解上述問題,首先忽略與主動配電網相關的約束h2,求解上層主問題(即主網問題),即

minf(x)+vsum(β)

s.t.:h1(x,y)≤0

β≥0

(16)

minga(za)

(17)

若式(16)有解,則生成可行割

(18)

作為約束加入式(16)進行下次迭代的求解過程,式中帶星標的量表示相應優化問題的最優解。若式(17)無解,則改為求解子問題

vs>0

(19)

式中:vs為約束松弛變量。求解式(19)后,形成不可行割

(20)

作為約束加入式(16)迭代,得

(21)

按式(21)計算收斂間隙,當收斂間隙達到預設精度時,則認為算法收斂。

圖2給出了本文算法流程。按照圖中流程,迭代達到問題收斂標準后,可以得到考慮有功協調時主網和各個主動配電網的日運行計劃和它們之間的功率交換計劃。

圖2 協調算法流程圖

需要指出的是,盡管本文在處理主動配電網日運行問題時僅考慮了有功平衡約束,但本文所設計算法的邏輯結構對不同復雜程度的主動配電網優化子問題均適用。考慮電壓、線路傳輸容量等復雜約束只是加重了子問題求解的復雜性,對主網主問題與主動配電網子問題間的協調迭代、算法的主體結構并無顯著影響。

3 算例分析

以改編的IEEE-RTS[14,16]為主網系統進行算例計算。系統常規負荷最大值為2 850 MW,設其中35%為配電網負荷,將其中300 MW的水電裝機替換為960 MW的分布式風電,風電出力數據選用我國西北某地實測數據,考慮20%預測誤差。假定系統中含有5萬輛電動汽車(以全國8 000萬輛私人汽車,最大用電負荷500 GW進行等比例折算,電動汽車比例約為10%)。電動汽車的類型分布按表1假設,電動汽車出行和出行距離分布參見文獻[17],電動汽車總耗能為956.73 MW·h。

表1 電動汽車類型分布

假設RTS主網的每一個負荷節點處有一個主動配電網,共17個,各個主動配電網的負荷規模、分布式發電裝機以及電動汽車數量按原系統中各節點負荷所占比例分配。

3.1 不計有功協調

首先就不計主動配電網和主網有功協調的情況進行分析。根據預測風電功率的期望值,進行主系統日運行方式安排(機組組合計算),得出系統節點電價,以此為基礎,以各個主動配電網自身成本最小化為目標安排它們的運行計劃。當允許的饋線功率波動范圍為0%～20%風電出力期望值時,全系統經濟技術指標見表2。

當饋線功率允許的波動范圍較小時,主動配電網棄風量較大;隨著允許波動范圍增加,主動配電網吸納風電的能力逐步提升,棄風量較小;當饋線功率允許的波動范圍較大(20%左右)時,饋線功率波動將超出主網發電機的調節范圍,造成主網運行困難,主網日運行計劃無解。

表2 全系統經濟技術指標(不計有功協調)

值得注意的是,隨著饋線功率允許波動范圍的增加、棄風量的減少,系統總生產成本并不單調減少。圖3給出了允許波動范圍由0%增長至15%時,主網和配電網運行成本的變化情況。隨著允許波動范圍不斷增加,配電網棄風量越來越小,運行成本不斷降低,但主網需調整運行計劃,適應饋線功率在一定范圍內波動的要求,因而主網運行效率受到影響,主網運行成本提高。比較明顯的體現是:當允許波動范圍增長至15%時,主網已需要通過頻繁啟停機組的方式適應饋線功率波動、維持系統功率平衡,機組啟停成本顯著增加,機組的使用壽命也會受到影響。

圖3 主網與主動配電網生產成本變化

可見,主動配電網的運行策略會對主網日運行計劃的經濟性、安全性產生顯著影響,而主網運行所允許的饋線功率及其波動范圍也會顯著影響主動配電網吸納可再生能源發電的能力和運行的經濟性。

3.2 考慮有功協調

采用本文提出的有功協調模型,進行主電網和多個主動配電網日運行計劃的協調安排,系統的經濟技術指標對比如表3所示。方式I、方式II和方式III分別表示固定饋線功率方式、不限制饋線功率波動方式和本文提出的有功協調方式。

首先,方式II算例結果直接表明:當DER滲透率較高時,饋線功率波動將超出主網發電機的功率調節能力,現有的不計聯絡饋線交換功率波動范圍的主動配電網日運行計劃制定方法將不再適用。相比而言,方式III考慮了饋線功率波動對主系統有功平衡的影響,能避免上述現象的發生,確保了日運行計劃的可行性。

表3 全系統經濟技術指標對比

按方式I運行時,饋線功率不允許波動,所有隨機性DER出力只能在主動配電網內部消納。相比而言,方式III更加靈活,當DER規模較大、出力波動性強、主動配電網內部平衡困難時,該方式為DER在整個系統內全局消納提供了可能。

與固定的饋線功率波動范圍約束(見3.1節)相比,本文提出的方法更加靈活,可以根據主網運行和可再生能源出力的實際情況,靈活地調整饋線功率及其波動范圍,協調主網和多個主動配電網運行的經濟性,實現系統日運行的全局優化。

4 結 論

主動配電網為分布式風電、電動汽車等DER的并網運行和參與市場提供了接口。隨著DER滲透率的提高和主動配電網的推廣發展,主動配電網對電力系統運行的影響將日趨顯著。本文對隨機的分布式發電、電動汽車與主動配電網的互動特性進行了建模描述,提出了主動配電網與主網有功協調模型,并基于奔德斯分解法進行了算法設計。改編的IEEE-RTS算例表明:①主動配電網和主網之間存在顯著的相互影響關系,對饋線功率波動范圍不加控制的運行計劃會造成主網運行困難,日運行計劃的經濟性和安全性受到顯著影響;②采用本文提出的有功協調方法,可以靈活調整饋線功率,實現主動配電網和主網的協調運行,進而實現整個系統生產的全局優化。

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(編輯 趙煒 杜秀杰)

RealPowerCoordinationBetweenActiveDistributionSystemsandMainGrid

SHAO Chengcheng,WANG Xifan,WANG Xiuli,DU Chao

(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In the existing studies, the operation of the active distribution network (ADN) is optimized within itself and the relation between ADNs and the main grid are neglected.In this paper, a method is proposed to solve this problem and coordinate the real power operation of the main grid and ADNs.By Benders decomposition, the cooperative dispatch is reformed as a bi-level problem.On the upper level the centralized generation is scheduled and the main grid operation is optimized, while on the lower level the distributed energy resource (DER) is dispatched to minimize the ADN operation cost.The influence of ADNs on the main grid is considered and the cooperation between them are realized by the cooperative iterations of the levels.The case studies on the modified the IEEE-RTS have verified the following.Firstly, the ADN operation exerts a great effect on that of the main grid and it is necessary to consider the coordination between them.Secondly, the strategies may heighten the operation cost to constraint the fluctuation range of the feed power.Finally, the proposed method enables to feasibly improve the economics and security of the whole power system, and the operation cost of the modified IEEE-RTS is decreased from 638326.62＄ to 626011.45＄.

active distribution network; main grid; real power coordination; Benders decomposition; distributed energy resource

2014-05-14。

邵成成(1989—),男,博士生;王錫凡(通信作者),男,教授,博士生導師,科學院院士。

國家電網公司科技資助項目(DZN17201300045)。

時間:2014-08-13

10.7652/xjtuxb201411010

TM 73

:A

:0253-987X(2014)11-0058-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140813.1008.001.html