基于光伏電站的兩階段網(wǎng)架恢復(fù)綜合優(yōu)化方法

項(xiàng)添春，李國(guó)棟

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300010)

基于光伏電站的兩階段網(wǎng)架恢復(fù)綜合優(yōu)化方法

項(xiàng)添春，李國(guó)棟

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300010)

與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比，光伏發(fā)電由于其分布范圍廣，并網(wǎng)迅速，以及具有良好的自啟動(dòng)能力，在電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)中有著巨大的應(yīng)用潛力。針對(duì)光伏發(fā)電不同于常規(guī)黑啟動(dòng)機(jī)組的特點(diǎn)，制定了基于光伏發(fā)電的分階段網(wǎng)架恢復(fù)策略。階段一利用光伏發(fā)電機(jī)組，以最大化啟動(dòng)成功的概率為目標(biāo)，啟動(dòng)網(wǎng)架內(nèi)的第一臺(tái)機(jī)組；階段二以該被啟動(dòng)機(jī)組為主要電源，分布式電源為輔助，以在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)最大出力為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整體的網(wǎng)架恢復(fù)。綜合兩階段的啟動(dòng)特性，提出了一種啟動(dòng)策略的綜合優(yōu)化方法，在保證網(wǎng)架恢復(fù)效率的同時(shí)，又能夠有效解決光伏系統(tǒng)慣性差，黑啟動(dòng)能力弱的問(wèn)題。算例分析驗(yàn)證了所提方法的實(shí)用性和有效性。

網(wǎng)架恢復(fù)；光伏電站； 兩階段； 綜合優(yōu)化

0 引言

近年來(lái)，隨著“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”概念的提出和建設(shè)，電力系統(tǒng)在可靠性、靈活性等方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但惡劣天氣、自然災(zāi)害、設(shè)備故障等原因引發(fā)的大面積停電事故卻仍然難以避免[1,2]。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大，電網(wǎng)的恢復(fù)工作也變得越來(lái)越困難，因此對(duì)大停電后電力系統(tǒng)恢復(fù)的研究顯得尤為重要。

目前電網(wǎng)大停電后的網(wǎng)架恢復(fù)工作，一般采用常規(guī)具有自啟動(dòng)能力的機(jī)組，如水輪發(fā)電機(jī)組以及具備FCB功能的火電機(jī)組。光伏發(fā)電作為一種清潔能源，分布范圍廣，并網(wǎng)迅速，具有良好的自啟動(dòng)能力，在電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)中有著巨大的應(yīng)用潛力[3]。

完整的電力系統(tǒng)恢復(fù)一般包括黑啟動(dòng)、網(wǎng)架恢復(fù)與負(fù)荷恢復(fù)3個(gè)階段[4,5]。光伏發(fā)電可以廣泛地參與這3個(gè)階段的恢復(fù)工作。電網(wǎng)發(fā)生大停電時(shí)，光伏發(fā)電能夠向周邊負(fù)荷提供持續(xù)的電力供應(yīng)，形成局部的小系統(tǒng)，待系統(tǒng)主干網(wǎng)架恢復(fù)之后進(jìn)行并網(wǎng)[6]；甚至可以作為黑啟動(dòng)電源，直接向火電機(jī)組廠用負(fù)荷及原動(dòng)機(jī)供電，從而啟動(dòng)沒(méi)有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組，在一定程度上避免重要負(fù)荷的停電損失并且加快電網(wǎng)黑啟動(dòng)進(jìn)程。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)以光伏發(fā)電作為黑啟動(dòng)電源的網(wǎng)架恢復(fù)還只處于初步研究階段，尚未見(jiàn)文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)闡述。文獻(xiàn)[7]提出了一種針對(duì)黑啟動(dòng)場(chǎng)景的微電網(wǎng)運(yùn)行模式，并印證了利用微電網(wǎng)恢復(fù)系統(tǒng)服務(wù)的可行性；文獻(xiàn)[8]對(duì)微源的黑啟動(dòng)能力進(jìn)行了分析，并提出了并行恢復(fù)的策略，但并沒(méi)有涉及到由微源直接啟動(dòng)大型發(fā)電機(jī)組；文獻(xiàn)[9]提出了光伏機(jī)組并行啟動(dòng)的路徑優(yōu)化策略，將電網(wǎng)分區(qū)，每個(gè)區(qū)內(nèi)有一臺(tái)光伏電站用以啟動(dòng)其他常規(guī)機(jī)組，但忽視了光伏電站與常規(guī)類型的機(jī)組黑啟動(dòng)能力上的不同；文獻(xiàn)[10]利用螢火蟲(chóng)算法研究了分布式新能源發(fā)電對(duì)于黑啟動(dòng)過(guò)程的輔助作用，但沒(méi)有考慮到所在地區(qū)沒(méi)有其他自啟動(dòng)機(jī)組的情況。此外許多針對(duì)光伏發(fā)電參與黑啟動(dòng)的研究大多集中在光伏逆變器或多逆變器的控制策略上[11-13]，而對(duì)于整體的網(wǎng)架恢復(fù)和路徑優(yōu)化問(wèn)題并沒(méi)有過(guò)多涉及。

對(duì)于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)停電后恢復(fù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外圍繞恢復(fù)路徑尋優(yōu)[14]、網(wǎng)架重構(gòu)[15]、系統(tǒng)分區(qū)優(yōu)化[16]及啟動(dòng)效率和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[17]等方面已有相當(dāng)?shù)难芯砍晒@些成果對(duì)于光伏場(chǎng)景下的系統(tǒng)恢復(fù)有一定的借鑒意義。文獻(xiàn)[18]提出了一種輸電網(wǎng)架恢復(fù)的分層協(xié)同方法，采用分層次獨(dú)立優(yōu)化與受電點(diǎn)指標(biāo)值整體尋優(yōu)相結(jié)合的方法，有效降低了問(wèn)題求解規(guī)模，并能夠兼顧求解全局性與各層級(jí)的恢復(fù)偏好。文獻(xiàn)[19]提出了一種電力系統(tǒng)擴(kuò)展黑啟動(dòng)方案，由一個(gè)黑啟動(dòng)電源同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)被啟動(dòng)電廠，以一定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)發(fā)電量的加權(quán)和最大為優(yōu)化目標(biāo)，將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維背包問(wèn)題求解，但在求解過(guò)程中沒(méi)有考慮被啟動(dòng)機(jī)組對(duì)后續(xù)恢復(fù)過(guò)程的有利作用。文獻(xiàn)[20]提出應(yīng)該綜合考慮恢復(fù)容量和停電損失作為網(wǎng)架重構(gòu)效率指標(biāo)。文獻(xiàn)[21]將黑啟動(dòng)決策視為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)孤立電網(wǎng)的決策支持系統(tǒng)。

上述文獻(xiàn)在制定網(wǎng)架恢復(fù)策略時(shí)，并沒(méi)有過(guò)多考慮光伏發(fā)電作為啟動(dòng)電源在特性上與常規(guī)黑啟動(dòng)電源的差異性，但實(shí)際上由于其分布式特性，出力的不穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)慣性等與常規(guī)黑啟動(dòng)機(jī)組有較大的不同，在啟動(dòng)特性上必然有一定的差異，因此有必要對(duì)基于光伏電站的系統(tǒng)恢復(fù)策略進(jìn)行研究。

1 基于光伏電站的兩階段黑啟動(dòng)策略

適合作為黑啟動(dòng)電源的機(jī)組，應(yīng)該至少具備3個(gè)條件：

(1) 具有良好的自啟動(dòng)能力。由于系統(tǒng)停電之后，廠用電幾乎全部失去，常規(guī)的火電機(jī)組通常不具備自啟動(dòng)能力，因此目前的黑啟動(dòng)電源通常選取抽水蓄能電站中的水輪機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)組[22]。

(2) 具有良好的調(diào)頻調(diào)壓能力。防止因負(fù)荷突增引起的頻率震蕩和過(guò)電壓導(dǎo)致啟動(dòng)失敗，這要求該機(jī)組具備較強(qiáng)的抗干擾能力。

(3) 具有充足發(fā)電容量。能夠保證對(duì)帶啟動(dòng)機(jī)組大型輔機(jī)以及周邊負(fù)荷的電能供應(yīng)，并能夠承受其他非黑啟動(dòng)電源啟動(dòng)時(shí)的短時(shí)功率沖擊。

顯然光伏發(fā)電在自啟動(dòng)能力上具有卓越的優(yōu)勢(shì)，其啟動(dòng)只需依靠太陽(yáng)能，成本低廉且無(wú)需過(guò)多投入，但光伏發(fā)電用于黑啟動(dòng)同樣存在一些問(wèn)題。首先，光伏主要通過(guò)電力電子逆變器并網(wǎng)，其系統(tǒng)慣性很低，抗干擾能力差，在突加負(fù)荷時(shí)造成的沖擊效應(yīng)，不僅可能導(dǎo)致黑啟動(dòng)失敗，甚至可能對(duì)原有光伏系統(tǒng)造成破壞性后果；其次，光伏電源實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻主要依靠逆變器的控制策略，調(diào)節(jié)能力有限[23]；另外，考慮到分布式光伏電站容量通常較小(一般在20 MW以下)，且出力受環(huán)境影響具有不穩(wěn)定性，再加上沿線充電功率的損耗，一個(gè)分布式電源發(fā)出的功率往往不能單獨(dú)啟動(dòng)一臺(tái)常規(guī)火電機(jī)組，而需要多個(gè)分布式電源配合啟動(dòng)同一個(gè)電廠。

由以上分析可知，光伏發(fā)電在黑啟動(dòng)的過(guò)程中更適合作為輔助電源，而主要任務(wù)仍需要由常規(guī)機(jī)組承擔(dān)。文中針對(duì)光伏場(chǎng)景下的黑啟動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程提出了一種兩階段的機(jī)組啟動(dòng)策略，并針對(duì)具體的啟動(dòng)目標(biāo)設(shè)計(jì)了綜合優(yōu)化方法。

1.1 階段一

考慮在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的不同地點(diǎn)分布有多個(gè)分布式光伏電源，同時(shí)有多個(gè)發(fā)電廠需要啟動(dòng)，首先集中多個(gè)分布式電源為一個(gè)發(fā)電廠供電，使其成功啟動(dòng)。問(wèn)題的核心可以轉(zhuǎn)化為利用弗洛伊德算法求多源最短路徑問(wèn)題，考慮多種約束條件設(shè)置路徑權(quán)值[10]，得到一個(gè)在技術(shù)上最有可能啟動(dòng)成功的電廠目標(biāo)。

1.1.1 目標(biāo)函數(shù)

假設(shè)所在區(qū)域內(nèi)沒(méi)有具有自啟動(dòng)能力的其他機(jī)組，光伏電站是唯一的黑啟動(dòng)電源。鑒于目前光伏電站的容量較小，且由于天氣狀況往往不能做到全功率運(yùn)行，除啟動(dòng)初期為維持系統(tǒng)平衡而供應(yīng)部分本地負(fù)荷外，還需要考慮充電路徑過(guò)程中的功率損失，而火電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)所需的啟動(dòng)功率一般在十兆瓦到幾十兆瓦，因此在第一階段如何有效地聚集各個(gè)光伏電站的能量以成功啟動(dòng)第一臺(tái)機(jī)組顯得至關(guān)重要。火電機(jī)組成功啟動(dòng)后一般能夠發(fā)出的容量為幾百兆瓦，對(duì)于啟動(dòng)其他機(jī)組顯得綽綽有余，因此第二階段一般不需著重考慮啟動(dòng)功率是否充足的問(wèn)題，而重點(diǎn)解決如何更高效快速的恢復(fù)整個(gè)網(wǎng)架。

考慮到分布式電源的黑啟動(dòng)能力較弱，為了最大化黑啟動(dòng)成功的概率，應(yīng)該選擇網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最容易啟動(dòng)的一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)，而這取決于充電路徑的線路充電無(wú)功功率、被啟動(dòng)機(jī)組的啟動(dòng)功率和光伏電站的容量等因素。

文中引入圖論中的最短路徑思想，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)抽象成一個(gè)帶權(quán)無(wú)向連通圖。在黑啟動(dòng)時(shí)為防止因線路充電無(wú)功功率引起過(guò)電壓而導(dǎo)致黑啟動(dòng)失敗，希望在充電時(shí)由電源點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的沿線充電無(wú)功功率最小，因此將考慮高抗或低抗補(bǔ)償后線路的剩余充電功率作為該線路所對(duì)應(yīng)邊的權(quán)值。為分析問(wèn)題方便，本文線路的充電無(wú)功功率和電抗器消耗的無(wú)功功率均取為額定電壓時(shí)的值。另外，由于電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)的增加將會(huì)增加變壓器鐵磁諧振和三相不同期合閘的概率，恢復(fù)路徑中電壓轉(zhuǎn)換的次數(shù)應(yīng)該盡量少，一般不應(yīng)超過(guò)3次[24]，因此將含變壓器線路的權(quán)值設(shè)置為一個(gè)較大的數(shù)值，以減少電壓轉(zhuǎn)換的次數(shù)。

由于多臺(tái)黑啟動(dòng)電源同時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組，因此本階段的目標(biāo)為尋找圖中的某一點(diǎn)，使其到各個(gè)黑啟動(dòng)電源的路徑權(quán)值的和最小，即：

(1)

式(1)中：M為待啟動(dòng)機(jī)組數(shù)量；N為分布式光伏電源數(shù)量；w為節(jié)點(diǎn)i與j之間的最短路徑值。

1.1.2 約束條件

(1) 啟動(dòng)功率約束。為了被啟動(dòng)機(jī)組在送電路徑恢復(fù)后能順利啟動(dòng)，所有被啟動(dòng)機(jī)組所需的啟動(dòng)功率之和應(yīng)小于黑啟動(dòng)電源所能提供的初始啟動(dòng)功率之和(包括后來(lái)啟動(dòng)成功的機(jī)組發(fā)出的功率)。即：

(2)

式(2)中：ng為待啟動(dòng)的機(jī)組數(shù)量；ns為已啟動(dòng)并能夠提供功率的機(jī)組數(shù)量；Pr,i為被啟動(dòng)機(jī)組i所需的啟動(dòng)功率；K1為有功可靠性系數(shù)，取小于1的值；∑PSi為黑啟動(dòng)電源所能提供的全部啟動(dòng)功率。

(2) 過(guò)電壓約束。過(guò)電壓?jiǎn)栴}常被認(rèn)為是導(dǎo)致黑啟動(dòng)失敗的重要因素之一。高壓輸電線路由于分布電容效應(yīng)，在空載充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的容性無(wú)功功率。若黑啟動(dòng)電源的無(wú)功吸收能力不足，將導(dǎo)致線路末端電壓高于正常水平，即工頻過(guò)電壓現(xiàn)象。即：

(3)

式(3)中：nl為擴(kuò)展黑啟動(dòng)方案恢復(fù)路徑的線路條數(shù)；QLi為線路j的充電無(wú)功功率；QSi為黑啟動(dòng)電源能吸收的最大無(wú)功功率；K2為無(wú)功可靠性系數(shù)。

需要指出的是，由于光伏電站發(fā)出的是直流電，其無(wú)功功率主要來(lái)源于逆變裝置中的濾波元件，無(wú)功功率有限，因此必須要采取相應(yīng)的措施，如調(diào)節(jié)變壓器分接頭、適量投入負(fù)荷等以避免過(guò)電壓現(xiàn)象的發(fā)生。這些措施需要一定的時(shí)間實(shí)施，將拖慢網(wǎng)架恢復(fù)進(jìn)程。

(3) 其他約束。當(dāng)被啟動(dòng)電廠的大型輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)，可能造成系統(tǒng)頻率震蕩和電壓跌落；另外，在系統(tǒng)的恢復(fù)過(guò)程中，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)量必須滿足潮流的約束、發(fā)電機(jī)的有功無(wú)功出力范圍不能越限等約束。

1.1.3 算法求解

利用Floyd算法解決多源最短路徑問(wèn)題[25]。設(shè)圖G=(V,E),頂點(diǎn)集記作v1,v2,...,vn的每條邊賦有一個(gè)權(quán)值，wij表示邊vi，vj上的權(quán)，若vi，vj不相鄰，則令wij=+∞。

(1) 得到權(quán)矩陣W。對(duì)所有i,j，有dij=wij，k=1；

(4)

(3) 若k=n停止，否則轉(zhuǎn)到(2)。

圖1 階段一求解算法流程圖Fig.1 Flowchart of solution algorithm of phase I

在求得了每個(gè)待啟動(dòng)機(jī)組到各電源點(diǎn)的最短路徑之后，將其求和，然后進(jìn)行比較，權(quán)值和最小的即為階段一的目標(biāo)待啟動(dòng)機(jī)組。

1.2 階段二

已經(jīng)有一臺(tái)發(fā)電廠成功啟動(dòng)，鑒于分布式電源與常規(guī)水火電廠容量相比較小，主要考慮以該發(fā)電廠作為主要黑啟動(dòng)電源，各光伏電站作為輔助電源，進(jìn)而啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他電廠。該問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為利用Dijkstra算法搜尋最優(yōu)充電路徑，以及利用回溯法進(jìn)行啟動(dòng)方案的優(yōu)選，求得最短時(shí)間內(nèi)發(fā)出最大電量的啟動(dòng)方案。

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

當(dāng)?shù)谝慌_(tái)火電機(jī)組被成功啟動(dòng)之后，接下來(lái)的任務(wù)便是以其為中心點(diǎn)陸續(xù)啟動(dòng)其他機(jī)組，并為后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)提供最大的功率支持。由于本階段以常規(guī)火電機(jī)組作為主要電源，其啟動(dòng)過(guò)程與常規(guī)的網(wǎng)架恢復(fù)過(guò)程較為類似，不同之處在于部分線路和節(jié)點(diǎn)已經(jīng)得到了恢復(fù)。

本階段主要考慮待啟動(dòng)機(jī)組以及恢復(fù)路徑的選擇，希望在滿足機(jī)組啟動(dòng)與系統(tǒng)運(yùn)行的各種約束條件下，在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)盡量多的電能供應(yīng)[26]。考慮到在啟動(dòng)初期恢復(fù)的出力在整個(gè)黑啟動(dòng)過(guò)程中尤為重要，因此引入時(shí)間權(quán)值，隨t的增加而逐漸減小[19]。定義目標(biāo)函數(shù)為：

(5)

式(5)中：n為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)電機(jī)組的數(shù)量；Ton,i和Toff分別為機(jī)組i的啟動(dòng)時(shí)間和黑啟動(dòng)過(guò)程完全結(jié)束的時(shí)間；PGi(t)為機(jī)組i在t時(shí)刻發(fā)出的有功功率，其值可由簡(jiǎn)化的機(jī)組出力曲線[27]得到，如圖2所示。

(6)

式(6)中：TSi為機(jī)組i的啟動(dòng)時(shí)刻；Tai為機(jī)組i從啟動(dòng)到向外輸送功率所需的時(shí)間；Tbi為機(jī)組i從爬坡到達(dá)到最大出力所需的時(shí)間；Kpi為機(jī)組i的最大爬坡率；Pmi為機(jī)組i的最大出力。

圖2 簡(jiǎn)化的機(jī)組出力曲線Fig.2 Power output curve of a generating unit

需要指出的是，黑啟動(dòng)除了考慮發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間外，還應(yīng)考慮線路、變壓器的標(biāo)準(zhǔn)操作間隔以及無(wú)功補(bǔ)償裝置等的投切時(shí)間。

1.2.2 約束條件

階段二啟動(dòng)過(guò)程需要滿足的約束條件，除階段一所列的因素之外，還應(yīng)包括發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁約束和機(jī)組啟動(dòng)約束。

(1) 發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁約束。工程實(shí)際中，一般認(rèn)為當(dāng)黑啟動(dòng)機(jī)組的額定容量與短路比之積大于發(fā)電機(jī)外電路經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的線路剩余充電功率時(shí)，不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁，即發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁約束為：

(7)

(2) 機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間約束。被啟動(dòng)機(jī)組大多為火電機(jī)組，而火電機(jī)組具有最小和最大臨界啟動(dòng)時(shí)間約束，機(jī)組從啟動(dòng)到并網(wǎng)經(jīng)歷的時(shí)間與其被啟動(dòng)時(shí)刻有關(guān)。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間約束為：

(8)

式(8)中：Tstart為機(jī)組啟動(dòng)到并網(wǎng)所需的時(shí)間；Tsh為機(jī)組熱啟動(dòng)時(shí)間；Tsc為機(jī)組冷啟動(dòng)時(shí)間；TCH為機(jī)組最大臨界熱啟動(dòng)時(shí)間；TCC為機(jī)組最小臨界冷啟動(dòng)時(shí)間；tstart為為機(jī)組啟動(dòng)時(shí)刻。

1.2.3 算法設(shè)計(jì)

階段二采用“并行”啟動(dòng)，即同時(shí)對(duì)所有符合啟動(dòng)約束條件的待啟動(dòng)機(jī)組充電，從而提高網(wǎng)架恢復(fù)的效率。本階段的路徑權(quán)值仍然使用考慮高抗或低抗補(bǔ)償后本線路的剩余充電功率。

本階段使用回溯法(Backtracking)進(jìn)行啟動(dòng)方案的優(yōu)選，從黑啟動(dòng)電源開(kāi)始，按照深度優(yōu)先的規(guī)則搜索下一層待啟動(dòng)機(jī)組，同時(shí)調(diào)用Dijkstra算法為得到的機(jī)組搜索恢復(fù)路徑，然后判斷搜索到的充電路徑以及該機(jī)組的啟動(dòng)功率等是否滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的約束條件。若滿足則為一個(gè)可行方案，把該機(jī)組壓入已啟動(dòng)機(jī)組隊(duì)列，將該點(diǎn)與電源點(diǎn)的路徑權(quán)值設(shè)為一極小值，以有效利用帶電網(wǎng)絡(luò)，接下來(lái)搜索下一層待啟動(dòng)機(jī)組；若不滿足約束條件則搜索該層的下一備選機(jī)組。重復(fù)該過(guò)程，直到搜索到達(dá)最后一層，此時(shí)應(yīng)計(jì)算該方案的目標(biāo)函數(shù)值，并判斷其是否為當(dāng)前最優(yōu)方案。當(dāng)回溯法搜索完畢，所記錄的方案即為最優(yōu)方案。階段二整體求解算法的流程圖如圖3所示。

圖3 階段二求解算法流程圖Fig.3 Flowchart of solution algorithm of phase 2

2 綜合優(yōu)化方法

至此已對(duì)光伏電站作為黑啟動(dòng)電源的系統(tǒng)恢復(fù)的兩個(gè)階段進(jìn)行了闡述，并制定了相應(yīng)的求解算法。但由于兩個(gè)階段的算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)不同，如果分別求解，可能并不能達(dá)到整體上的最優(yōu)解，比如第一階段求出的目標(biāo)啟動(dòng)機(jī)組可能與其他機(jī)組相距較遠(yuǎn)，以其作為第二階段的電源機(jī)組并不能實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)架的快速高效恢復(fù)，因此在實(shí)際操作過(guò)程中，有必要綜合的考慮兩個(gè)階段的目標(biāo)和特點(diǎn)，從全局出發(fā)制定最優(yōu)的啟動(dòng)策略。

文中將階段一和階段二綜合求解，求解目標(biāo)在式(5)的基礎(chǔ)上，包含了階段一的啟動(dòng)時(shí)間、恢復(fù)出力，即：

(9)

式(9)中：Ton和Toff為整個(gè)黑啟動(dòng)過(guò)程的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，其他與式(5)相同，由于假設(shè)光伏電站從開(kāi)始到整個(gè)恢復(fù)過(guò)程結(jié)束一直處于發(fā)電狀態(tài)，因此在式(9)中沒(méi)有計(jì)入光伏電站所發(fā)的電量。

另外，把階段一所得結(jié)果作為一個(gè)內(nèi)部約束條件，對(duì)階段一中各機(jī)組的啟動(dòng)路徑和進(jìn)行排序，規(guī)定只有前幾位的機(jī)組可以作為階段二的備選機(jī)組。這樣既能有效降低階段一啟動(dòng)機(jī)組時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)性，又能給予階段二的選擇方案空間，從而實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)。

3 算例分析

選用IEEE10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為算例，對(duì)提出的黑啟動(dòng)優(yōu)化方法進(jìn)行驗(yàn)證(如圖4所示)。

圖4 IEEE 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.4 IEEE 10-unit 39-bus power system

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在4個(gè)分布式光伏電站，其容量、逆變效率等參數(shù)如表1所示。各待啟動(dòng)機(jī)組的參數(shù)如表2所示。

表1 光伏電站參數(shù)Table 1 Parameters of the photovoltaic generators

表2 被啟動(dòng)機(jī)組參數(shù)Table 2 Parameters ofthe units to be restored

假設(shè)由于天氣的情況，所有光伏電站只能發(fā)出額定容量60%的電量,每條線路投運(yùn)時(shí)間為10 min,可靠性系數(shù)分別為K1=0.8，K2=0.6。只有階段一求出的權(quán)值和最小的前5個(gè)機(jī)組可以進(jìn)入階段二的啟動(dòng)過(guò)程。

使用本方法搜索所有可能的黑啟動(dòng)方案，階段一選出的5個(gè)機(jī)組及其充電路徑分別如表3所示。

表3 階段一求解結(jié)果Table 3 Results of phase I solution

結(jié)果表明，以33號(hào)發(fā)電機(jī)組作為階段一的被啟動(dòng)機(jī)組和階段二的主力電源，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)啟動(dòng)，相應(yīng)最優(yōu)的機(jī)組啟動(dòng)順序?yàn)?33 → 36 → 34 → 35 → 30 → 37 → 39 → 38 →32 → 31。其具體啟動(dòng)路徑如表4所示。

表4 最優(yōu)恢復(fù)方案Table 4 Optimal restoring strategy of this case

按照該啟動(dòng)順序進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，平均每小時(shí)發(fā)出的電量可以達(dá)到1122 MW，并行啟動(dòng)時(shí)最后一臺(tái)機(jī)組(31號(hào)機(jī)組)被成功啟動(dòng)用時(shí)8.85 h。

由求解結(jié)果可以看出，在階段二，首先得到啟動(dòng)的是距離33號(hào)機(jī)組較近的36,34,35號(hào)機(jī)組，這是因?yàn)樵趩?dòng)的初期，黑啟動(dòng)電源發(fā)出的功率相對(duì)于機(jī)組的啟動(dòng)功率來(lái)說(shuō)較為充裕，不需等待后續(xù)機(jī)組的加入即可啟動(dòng)多臺(tái)機(jī)組，因此啟動(dòng)過(guò)程所消耗的時(shí)間主要來(lái)自于對(duì)線路的充電時(shí)間。同時(shí)我們還可以看出，雖然31號(hào)機(jī)組的發(fā)電量在所有機(jī)組中是最大的，但由于其啟動(dòng)功率較大，且恢復(fù)出力時(shí)間較長(zhǎng)，所以并沒(méi)有首先啟動(dòng)。

在本例中，如果不按照文中提出的分階段啟動(dòng)方法，而是按照常規(guī)電源進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)分區(qū)內(nèi)只有一個(gè)黑啟動(dòng)電源的啟動(dòng)方案，則僅有38號(hào)機(jī)組滿足啟動(dòng)條件，得到優(yōu)先啟動(dòng)。對(duì)該情況進(jìn)行黑啟動(dòng)仿真，結(jié)果顯示整個(gè)黑啟動(dòng)過(guò)程歷時(shí)9.6 h，平均每小時(shí)發(fā)電量為992 MW，小于采用本方法制定的啟動(dòng)方案，充分說(shuō)明了本方法的高效性。

為了體現(xiàn)無(wú)功約束對(duì)于黑啟動(dòng)方案的影響，統(tǒng)計(jì)了不同無(wú)功容量下使用回溯法搜索到的可行方案數(shù)量，如圖5所示，隨著無(wú)功可吸收量的減少，備選的黑啟動(dòng)方案數(shù)量呈明顯下降的趨勢(shì)。因此，以光伏發(fā)電作為黑啟動(dòng)電源時(shí)必須要保證充足的無(wú)功供應(yīng)量。

圖5 無(wú)功容量與可行方案數(shù)折線圖Fig.5 Number of feasible plans-reactive capacity curve

4 結(jié)論

文中針對(duì)分布式光伏電站的特點(diǎn)，提出了一種基于光伏電站的分階段黑啟動(dòng)策略。將黑啟動(dòng)分解為兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的階段，階段一利用多個(gè)光伏機(jī)組啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)第一臺(tái)被啟動(dòng)機(jī)組，主要考慮最大化成功啟動(dòng)機(jī)組的概率；階段二以該被啟動(dòng)機(jī)組為主要電源，其啟動(dòng)策略近似于常規(guī)電源類型的黑啟動(dòng)過(guò)程。本方法對(duì)兩個(gè)階段分別設(shè)立獨(dú)立的優(yōu)化目標(biāo)，并從全局考慮，兼顧兩個(gè)階段的啟動(dòng)特性，提出了綜合優(yōu)化方法，有效地解決了分布式電源黑啟動(dòng)能力弱的問(wèn)題。

該方法是對(duì)分布式電源參與電力系統(tǒng)停電后恢復(fù)過(guò)程的初步探討，不僅適用于黑啟動(dòng)電源僅有光伏電站的場(chǎng)合，對(duì)于多種類型的黑啟動(dòng)電源的恢復(fù)場(chǎng)景也有一定的指導(dǎo)和啟發(fā)意義。與此同時(shí)，還可以進(jìn)一步研究光伏出力的不確定性對(duì)于電網(wǎng)架構(gòu)恢復(fù)過(guò)程的影響，并在算法的執(zhí)行效率以及啟動(dòng)效果的評(píng)估等方面進(jìn)一步研究與論證，使該方法能夠更廣泛地適用于多場(chǎng)景的電網(wǎng)黑啟動(dòng)恢復(fù)過(guò)程。

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(編輯錢 悅)

A Two-phase Integral Optimization Strategy for NetworkRestoration with Photovoltaic Generation

XIANG Tianchun, LI Guodong

(State Grid Electric Power Research Institute of Tianjin, Tianjin 300010，China)

Compared with traditional generation technology, photovoltaic generation, which is widely spread and easily connected to the grid, has an excellent ability of self-starting, making it a promising alternative of black-start sources. Given the difference between PV and traditional black-start sources, a two-phase network restoration strategy was presented. In phase 1, PV units are used to restart the first traditional unit within the network, with the objective to maximize the possibility of starting successfully. In phase 2, the one generator started in phase 1 is used as the main power source, while PV units as the auxiliary source, to finish the whole restoration procedure, with the objective to maximize the power generated and minimize the time needed during the restoration. Taking the objectives of the two phases into consideration, an integral optimization method was proposed, which could fix the disadvantages of PV systems such as low inertia and relatively poorer starting ability, while guaranteeing the restoration efficiency. The case study of IEEE 30-bus system has proved the practicability and the effectiveness of the method proposed.

restoration; photovoltaic generation; two-phase; integral optimization

項(xiàng)添春

TM76

：A

：2096-3203(2017)05-0021-08

項(xiàng)添春(1977—)，男，浙江龍游人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)安全運(yùn)行、分布式電源與清潔能源(E-mail:375413708@qq.com)；

李國(guó)棟 (1978—)，男，天津人，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)安全運(yùn)行、分布式電源與清潔能源和園區(qū)能源管理。