計及可平移負荷的配電網光伏消納策略

江宏玲，周 成

(1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院， 合肥 230088； 2.安徽省建筑工程質量監督檢測站，合肥 230088； 3.安徽國際商務職業學院 信息工程學院，合肥 231131)

0 引 言

由于傳統的火電、煤電等發電方式所帶來的環境惡化問題日益嚴重，以光伏發電為代表的新能源發電方式因具有環境友好型的特點而使其在電力系統中的裝機容量比例不斷上升，光伏發電在配電網中的滲透率會不斷提高[1]。隨著在當今配電網中分布式光伏的大量應用，主動配電網[2-3]這個新的概念被提出和研究。主動配電網具有傳統配電網所不具備的可控可調資源，利用這些可控可調資源可以人為對配電網進行調節和協同控制。然而，由于環境因素的影響，光伏發電的輸出隨機且不穩定，容易引起配電網中的電壓波動，并且頻繁發生光損耗，導致嚴重的光損耗[4]。

為了避免棄光現象的出現，文獻[5]中提出采用配電網重構的方法來實現光伏發電最大化消納。文獻[6]中介紹了一種配電網主動管理方法，通過調節有載變壓器、儲能充放電等措施對配電網運行進行日前優化，提高分布式光伏的消納能力。文獻[7]中考慮到實際運行中某些配電網中無儲能設施，提出采用統一潮流控制器來實現兩個微網之間的剩余能量傳輸，從而提高配電網的能源互動水平，避免棄光的出現。但上述論文均沒有考慮到對用戶側的負荷管理。文獻[8]中提出將用戶側負荷納入到電網調度可以起到優化作用。文獻[9]中指出考慮到間歇性能源的增長，柔性負荷參與電網調度具有巨大的潛力可以挖掘。文獻[10]中將用戶側負荷分為可平移負荷與不可平移的隨機負荷，根據可平移負荷的運行特性，采用遺傳算法對其進行日前優化調度，完成了分布式光伏與可平移負荷間的聯合優化及調度，提高了微電網對其消納效率。文獻[11-13]中考慮了調度單元的時間特性，并使用了考慮可平移負荷的多時間尺度的優化調度的方法來實現主動配電網的相關優化。文獻[14-16]中考慮了微電網中的可平移負荷調度，根據可平移負荷的類型與運行時段不同，提出了一系列的可平移負荷優化調度方法。文獻[17]中將用戶側負荷成了3類，根據3種負荷的特點，建立了住宅用電量的概率模型。實踐證明，通過調度居民用電負荷可以實現分布式光伏能源的消納最大化。文獻[18]中將負荷分為重要負荷、可調整負荷與可平移負荷三類參與配電網主動管理。

本文從傳統配電網的實際情況出發，將文獻[14-16]中在微網中提到的可平移負荷應用到配電網中來，綜合考慮調度可平移負荷和調節靜止無功補償器來進行配電網的日前有功無功優化，實現光伏消納最大化的目標。

1 光伏棄光分析

1.1 光伏棄光最小化分析

配電網中光伏并網后，若并網點電壓越限，將引起棄光現象。為了減小棄光量，可加入AM措施[6]。

圖1為光伏并網的等值電路簡單示意圖。圖中:US為系統電壓；線路阻抗為Z=R+jX；U為光伏并網點電壓；P和Q分別為系統流向光伏并網點的有功、無功功率；PL和QL分別為并網點的有功、無功負荷；Qc是流向并網點處的無功補償功率。

圖1 光伏并網簡單示意圖

由文獻[19]可知，對圖1有公式如下：

(1)

對式(1)進行恒等變換：

(2)

由式(2)可知，若加入主動管理措施，可減少的棄光量。

(1) 無功補償QC。在增大光伏消納中，SVC不再向系統發出無功而是吸收無功，此時

(QL+QC1-QPV)X/R

(3)

相比式(2)，光伏減少的棄光量為:

(4)

(2) 可平移負荷PSL。設并網點凈轉入可平移負荷量為PSL， 式(3)可恒等變換為：

(5)

可以看出,隨著節點可平移負荷的轉入，相比式(2)，光伏減少的棄光量為

(6)

1.2 光伏棄光估算

傳統配電網出現電壓越限時，光伏會出現棄光以保護逆變設備的可靠運行。本文針對這一現象，提出了一種傳統配電網在運行過程中光伏棄光量的計算方法，具體流程如圖2所示。圖中，tstart、tend分別是發電起始和結束時。

對圖2有計算式如下：

(7)

圖2 棄光估算流程圖

2 可平移負荷模型

2.1 可平移負荷特性分析

本文中可平移負荷是指供電時間可以按照調度需求變動的負荷，可平移負荷的變動是在優化當天進行的，不涉及到其他時間段的負荷。可平移負荷按照用電量的大小和其用電持續時間的不同可劃分成多類。由于用電量較大的設備可以理解為許多相同持續時間的用電量較小設備的疊加，故本文只依據用電持續時間的不同對可平移負荷進行劃分。下面以3種不同持續時間的可平移負荷為例進行可平移負荷介紹。

圖3中，可平移負荷1的持續時間為1個時間段；可平移負荷2的持續時間為3個時間段；可平移負荷3的持續時間為2個時間段。需要注意的是,在轉移過程中,同一種可平移負荷的持續時間段和持續時間段內的負荷量要一定，如圖2中第2類負荷在平移前連續時間段的比例為3∶2∶1，則在平移后也要在連續時間段內以3∶2∶1的比例分配。

圖3 可平移負荷轉移圖

2.2 可平移負荷約束條件

某一時刻的有功負荷可表達為：

(8)

(9)

根據可平移負荷的定義，轉出的可平移負荷必定在時間上先于轉出的可平移負荷，且本文研究的轉出的可平移負荷需在當天內全部轉入到其他時間段，故對于任意節點可平移負荷轉入與轉出的數量約束為：

(10)

式中,Ps為第S類可平移負荷的整個工作時間段。

3 目標函數與約束條件

3.1 目標函數

本文采用的是日前調度的模型，模型的目標函數為1 d內最小化光伏發電的棄光量，其目標函數的表達式為：

(11)

3.2 約束條件

3.2.1 配電網潮流約束

由于研究的配電網是為輻射型的，潮流方程的約束可以通過distflow方程[20]獲得。所有的約束條件如下：

(12)

(13)

(14)

3.2.2 二階錐規劃

從可平移負荷約束到潮流約束可以看出,本文要解決的是非線性非凸優化問題，為了解決這一問題，本文采用二階錐規劃(SOCP)。

(21)

對式(24)進行松弛為：

(25)

將其等價變換為標準二階錐形式：

(26)

文獻[21]中證明了二階錐松弛不會對優化結果產生影響。這樣本文的優化問題就變成了凸優化問題，這類問題通常可以借助于Gurobi、Cplex求解器求解。

4 算 例

4.1 算 例

本文選取金寨縣某28節點高滲透率配電網作為算例進行分析研究，在MatlabR2016a平臺上利用YALMIP構建模型并調用Cplex求解器來進行算例仿真。金寨縣28節點某配電網拓撲結構如圖4所示。

圖4 金寨縣某28節點配電網

配電網電壓等級為10 kV，功率參考基準為10 MVA，節點電壓的上限和下限分別為1.05 p.u.和0.95 p.u.，電流上限取1p.u.。配電網中共接有9個SVC，無功補償范圍均為-200～200 kvar；共接了8個光伏，每個節點光伏的總裝機容量如表1所示。

表1 光伏裝機容量 kW

4.2 算例分析

4.2.1 場景設置

考慮到金寨縣配電網在運行中的實際過程，本文考慮了3種場景下的光伏棄光情況。

場景1未計及可平移負荷與SVC的調節且不考慮由于負荷過重引起的電壓越下限問題，考慮到金寨縣配電網實際運行情況，電壓越上限時接有光伏的節點會出現光伏脫網的情況，且一般會在1 h左右恢復并網。

場景2未計及可平移負荷，依靠調節SVC無功補償和協調各節點光伏的出力來減少棄光。

場景3計及可平移負荷，綜合考慮SVC、PV和可平移負荷來達到減少棄光的目標。依照文獻[15]中取可平移負荷占總負荷的50%，取3類可平移負荷。第1類負荷工作持續1 h，功率為70 kW；第2類負荷工作持續2 h，各階段功率分別為40、25 kW；第3類負荷工作持續3 h，各階段功率分別為20、15和12 kW。

4.2.2 場景分析

由于節點12的光伏裝機容量較大且靠近末節點易出現電壓越下限的問題，故本文采用以節點12為代表分析節點電壓變化和SVC趨勢變化。配電網的各時刻總光伏與總負荷、可平移負荷如圖如5所示。圖6顯示了3種場景下做出的節點12的電壓趨勢圖。

圖5 負荷與光伏數據曲線圖

圖6 電壓曲線圖

由圖5可知，光伏在10.00～16.00的有功出力值相較于負荷值非常大，會導致電壓越限。在圖6中可以看出,場景1在10.00～16.00的電壓值非常逼近或等于1.05 p.u.，這是由于在場景1的設定下當電壓超過1.05 p.u.時，會模擬配電網運行的實際情況進行棄光，直至電壓小于等于1.05 p.u.。從圖6場景1的電壓來看，提出的方法很好地模擬了配電網棄光的運行情況。但是由圖6知,場景1不能解決電壓越下限的問題且棄光量比較大。

從圖6可以看出，場景2與場景3下電壓既沒越上限也未越下限，電壓偏差較場景1大幅下降。這是由于在場景2與場景3中協調了光伏間的出力，并在場景2中加入了SVC，在場景3中加入了SVC與可平移負荷的結果。

圖7為3種場景下節點12上安裝的SVC的補償容量變化趨勢圖，其中場景1中的SVC不參與調節，故為0。從圖5～7的對比可知，場景2中SVC在光伏尚未出力的1.00～6.00之間向系統注入約100 kvar的無功功率，以保證系統節點電壓不越下限；7.00～8.00由于光伏出力較小，SVC繼續保持向電網注入無功功率，保持電壓穩定；在9.00～16.00光伏出力劇增，此時SVC不再向電網注入無功功率而是吸收無功功率，這符合2.1中關于減小棄光時SVC運行狀況的分析；17.00之后由于光伏出力逐漸減少至0，SVC重新向電網注入無功功率。

圖8為場景3中加入可平移負荷后的各時刻總負荷優化前后對比圖。對比圖5、圖8可以看出,在光伏尚未出力或者出力較小的1.00～8.00之間的可平移負荷大量轉出至光伏出力較大的9.00～16.00時間段內。由于可平移負荷在1.00～8.00內大量轉出，該時段內總負荷減小，電壓越下限問題不嚴重，故在圖7中該時間段內場景3的SVC無功補償相較于場景2中該時間段內的SVC無功補償減小。

圖7 SVC無功補償容量

圖8 優化前后負荷曲線圖

此外,對比圖6～8可知，由于20.00負荷重載，導致電壓低于下限情況較突出，故在場景3可平移負荷在20.00轉出負荷，使電壓保持穩定，此時場景3的SVC注入無功功率較場景2減小。

由于場景2與場景3加入了AM措施，使配電網電壓維持了穩定，同時相較于場景一也減少了光伏的棄光。圖9給出了3種場景下的光伏棄光量曲線。

圖9 光伏棄光數據曲線圖

圖9中，場景1的光伏削減總量為18.87 MW；場景2考慮了SVC的調節和光伏協調出力，總的光伏削減量為17.60 MW；場景3不僅加入了SVC還了計及可平移負荷，此時光伏削減量為0。場景3較場景2的光伏棄光量減少了1.27 MW。這是因為本文在2.1節中提出的SVC從系統吸收無功與調度可平移負荷兩個策略均在場景三中實現了，從而減小了光伏的棄光量。

圖10給出了3種場景下的光伏消納。場景1的光伏消納率為93.33%，場景2中光伏的消納率為93.78%，場景3中的光伏消納率為100%。

圖10 光伏消納曲線圖

5 結 語

金寨縣配電網的滲透率非常高，為解決大規模的棄光出現，本文加入了SVC與可平移負荷的調節。針對配電網運行過程中光伏的棄光量的大小問題，提出了一種模擬估算配電網棄光量的方法。證明了加入了AM措施的配電網的光伏消納率較沒有加入AM措施的光伏消納率明顯提高，且加入的措施越多光伏消納率越高。本文中提到的可平移負荷在其他類型的模型優化(如網損最小)中同樣適用，具有可移植性。