光伏新能源并網系統的區間優化

董建軍

摘要：新能源的大規模并網，勢必增加電力系統運行參數的諸多不確定性，新能源的大規模并網，會增加電力系統運行參數的諸多不確定性。

關鍵詞：光伏新能源;并網;區間優化

當前，發展光伏發電等新能源是解決霧霾等環境問題的有效手段之一。光伏發電在未來配電網中的高滲透趨勢將日益明顯。傳統配電網與新能源的有機結合是配電網規劃的主流趨勢，新能源并網系統的數學建模為未來新能源并網提供了重要的理論支持。

一、區間不確定性優化方法

1、區間不確定優化問題的提出。在研究分析實際工程問題時，一些工程系統參數不確定，很難獲得其數據，但不確定信息的邊界往往是確定的，所以根據上下邊界信息描述未知有界參數變量，并用區間不確定優化方法對其分析較合理有效。

2、將區間不確定優化問題轉化為確定性優化問題。將基于區間序關系的區間優化方法延展為一般的非線性優化問題，實現從不確定目標函數到確定性多目標函數優化問題的轉化。

二、光伏并網區間優化模型

1、光伏并網區間優化建模。新能源的有功功率調節并網是解決新能源并網可控可調的關鍵。當前，光伏發電系統被認為是配電系統中配電網的一種特殊負載，與其它普通負載一起稱為廣義負荷，對于電網，廣義負荷功率是光伏電源功率和負載功率之和，由于光伏發電功率的間歇性和隨機波動性，廣義負荷功率的波動增大，導致負荷端電壓的變化。若將多個光伏發電系統并網作為廣義節點，實現光伏并網的控制問題將轉化為光伏并網節點電流的優化問題。光伏功率通過逆變器注入主電網，實現光伏發電系統的并網，可通過控制并網節點電流，實現光伏發電系統并網的可控可調。本研究以光伏發電系統并網節點功率容量為目標函數，以配電網節點電壓和支路有功功率特性為約束條件，建立光伏并網發電系統的數學模型，實現注入主電網的多節點光伏發電系統的區間最優調節建模，光伏并網配電系統滿足中低壓配電網±5%的波動，利用光伏發電系統并網節點電壓的區間約束限制，避免了多節點光伏并網引起的電壓波動問題。

2、區間優化的確定性轉化。當前，光伏發電系統已并網運行，為保證低壓配電系統的端電壓在不增加支路阻抗的情況下在允許范圍內工作，采用有功功率注入來平衡無功補償。有學者提出利用配電系統潮流計算靈敏度矩陣實現有功注入調節并網的合理配比。在實現多節點光伏發電并網系統區間優化時，光伏發電系統的并網節點電壓及光伏發電的并網注入容量是目標函數優化的主要區間變量，以保證多節點光伏發電并網穩定運行，將并網節點的最小電壓波動及全網最小有功損耗作為兩層嵌套目標函數，以注入有功容量及并網節點電壓的區間邊界函數為約束條件，結合光伏發電系統有功功率不等式約束與光伏發電系統并網調節問題，建立并網多節點光伏發電系統的優化模型。

3、區間優化求解。本文建立了多節點光伏發電系統并網區間優化模型，將其轉化為兩個確定性目標函數的優化問題求解，其步驟為：①內部目標函數優化采用前推回代法計算，以光伏發電系統并網容量區間邊界為約束條件，求解光伏發電并網節點的確定性區間邊界，得到最內層優化求解，即得到光伏發電系統并網節點的確定區間邊界及其并網容量的區間可能度;②采用迭代法求解外目標函數優化，以光伏發電系統并網容量的區間可能度為約束條件，實現系統有功損耗最小的確定區間邊界，得到外層優化求解的優化區間，實現全局最優解;③計算解集，若區間解集有解，則區間內存在并網優化問題存在解;若區間優化問題求解空集，即區間內并網優化問題無解。

三、計算分析

1、算例研究。本研究的建模方法在MATLAB R2011b平臺上編程實現，選擇IEEE 33節點系統測試，研究了并網節點負荷功率及光伏出力的隨機性，未考慮電網故障引起網絡參數的不確定性。IEEE33節點配電系統中有四條分岔支路，光伏并網位置越靠近后端，提高末端電壓效果越明顯。因此，用優先級編號（8-33）為支路1;（8-16）為支路2;（4-25）為支路3;（3-22）為支路4。在系統區間優化中，尋找光伏發電系統合理的并網位置及容量是區間優化的基礎。大多數文獻未對新能源并網配置進行準確描述，在系統設計中往往根據隨機性及經驗求解判斷，降低了其可信度與可行性。

2、區間優化結果。光伏并網是研究新能源與配電網間的協調優化，光伏并網區間優化問題是在光伏并網區間不確定性影響下得到優化目標的區間，給出了光伏并網系統運行魯棒性的兩個邊界區間，與不考慮光伏并網的確定性優化結果相比，能準確判斷光伏與系統的匹配程度，為新能源并網提供合理的優化配置方案。多點光伏注入時，根據不同光伏出力及其并網支路組成分類器樣本，隨機抽取數據計算，比如支路1、2、3、4分別選擇29-12-23-16進行光伏注入，光伏出力分別選[0.4P、0.8P]、[0.4P、0.8P]、0.8P、0.4P組成分類器C1～C9，在光伏出力區間下邊界處，整個網絡的最小有功功率損耗區間出現在分類器C4～C5，光伏注入的支路位置及出力容量區間存在明顯的極值值，在確定性優化問題中，系統目標函數呈凸函數分布，函數極值如圖1所示，即全集最優解。

四點光伏注入：①區間優化的解集中出現相同解，基于系統有功損耗最小，支路1、2的注入選擇重復29-12，表明光伏并網在分叉支路末端支路實現，位置選擇應為支路中間位置;②在末端電壓滿足約束方程前提下，支路3、4并網支路的選擇不影響整個系統的最小損耗。

IEEE33節點系統實現并網區間優化，其目標函數的區間分布直觀反映了光伏出力及并網節點電壓區間約束下系統有功損耗396.2331，并網區間優化后，有功損耗結果[131.6576、143.4365]，有功損耗降低63.8～66.8%，末端節點電壓顯著增加，提升區間3.3～11.8%，支路1、2末端電壓效果最顯著。此外，未接入新能源時，首端功率結果為4110.247kW，利用并網區間優化后的計算結果[3755.657、4079.8]，優化目標為[30.446、354.5899]，傳統配電網通過開關投切實現電網對新能源的接納與否，未來，大規模光伏注入和主動配網是新能源并網的發展趨勢。本研究考慮多節點光伏并網的支路有功功率的動態區間計算，為光伏并網配置提供一定的理論參考。

四、結論

光伏發電系統的隨機波動特性對光伏接入配電系統的穩定運行提出了挑戰，新能源并網系統允許接納新能源接入位置及容量是許多學者研究的熱點問題。本研究提出區間邊界，實現光伏并網系統運行參數的確定性轉化，實現光伏并網位置及容量的優化配置，利用區間可能度及區間序關系，實現光伏并網區間優化非線性建模目標函數及約束條件的確定性區間轉化，為新能源并網提供穩定的電壓極限區間及系統合理的“承載容量”

參考文獻：

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