全壽命周期交直流混合配電網(wǎng)能效分析及診斷方法

宋弘亮，余萃卓，裘秀萍，朱夢穎，彭勇剛

（1.寧波市電力設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027）

0 引言

隨著全球變暖加劇、氣候惡化、化石能源逐漸枯竭、新能源技術(shù)發(fā)展，電力能源逐漸由傳統(tǒng)火電向新能源轉(zhuǎn)型。近年來，我國新能源裝機容量和比率均持續(xù)增長，隨著可再生能源的大量接入，可再生能源并網(wǎng)對于傳統(tǒng)主電網(wǎng)的能效等各方面的影響引起了學者的興趣。在能效方面，文獻[1]針對國內(nèi)特高壓和超高壓為骨架的主網(wǎng)進行了新能源接入的能效要素影響的研究，證實新能源接入傳統(tǒng)主網(wǎng)優(yōu)勢不明顯甚至有負面影響。因此尋找更優(yōu)的可再生能源接入方式成為目前研究的熱點問題。以電力電子器件作為關(guān)鍵節(jié)點的交直流混合網(wǎng)絡(luò)因具有控制靈活性、轉(zhuǎn)換過程中較大的節(jié)能潛力[2]，引起了大量學者的關(guān)注。同時，伴隨“碳中和”理念的提出和踐行，各研究團體也逐漸對能源利用效率產(chǎn)生了較大的興趣。

文獻[3]對微網(wǎng)從經(jīng)濟層面提出了綠色虛擬資源的新能效概念及能效經(jīng)濟最優(yōu)模型，借助提出的EEI（經(jīng)濟效率指數(shù)）、TEI（技術(shù)效率指數(shù)）和TTEI（總技術(shù)效率指數(shù)）3 個復雜的技術(shù)經(jīng)濟系數(shù)對微網(wǎng)進行了評估和優(yōu)化，但是更適用于規(guī)劃前期，對于運行等其他壽命階段無法單獨提出優(yōu)化意見。文獻[4]對國內(nèi)建筑各類能效設(shè)計進行了研究和對比，得出在電力供應(yīng)受限、以化石燃料為基礎(chǔ)的偏遠地區(qū)，采用離網(wǎng)和零能耗建筑具有顯著的溫室氣體減排潛力，但是沒有考慮全壽命周期各個階段不同狀態(tài)，也沒有考慮直流配電網(wǎng)絡(luò)，對于配電網(wǎng)絡(luò)運行能效優(yōu)化也無法提出運行意見。文獻[5]對阿爾及利亞南部地區(qū)的光伏系統(tǒng)進行了電氣和氣象數(shù)據(jù)的收集和分析，證明了環(huán)境參數(shù)的變化對能量轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)損耗的性能都有直接影響，光伏板、換流器及系統(tǒng)的能效在最大、最小月均有變化。文獻[6]基于階梯的綜合能效評價方法建立了評價模型，實現(xiàn)對電網(wǎng)能效的綜合評價，但是沒有建立具有物理意義的指標和損耗間關(guān)系。文獻[7]提供了一種簡單的交直流配電網(wǎng)絡(luò)能耗和能效計算方法，但是沒有考慮電力電子器件和各部分損耗與潮流無功等各個因素的關(guān)系。文獻[8]針對交流電網(wǎng)提出了能效診斷方法，從功率和無功分布方面給出有效的區(qū)域配電網(wǎng)運行優(yōu)化意見，但是沒有考慮直流網(wǎng)絡(luò)和新能源新型負荷等設(shè)備的影響，也沒有考慮全壽命周期各個階段的能效需求。

國內(nèi)也有大量學者對于電網(wǎng)的能效評估方法進行了研究。文獻[9-13]利用各種方法選定指標體系和賦權(quán)方法，或采用不同的數(shù)據(jù)采集及分析方法，對交流、直流等網(wǎng)絡(luò)進行了能效評估，均驗證了其有效性。文獻[14]對光伏電站的不同形式進行了能效對比，得到了對光伏接入方法十分有益的定量結(jié)論。然而沒有考慮到全壽命周期不同階段的不同需求和可變量，沒有得出選定指標和能效間具有物理意義的關(guān)系。

本文提出一種基于潮流計算的能效分析和診斷方法，按照物理意義選取指標，建立指標和能效間具有物理意義的定量關(guān)系；然后考慮全壽命周期各階段的特征，確定各階段可變指標，參考運行規(guī)范確定各指標正常浮動范圍，并針對能耗最敏感的s 個指標提出能效建議。

1 分析與建模

1.1 拓撲簡化原則

對交直流配電網(wǎng)絡(luò)，定義母線為節(jié)點，以節(jié)點i 為例，母線i 上第k 條直供支路編號為ik 支路，節(jié)點i 和節(jié)點j 間的第k 條支路編號為ijk 支路，節(jié)點i 的電壓為Ui，節(jié)點間支路電壓按前一個下標節(jié)點的電壓進行計算，節(jié)點i 上直供支路電壓按節(jié)點i 電壓計算，全部計算值采用標幺值，下文中如無特殊說明，均符合以上原則。工程安裝完成后無需重復建模，測量數(shù)據(jù)需求量較小，只需在母線側(cè)進行測量即可。實際接線如圖1 所示，簡化拓撲如圖2 所示。圖2 中，P 和Q 為支路有功功率和無功功率，R 和X 為支路電阻和電抗，所有量的下標為支路編號。

圖1 實際交直流混合配電網(wǎng)絡(luò)拓撲

圖2 簡化后的交直流混合配電網(wǎng)絡(luò)拓撲

1.2 回路損耗模型

交直流混合電網(wǎng)節(jié)點間設(shè)備包括電力電子器件、變壓器、線路、限流電抗器等，除電力電子器件外，均為傳統(tǒng)的線性元件，可以等效為一個線路阻抗。電力電子元器件模型則按文獻[15]進行建模，其模型為：

式中：η 為電力電子元件能效；γ 為電力電子元件負載率。

ik 支路的變壓器等效模型為RTik+jXTik，線路元件等效模型為RSik+jXSik，限流電抗器等效模型為XGik，于是ik 支路的傳統(tǒng)元件等效模型為：

則ik 支路傳統(tǒng)元器件有功損耗為：

由此可得ik 支路損耗為：

式中：γik為ik 支路電力電子元件負載率；a，b，c為電力電子設(shè)備損耗參數(shù)，取值分別為-10.838，19.919 1，86.349 7。

1.3 指標選取和物理意義確定

全部評價指標選取及定義見表1（無特殊說明均按照標幺值進行計算），共選取9 個評價指標，于各個節(jié)點支路進行計算。表1 中僅列出直供支路（下標ik），對于節(jié)點間支路則將下標改為ijk。

表1 評價指標選取及定義

表1 中：Uin為節(jié)點i 所在系統(tǒng)的標稱電壓；l為該支路的線路長度；Q 為該支路流過的無功潮流；P 為該支路流過的有功潮流；Pn為該支路線路額定有功功率；PT為變壓器流過有功功率；PTn為變壓器額定有功功率；Pre為可再生能源實際有功出力；Pren為可再生能源額定容量；PDn為電力電子設(shè)備額定容量；RT和XT為變壓器等效電阻和電抗；RS和XS為該支路上線路元件的等效電阻和電抗；φ 為該支路流過潮流的功率因數(shù)角。

1.4 損耗關(guān)系模型建立

損耗微增關(guān)系矩陣如式（5）所示，該矩陣主要表達損耗變化與指標變化間的確定性關(guān)系。

式中：μik為可再生能源出力比率。

2 評價方法和標準選取

2.1 評價方法

按式（14）計算評價分數(shù)，式（10）—（13）主要用于快速、明確地建立指標及損耗間的微增關(guān)系。

式中：F 為最終評價分數(shù)；bB，ikn為ik 支路各對應(yīng)指標的基準值。

式（11）—（13）為各節(jié)點直供支路和節(jié)點間支路的指標微增矩陣，可以與損耗微增參數(shù)矩陣一起獲取各個時刻運行狀態(tài)的配電網(wǎng)能耗與各個計算指標間的確定性關(guān)系，從而較為準確地得出各指標對系統(tǒng)總能耗的影響，同時減少或避免了部分數(shù)據(jù)難以測量的問題。根據(jù)損耗微增參數(shù)矩陣的數(shù)值，可以分析能耗對各個計算指標的敏感性。

2.2 全壽命周期指標選取及范圍確定

將交直流混合配電系統(tǒng)的全壽命周期劃分為規(guī)劃階段、設(shè)計階段、施工階段和運行階段，根據(jù)各階段的實際工程特點確定可變能效指標，劃分各階段的能效指標結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制范圍。

選取指標時，依據(jù)各壽命階段的特征選取當前階段可優(yōu)化參數(shù)，計算指標選取以易于對損耗求偏導、不重復、能夠涵蓋表征指標對應(yīng)關(guān)系為原則，考慮各階段應(yīng)變動優(yōu)化及可變動優(yōu)化的表征量、各階段能直接測量觀測或簡單計算獲取的參量。

各階段均需選取電力電子設(shè)備負載率且直接與表征指標對應(yīng)，其余指標的選取如表2 所示，當前階段不可變或不選取部分指標值按0 計。

表2 全壽命周期各階段指標選取及對應(yīng)表征指標

各個壽命階段的計算指標基準值、指標控制范圍及期望基準值見表3。除電力電子設(shè)備負載率取基準為0.95，支路無設(shè)備時基準按0 計以外，其余指標選取如表3 所示，當前階段不選取部分指標值基準值及指標值均按0 計。

表3 各壽命階段能效評估計算指標基準值及控制范圍（以ik 支路為例）

3 算例

3.1 典型拓撲的交直流網(wǎng)絡(luò)損耗微增矩陣

在圖2 的簡化拓撲下，根據(jù)表4 的數(shù)據(jù)進行各個支路的損耗微增矩陣計算。實際的能耗變化量取決于損耗微增矩陣的損耗微增參數(shù)及指標偏離量。指標偏離基準值越大，則能效優(yōu)化潛力越大；指標偏離越小，則能效優(yōu)化潛力越小。損耗微增參數(shù)越大，則該指標優(yōu)化能耗的有效性越高；損耗微增參數(shù)越小，則該指標優(yōu)化能耗的有效性越低。因此，診斷和評估時分別從兩方面進行考慮：先將微增矩陣中的損耗微增參數(shù)由大至小排序，保留原編號；然后從最大參數(shù)對應(yīng)的支路指標開始查看指標是否處于控制范圍內(nèi)，若是則刪除該支路指標對應(yīng)的參數(shù)和指標，繼續(xù)尋找下一個參數(shù)對應(yīng)支路指標，否則將參數(shù)和對應(yīng)支路指標加入結(jié)果集；重復以上步驟至結(jié)果集數(shù)量滿足。

表4 算例數(shù)據(jù)

根據(jù)前兩章公式和圖2 的拓撲，設(shè)項目處于運行階段，代入表4 中數(shù)據(jù)，計算各節(jié)點末端支路及各節(jié)點間支路的能耗微增參數(shù)矩陣，獲得的各個支路和節(jié)點間支路的損耗微增矩陣結(jié)果如下：

設(shè)s=3 時，所獲取的3 個結(jié)果集及其排序為γ52，γ231，γ12，優(yōu)化建議為：節(jié)點5 第2 條直供支路電力電子器件負載率過低；節(jié)點2 與節(jié)點3 間第1 條線路電力電子器件負載率過低；節(jié)點1 第2 條直供支路電力電子器件負載率過低。

3.2 交直流網(wǎng)絡(luò)能效評分及對比

采用所述評分方式進行優(yōu)化前的損耗計算和能效評分，其結(jié)果為：實際計算損耗為0.428 90 MW，總使用有功為3.245 MW；因此，其能效評分為86.8，總體能效尚可。

根據(jù)3.1 節(jié)診斷結(jié)果進行能效優(yōu)化，通過修改末端功率的輸入輸出值來增加負載率。修改P52為0.23，修改P12為0.45，提升幾個指標值后再次根據(jù)所述評分方式進行損耗計算和能效評分，結(jié)果為：實際計算損耗為0.167 89 MW，總使用有功為3.625 MW，能效評分為95.37。評分較修改前有較大提升，說明本文提出的基于損耗微增矩陣的診斷和優(yōu)化方法是有效的。

4 結(jié)語

本文提出了一種在工程全壽命周期均適用的交直流混合配電網(wǎng)絡(luò)的能效評估與診斷方法。先針對實際工程全壽命周期各個壽命階段的特征進行指標結(jié)構(gòu)劃分和指標選?。辉籴槍恢绷骰旌吓潆娤到y(tǒng)各種能耗元件，尤其是電力電子元件，建立各個元件的能耗模型，進而建立線路損耗模型，推導出能耗與各個指標間的確定性微增關(guān)系；最后通過實際算例，選取全壽命周期中的運行階段，計算并驗證了本文提出的全壽命周期交直流混合配電系統(tǒng)能效評估和診斷方法的有效性。

采用各個支路的損耗微增矩陣進行交直流混合配電系統(tǒng)能效評估和診斷源自于小信號分析思想，考慮到電力系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性限制條件以及工程限制條件，實際各個階段的指標變化范圍在系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行時相對較小，此時微增可以較為準確地反映各個指標對能效的實際影響，結(jié)合指標的允許變化范圍和損耗微增矩陣給出的確定性關(guān)系，可以準確給出能效優(yōu)化診斷和建議。該方法為實際交直流混合配電網(wǎng)絡(luò)的能效評估和診斷提供技術(shù)支撐和理論基礎(chǔ)，具有一定的參考價值。