計及高滲透率可再生能源接入的配電網節能規劃研究

梁作賓， 劉國明， 齊向， 張杰， 袁飛， 王慶

(1. 國網山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000；2. 國網山東省電力公司 發展策劃部，山東 濟南 250001)

0 引 言

在電力系統中，配電網的損耗情況最為嚴重，因此在節能規劃時，配電網具有最大的節能潛力[1-2]。同時，隨著分布式風能、光伏的大規模接入，配電網中的可再生能源比例呈現高滲透趨勢[3]。在不同滲透率和不同可再生能源選址定容方案下，會影響配電網整體改造方案的決策。因此，同時考慮可再生能源規劃和配電網改造方案具有現實意義。

當前，針對配電網節能改造的方法比較多。文獻[4]從全壽命周期成本角度出發，對變壓器、配電線路和無功補償進行改造，建立了全壽命周期成本效益模型。文獻[5]從配電網優化運行角度考慮，用等值電路法推導含有載調壓調容配變的有功損耗，提出了一種含有載調壓調容配變的配電網節能降損動態優化模型,最后求解得到有載調壓調容配變等設備動作方案。文獻[6]同樣從運行優化的角度，綜合考慮了分布式電源等調壓設備的參與，通過優化電壓控制模型，實現配電網的節能效益。文獻[7]提出了一種考慮分布式電源接入的配電網重構算法，通過網絡重構有效地降低了網損，并驗證了算法的有效性和全局收斂性。

綜上所述，在現有的配電網節能相關研究中，主要是通過配電設備更換、優化運行狀態實現降損節能，很少將可再生能源考慮在內，更少將可再生能源規劃問題同配電網節能問題一同考慮。本文將把可再生能源規劃與配電網的綜合改造作為一個整體進行考慮，體現了可再生能源規劃與配電網節能改造之間的相互影響，最后實現兩者的最優決策。

1 分層分區節能規劃整體思路

首先采用考慮資源時空特性的方法對新增可再生能源容量與布局進行規劃，即圖1中階段A。

圖1 分層分區節能規劃思路

其次根據規劃區域不同線路的降損潛力，對規劃區域進行分區，并對投資成本進行初步分配(階段A到階段B)。

隨后在全局配電網中以新增可再生能源投資成本最小、線路差異化改造成本最小和節能效益最高為目標函數，建立上層規劃模型(包含階段A、階段B和階段C)。

再次用前推回代法，代入線路運行數據，求得各條線路上的降損值，優化得到各線路最具節能效益的綜合改造方案(階段C到階段D)，即下層規劃。

最后通過上下層模型迭代，實現節能改造方案的優選和投資分配。

2 可再生能源容量與布局優化建模

考慮到采用和聲搜索算法對雙層模型進行迭代求解，為了提高算法的收斂速度及效率，首先對可再生能源容量和布局進行規劃，形成迭代初始數據。文獻[8]給出了一種考慮資源時空特性的可再生能源容量與布局規劃模型，具體規劃流程如圖2所示。

圖2 可再生能源規劃流程

第一步，將規劃區域按照緯度0.5°、經度0.67°劃分得到地理網格模型，并基于MERRA(modern era retrospective analysis for research and applications)氣象數據表征各地理網格的資源時空特性。

第二步，采用單位可再生能源容量出力序列描述每個地理網格資源的時序變化，從而得到可再生能源的出力模型。

第三步，在考慮到各地理網格的地形和海拔等因素的影響時，計算可利用土地的總面積，并結合風電機組和光伏電池板的安裝特點，得到每個地理網格最大的可開發容量。

可再生能源電源規劃模型的目標是新增風電和光伏發電裝機容量的投資和運行成本最小化。

(1)

可再生能源容量與布局規劃時考慮如下約束條件：

(1)可再生能源發電約束。并網風電與光伏發電的時序出力約束為:

(2)

(2)可再生能源占比約束：

(3)

式中：λL為區域可再生能源發電量相對負荷電量的占比，通過設置不同的λL，可以得到可再生能源不同的滲透率；PL(t)為區域電網在時刻t的負荷功率。

(3)時序功率平衡約束:

(4)

3 建立雙層模型

3.1 上層規劃模型

將新增可再生能源投資及運行成本計入配電網節能改造總成本，建立同時考慮投資總成本和降損效果的上層模型，具體如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

3.2 下層規劃模型

下層模型實現各條線路的綜合改造成本及網損費用最低，具體如下：

(9)

式中:投資回收因子μ=β(1+β)n/(1+β)n-1；Ωj為線路j中支路的集合；β為折現率；n為設備經濟使用壽命；cL、cT、cMD、cM分別為線路改造投資、變壓器改造投資、無功補償設備投資和維護投資；ΔPj為各支路的有功損耗；a為單位電價；T為各設備年等效運行小時數。

同時，下層規劃模型需要滿足如下約束條件：

(1) 潮流方程約束。結合圖3對配電網潮流方程約束進行說明。

圖3 配電網結構圖

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中:Vi為節點電壓；Ri、Xi為線路阻抗；Pi、Qi為線路前端的有功功率和無功功率；PLj、QLj為節點的負荷功率；ΔPi、ΔQi為線路的功率損耗；k為迭代次數。

(2) 線路改造約束。

Iimin≤Ii≤Iimax

(17)

式中:Iimax、Iimin為各支路電流的上下限。此約束條件可以防止電流越限，保證配電網運行在安全電流范圍內。

(3) 變壓器負載率約束。

βmin≤β≤βmax

(18)

式中:βmax、βmin為變壓器運行負載率上下限。負載率是考核變壓器改造的重要考核指標。

(4) 無功補償設備約束。

(19)

Vimin≤Vi≤Vimax

(20)

Qimin≤Qi≤Qimax

(21)

式中:Gi為無功補償裝置安裝費用；amdi為單位容量投資成本；Qi為安裝容量；Vimax、Vimin、Qimax、Qimin分別為節點電壓上下限、無功補償裝置容量上下限。

4 模型求解

針對含有高滲透率可再生能源的配電網差異化節能規劃模型，求解步驟如圖4所示。

圖4 模型求解框架圖

(1)對第2章中所提可再生能源規劃模型進行求解。該模型是一個只包含連續變量的大規模線性規劃問題，得到可再生能源的初步規劃方案，并同現有網架信息一起初始化和聲記憶庫。

(2)將和聲記憶庫中的數據傳遞到下層，通過前推回代求得線路優化改造方案，將結果向上層模型傳遞。

(3) 若滿足收斂條件，即得到最優解，輸出最優的可再生能源選址定容以及配電網的改造方案。

(4) 不滿足收斂條件，用下層結果對和聲記憶庫進行更新，更新后傳遞至上層模型，繼續進行第二步。

5 算例分析

本文以山東電網某市的配電網真實數據為例進行分析。地理空間按照緯度0.5°、經度0.67°，時間按照1 h劃分時空地理網格，并根據單位風光容量出力序列，得到某地風電機組和光伏發電出力曲線如圖5、圖6所示。

圖5 風電機組出力曲線圖

圖6 光伏發電出力曲線圖

給定可再生能源滲透率λL，通過第2節中的模型完成可再生能源選址與定容的初步規劃，并用初步規劃方案和網架信息生成初始化和聲記憶庫。

然后進行分區規劃。該市配電網可按照變電站分為A1、A2共2個子區，配電網改造成本約束為1 000萬元，降損節能目標為2%。根據歷史線損情況，完成各分區及改造投資約束，如表1所示。

表1 各分區及方案投資約束

網損費用通過以下函數表示：

C=[(Pl+PCu)×6 000+PFe×8 760]×a

(22)

式中：a為單位電價，取0.6 元/(kWh)。

下層模型對線路改造(P1)、變壓器改造(P2)、無功補償(P3)和優化電壓(P4)進行綜合改造優化，并更新和聲記憶庫，得到新的可再生能源規劃方案與網架信息。通過上下層模型迭代至收斂得到不同滲透率下的節能效果，如表2所示。

表2 不同滲透率下配電網的綜合節能效果

表3 風電和光伏發電成本參數

表4所示為不同可再生能源滲透率下的整體投資成本及節能效益對比。結果顯示，雖然在不同滲透率規劃時，可再生能源的選址與定容影響了配電網的潮流分布，但是通過雙層模型的相互迭代，配合快速高效的和聲算法，所得結果均達到了降損2%的要求。綜上，本文所提方法具有可行性，可為新增可再生能源尋址定容及其所在的區域配電網規劃提供一定指導。

表4 不同滲透率下的規劃投資及節能效益

6 結束語

本文提出的計及高滲透可再生能源接入的配電網節能規劃方法，作用在于對逐步高滲透的配電網節能進行整體規劃。建立的雙層模型通過上下層相互反饋迭代，實現可再生能源規劃及配電網節能改造方案的整體尋優，達到了投資成本最小和節能效益最優的目的。算例結果表明，本文所提規劃方法有利于提高配電網整體規劃決策水平，具有一定的實際應用價值。