配電網光伏并網存儲容量有序配置方法

黃 翔，劉子華，陳李豐，徐奕樂

（1.國網浙江省電力有限公司，杭州 310000;2.國網浙江省電力有限公司臺州供電公司,臺州 318000;3.浙江大學 竺可楨學院，杭州 310000)

0 引言

能源短缺以及環境污染問題是近年人類需要面臨的重要問題，此種背景下，新能源技術的發展受到眾多研究學者的重視。分布式光伏系統受光照強度和環境溫度影響較大[1]，有效的配電網光伏并網存儲容量配置方案是保障配電網平穩運行的重要基礎。

近年來針對配電網光伏并網容量優化的研究較多，于騰凱等人對配電網光伏并網容量優化進行研究[2]；姚天宇等人考慮安全邊界對分布式光伏容量優化的影響[3]。以上兩種方法雖然均可以實現配電網分布式光伏容量優化，但并未考慮配電網有序布點對容量優化的影響，導致容量配置優化效果并不理想。研究配電網光伏并網存儲容量有序配置方法，針對配電網光伏并網存儲容量進行有序配置，通過實驗驗證該方法可以實現配電網光伏并網存儲容量的有序配置，保證配電網光伏并網可靠運行，提升配電網承載能力，滿足光伏并網配電網日益增加的用電負荷需求。

1 光伏并網存儲容量有序配置

1.1 光伏并網存儲容量有序配置模型

1.1.1 有序布點優化模型

配電網接入分布式光伏電源后，受到負荷以及隨機擾動電源的影響，造成配電網存在明顯的負荷波動，同時令配電網出現明顯的峰谷差情況。為了令配電網光伏并網抑制負荷波動，確定最優的光伏并網節點，設置配電網光伏并網的有序布點模型目標函數表達式如下：

式(1)中，t與T分別表示配電網運行時間以及運行周期；Pave與PDN(t)分別表示負荷平均值以及負荷功率。

式(1)中，負荷功率PDN(t)的表達式如下：

式(1)中，負荷平均值Pave的表達式如下：

式(2)與式(3)中，Pload，i(t)與PPV，i(t)分別表示配電網節點i的負荷以及接入配電網的分布式光伏系統的有功功率；PiDESS(t)與N分別表示分布式儲能系統的有功功率以及配電網節點數量；利用DLi判斷配電網節點i處是否配置分布式儲能系統，配電網中配置分布式儲能系統時，該值為1，未配置儲能系統時，該值為0。

1.1.2 分布式儲能系統存儲容量優化配置模型

用Pload(t)與PPV(t)分別表示配電網本地負荷功率以及分布式光伏系統內光伏組件的輸出功率。當PPV(t)＜Pload(t)時，配電網光伏并網處于缺電狀態，利用DC/DC變換器將分布式儲能系統存儲的能量傳送至配電網，為配電網提供負荷，通過分布式儲能系統釋放的能量滿足配電網負荷能量的平衡需求[4]。時間段為t-t+Δt時，配電網光伏并網的分布式儲能系統所釋放能量計算公式如式(4)所示：

式(4)中，ηd表示分布式儲能系統的放電效率。

當PPV(t)＞Pload(t)時，分布式儲能系統利用DC/DC變換器吸收能量，令分布式儲能系統的儲能電池保持充電狀態。分布式儲能系統在時間段為t-t+Δt時，能量吸收表達式如式(5)所示：

式(5)中，ηc表示分布式儲能系統的充電效率。

引入可以體現電池剩余能量的荷電狀態，實時監測分布式儲能系統的充電以及放電過程。時間為t時，荷電狀態計算公式如式(6)所示：

用SOC0表示荷電狀態初始值，SOCmax與SOCmin分別表示配電網光伏并網的分布式儲能系統允許荷電狀態上限以及荷電狀態下限。引入荷電狀態初始值后，可將公式(6)轉化如式(7)所示：

分布式儲能系統充放電過程中，時間為t+Δt時，存在SOC(t+Δt)＜SOCmin時，可得時間段為t-t+Δt時，分布式儲能系統中的儲能單元放電電量表達式如式(8)所示：

時間為t+Δt時，存在時，可得時間段為t-t+Δt時，儲能單元充電電量表達式如式(9)所示：

建立分布式儲能系統存儲容量優化配置模型如式(10)所示：

1.2 光伏并網存儲容量有序配置模型約束條件

1.2.1 分布式儲能系統約束

分布式儲能系統應該滿足容量約束與功率約束，分布式儲能系統參與配電網存儲容量有序配置優化時，設置約束條件如式(11)所示：

式(11)中，Pi與Pmin、Pmax分別表示分布式儲能系統有功功率及其最小值和最大值；Qi與Qmin、Qmax分別表示分布式儲能系統的無功功率及其最小值和最大值；Ei，i與Ei，s、Ei，e分別表示節點i處的電容量設定值以及配電網運行起始時間和終止時間的能量存儲容量。

1.2.2 分布式光伏系統的配置約束

分布式光伏系統的容量配置約束表達式如式(12)所示：

式(12)中，Ppvi與Ppvi，max分別表示分布式光伏系統容量以及節點i可接入分布式光伏系統的最大配置容量；Ppv∑表示分布式光伏系統接入配電網的總規劃容量。

分布式光伏系統通過串聯以及并聯太陽能電池板建設，分布式光伏系統存儲容量表達式如式(13)所示：

式(13)中，Ki與Ppv0分別表示單臺光伏逆變器的額定容量以及并入配電網的光伏逆變器數量；a表示調節系數。

分布式光伏系統并入配電網的并網點數量限制約束表達式如式(14)所示：

式(14)中，n與Nmax分別表示并網點數量以及配電網允許接入分布式光伏系統的并網點數量上限。

1.2.3 電壓安全約束

配電網光伏并網的節點電壓禁止超過安全運行范圍，配電網節點電壓約束表達式如式(15)所示：

式(15)中，Vre與Vmax分別表示配電網光伏并網的節點電壓以及節點電壓上限；Vmin與R分別表示配電網光伏并網的節點電壓下限以及修正節點阻抗矩陣；P與Q分別表示配電網光伏并網中，節點電壓的有功負荷以及無功負荷。

1.2.4 線路安全約束

配電網光伏并網運行過程中，配電網線路電流需要滿足線路容量限制，避免線路運行過程中存在過載情況[5]。建立配電網線路安全約束表達式如式(16)所示：

式(16)中，Ib與L分別表示配電網光伏并網中支路電流以及支路導納絕對值。B與Ibmax、Ibmin分別表示配電網光伏并網節點支路關聯系數以及配電網光伏并網支路電流的上、下限。

1.3 遺傳算法的光伏并網存儲容量有序配置模型求解

采用遺傳算法求解所建立的光伏并網存儲容量有序配置模型，遺傳算法具有求解速度快、魯棒性強的優勢，常應用于多目標優化算法中。

采用遺傳算法求解光伏并網存儲容量有序配置模型的流程圖如圖1所示。

圖1 遺傳算法的模型求解流程圖

采用遺傳算法求解光伏并網存儲容量有序配置模型的流程如下：

1）編碼與初始化

對光伏并網存儲容量以及分布式儲能系統的充電功率編碼，初始化遺傳算法的種群個體。

2）構造適應度函數

以有序布點優化模型和存儲容量優化配置模型為基礎，設置種群的適應度函數表達式如式(17)所示：

式(17)中，Vk與k分別表示越限節點的電壓幅值以及迭代后種群的節點電壓越限數量；VN表示電壓幅值最大值，本文設置1.05p.u.。

3）交叉變異操作

利用適應度函數評價遺傳算法內種群的全部個體，對滿足條件的遺傳算法個體進行選擇操作、交叉操作以及變異操作，形成下一代種群。

4）遺傳算法滿足約束條件以及最大迭代次數時，終止算法迭代，輸出配電網光伏并網存儲容量有序配置結果。

2 實例分析

為了驗證所研究配電網光伏并網存儲容量有序配置方法對光伏并入配電網存儲容量的優化性能，選取某電力企業的45節點標準配電網作為研究算例。配電網總有功負荷為14.55MW；總無功負荷為7.45Mvar。光伏并網的配電網節點電壓上限和下限分別為1.05p.u.以及0.95p.u.。采用本文方法利用光伏并網存儲容量有序配置模型的有序布點模型對光伏并網節點進行優化，確定配電網的光伏并網最優節點。

分布式光伏系統存在較高的波動性，設置配電網的負荷水平固定。分布式光伏系統出力存在變化情況下，配電網的節點電壓越限統計結果如圖2所示。

圖2 不同光伏出力時節點電壓變化

通過圖2實驗結果可以看出，配電網中接入的分布式光伏系統具有越高出力時，配電網的節點電壓越限情況越嚴重。節點電壓越限情況越嚴重時，配電網對分布式光伏系統的接納水平越低，此時，配電網運行過程中的波動性越高，穩定性越差。通過圖2實驗結果可以看出，配電網接入的分布式光伏系統容量過高時，容易造成節點電壓質量降低的情況，此時配電網節點電壓幅值容易超過額定范圍內，影響配電網運行穩定性。光伏出力過多時，將造成過多的剩余能量無法被配電網及時消納，因此配電網存儲容量的有序配置極為重要。

接入分布式儲能系統后，配電網運行24小時的負荷功率變化如圖3所示。

圖3 配電網日負荷曲線

通過圖3實驗結果可以看出，分布式儲能系統接入配電網后，配電網運行時，可以滿足配電網的靜態安全約束以及電壓節點約束。接入分布式儲能系統后，可以保證配電網的穩定運行，驗證本文方法設置的有序布點模型對配電網進行有序布點有效性。

配電網光伏并網后，分布式儲能系統出力情況如圖4所示。

通過圖4實驗結果可以看出，分布式儲能系統在考慮容量限制時，配電網運行的輸出功率在0時～4時，明顯高于未考慮容量限制時的輸出功率。其余時間考慮容量限制以及未考慮容量限制時，配電網的輸出功率相差較小。

圖4 分布式儲能系統出力

統計配置不同數量分布式儲能系統時，將分布式儲能系統布置于不同節點時，配電網運行狀況。統計結果如表1所示。

表1 不同配置配電網運行結果

分析表1實驗結果，配電網中接入的分布式儲能系統數量為3-6個時，分布式儲能系統的最大充電容量可以滿足配電網光伏并網的運行要求。本文方法所設置約束有效限制配電網接入的分布式儲能系統的容量越限情況。本文方法可以實現配電網光伏并網存儲容量有效配置，配電網運行時，可以依據實際情況設定滿足配電網運行需求容量以及功率負荷的分布式儲能系統，保證配電網光伏并網存儲容量配置具有較高經濟性。分布式儲能系統設置數量為5時，實現高達100%的利用率，可以保證配電網中設置的分布式儲能系統高效運行。

采用本文方法獲取的分布式儲能系統最優配置容量如表2所示。

通過表2實驗結果可以看出，本文方法可以有效獲取配電網光伏并網時，分布式儲能系統的最優容量配置。本文方法可以利用分布式儲能系統消納分布式光伏系統運行過程中形成的多余電能，改善配電網節點電壓越限情況，提升配電網的供電可靠性。伴隨配電網中分布式光伏系統出力增加，分布式儲能系統的最優配置容量同樣呈現上升趨勢。本文方法可以有效獲取光伏接入配電網時，分布式儲能系統存儲容量的最優配置，具有較高的應用性。

表2 分布式儲能系統最優配置容量

采用本文方法有序配置存儲容量，選取節點16作為研究對象，統計配電網運行24小時，該節點電壓變化如圖5所示。

圖5 配電網節點電壓變化

通過圖5實驗結果可以看出，采用本文方法對配電網存儲容量有序配置，節點電壓穩定性更高，節點電壓可以穩定在理想范圍內。圖5實驗結果驗證本文方法可以提升配電網的電壓質量，令配電網保持在穩定運行電壓范圍內，圖5實驗結果驗證本文方法對配電網光伏并網存儲容量有序配置有效性。

3 結語

配電網光伏并網容量配置過程中存在明顯的不確定性，研究配電網光伏并網存儲容量有序配置方法，考慮配電網光伏并網的有序布點優化以及存儲容量配置優化。通過實驗驗證，該方法可以實現配電網光伏并網存儲容量的有效優化，令節點電壓穩定至正常范圍內，具有較高的靈活性。該方法可以實現分布式儲能系統中儲能電池容量的有效配置，改善電壓質量。