采用有載調容調壓變和MPC技術的配電臺區低電壓治理

徐峰亮,王發義,趙建濤,張帥,趙鳳展

(1. 國網河南省電力公司信陽供電公司,河南省信陽市 464000; 2. 華北電力大學控制與計算機工程學院,北京市 102206;3. 中國農業大學信息與電氣工程學院,北京市 100083)

0 引 言

隨著我國新農村建設和鄉村電氣化建設的推進,鄉村地區的生產、生活和商業等領域用電量激增。在返鄉供暖、春季灌溉、炒茶制煙等時段的高峰負荷現象尤為嚴重,可以達到平時正常負荷的十幾倍[1],且一直以來鄉村電網建設相對落后,部分配電變壓器容量已無法滿足負荷需求,出現低電壓現象,系統線損過高等問題[2-6],不符合清潔、低碳的新型電力系統的建設要求。如何綜合考慮供電能力、電壓質量以及配電變壓器損耗等指標,實現必要時調整供電設備運行參數解決農村配電網供電質量問題,以適合季節性和峰谷差較大的負荷需求和低電壓治理、并兼顧配電網經濟運行具有重要意義。

現有研究已經對峰谷差較大造成的時段性低電壓問題進行了初步探究,文獻[7]結合實際運行情況在分區內優化配置分布式電源(distributed generator,DG)進行低電壓問題的治理;文獻[8]利用線路無功補償和調壓器調壓;文獻[9]基于模型預測控制理論,通過調節DG的無功出力、儲能充放電和有載分接開關(on-load tap changer,OLTC)控制母線電壓;文獻[10]采用2臺或多臺配電變壓器并聯運行供電,該方案能滿足高峰負荷供電,但若不能自動調整設備的接入或退出,在負荷較小時經濟性較差;文獻[11-12]運用移動儲能裝置補給功率缺額,該方案在容量較大時一般造價也偏高。

據統計,全國配電變壓器上的損耗約占總發電量7%。降低配電變壓器的損耗特別是空載損耗具有十分重要的意義[13-16]。有載調容調壓變壓器(on-load capacity and voltage regulating transformer,CVRT)通過運行容量的調節,具有很大的節能潛力,適用于負荷峰谷差距大的配電臺區[17],采用CVRT可以緩解低電壓問題,同時也要關注最佳調容點的確定問題。文獻[18]對CVRT在目前電能替代背景下負荷激增的治理效果及其更換判據進行了研究;文獻[19]研究表明選擇CVRT可以顯著降低系統損耗,同時在高容量工作模式下也能保證系統的節點電壓在規定范圍內;文獻[20]在以門限值確定調容點基礎上,在有載調容點附近設置了15 kV·A的緩沖區間避免調容變壓器頻繁動作;文獻[21]引入了模糊決策方法,結合運行損耗和調容次數建立優選模型判斷調容點;文獻[22]為避免調容變錯過最佳調容時間而提出基于序電流的調容點判據;文獻[23]分析了有載調容變壓器的性能參數和綜合損耗,發現用電負荷特性與有載調容變壓器的經濟運行密切相關。

由此,本文在充分分析含高比例峰谷差負荷的供電臺區負荷特性的基礎上,采用CVRT治理時段性低電壓問題,設計一套基于模型預測控制(model predictive control,MPC)的日前調度和日內校正相結合的供電臺區低電壓治理及經濟運行協調優化控制策略,并用算例驗證策略的有效性和經濟性。

1 典型時段性負荷特性分析

受農業生產用電、迎冬度夏、春節返鄉等因素影響,農村時段性大負荷現象比較嚴重。以某地區低壓配電臺區典型日灌溉負荷為例,灌溉高峰負荷一般集中出現2～3個月,日負荷高峰一般出現在05:00—10:00,其負荷值達到了其他用電時段的2～5倍,導致相關線路的一些節點出線嚴重低電壓現象。典型的灌溉日負荷曲線如圖1所示。

針對負荷峰谷差大的地區,在選擇配電變壓器容量時,如果按照最大負荷選擇,變壓器運行不經濟;如果按照最小負荷選擇,高峰負荷期變壓器嚴重超負荷運行,影響配電變壓器安全運行和供電可靠性。因此迫切需要提出一種改善時段性低電壓問題同時降低變壓器損耗的方法。

2 調容調壓變壓器工作原理

2.1 調容變壓器調容原理

2.2 調容點選擇方法

調容點是保證CVRT工作在經濟運行方式的容量調整時刻,合理地選擇調容點可以使系統運行更經濟。變壓器綜合損耗曲線是一條與臺區負荷呈正相關的曲線,如圖2所示。

圖2 調容變壓器經濟運行曲線Fig.2 Economic operation curve of CVRT

當CVRT大容量工作模式下的綜合損耗ΔPH與小容量工作模式下的綜合損耗ΔPL相等時,其對應的臺區負荷值即為調容變壓器臨界經濟容量SC,在圖2中即為曲線交點對應的橫坐標值。當負荷值大于SC時,CVRT調整到大容量工作模式;當負荷值小于SC時,CVRT調整到小容量工作模式。SC的計算式為[19]:

(1)

式中:POH、POL分別為變壓器大、小容量的空載損耗;PKH、PKL分別為變壓器大、小容量的負載損耗;SNH、SNL分別為變壓器大、小額定容量。

對變壓器容量進行選擇時,要以現有的負荷為依據,適當考慮負荷未來發展情況。CVRT在實際運行中調容點的確定,在考慮理論調容點計算的基礎上,還需考慮實際運行的各項指標因素,包括系統節點電壓要求,調容切換的開關電氣壽命約束等。因此,實際最優調容點會略大于理論計算值,同時結合《10 kV有載調容配電變壓器選型技術原則和檢測技術規范》(Q/GDW 10731—2016)、《油浸式電力變壓器技術參數和要求》(GB/T 6451—2015)將1.1倍的理論調容臨界負荷值設定為實際調容限值[25],得到表1中的CVRT實際調容臨界負荷。

表1 S13型有載調容調壓變壓器綜合臨界負荷點Table 1 Model S13 integrated critical load point for CVRT

2.3 調壓點選擇方法

調壓點是保證CVRT工作在經濟運行方式的變壓器分接頭調整時刻。對于10 kV有載調容調壓變壓器的調壓范圍一般為±2×2.5%,有5個檔位供選擇。

[27]馮霞、楊勇：《中國特色社會主義城市治理研究中海外學者的觀點及政策建議》，《廣西社會科學》2015年第12期。

3 基于MPC的有載調容變壓器與電壓優化控制的經濟運行優化調度

隨著越來越多戶用光伏就近接入低壓配電網,一定程度上可緩解農網線路低電壓問題和偏遠地區用戶用電問題,但是由于光伏存在不確定性、間歇性以及與部分高峰負荷曲線不匹配等問題,使得時段性低電壓問題仍然存在。為了解決上述問題,本文設計了一種基于模型預測控制[26-27]的CVRT的經濟運行調度模型,流程如圖3所示。

圖3 基于調容調壓變壓器的農網時段性低電壓治理方法流程Fig.3 Flow chart of rural power grid periodic low voltage governance method based on CVRT

圖3由步驟1和步驟2兩部分組成。步驟1進行日前調度,根據日前日負荷及光伏預測曲線,確定CVRT調容點和調壓點,得到下一日的基本調度計劃;步驟2進行日內校正,將步驟1得到的日前調度計劃下達至CVRT,日內對其進行實時反饋校正。日內為避免由于配電網負荷及分布式電源出力的不確定性造成的調容開關反復動作,設計了調容閉鎖機制,同時對電壓調度模型進行優化校正。最終實現了農網時段性低電壓問題的治理以及CVRT的經濟運行優化調度。

3.1 日前調度階段

由于CVRT對容量的調整會影響系統整體電壓情況,因此日前調度階段根據日前負荷和光伏出力預測曲線首先確定調容方案,再確定調壓方案。調容方案即確定CVRT調容時刻,調壓方案即建立調壓最優調度模型并確定CVRT調壓分接頭的最優位置。

1)日前調容方案。

首先,分析日前負荷預測曲線和日前光伏出力預測曲線耦合后的系統總凈負荷曲線,按照表1中實際調容臨界負荷值設置閾值對曲線進行時段劃分,如圖4所示,凈負荷曲線位于實際調容臨界負荷值上方,共有2個高負荷時段,分別為T1(圖4中t1～t2)與T2(圖4中t3～t4)。由于CVRT在每個時段會動作2次,即一次升容動作、一次降容動作,若假設總負荷曲線中有n個需要調容的時段,每個時段記為Ti(i=1,2,3, …),則一共需要進行2n次調容動作。按照設備從投運到退出運行20年計算,同時滿足《10 kV有載調容調壓變壓器技術導則》(DL/T 1853—2018)中對CVRT調容次數的限制,每24 h調容不超過12次以保證其設備可靠性,所以n<6。

圖4 光伏和常規負荷耦合后系統凈負荷曲線Fig.4 Net load curve of the system after coupling PV and conventional load

針對負荷曲線中有多個峰值的情況,為限制調容次數,對每個調容時段進行功率損耗計算,并對各時段的功率損耗進行從大至小的排序,選取前m(m<6)個時段作為調容時段。功率損耗計算方法為:

(2)

式中:ΔPTi為Ti(i=1,2,3,…,m)時段的總功率損耗;St為t時刻系統總負荷;ΔPL(St)、ΔPH(St)分別為CVRT在低容量工作模式下和高容量工作模式下,負荷為St時的總功率損耗。

2)日前調壓最優調度模型。

minF(t)=CCB,t+COLTC,t+ctPLoss,t

(3)

式中:F(t)為t時刻系統總運行成本;CCB,t為t時刻電力電容器投切的動作成本;COLTC,t為t時刻CVRT分接頭投切動作成本;PLoss,t為當前系統網損;ct為t時刻分時電價。

約束條件除了需要滿足電力系統潮流和線路約束外,還需滿足CVRT分接頭位置和投切次數的約束:

kmin≤kt≤kmax

(4)

(5)

由于CVRT分接頭位置是離散變量,因此調壓最優調度模型本質上是一個混合整數非線性規劃問題。本文參考文獻[28]首先采用內點法求解得到不考慮設備調節次數約束條件下的理想可投切變壓器變比曲線;再利用最小二乘法對該曲線進行階梯化擬合[28],使其滿足調節次數不超過12次的約束限制,最終得到CVRT調壓變比整數解,形成變壓器分接頭位置控制的最終解。

3.2 日內校正階段

為了避免配電網負荷及分布式電源不確定性導致的日內調容、調壓檔位反復切換,影響安全穩定運行,本文在日內校正階段,對日前下達至CVRT的調度計劃提出了基于實時預測數據的調容開關閉鎖機制進行調容校正,以及以日前、日內預測數據差值為模型輸入的調壓校正。

1)調容校正。

為保證調容開關動作在最優調容點附近,調容校正的具體策略如下:首先校驗t時刻是否為日前確定的調容時刻,若不是,則跳過調容階段進入調壓校正調度階段;若是調容時刻,則判斷其是升容動作點還是降容動作點。對于升容動作點,校驗下一控制時刻的負荷與PV出力相耦合的預測值是否大于當前時刻真值,若是則給出指令進行調容,否則執行閉鎖,在下一時刻繼續校驗直至尋找到最佳調容點。對于降容動作點,則校驗預測值是否小于當前時刻值并實施對應的降容或閉鎖。

2)調壓校正。

調壓校正具體策略為:在t時刻觀測下一控制時刻(控制時間間隔為15 min)的各節點負荷及PV出力的預測值[29],同日前調度階段的預測數據進行比較,得到的差值作為模型輸入,在線求解15 min內的分接頭電壓控制的經濟運行策略,并執行當前調度結果;在下一采樣時刻,根據前一時刻調度后的系統運行狀態,重復以上過程,解決由于配電網負荷及分布式電源不確定性造成的電壓偏差問題。

4 算例分析

4.1 算例概況

本文采用改進的28節點低壓配電網算例進行仿真驗證,拓撲如圖5所示,線路、負荷具體信息見附錄表A1、A2所示。CVRT型號為S13-315(100)kV·A,變比為10 kV/0.4 kV。根據負荷特點在節點1處配置90 kvar的固定無功補償。CVRT分接頭投切動作成本為50元/次[30]。負荷節點具體情況為第18、22、23、25、26共5處為灌溉負荷節點,其他為正常生活負荷節點。應用參考文獻[31]的有功-電壓靈敏度矩陣方法在節點17、18、13、15、14、11共計6個節點設置實際最大發電功率為8 kW的屋頂分布式光伏電站,此時系統光伏滲透率為10%。運用MATLAB仿真平臺(R2019a版本),以某典型日灌溉負荷為例,采用圖3所示的計算流程驗證本文所提策略的有效性。同時為驗證所提方法對新型電力系統發展的適應性,對光伏滲透率為20%、50%的情況也進行了仿真驗證,光伏功率曲線如圖6所示。

圖5 28節點低壓配電網拓撲Fig.5 Low-voltage distribution network topology of 28 node

圖6 不同滲透率下的光伏功率曲線Fig.6 PV power curves under different permeability

4.2 計算結果分析

1)調容降損效果分析。

圖7給出了典型灌溉日24個時段不同光伏滲透率下的系統凈負荷曲線。

圖7 不同光伏滲透率下的系統凈負荷曲線Fig.7 Net load curves of the system under different PV permeabilities

根據第3節設計的日前調度階段調容方案確定調容時段,以表1中S13-315(100)kV·A調容調壓變壓器的實際綜合臨界負荷值58.3 kW作為調容閾值,對系統凈負荷曲線進行調容時段劃分,同時定義調整為大容量時為升容時刻,調整為小容量時為降容時刻,從而得到不同光伏滲透率下的調容結果和調容調壓變壓器與配置固定容量(S13型315 kV·A、100 kV·A)普通配電變壓器(下文稱普通變)的損耗比較值,如表2、表3所示。

表2 不同光伏滲透率下的調容結果Table 2 Volume adjustment results under different PV permeabilities

表3 S13型調容調壓變壓器與固定容量配電變壓器不同光伏滲透率下損耗值Table 3 LOSS values of S13 type CVRT and fixed capacity distribution transformer under different PV permeabilities

從表3可以看出,在光伏滲透率不斷提高的大背景下,315 kV·A和100 kV·A普通變壓器損耗值逐漸上升,而315(100)kV·A的CVRT損耗逐漸降低,有利于未來新型電力系統的節能建設。其原因主要是接入普通變壓器的線路隨著光伏滲透率提高,節點電壓升高或出現潮流返送現象,進一步增加了變壓器的損耗。而CVRT采用容量的適時切換,從而降低了系統輕載時的空載損耗,降損效果更明顯。以光伏滲透率10%為例,在典型灌溉負荷日,CVRT較2種普通變壓器損耗分別降低了58.8%和29.2%;若電價按照0.6元/(kW·h)進行估算,相比于全年都用大容量和全年都用小容量變壓器而言,每臺CVRT配變年節約費用約為3 744.9元和1 861.5元。

按相關部門統計,每節約1 kW·h電能,就相應節約了0.357 kg標準煤,同時減少排放0.270 68 kg的CO2、0.008 03 kg的SO2、0.006 9 kg的氮氧化物[32],本文策略的經濟和環保效益如表4所示?？煽闯霰疚奶岢龅牟呗栽诃h保效益方面,可以顯著節約煤,減少CO2、SO2及氮氧化物等有害氣體的排放,降低了對大氣環境的污染。這對于我國構建節能減排、綠色高效的社會具有積極意義。

表4 每臺S13型315(100)kV·A CVRT全年環保效益Table 4 Annual environmental protection benefit of each S13 315(100)kV·A CVRT

2)調壓控制效果分析。

經本策略調控后控制日內變壓器分接頭位置離散化后的結果如圖8所示。從圖8中可以看出,經過最小二乘法對變壓器分接頭調整進行理想化曲線擬合,分別將不同光伏滲透率下的分接頭調節次數控制在4次、3次、0次以及1次,有效減少了變壓器分接頭動作次數,可以延長變壓器使用壽命。調控前后系統各節點電壓如圖9所示,由圖9可見,經過優化調控可保證系統整體電壓在±7%合格范圍內。

圖8 CVRT分接頭投切情況Fig.8 Switching status of tap of CVRT

圖9 治理前后系統各節點電壓Fig.9 Voltage at each node of the system before and after governance

雖然本文使用的S13型CVRT成本較S13型普通變壓器成本要高些,但是超過部分的投資費用一方面可以用節省的電費補償,另一方面通過使用本文的電壓優化控制策略,減少了變壓器分接頭調整次數,延長變壓器使用壽命進行補償。通過計算,本文所用CVRT預計4～5年之內收回成本,在此以后每年所節省的運行費用則為純收益。

5 結 論

本文針對配電網高比例時段性大負荷供電區域的低電壓現象,在充分分析其負荷特征的基礎上,提出了基于模型預測控制技術并計及調容調壓變壓器的有載調容和調壓能力的配電臺區經濟運行調度策略。為適應新型電力系統發展需要,采用了不同分布式光伏滲透率條件下的算例,驗證了本文所提策略可以充分利用有載調容調壓變壓器的容量和電壓調節特性,具有很好的時段性低電壓治理效果和節能降損與環保效果。

本文方法可用于南方應用炒茶爐地區、北方含電采暖負荷、夏季空調負荷等日負荷峰谷差較大的配電臺區,通過合理地配置有載調容調壓變壓器,可以有效改善電壓和節能降損,適應新型電力系統建設的需要。

附錄A

表A1 28節點拓撲線路參數Table A1 28-node topology line parameters