含分布式能源直流配電網(wǎng)的優(yōu)化調度
梁海峰，林嘉麟，李鵬
（華北電力大學電力工程系，河北保定 071003）
摘要：直流配電網(wǎng)對促進分布式可再生能源消納、解決傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)發(fā)展瓶頸等方面具有巨大優(yōu)勢。基于直流配電網(wǎng)現(xiàn)有討論和研究，針對含多種分布式能源( distributed energy resource，DER)的直流配電網(wǎng)，討論其組網(wǎng)方式與系統(tǒng)結構，重點研究適用于接有多種分布式能源的直流配電網(wǎng)的優(yōu)化調度方法。設計各并網(wǎng)單元運行策略及直流配電網(wǎng)多時段優(yōu)化調度策略，并建立了綜合考慮運行成本、環(huán)境效益以及系統(tǒng)損耗的多日標優(yōu)化調度模型通過算例的計算和分析．表明所提優(yōu)化調度方法在促進接人多種分布式能源后直流配電網(wǎng)的優(yōu)化運行以及接入分布式能源前后配電網(wǎng)優(yōu)化目標的改善方面具有良好作用．驗證了該方法的有效性。
關鍵詞：直流配電網(wǎng)：分布式能源：優(yōu)化調度：多目標
0引言
隨著近年來以清潔能源發(fā)電為主的分布式能源技術以及智能配電網(wǎng)技術的飛速發(fā)展．直流配用電技術以其良好特性正獲得越來越多的關注。
常見的分布式能源主要包括小型風機、光伏電池等可再生新能源和柴油發(fā)電機、燃料電池、微型燃氣輪機等可控型分布式微源以及儲能電站、電動汽車充換電站等電能存儲單元，這些分布式能源多以直流電形式輸出電能或可經簡單整流變?yōu)橹绷麟姡魧⒎植际侥茉粗苯咏尤胫绷髋渚W(wǎng)．則無需接入交流配網(wǎng)時所需的大量DC-AC換流環(huán)節(jié)，從而降低成本、減小損耗。此外，直流配網(wǎng)不需對電壓相位和頻率進行同步跟蹤．進一步提升其可控性與可靠性。除了對分布式能源的良好兼容性外，直流配電網(wǎng)還具有減小線路損耗、提高供電容量、節(jié)省線路走廊、可控性強、電能質量高、隔離故障區(qū)域等優(yōu)點。因此配電網(wǎng)的直流化必將成為未來配網(wǎng)改造升級的一個重要方向。
近年來，國內外科研工作者對直流配電網(wǎng)的體系與架構、關鍵設備以及運行控制技術等各個方面展開了大量的研究，但針對其優(yōu)化調度技術的研究還相對較少．特別是對含分布式能源的直流配網(wǎng)優(yōu)化調度方法仍有待進一步深入研究。本文將對含分布式能源的直流配電網(wǎng)的組網(wǎng)方式與系統(tǒng)結構進行討論．提出適用于接有多種分布式能源的直流配電網(wǎng)優(yōu)化調度方法．并通過算例的計算和分析驗證其有效性。
1 直流配電網(wǎng)組網(wǎng)方式與系統(tǒng)結構
在組網(wǎng)方式方面，直流配電網(wǎng)作為現(xiàn)代智能配電網(wǎng)的分支，其結構應融合清潔能源發(fā)電技術、儲能技術、智能電網(wǎng)接人等新技術．并應充分利用柔性直流配電網(wǎng)電能質量高、可控性高及運行方式靈活等優(yōu)勢．以適用不同技術條件下多種新能源的接入和滿足更多新型負荷的用電需求。相比傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，在連接負荷類型上．直流配電網(wǎng)更偏重直流負荷、采用變頻技術的工業(yè)負荷以及以高新產業(yè)為主的重要交流敏感負荷等。
在系統(tǒng)結構方面，相比大多以輻射式單向開環(huán)方式運行的交流配電網(wǎng)，基于多端柔性直流輸電技術的直流配電網(wǎng)一般可以采用兩端或多端結構供電。文獻[7]也驗證了相比環(huán)狀與放射狀結構，直流配電網(wǎng)采用兩端結構供電時．直流線路電壓分布更優(yōu)。此外，直流配電網(wǎng)作為已有交流配電網(wǎng)的補充，一般通過電壓源型換流器( voltagesource converter．VSC)與其他交流配電網(wǎng)互聯(lián)以提高功率分配的靈活性。
另外，文獻[3]指出直流配電網(wǎng)應是包含中壓直流網(wǎng)架和用戶側低壓網(wǎng)絡的兩（多）級電壓配電網(wǎng)絡．岡此，直流配電網(wǎng)的合理結構應是以中壓直流線路為配網(wǎng)主網(wǎng)架，網(wǎng)架上接有多種并網(wǎng)單元，包括各種分布式能源、交直流負荷、用戶側低壓直流配網(wǎng)．并通過雙向DC-AC換流器與交流系統(tǒng)互聯(lián)。低壓直流配電網(wǎng)則可以以一個或若干個直流微網(wǎng)的形式通過雙向DC/DC直流變壓器連接在中壓直流網(wǎng)架上。本文討論的直流配電網(wǎng)采用兩端結構供電，如圖1所示。
2直流配電網(wǎng)優(yōu)化調度方法
2.1 直流配電網(wǎng)能量管理工作原理
直流配電網(wǎng)能量管理主要以直流配網(wǎng)管理層為中心，與網(wǎng)內各單元及交流系統(tǒng)之問通信，獲取優(yōu)化調度所需信息，并發(fā)送優(yōu)化調度調整指令。系統(tǒng)能量管理工作原理如圖2所示。
2.2各并網(wǎng)單元運行方式
2.2.1 可再生能源發(fā)電單元
可再生能源發(fā)電單元主要為光伏電池與小型風機。為保證可再生能源最大化利用，各可再生能源發(fā)電單元均采用最大功率點跟蹤（MPPT）控制模式。
2.2.2低壓直流微網(wǎng)（群）
接人直流配網(wǎng)的微網(wǎng)或微網(wǎng)群一般為直流微網(wǎng)．其作為一種負荷／發(fā)電雙向并網(wǎng)單元參與運行。微網(wǎng)內部的能量管理由微網(wǎng)管理層進行管理控制，直流配網(wǎng)管理層只負責對其聯(lián)絡功率需求按負荷節(jié)點予以滿足。微網(wǎng)在日前與配網(wǎng)管理層互相根據(jù)自身安全性與經濟性互動協(xié)調，確定并上報次日聯(lián)絡功率計劃曲線，該曲線在當日作為已知條件參與優(yōu)化調度。
2.2.3可調度發(fā)電單元及儲能單元
可調度發(fā)電單元主要是指各可控型微源，包括燃料電池、柴油機等，各單元出力根據(jù)直流配網(wǎng)管理層優(yōu)化調度結果實時調整。儲能單元主要為集中設置的儲能電站或電動汽車充換電站，將其設定為在用電低谷時段作為負荷運行，用電高峰時段則作為可調度電源參與實時優(yōu)化調度。
2.2.4換流器
直流配電系統(tǒng)基于柔性直流供電技術，采用vsc與交流系統(tǒng)互聯(lián)。本文針對兩端結構直流配電網(wǎng)進行研究．即通過2個VSC與2個不同的中壓交流系統(tǒng)互聯(lián)．其中一個VSC采用定直流電壓控制維持直流系統(tǒng)電壓，另一個則采用定功率控制作為可調度單元參與優(yōu)化調度，并同時作為前者的備用，在其因故障退出運行時切換為定直流電壓控制支撐直流電壓。
2.3直流配電網(wǎng)多時段優(yōu)化調度策略
本文采用多時段優(yōu)化調度策略對直流配電網(wǎng)進行優(yōu)化調度，調度流程如圖3所示。各調度周期內．基于負載和間歇式微源發(fā)電預測數(shù)據(jù)及各微網(wǎng)日前上報的聯(lián)絡功率計劃曲線，在給定網(wǎng)絡參數(shù)與微源出力能力等信息的基礎上建立多目標優(yōu)化調度數(shù)學模型，求解模型以得出各可調度單元優(yōu)化調度方案并下發(fā)調整指令。調度周期可設為負載及間歇式微源發(fā)電超短期預測的時間頻度。調度中假定各可淵度單元的出力在每一個調度周期內保持不變。
2.4直流配電網(wǎng)多目標優(yōu)化調度模型
2.4.1 目標函數(shù)
(1)運行成本最低，可表示為
式中：C．表示運行成本；P為發(fā)電單元k在t時刻的有功功率輸出，kW; At為調度周期長度，h；CFk、OMk、CDk分別表示調度周期內發(fā)電單元七的燃料消耗成本、運行管理成本和折舊成本，元；CA為與交流系統(tǒng)交互功率的購電費用，元；c。。為分布式發(fā)電單元k的單位發(fā)電燃料消耗成本．元／(kW -h);K。、M^為分布式發(fā)電單元k的運行管理系數(shù)，元／(kW -h)；IfisCostk為發(fā)電單元k的安裝成本，元；CFR為社會資本回收系數(shù)：PNk為發(fā)電單元k的額定出力，kW; P,o為t時刻與交流系統(tǒng)的交互功率．kW,取向交流系統(tǒng)吸收功率時為正；CA．：為交流電價，元/(kW-h)。
(2)污染物處理費用最小，可表示為
式巾：C2表示污染物處理總費用；X表示排放污染物種類；CY為處理污染物所需費用，元/kg;y。，表示并網(wǎng)發(fā)電單元；發(fā)出單位電能時污染物X的排放重量，kg/(kW-h)。
(3)系統(tǒng)損耗最小。直流配電系統(tǒng)的有功損耗主要包括各功率變換器損耗和直流配電線路損耗。
功率變換器包括各種直流換流器與直流變壓器。文獻[9]給出了包括直流變壓器在內的各類直流換流器的傳輸效率與其額定容量的擬合曲線，由此可查得各種換流器的大致傳輸效率，本文據(jù)此計算各類功率變換器的近似有功損耗。而直流配電線路損耗計算方法如下。
對含n個節(jié)點的直流網(wǎng)絡，節(jié)點i注入電流/可表示為
寫成向量形式即為直流網(wǎng)絡節(jié)點電壓方程為
可得直流配電網(wǎng)絡功率方程
直流配電網(wǎng)中包含P節(jié)點和V節(jié)點兩種類型的節(jié)點。其中V節(jié)點為直流網(wǎng)絡平衡節(jié)點，即采用定直流電壓控制的VSC節(jié)點．其電壓值為已知，可設為中壓直流配網(wǎng)額定電壓。其余微源并網(wǎng)節(jié)點和采用定功率控制的VSC節(jié)點以及負荷節(jié)點在每一調度周期內設定為功率恒定．均作為P節(jié)點參與計算．其注入功率為各微源及負荷對節(jié)點注入功率的凈值。根據(jù)式(8)可為，n-1個P節(jié)點建立n-1個非線性直流潮流方程．采用牛頓一拉夫遜法求解方程，可求得各節(jié)點直流電壓值。最后由式(9)計算各線路功率損耗。
綜上所述．直流配電系統(tǒng)損耗日標函數(shù)為
式中：C3表示系統(tǒng)總損耗；Z表示直流配電網(wǎng)支路編號，i、j表示其兩端節(jié)點；△P表示支路Z存時刻t的線路損耗；P,ru為t時刻功率變換器m的有功功率傳輸值：n，。表示其傳輸效率．
2.4.2約束條件
多目標優(yōu)化調度模型的約束條件為
式(11)為直流系統(tǒng)潮流約束；式(12)為交直流電壓幅值約束；式(13)為各發(fā)電單元功率輸出限值；式(14)為儲能單元容量約束；式(15)為儲能單元充放電功率約束。
3算例分析
3.1 研究對象及相關基礎數(shù)據(jù)
以修改IEEE 13節(jié)點標準配網(wǎng)得到的直流配網(wǎng)算例系統(tǒng)為例，結構如圖4所示。交流系統(tǒng)1采用定直流功率控制，交流系統(tǒng)2采用定直流電壓控制支撐直流電壓。中壓直流網(wǎng)架上接有小型風機( WT)、光伏電池(PV)、燃料電池(FC)、柴油發(fā)電機(DE)、儲能站(ESS)等分布式能源及一個低壓直流微網(wǎng)，，供電負載包括2個交流負載和3個直流負載，各負載日分布曲線設定為同比例，比例分布曲線如圖5中所示。為簡化計算，直流線路參數(shù)統(tǒng)一沒置為0.64 fl/km，，其余有關數(shù)據(jù)如表1~3及圖5所示。調度周期取15 min,計算該算例系統(tǒng)一天的優(yōu)化調度情況。
3.2 優(yōu)化結果分析
根據(jù)提出的直流配電網(wǎng)多時段優(yōu)化調度方法，在Matlab軟件中編程實現(xiàn)，并利用NSGA-Ⅱ多曰標遺傳算法工具箱對算例的優(yōu)化模型進行計算求解，、程序中設定種群數(shù)量1000,最大迭代次數(shù)500,交叉率為0.9．變異率為0.1．求取優(yōu)化模型的最優(yōu)解。從求得的各時段Pareto最優(yōu)解集中得到各調度單元的優(yōu)化調度方案，從而可得到多曰標優(yōu)化調度方案如圖6所示。
由圖6可知：(1)調度過程中，燃料電池多數(shù)時段都作為主要電源優(yōu)先發(fā)電，這是因為燃料電池發(fā)電污染最低．且其距離2個直流負荷近，供電距離短、損耗小，但其成本較高；(2)谷時段（22:00-08:00）交流系統(tǒng)1與燃料電池共同作為主要電源供電，這是因為交流系統(tǒng)谷時電價較低，盡管其污染相對較大．但仍可作為主力電源供電，在其他時段( 08:00-22:00)其m力則相對要低得多；(3)柴油機只在17:00-20:00這段時間內有發(fā)電，其余時段則不發(fā)電，這是因為柴油機污染大，不過其距離3個直流負荷較近，故可在峰時段燃料電池出力達到上限時與交流系統(tǒng)1共同為各自近端負荷供電．且出力一般較小，作用主要是作輔助電源；(4)蓄電池在峰、谷時段分別執(zhí)行充和放電操作，其電能無污染，費用低，電能優(yōu)勢大，因此充放電時均采用最大充放電功率。
同時計算同樣負荷情況下不接入分布式能源．系統(tǒng)完全由外部交流系統(tǒng)供電時的上述3個指標值，并與含分布式能源時的情況對比．對比曲線如圖7所示。
由圖7a）可知，含DER系統(tǒng)運行成本在谷時段稍高于不含DER系統(tǒng)，這是由于谷時交流電價較低而分布式能源發(fā)電成本仍相對較高．而峰時電價高，分布式能源則具有明顯優(yōu)勢。盡管谷時段含DER系統(tǒng)運行成本沒有優(yōu)勢．但損耗和污染物處理費用則在所有時段均具有極大優(yōu)勢，這在圖7b）和圖7c）中可以看出。
不含DER時，負荷由交流系統(tǒng)供電，供電距離長．產生的損耗包括VSC和負荷并網(wǎng)換流器的損耗以及直流線路損耗．而含DER時各微源靠近負荷，線路損耗小，VSC聯(lián)絡功率較低損耗也小，再加上含DER時各微源出力經過優(yōu)化分配進一步降低了損耗，因此圖7b）巾含DER系統(tǒng)的損耗在各時段始終小于不含DER系統(tǒng)。另外，分布式能源電能多為清潔能源，其環(huán)境效益相比來自火電的交流電能必然有巨大優(yōu)勢，因此圖7e）中，各時段含DER系統(tǒng)的污染物處理費用始終遠低于不含DER系統(tǒng)。
綜上可知，算例的優(yōu)化調度兼顧運行成本、環(huán)境效益及系統(tǒng)損耗3個目標．接入分布式能源后，直流配電網(wǎng)的運行指標得到了很大改善。
4結語
本文討論了采用柔性直流技術的直流配電網(wǎng)的組網(wǎng)方式和系統(tǒng)結構特點．針對含多種DER的兩端結構供電的直流配電網(wǎng)．分析了其能量管理工作原理和并網(wǎng)單元運行方式．設計了一種多時段多曰標優(yōu)化調度方法，建立了兼顧成本、環(huán)境及損耗的多日標優(yōu)化模型。仿真結果表明，不同類型的DER在優(yōu)化調度方法的指導下協(xié)調各自出力，達到系統(tǒng)最優(yōu)，且DER很好地改善了配電網(wǎng)的運行指標。該方法為接人多種DER的直流配電網(wǎng)制定優(yōu)化調度計劃提供了一個有效的技術手段。在進一步的研究中，可利用直流配電網(wǎng)運行方式靈活，換流器控制方式多樣的特點，針對系統(tǒng)可能的突發(fā)情況研究可調度單元的快速實時優(yōu)化調整技術。
