含高比例分布式電源的配電網靈活性評估方法

蘇本慶, 李宏仲

(上海電力大學 電氣工程學院, 上海 200090)

為應對日趨嚴重的化石能源枯竭和氣候環境惡化等問題,我國在2020年9月聯合國成立75周年紀念峰會上正式提出了“雙碳”目標。在該目標的驅動下,以風光為主的分布式電源(Distributed Generation,DG)在配電網中得到大力發展和應用。然而,大量不可控DG的接入加劇了配電網的波動性和不確定性[1]。此時,配電網需要具有足夠的靈活性才可有效應對高比例DG接入帶來的不利影響。

國內外學者分別從運行和規劃兩個角度對電力系統靈活性展開了研究。運行靈活性著重關注系統應對源荷波動和預測誤差所產生的不確定性的響應能力[2],常通過運行模擬建立相應確定性指標[3]或構建靈活性運行域[4]等形式對其進行描述。規劃靈活性則著重關注合理配置和充分利用靈活性資源以提升運行靈活性[5],常通過概率評估[6]或場景評估[7]的方式對其進行描述。

上述研究大多從主網或系統層面對靈活性進行量化,而針對配電網靈活性的研究目前還處于初級階段[8]。從本質來看,配電網靈活性反映了配電網充分統籌和利用系統內可調度資源,有效應對多重不確定性因素擾動的能力[9]。在此基礎上,文獻[10]提出了靈活性裕度指標量化配電網靈活性。文獻[11]通過配電網網供負荷可行域的上下邊界來反映配電網的靈活性情況。

然而,該類文獻大多只是將系統層面相應評估指標和方法應用到配電網中,且所建評估指標大多無法全面反映網絡傳輸能力對配電網靈活性供需情況的影響,雖有部分文獻[12-13]提出利用支路靈活性應對能力指標和支路裕度指標來表征配電網靈活性,但是前者不能反映配電網靈活性不足的具體原因,后者則不能反映整個規劃周期內配電網的靈活性情況。

針對上述問題,本文在現有研究的基礎上提出了一種含高比例DG的配電網靈活性評估方法。首先,通過靈活性供需平衡分析,得到配電網靈活性供需匹配的4種情況。然后,提出了3類配電網靈活性評估指標,基于典型場景運行態勢模擬對配電網靈活性水平進行評估。最后,采用改進的IEEE33節點算例驗證了所提評估方法的有效性和優越性,并分析了不同光伏接入量下配電網靈活性供需匹配的變化情況。

1 配電網靈活性供需平衡分析

1.1 配電網靈活性需求建模

從產生原因分析,配電網的靈活性需求主要來源于源荷的隨機波動和預測誤差[14]。利用凈負荷曲線描述配電網源荷時序特征,2種類型的配電網靈活性需求情況如圖1所示。

圖1 2種類型的配電網靈活性需求情況

基于以上特征,可以對配電網靈活性需求進行建模,公式如下:

(1)

1.2 配電網靈活性供給建模

1.2.1 儲能系統

儲能系統具有雙向調節的能力,其靈活性供給能力受當前時刻狀態、最大充放電功率和充放電效率的影響。為便于分析儲能系統的靈活性供給情況,假定在時間尺度τ內其他能源出力不變。儲能系統的靈活性供給情況如圖2所示。

圖2 儲能系統的靈活性供給情況

圖2中,以系統有上調靈活性需求為例,當其他能源出力小于P1時,儲能處于放電狀態,需要提高放電功率提供上調靈活性以滿足凈負荷的向上波動。當其他能源出力大于P1小于P2時,儲能處于充電狀態,需要將充電狀態轉化為放電狀態以提供上調靈活性。當其他能源出力大于P2時,儲能處于充電狀態,需要減少充電功率以提供上調靈活性。因此,儲能系統的靈活性供給模型可以表述為

Pg,max、Pc,max——儲能在時間尺度τ下的最大放電和充電功率;

Es,t、Es,min、Es,max——t時刻儲能s的存儲電量、最小和最大存儲電量;

ηg、ηc——儲能s的放電和充電效率;

1.2.2 可削減負荷

與儲能放電類似,可削減負荷可通過增大(減小)負荷削減量提供上(下)調靈活性,具體公式為

(4)

Pq,max,t+τ——t+τ時刻可削減負荷q的最大削減功率;

Pq,t——t時刻可削減負荷q的削減功率。

1.2.3 上級主網

上級主網通過增大(減小)主網購電量提供上(下)調靈活性,其靈活性供給能力公式為

(5)

Pb,max、Pb,t——t時刻主網最大購電功率和主網購電功率;

ΔPb,max——時間尺度τ下t時刻上級主網最大爬坡功率。

1.3 配電網靈活性供需平衡分析

配電網作為一個多節點多支路系統,其靈活性供需平衡不僅受制于靈活性資源的充裕情況,還受制于配電線路的網絡傳輸能力。在不考慮網絡傳輸能力的前提下,配電網靈活性供需平衡主要關注靈活性資源的充裕情況,可通過靈活性供需建模對其進行量化。因此,可定義靈活性資源供給充裕量為At,其公式為

(6)

ns、nq——儲能系統和可削減負荷的數量。

對于網絡傳輸能力,則可通過配電網靈活性不足所產生的影響對其進行量化。當配電網在t時刻靈活性供給不足時,會在t+τ時刻發生棄風棄光或切負荷現象[15]。因此,可定義t+τ時刻配電網棄風棄光或切負荷量為Bt+τ,并通過典型場景運行態勢模擬得到Bt+τ的值。

基于以上分析,本文將配電網靈活性傳輸不足的情況進行分解,得到配電網靈活性供需的4種情況,如表1所示。

表1 配電網靈活性供需情況

2 配電網靈活性評估方法

2.1 配電網靈活性評估指標

為反映配電網靈活性資源的充裕和缺失情況,定義靈活性平均充裕度指標Ea和靈活性平均不足度指標Ee。其物理意義分別為配電網靈活性資源供給的總充裕量與充裕時段的比值,以及總缺額量與缺額時段的比值,公式為

(7)

(8)

同時,為反映配電網靈活性不足的成因,定義整體靈活性供需匹配率指標γ。其物理意義為4種靈活性供需情況的時段數占總時段數的比例,公式為

(9)

式中:γ1、γ2、γ3、γ4——4種靈活性供需情況下整體靈活性供需匹配率指標;

NT1、NT2、NT3、NT4——4種靈活性供需情況的時段數;

NT——評估周期內的總時段數。

2.2 運行評估模型

以運行成本最低為目標函數,構建優化調度模型對配電網典型場景運行態勢進行模擬。根據模擬得到各時段配電網的棄風棄光切負荷功率以及靈活性資源運行結果,進而計算配電網靈活性評估指標。該模型目標函數為

(10)

式中:Cf、Cl——靈活性資源運行成本和切負荷懲罰成本;

Cv、Cn——棄風棄光懲罰成本和網損成本;

cb、cs、cq——單位主網購電成本、單位儲能充電成本和單位可削減負荷響應成本;

cl、cv、cn——單位切負荷懲罰成本、單位棄風棄光懲罰成本和單位網損成本;

Pl,t、Pv,t——t時刻配電網切負荷功率和棄風棄光功率;

Iij,t、Rij——t時刻支路ij上的電流和電阻。

模型約束條件分別為二階錐轉化后的配電網支路潮流約束、運行安全約束、靈活性資源運行約束等,具體公式參考文獻[16]。經二階錐轉化后,可調用CPLEX 求解器對模型進行求解。

2.3 配電網靈活性評估流程

含高比例DG的配電網靈活性評估流程如圖3所示。

圖3 含高比例DG的配電網靈活性評估流程

3 算例分析

3.1 算例參數及典型場景生成

本文采用改進的IEEE33節點配電網進行算例分析。該配電網拓撲結構如圖4所示。其中,節點4、12、27的光伏接入容量均為1 MW,節點17、21的儲能接入容量均為0.6 MWh。PV表示光伏設備,ESS表示儲能設備,IL表示可控負荷。

圖4 IEEE33 節點配電網拓撲結構

算例采用的光伏和節點負荷數據均來自美國國家可再生能源實驗室,評估周期為1 a,數據分辨率為1 h。分別采用屬性加權的多元時間序列算法[17]和K-Means算法對配電網多節點負荷時序數據和光伏運行數據進行場景削減,負荷場景削減為5類,光伏場景削減為4類。各場景的出現概率如表2所示。

表2 源荷典型運行場景的出現概率

3.2 配電網靈活性評估結果

3.2.1 靈活性評估結果有效性分析

為驗證本文所提評估指標和評估方法的有效性,設置以下方案進行對比分析:方案1,不考慮儲能系統和可削減負荷接入;方案2,考慮可削減負荷接入,不考慮儲能系統;方案3,考慮儲能系統接入,不考慮可削減負荷;方案4,同時考慮儲能系統和可削減負荷接入。各方案靈活性評估結果如表3所示。

表3 4種方案的靈活性評估結果

由表3可以看出,隨著可削減負荷和儲能系統的逐步接入和全接入,配電網靈活性水平逐步提升。方案1中,高比例DG接入配電網,而配電網僅依靠上級主網參與靈活性調節,這導致配電網靈活性均處于最差的狀態,且網絡阻塞嚴重,整個評估周期內發生靈活性傳輸不足的情況(情況2+情況4)高達17.2%。方案2中,配電網靈活性水平的增長幅度不高,但可削減負荷的接入大幅減少了發生網絡阻塞的情況,與方案1相比,其靈活性傳輸不足的情況約能減少30%。

與方案2相比,方案3的靈活性水平得到大幅提升。這是因為儲能系統接入量遠大于可削減負荷,約為可削減負荷的10倍左右。但相比于方案1,方案3的靈活性傳輸不足的情況卻只減少約60%,這說明在相同接入量的情況下,可削減負荷能有效解決靈活性傳輸不足的問題。方案4中,可削減負荷和儲能系統全部接入配電網,配電網整體靈活性水平達到最高,且不再發生配電網傳輸能力和靈活性供給均不足的情況。

由此可見,在高比例DG接入配電網的背景下,所提評估方法可有效反映配電網的靈活性供需匹配水平,辨識靈活性不足的成因,為配電網靈活性規劃提供針對性指導。

3.2.2 靈活性評估結果合理性和優越性分析

為驗證所提評估方法的合理性和優越性,采用文獻[18]所提出的指標計算方法對方案4的靈活性水平進行評估。評估結果如表4所示。

表4 文獻[18]所提指標計算方法的評估結果

由表3和表4可知,本文所提評估方法的靈活性充裕度指標略大于文獻[18],而靈活性不足度指標則與其相同。這是因為本文將靈活性資源供給與網絡傳輸靈活性進行了分解,所建靈活性充裕度和不足度指標反映的是靈活性資源的充裕情況,而文獻[18]所提指標則將兩者進行了耦合,反映的是配電網整體靈活性的充裕情況。受網絡傳輸能力的影響,正常情況下靈活性資源的充裕度會略大于整體靈活性的充裕度,且由于方案4不會發生配電網傳輸能力和靈活性供給均不足的情況,因此兩種方法的靈活性不足度指標完全相同。

綜上可知,相較于其他方法,本文所提方法可以有效反映配電網靈活性不足的成因。

3.2.3 不同光伏接入容量下的靈活性評估結果

為研究不同比例DG接入下配電網靈活性供需匹配的變化情況,本文在方案4的基礎上等比例改變3個光伏接入點的光伏接入容量。對不同光伏接入量下配電網靈活性供需匹配率進行仿真計算,計算結果如圖5所示。

圖5 不同光伏接入量下配電網靈活性供需匹配變化情況

由圖5可以看出,當光伏接入容量小于3 MW時,靈活性供需匹配率指標變化不大,此時光伏接入產生的靈活性需求基本能夠得到滿足。當光伏接入容量大于3 MW小于6 MW時,γ1逐漸降低,γ2、γ3、γ4逐漸升高,配電網靈活性供給逐漸無法滿足光伏接入產生的靈活性需求,此時導致配電網靈活性供需不匹配的主要原因是靈活性資源供給不足。當光伏接入容量大于6 MW時,配電網靈活性供需匹配能力進一步下降。γ1和γ3的下降、γ2和γ4的上升說明了此時配電網的主要問題是配電網靈活性傳輸能力不足,需要對線路進行擴容以提升配電網的靈活性傳輸能力。

4 結 語

在高比例DG接入配電網的背景下,針對現有方法對配電網網絡傳輸能力考慮不足的問題,提出了一種含高比例DG的配電網靈活性評估方法。通過算例分析得知,所提出的評估方法可有效反映高比例DG接入下配電網的靈活性供需匹配水平,為配電網規劃提供針對性指導。與其他方法相比,所提方法可反映配電網靈活性不足的成因,具有一定的優越性。隨著DG并網比例的進一步提升,配電網傳輸能力在配電網靈活性供需中的限制作用將愈加顯著。