基于蓄電池儲能的主動配電網(wǎng)優(yōu)化配置模型研究

引言

隨著能源需求與環(huán)境保護對電力系統(tǒng)的壓力日益增大,有效協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)平衡顯得尤為重要。在主動配電網(wǎng)框架下,分布式電源)DistributionGeneration,DG）憑借其優(yōu)勢被越來越多地接入配電網(wǎng)中。以光伏發(fā)電)photovoltaic,PV）、風(fēng)力發(fā)電)windTurbine,wT）為代表的可再生能源發(fā)電單元,其滲透率的提高對電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運行帶來了一系列挑戰(zhàn)。

而利用分布式儲能技術(shù)能有效實現(xiàn)可再生能源的平滑波動、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等,使可再生能源發(fā)電穩(wěn)定,可控輸出,滿足可再生能源電力的并網(wǎng)需求。

近年來,國內(nèi)外研究人員在主動配電網(wǎng)中對DG的優(yōu)化配置展開探索。文獻構(gòu)建了包含分布式可再生能源接入微網(wǎng)系統(tǒng)的隨機多目標(biāo)經(jīng)濟調(diào)度模型。文獻建立了多時間尺度獨立微電網(wǎng)能量優(yōu)化模型,優(yōu)化了發(fā)電單元的啟停機狀態(tài)及其有功出力值。文獻、文獻構(gòu)建了分布式儲能在電力系統(tǒng)中的優(yōu)化配置模型,考慮了DG的實時出力對模型的影響。

筆者構(gòu)建了主動配電網(wǎng)的分布式能源多時段優(yōu)化配置模型,包含了光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的間歇性發(fā)電裝置,并考慮了蓄電池儲能的充放電切換動作,以求解網(wǎng)損最小為目標(biāo),利用二階錐優(yōu)化算法求解數(shù)學(xué)模型。

1分布式電源的優(yōu)化配置模型

1.1目標(biāo)函數(shù)

配電網(wǎng)中DG優(yōu)化配置是在配電網(wǎng)滿足系統(tǒng)安全運行約束的前提下,通過調(diào)節(jié)各個可控DG的發(fā)出功率,實現(xiàn)配電網(wǎng)在最優(yōu)目標(biāo)的場景下運行。DG通常就近安裝于用戶側(cè),能緩解主網(wǎng)的輸送電壓力,并在一定程度上減少網(wǎng)損。由此,令本文的目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)有功損耗最小:

式中,7為優(yōu)化時段總數(shù):n為系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量:Pi,1為節(jié)點i在1時段注入的有功功率。

本文求解的是多時段的網(wǎng)損總和,而非單一時間斷面,能有效反映儲能系統(tǒng)在含DG的配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置效果。

1.2約束條件

系統(tǒng)潮流約束:

式中,PGi,1,0Gi,1為DG在時段1節(jié)點i的有功功率:PLi,1,0Li,1為時段1節(jié)點i的負荷需求:vi,1為時段1節(jié)點i的電壓水平:cij、Bij、9ij為系統(tǒng)拓撲參數(shù)。

系統(tǒng)運行安全約束:

式中,vi,min、vi,max為節(jié)點i的電壓幅值:Iij,,1為時段1線路ij通過的電流幅值:Iij,max為線路ij的最大允許通過電流幅值。

DG出力限制及容量限制:

式中,PGi,max、PGi,min為DG有功出力的上下限:0Gi,max、0Gi,min為DG無功出力的上下限:sGi,max為DG的容量最大值。

主動配電網(wǎng)能對于小幅度的負荷及間歇式功率波動做出實時響應(yīng),以修正實際負荷曲線及間歇式能源發(fā)電出力曲線與預(yù)測曲線的偏差,緩解功率波動。本文采用的間歇性DG為wT和PV,利用微型柴油發(fā)電機)MicroTurbine,MT）配合以平滑間歇性分布式電源的功率波動,減少配電網(wǎng)中的缺供電量。

2蓄電池儲能運行策略

在本文中配置的儲能裝置為蓄電池單元(BAT）,由于蓄電池的性價比更高且技術(shù)發(fā)展相對成熟,可通過不同時段的充放電來實現(xiàn)DG在配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置。

蓄電池運行過程受充放電限值、電池容量、儲能平衡等條件約束。在此,引入0-1變量ai,1和8i,1,分別表示時段1節(jié)點i的蓄電池的充電和放電狀態(tài),其中ai,1=1,8i,1=0表示蓄電池充電,ai,1=0,8i,1=1表示蓄電池放電,可用以下等式約束表示:

蓄電池充放電上下限值:

式中,Pc,max和Pc,min分別表示充電功率的上下限:Pd,max和Pd,min分別表示放電功率的上下限:Pci,1和Pdi,1分別表示時段1在節(jié)點i上蓄電池的充、放電功率。

電池容量極限:

式中,Ei,4為節(jié)點i的蓄電池時段4的電量:Ei,C為節(jié)點i的蓄電池的額定容量:7ci和7di分別為蓄電池的充放電效率:EsoCi,min和EsoCi,max分別為蓄電池荷電狀態(tài)的上下限值。

為構(gòu)建蓄電池充放電過程,引入0-1變量aP4和8P4。其中,aEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(=1,8EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(=0表示蓄電池完成一次放電過程,反之為充電過程。蓄電池的時段4充放電過程與前一時段4-1緊密相關(guān)。

為了進一步表示蓄電池的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程,引入0-1變量Fi,4以記錄蓄電池的充放電過程切換,即當(dāng)且僅當(dāng)aEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(1=1、aEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(=0或者aEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(1=0、aEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(=1時,蓄電池才發(fā)生充放電過程的切換,則Fi,4滿足以下約束條件:

3二階錐優(yōu)化模型

以上提出的數(shù)學(xué)模型含有多組連續(xù)變量及整數(shù)變量構(gòu)成的等式約束或不等式約束,是一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型,屬NP-難問題。常用方法一般為啟發(fā)式算法,但不能保證能在非凸可行域中求解得到全局最優(yōu)解。

二階錐規(guī)劃是在有限個二階錐的笛卡兒乘積與仿射子空間的交集上求解一個線性目標(biāo)函數(shù)的最小值問題。本文利用二階錐優(yōu)化模型求解原問題,令:

則原數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù)(1）可以轉(zhuǎn)換為:

類似地,可將約束條件(2）～(6）進行轉(zhuǎn)換。

二階錐規(guī)劃本質(zhì)是一個凸規(guī)劃,具有求取最優(yōu)性解和計算高效性的優(yōu)點。對于上述優(yōu)化模型,原問題非凸可行域被松弛為一個凸二階錐可行域,考慮離散控制變量時,可利用成熟算法包的分支定界和割平面方法保證解的最優(yōu)性和計算效率。

6算例分析

6.1求解模型

利用運籌學(xué)建模求解軟件GAMs,搭建本文所提的MIoCP模型。以修改后的西門子Benchmark低壓系統(tǒng)[7]作為本文的測試系統(tǒng),其額定電壓為0.4kV,額定基準(zhǔn)容量為100kVA。配置的DG如圖1所示,以日前24h作為算例的求解時間區(qū)間,測試系統(tǒng)的電源參數(shù)如表1、表2所示。

如圖2所示,間歇性能源與負荷隨時間而波動,二者的峰值將在不同時段出現(xiàn)。當(dāng)負荷出現(xiàn)峰值而間歇性能源出力較弱時,重負荷需要通過首端配變根節(jié)點輸送功率,進而拉低負荷節(jié)點電壓,引起較大的網(wǎng)絡(luò)損耗。而當(dāng)間歇性能源達到峰值時,因負荷較輕而棄風(fēng)、棄光。

6.2求解結(jié)果

通過求解,所提模型的求解目標(biāo)值為4.54kw,相比于未接入DG的配網(wǎng)運行的67.52kw,降低網(wǎng)損效果突出。此外,合理安排蓄電池儲能的充放電,能協(xié)調(diào)DG的有功出力,減少棄光、棄風(fēng),起到削峰填谷的作用。

如表3所示,①列表示利用二階錐優(yōu)化模型求解的電壓分布:②列表示將首節(jié)點作為松弛節(jié)點,DG接入的節(jié)點作為恒功率輸入節(jié)點求解得到的電壓分布:③列表示DG并未接入配電網(wǎng)中,系統(tǒng)中的負荷是通過首節(jié)點所連主網(wǎng)輸送計算得到的電壓分布。對比①和②列,最大偏差量為0.00094。可見,二階錐優(yōu)化能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)潮流求解。對比①、②和③可知,通過DG接入配電網(wǎng),能就近將電能提供給負荷,減少由于長距離功率輸送引起的電壓降,提高了電壓水平,改善了電能質(zhì)量。

圖3所示為DG在不同時段下的功率輸出情況,圖中PV和wT受不同時段的出力限制,MT為全功率輸出。圖4所示為蓄電池在一天24個時段的荷電狀態(tài)分布,兩個蓄電池相互協(xié)調(diào),在負荷較重時放電,在負荷較輕、間歇性能源充足時充電。結(jié)合圖3和圖4分析可知,蓄電池儲能根據(jù)主動配電網(wǎng)中的負荷需求及DG的出力大小做出充電/放電響應(yīng)。

5結(jié)論

本文構(gòu)建了一種基于蓄電池儲能的主動配電網(wǎng)優(yōu)化配置模型,能有效考慮蓄電池的充放電狀態(tài)切換動作特性,利用二階錐優(yōu)化算法松弛了潮流模型。主要結(jié)論如下:

(1）所提模型準(zhǔn)確度高,適應(yīng)性好,分布式能源的配置滿足主動配電網(wǎng)正常運行要求,符合工程實際。

(2）通過在主動配電網(wǎng)中合理配置分布式能源,能有效提高節(jié)點電壓水平,改善電能質(zhì)量,減少由于長距離輸送電能產(chǎn)生的線路網(wǎng)絡(luò)損耗。

(3）與傳統(tǒng)的智能算法相比,二階錐優(yōu)化算法通過對模型松弛轉(zhuǎn)化和統(tǒng)一求解,可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中DG的同時優(yōu)化,極大地提高了計算效率,并保證得到全局最優(yōu)解。