考慮需求側(cè)管理和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的配電網(wǎng)新能源承載能力評估

01需求側(cè)管理和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)1.1

需求側(cè)管理區(qū)別于全面參與電力市場的電力需求側(cè)響應(yīng)，電力需求側(cè)管理則是政府通過頒布措施引導(dǎo)電力用戶減少高峰時(shí)段用電，增加低谷時(shí)段用電，優(yōu)化用戶用電時(shí)段，減少電力峰谷差，可以有效減少供電壓力，減少供電和用電雙方成本。式中：

ξi,t

、

ΔPi,t

、

Δρi,t

分別為節(jié)點(diǎn)

i

在

t

時(shí)刻的電價(jià)彈性系數(shù)、需求側(cè)管理前后的用電需求變化值、需求側(cè)管理前后的電量變化值；

ρi,t

、分別為節(jié)點(diǎn)

i

在

t

時(shí)刻需求側(cè)管理前、后的電價(jià)；

Pi,t

、

分別為節(jié)點(diǎn)

i

在

t

時(shí)刻需求側(cè)管理前、后的負(fù)荷值；

分別為節(jié)點(diǎn)

i

在

t

時(shí)刻需求側(cè)管理前后電價(jià)的上、下限；

ρpeak

、

ρvalley

分別為負(fù)荷的峰、谷電價(jià)；

Tpeak

、

Tvalley

分別為峰、谷電價(jià)所屬時(shí)間區(qū)間；T為劃分的總時(shí)段數(shù)；N為總節(jié)點(diǎn)數(shù)。1.2

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)配電網(wǎng)重構(gòu)是通過調(diào)整支路開關(guān)的開斷狀態(tài)，改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種方法，即式中：

Fij,t

為

t

時(shí)刻從節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j的虛擬功率；

ρ(i)、

κ(i)分別為節(jié)點(diǎn)

i

的父節(jié)點(diǎn)集合與子節(jié)點(diǎn)集合；M為極大值；v為任意實(shí)數(shù)；

αij,t

為t時(shí)刻支路ij狀態(tài)變量，1表示連通，0表示斷開；

Ωb

為配電網(wǎng)支路集合。

02配電網(wǎng)新能源承載能力評估模型

配電網(wǎng)新能源承載能力評估模型中包含的決策變量為儲(chǔ)能的實(shí)時(shí)出力、分布式新能源的實(shí)時(shí)有功/無功出力、配電網(wǎng)線路的重構(gòu)、需求側(cè)管理措施。2.1

目標(biāo)函數(shù)本文以分布式新能源準(zhǔn)入容量最大為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為式中：C為分布式新能源的最大準(zhǔn)入容量；

NPV

為新增光伏的節(jié)點(diǎn)數(shù)；NWT

為新增風(fēng)電的節(jié)點(diǎn)數(shù)；

為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)新增的光伏容量；

為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)新增的風(fēng)電容量。2.2

約束條件1）配電網(wǎng)潮流方程約束。配電網(wǎng)的潮流應(yīng)滿足DistFlow方程約束，即式中：分別為節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻注入的有功、無功功率；分別為節(jié)點(diǎn)的有功、無功負(fù)荷需求；分別為節(jié)點(diǎn)的光伏和風(fēng)機(jī)的有功出力；分別為節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)能充、放電功率；分別為節(jié)點(diǎn)的光伏和風(fēng)機(jī)的無功出力；

Pij,t

、

Qij,t

和

Iij,t

分別為

t

時(shí)刻從節(jié)點(diǎn)

i

流向節(jié)點(diǎn)

j

的有功功率、無功功率和電流；

rij

和

xij

分別為支路

ij

的電阻和電抗；

Ui,t

為

t

時(shí)刻節(jié)點(diǎn)

i

處電壓。2）支路電流約束。在配電網(wǎng)運(yùn)行過程中，支路電流不應(yīng)高于上限，且當(dāng)支路斷開時(shí)，其上流過的電流為0。支路電流約束為式中：

Iij,max

為流經(jīng)支路

ij

的電流上限。3）電壓偏差約束為式中：

εlow

、

εup

分別為節(jié)點(diǎn)電壓偏差的下限和上限；

UN

為標(biāo)稱電壓。4）儲(chǔ)能運(yùn)行約束。接入配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的儲(chǔ)能的運(yùn)行需要滿足以下約束，即式中：0-1變量

γi,t

表征儲(chǔ)能充放電狀態(tài)，1為放電，0為充電；

為單個(gè)儲(chǔ)能模塊的額定功率；

為儲(chǔ)能安裝數(shù)量；

表示單個(gè)儲(chǔ)能模塊的額定容量；

為儲(chǔ)能電量；

和

分別為儲(chǔ)能充、放電效率；

Δt

為相鄰調(diào)度時(shí)刻之間的時(shí)長；

Si,max

、

Si,min

分別為儲(chǔ)能存儲(chǔ)能量上、下限；

和

分別為調(diào)度初始時(shí)刻與末尾時(shí)刻的電量。5）分布式新能源運(yùn)行約束為式中：

分別為光伏和風(fēng)機(jī)的有功出力上限；分別為光伏和風(fēng)機(jī)的功率因數(shù)。同時(shí)還需要考慮需求側(cè)管理約束式（1）~（4）和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)約束式（5）~（8）。03模型轉(zhuǎn)化與求解在上述模型中，潮流方程包含二次項(xiàng)、三角函數(shù)項(xiàng)，引入輔助變量

和

后，原模型中的電流平方項(xiàng)與電壓平方項(xiàng)可以消除，結(jié)合Big-M法和凸松馳技術(shù)，DistFlow方程約束可轉(zhuǎn)化為以下二階錐形式，即相應(yīng)地，電流幅值約束和電壓偏差約束可分別等效為通過二階錐松弛技術(shù)轉(zhuǎn)凸得到配電網(wǎng)新能源承載能力評估的線性化模型為該模型可以基于Matlab平臺(tái)中的Yalmip工具箱，采用Cplex算法包求解。04算例分析4.1

算例設(shè)置為驗(yàn)證本文所提模型的有效性，仿真算例采用改進(jìn)IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)，如圖1所示，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓上、下限設(shè)置為1.1p.u.和0.9p.u.，系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量設(shè)置為10MV·A，圖1中虛線為聯(lián)絡(luò)線，紅線為可重構(gòu)線路。光伏PV1、PV2安裝在節(jié)點(diǎn)6、26，風(fēng)機(jī)WT1、WT2安裝在節(jié)點(diǎn)16、31。圖1

IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1

IEEE33-busdistributionnetwork通過K-means聚類得到的廣東某地區(qū)分布式新能源與負(fù)荷典型場景數(shù)據(jù)如圖2所示，儲(chǔ)能位置及參數(shù)信息如表1所示。圖2

分布式新能源與負(fù)荷典型日數(shù)據(jù)Fig.2

Typicaldailydataofdistributednewenergyandload

表1

儲(chǔ)能位置及參數(shù)信息Table

1

Energystorageinstallationlocationandparameters

為研究需求側(cè)管理和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對配電網(wǎng)新能源承載能力的影響，本文在考慮儲(chǔ)能接入配電網(wǎng)的情況下，設(shè)置如下4種情景進(jìn)行對比分析：1）不考慮任何措施的配電網(wǎng)新能源承載能力評估；2）僅考慮網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的配電網(wǎng)新能源承載能力評估；3）僅考慮需求側(cè)管理的配電網(wǎng)新能源承載能力評估；4）考慮需求側(cè)管理和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的配電網(wǎng)新能源承載能力評估。4.2

承載能力評估經(jīng)過模擬運(yùn)行得到情景1~4的風(fēng)電、光伏最大準(zhǔn)入容量，如表2所示。表2

風(fēng)電、光伏最大準(zhǔn)入容量Table2

Maximumaccesscapacityofwindpowerandphotovoltaic由表2可知，對于間歇性較強(qiáng)的風(fēng)電，需求側(cè)管理可以有效提高承載能力。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)可以直接改變配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，影響功率的流動(dòng)，從而可以較大程度地提高新能源的承載能力?？紤]需求側(cè)管理和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)可以極大提升配電網(wǎng)的新能源承載能力。為深入分析需求側(cè)管理與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對配電網(wǎng)新能源承載能力的影響，分別統(tǒng)計(jì)不同情景下的分布式新能源承滲透率、平均電壓偏差、最大電壓偏差、平均棄風(fēng)棄光率，經(jīng)過min-max標(biāo)準(zhǔn)化得到如圖3所示的雷達(dá)圖。其中，分布式新能源承載能力為正向指標(biāo)，平均電壓偏差、最大電壓偏差、平均棄風(fēng)棄光率為逆向指標(biāo)。由圖3可知，僅考慮網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的情景2相比于情景1新能源滲透率從21.56%提升至26.34%，平均棄風(fēng)棄光率從2.96%降低至1.97%，最大電壓偏差從4.39%降低至3.96%，平均電壓偏差從3.53%降至2.94%；僅考慮需求側(cè)管理的情景3相比于情景1新能源滲透率從21.56%提升至30.46%，平均棄風(fēng)棄光率從2.96%降低至1.31%，最大電壓偏差從4.39%降低至3.75%，平均電壓偏差從3.53%降至2.71%；考慮需求側(cè)管理和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的情景4相比于情景1新能源滲透率從21.56%提升至39.12%，平均棄風(fēng)棄光率從2.96%降低至1.31%，最大電壓偏差從4.39%降低至3.75%，平均電壓偏差從3.53%降至1.47%。該結(jié)果表明考慮需求側(cè)管理和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)不僅可以提升配電網(wǎng)新能源承載能力，同時(shí)也可以減少配電網(wǎng)棄風(fēng)棄光率，改善電能質(zhì)量。圖3

各方案指標(biāo)對比Fig.3

Comparisonradarchartofeachschemeindex為進(jìn)一步分析需求側(cè)管理與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對配電網(wǎng)的影響，典型場景4考慮需求側(cè)管理前后的負(fù)荷曲線如圖4所示，情景4的典型場景4用電低谷、高峰時(shí)段網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖4可知，需求側(cè)管理之前負(fù)荷峰谷差為0.80p.u.，需求側(cè)管理之后負(fù)荷峰谷差為0.69p.u.，負(fù)荷高峰期（12:00—16:00，18:00—23:00）的部分負(fù)荷平移到負(fù)荷低谷期（00:00—11:00，17:00，24:00）。該結(jié)果表明考慮需求側(cè)管理對負(fù)荷最大峰谷差具有一定改善作用。圖4

典型場景4考慮需求側(cè)管理前后負(fù)荷曲線Fig.4

Loadcurvebeforeandafterconsideringdemandsidemanagementfortypicalscenario4圖5

情景4的典型場景4用電低谷時(shí)段網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)結(jié)果Fig.5

Networkreconfigurationresultsduringthevalleyperiodofelectricityconsumptionfortypicalscenario4ofsituation4圖6

情景4的典型場景4負(fù)荷高峰時(shí)段網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)結(jié)果Fig.6

Networkreconfigurationresultsduringthepeakperiodofelectricityconsumptionfortypicalscenario4ofsituation4由圖5、圖6可知，情景4的典型場景4在用電低谷時(shí)段線路1—18、2—22的支路開關(guān)斷開，聯(lián)絡(luò)線L1、L5的聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，這是因?yàn)樵谪?fù)荷低谷時(shí)段需要通過聯(lián)絡(luò)線L1、L2向節(jié)點(diǎn)18—24供電以最大程度消納分布式新能源的出力，提升配電網(wǎng)新能源承載能力；在用電高峰時(shí)段線路5—25、8—9的支路開關(guān)斷開，