含光伏接入的中壓配電網(wǎng)集中調(diào)控優(yōu)化策略

01分布式光伏接入配電網(wǎng)的影響1.1

分布式光伏對(duì)配網(wǎng)網(wǎng)損的影響圖1為光伏接入配電網(wǎng)的示意。在PV接入之前，配電系統(tǒng)潮流方向單一，且從電源側(cè)流向負(fù)荷側(cè)；但是光伏接入后，潮流流向具有多種可能。圖1

光伏接入配電網(wǎng)示意Fig.1

DiagramofPVconnectedtodistributionnetwork為便于說明，假設(shè)系統(tǒng)電壓恒定不變，若圖1中負(fù)荷為式中：PL為有功功率；QL為無(wú)功功率。則負(fù)荷側(cè)電流為式中：U為模型中線路相電壓。進(jìn)而，可計(jì)算分布式光伏并網(wǎng)前，線路損耗為式中：RL為線路單位長(zhǎng)度電阻。設(shè)光伏功率為PPV+jQPV，光伏接入后線路多出的單相電流為由疊加定理可知，光伏并網(wǎng)后網(wǎng)損主要由2部分組成：（1）源于系統(tǒng)原有電源與光伏電源；（2）源于負(fù)荷側(cè)與并網(wǎng)光伏電源產(chǎn)生的有功損耗。光伏并網(wǎng)后第1部分網(wǎng)損為光伏并網(wǎng)后第2部分網(wǎng)絡(luò)損耗，因?yàn)樨?fù)荷電流未發(fā)生變化，所以該部分在數(shù)值上保持不變，即光伏并網(wǎng)后線路網(wǎng)損為在PV并網(wǎng)后，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗變化量為由式（8）可知，DG并網(wǎng)的位置與容量，成為影響電網(wǎng)線路網(wǎng)損大小的2個(gè)重要因素。當(dāng)光伏并網(wǎng)比例較高時(shí)，通過調(diào)節(jié)光伏并網(wǎng)功率，可有效實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)損耗的優(yōu)化目標(biāo)。1.2

分布式光伏對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓作用機(jī)理系統(tǒng)電壓最高點(diǎn)在PV并網(wǎng)前為母線電壓，而在并網(wǎng)后其最低點(diǎn)可能不再是用戶側(cè)電壓值，此時(shí)調(diào)壓需求無(wú)法通過中樞點(diǎn)電壓控制方式而得到滿足。為便于分析，本文假設(shè)配電線路為均有鏈?zhǔn)骄€路，在距離變壓器x處接入光伏，設(shè)定線路單位長(zhǎng)度的阻抗為R+jX，x處電壓為Uo。當(dāng)0＜m＜x時(shí)，線路任一點(diǎn)m處電壓降落為當(dāng)x≤m≤L時(shí)，m處壓降為由此可見，線路壓降會(huì)因PV并網(wǎng)的位置與容量不同而發(fā)生改變。當(dāng)光伏接入電網(wǎng)位置較為靠前，其壓降影響較大；在配電網(wǎng)線路較后位置接入光伏電源并網(wǎng)，對(duì)整個(gè)線路壓降的影響較小。本文所述背景為光伏已并網(wǎng)后，其并網(wǎng)位置已經(jīng)確定，不宜通過改變其在系統(tǒng)中位置來改變線路壓降，此時(shí)由式（10）可知，調(diào)節(jié)光伏電源出力PPV，可改變線路壓降，達(dá)到電壓波動(dòng)優(yōu)化效果。

02中壓配電網(wǎng)集中式優(yōu)化模型

本文提出應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)的集中式優(yōu)化控制策略，通過調(diào)控DG并網(wǎng)后出力數(shù)值，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)網(wǎng)損最小，節(jié)點(diǎn)電壓偏差最小和DG消納最大的優(yōu)化目標(biāo)。2.1

目標(biāo)函數(shù)中壓配電網(wǎng)集中控制模型為以中壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗最小、節(jié)點(diǎn)電壓偏差最小以及分布式電源消納最大為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化，綜合目標(biāo)函數(shù)為式中：Ploss為標(biāo)幺化后網(wǎng)絡(luò)損耗最小值；VUF為標(biāo)幺化后網(wǎng)絡(luò)整體電壓偏移最小值；PDG為標(biāo)幺化后DG并網(wǎng)后消納最大值；w1、w2、w3為各目標(biāo)所占權(quán)重。網(wǎng)絡(luò)損耗、網(wǎng)絡(luò)整體電壓偏移以及中壓配電網(wǎng)分布式電源消納可描述為式中：i、j為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；N為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；n為分布式電源個(gè)數(shù)；Vi、Vj為節(jié)點(diǎn)電壓；cos

θij為節(jié)點(diǎn)電壓相角余弦值；gij為節(jié)點(diǎn)間線路電導(dǎo)；Vmax、Vmin分別為電壓最大、最小值；PDG.i為第i個(gè)DG并網(wǎng)功率。2.2

約束條件本文所提中壓配電網(wǎng)集中式控制模型的約束條件主要由潮流平衡約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、中壓配電網(wǎng)光伏出力約束以及有限個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷受公共連接點(diǎn)（pointofcommoncoupling，PCC）功率響應(yīng)值約束等幾部分組成。（1）網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間潮流平衡約束可表示為（2）節(jié)點(diǎn)電壓約束為（3）中壓配電網(wǎng)光伏出力約束為（4）節(jié)點(diǎn)負(fù)荷受PCC點(diǎn)功率響應(yīng)值約束為式中，Gij為節(jié)點(diǎn)之間線路電導(dǎo)；Bij為節(jié)點(diǎn)之間線路電納；Pi為節(jié)點(diǎn)i有功功率；Qi為節(jié)點(diǎn)i無(wú)功功率；Ui、Uj為節(jié)點(diǎn)電壓。2.3

優(yōu)化方法通過使用二階錐凸優(yōu)化，CPLEX求解器進(jìn)行優(yōu)化求解，本文所建立模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)中壓配電網(wǎng)分布式電源出力進(jìn)行調(diào)控，使得配電網(wǎng)系統(tǒng)在滿足約束條件下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)損和節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)最小，且充分利用分布式電源。2.3.1

優(yōu)化原理若函數(shù)對(duì)于任意自變量x1、x2以及參數(shù)λ，均滿足式（17），則可認(rèn)為該函數(shù)為凸函數(shù)。由本文所建立中壓配電網(wǎng)優(yōu)化模型可知，該模型目標(biāo)函數(shù)式（11）中f為求最小值函數(shù)，符合凸函數(shù)定義；約束條件式（13）~（16）中各參數(shù)在給定參數(shù)區(qū)間范圍內(nèi)，符合凸集定義。二階錐凸優(yōu)化即為目標(biāo)凸函數(shù)基于滿足約束條件，求解二階錐范圍內(nèi)最小值問題。CPLEX因其可靠、快速、靈活等優(yōu)點(diǎn)，常作為很多復(fù)雜問題的求解方法。本文即利用CPLEX求解器對(duì)二階錐約束問題進(jìn)行求解，從而得到在中壓配電網(wǎng)集中調(diào)控下，PV并網(wǎng)出力最優(yōu)解。2.3.2

優(yōu)化步驟基于CPLEX和Matlab的中壓配電網(wǎng)集中優(yōu)化控制系統(tǒng)如圖2所示，優(yōu)化步驟如下。圖2

中壓配電網(wǎng)集中優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2

CentralizedoptimizationcontrolsystemofMVvoltagedistributionnetwork（1）收集分鐘級(jí)光伏出力信號(hào)以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷，將信息讀入系統(tǒng)中，設(shè)置參數(shù)；（2）根據(jù)中壓配電網(wǎng)約束方程和目標(biāo)函數(shù)，建立配電網(wǎng)模型；（3）以二階錐凸優(yōu)化為基礎(chǔ)，通過CPLEX求解器進(jìn)行優(yōu)化求解，獲得符合約束條件下的PV并網(wǎng)出力最優(yōu)解；（4）將該功率優(yōu)化指令傳遞至中壓配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)損耗的集中式優(yōu)化控制。

03算例分析3.1

算例介紹本文基于Matlab2018平臺(tái)，針對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)模型開展算例分析，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在中壓配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)6、15、28和31接入光伏電站。圖3

IEEE33網(wǎng)絡(luò)Fig.3

IEEE33network在中壓配電網(wǎng)集中式優(yōu)化控制模型中，w1和w2表示目標(biāo)函數(shù)中網(wǎng)絡(luò)損耗和節(jié)點(diǎn)電壓偏移的相關(guān)系數(shù)，直接關(guān)系網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行網(wǎng)損和電壓波動(dòng)，其權(quán)重較高，由于網(wǎng)損對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性關(guān)聯(lián)較大，取w1=0.6，w2=0.3；w3表示分布式電源在中壓配電網(wǎng)中消納的相關(guān)權(quán)重，故取較低值為0.1。3.2

控制效果為了對(duì)比本文所提中壓配電網(wǎng)集中式優(yōu)化模型的控制效果，分別針對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不采取任何優(yōu)化和控制方法，以及采用集中式優(yōu)化控制方法進(jìn)行仿真，對(duì)比各節(jié)點(diǎn)電壓和網(wǎng)絡(luò)損耗仿真結(jié)果，驗(yàn)證集中式優(yōu)化方法通過調(diào)節(jié)分布式電源出力對(duì)降低網(wǎng)絡(luò)損耗，減小電壓波動(dòng)的作用影響。分析不同時(shí)刻下節(jié)點(diǎn)電壓、網(wǎng)絡(luò)損耗仿真數(shù)據(jù)，結(jié)合光伏功率日內(nèi)變化，驗(yàn)證光伏出力對(duì)中壓配電網(wǎng)集中式優(yōu)化控制效果的作用影響。結(jié)合典型日下并網(wǎng)光伏利用率仿真圖，驗(yàn)證本文所述控制策略可在滿足優(yōu)化效果條件下，較為高效利用光伏能源。3.2.1

節(jié)點(diǎn)電壓（1）在同時(shí)刻下，取14:00，分布式電源未接入配電網(wǎng)，以及接入后中壓配電網(wǎng)集中式優(yōu)化控制策略在調(diào)控前后的中壓配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓分布如圖4所示。此時(shí)3種情況下節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值如表1所示。通過仿真數(shù)據(jù)可得，在DG未接入前，節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)較大，最末端電壓降低近10%；接入DG后，在未經(jīng)集中式優(yōu)化調(diào)控前，節(jié)點(diǎn)電壓雖然有所上升，但是波動(dòng)仍較為明顯，最大達(dá)到8.84%；在經(jīng)過集中式優(yōu)化控制之后，節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)顯著減小，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓偏移量顯著降低，最大偏移率僅為4.2%。圖4

14:00時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓分布Fig.4

Nodevoltageat02:00p.m表1

節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值Table1

Nodevoltagenominalvalue（2）在不同時(shí)刻下，取時(shí)刻10:00、14:00及20:00，光伏并入電網(wǎng)后，中壓配電網(wǎng)經(jīng)集中式優(yōu)化控制后節(jié)點(diǎn)電壓分布如圖5所示。通過對(duì)比可得，由于14:00時(shí)光伏額定功率較大，中壓電網(wǎng)可調(diào)控PV功率較多，對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)改善作用較10:00、20:00時(shí)具有顯著提升。圖5

不同時(shí)刻節(jié)點(diǎn)電壓分布Fig.5

Nodevoltageatdifferenttimes本節(jié)先后針對(duì)同一時(shí)刻下，PV未并網(wǎng)以及并網(wǎng)后配電網(wǎng)系統(tǒng)采取集中優(yōu)化前后的節(jié)點(diǎn)電壓仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，驗(yàn)證了中壓配電網(wǎng)通過集中控制光伏電源出力，可有效降低節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)率。之后針對(duì)某一典型日下光伏并網(wǎng)后，配電網(wǎng)參加集中優(yōu)化控制下的節(jié)點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了由于光伏出力不同，造成系統(tǒng)可調(diào)控PV功率在不同時(shí)間段下具有一定限制性，從而使得系統(tǒng)調(diào)控優(yōu)化效果因受日照強(qiáng)度等因素影響，而具有局限性。3.2.2

線路網(wǎng)損（1）在同時(shí)刻下，取時(shí)刻14:00，PV未并網(wǎng)以及并網(wǎng)后調(diào)控前后的線路網(wǎng)損分布如圖6所示。圖6

14:00時(shí)線路損耗分布Fig.6

Networklossat02:00p.m由仿真結(jié)果可得出，當(dāng)未接入分布式電源時(shí)，配電網(wǎng)網(wǎng)損較大，且各條線路分布差異較大；當(dāng)接入分布式電源后，線路網(wǎng)損差異明顯降低；在經(jīng)過中壓配電網(wǎng)集中式優(yōu)化控制后，線路網(wǎng)損明顯減小，且各個(gè)線路網(wǎng)損分布較為平均。（2）在不同時(shí)刻下，取時(shí)刻10:00、14:00及20:00，光伏并入電網(wǎng)后，中壓配電網(wǎng)經(jīng)集中式優(yōu)化控制后網(wǎng)絡(luò)損耗分布如圖7所示。通過對(duì)比仿真結(jié)果可得，由于14:00時(shí)光伏額定功率較大，中壓配電網(wǎng)可調(diào)控PV功率較多，20:00時(shí)由于光伏未能發(fā)出功率，配電網(wǎng)整體網(wǎng)損無(wú)法得到相應(yīng)優(yōu)化，最高值為0.15740MW，最低值為0.01695MW，網(wǎng)損較大且各線路差異明顯；在時(shí)刻10:00、14:00配電網(wǎng)對(duì)PV發(fā)出功率調(diào)節(jié)指令，網(wǎng)損最高值分別降至0.09971WM、0.07793WM，且各線路網(wǎng)損差異顯著降低。圖7

不同時(shí)刻網(wǎng)損分布Fig.7

Networklossatdifferenttimes由此可得，在不同時(shí)刻下由于PV功率不同，配電網(wǎng)所能發(fā)出功率調(diào)節(jié)指令裕度有所不同，對(duì)網(wǎng)損改善效果會(huì)有所影響。本節(jié)先后針對(duì)同一時(shí)刻下，PV未并網(wǎng)以及并網(wǎng)后配電網(wǎng)系統(tǒng)采取集中優(yōu)化前后的線路網(wǎng)絡(luò)損耗仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，中壓配電網(wǎng)采用集中式優(yōu)化控制策略后，通過調(diào)節(jié)分布式電源的出力情況，可明顯降低線路網(wǎng)損，并降低各條線路網(wǎng)絡(luò)損耗差值。之后針對(duì)某一典型日下光伏并網(wǎng)后，配電網(wǎng)參加集中優(yōu)化控制下的線路網(wǎng)損數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了由于光伏出力不同，造成系統(tǒng)可發(fā)出功率優(yōu)化指令具有一定限制，可調(diào)節(jié)范圍受光照強(qiáng)度、天氣狀況等因素影響，無(wú)法做到全時(shí)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，具有一定局限性。3.2.3

光伏利用率由于光能屬于可再生資源，在傳統(tǒng)資源供需關(guān)系日益緊張的情形之下，光伏電源具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)日益突出。但PV并網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行、監(jiān)控勢(shì)必會(huì)因光能的隨機(jī)性和波動(dòng)性而產(chǎn)生影響。由本文所述光伏并網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)損耗作用原理可知，當(dāng)光伏滲透率較高時(shí)，如式（8）所示，所并網(wǎng)光伏容量會(huì)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)網(wǎng)損產(chǎn)生影響。因此光伏并網(wǎng)時(shí)其利用率應(yīng)處于一個(gè)合理空間，過低會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，過高則對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性產(chǎn)生影響。在時(shí)段07:00—19:00，光伏在經(jīng)過中壓配電網(wǎng)集中式優(yōu)化調(diào)控后，利用率如圖8所示。由仿真結(jié)果可得，在時(shí)段07:00—10:00，隨著光照強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)，光伏可支配功率不斷提高，其光伏利用率處于不斷升高階段，以PV1為例，利用率由最初81.8%上升至95.2%。在時(shí)段10:00—17:00，光伏利用率均維持在較高水平，最高值達(dá)到98.8%。4處已并網(wǎng)的分布式光伏在時(shí)刻10:00之后，利用率均達(dá)到90%以上。圖8

光伏利用率Fig.8

PVutilizationrate通過仿真結(jié)果可得，本文所采用中壓配電網(wǎng)集中式控制策略，在保證調(diào)控優(yōu)化效果的同時(shí)，對(duì)光伏能源利用率也可保持在較高水平。

04結(jié)論隨著光伏并網(wǎng)容量增多，中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動(dòng)頻繁，網(wǎng)絡(luò)損耗增大問題逐漸突出。在此背景下，本文提出了一種中壓配電網(wǎng)集中式優(yōu)化控制策略，其研究結(jié)論為：（1）分析分布式光伏并網(wǎng)后，對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓及線路網(wǎng)損