摘要
提出了考慮需求側管理和網(wǎng)絡重構的配電網(wǎng)新能源承載能力評估方法。首先，構建適用于配電網(wǎng)新能源承載能力評估的需求側管理和網(wǎng)絡重構模型；然后，以分布式新能源準入容量最大為目標，建立考慮需求側管理和網(wǎng)絡重構的配電網(wǎng)新能源承載能力評估模型；其次，利用二階錐松弛技術對模型進行轉凸求解；最后，采用改進IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)為仿真算例，對不同情景下系統(tǒng)分布新能源承載能力進行評估。結果表明，考慮需求側管理和網(wǎng)絡重構可以有效提升配電網(wǎng)分布式新能源承載能力。
1 需求側管理和網(wǎng)絡重構
1.1 需求側管理
區(qū)別于全面參與電力市場的電力需求側響應，電力需求側管理則是政府通過頒布措施引導電力用戶減少高峰時段用電，增加低谷時段用電，優(yōu)化用戶用電時段，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 i 在 t 時刻的電價彈性系數(shù)、需求側管理前后的用電需求變化值、需求側管理前后的電量變化值； ρi,t 、圖片分別為節(jié)點 i 在 t 時刻需求側管理前、后的電價； Pi,t 、圖片 分別為節(jié)點 i 在 t 時刻需求側管理前、后的負荷值； 圖片分別為節(jié)點 i 在 t 時刻需求側管理前后電價的上、下限； ρpeak 、 ρvalley 分別為負荷的峰、谷電價； Tpeak 、 Tvalley 分別為峰、谷電價所屬時間區(qū)間；T為劃分的總時段數(shù)；N為總節(jié)點數(shù)。
1.2 網(wǎng)絡重構
配電網(wǎng)重構是通過調整支路開關的開斷狀態(tài)，改變網(wǎng)絡拓撲結構的一種方法，即
式中： Fij,t 為 t 時刻從節(jié)點i流向節(jié)點j的虛擬功率； ρ(i) 、 κ(i) 分別為節(jié)點 i 的父節(jié)點集合與子節(jié)點集合；M為極大值；v為任意實數(shù)； αij,t 為t時刻支路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。
2 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能的實時出力、分布式新能源的實時有功/無功出力、配電網(wǎng)線路的重構、需求側管理措施。
2.1 目標函數(shù)
本文以分布式新能源準入容量最大為目標，目標函數(shù)表達式為
式中：C為分布式新能源的最大準入容量； NPV 為新增光伏的節(jié)點數(shù)；NWT 為新增風電的節(jié)點數(shù)；圖片 為第i個節(jié)點新增的光伏容量；圖片 為第i個節(jié)點新增的風電容量。
2.2 約束條件
1）配電網(wǎng)潮流方程約束。
配電網(wǎng)的潮流應滿足DistFlow方程約束，即
2）支路電流約束。
在配電網(wǎng)運行過程中，支路電流不應高于上限，且當支路斷開時，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)點電壓偏差的下限和上限； UN 為標稱電壓。
4）儲能運行約束。
接入配電網(wǎng)節(jié)點i的儲能的運行需要滿足以下約束，即
式中：0-1變量 γi,t 表征儲能充放電狀態(tài)，1為放電，0為充電； 圖片 為單個儲能模塊的額定功率； 圖片為儲能安裝數(shù)量； 圖片表示單個儲能模塊的額定容量； 圖片 為儲能電量； 圖片 和圖片 分別為儲能充、放電效率； Δt 為相鄰調度時刻之間的時長； Si,max 、 Si,min 分別為儲能存儲能量上、下限； 圖片和圖片 分別為調度初始時刻與末尾時刻的電量。
5）分布式新能源運行約束為
同時還需要考慮需求側管理約束式（1）~（4）和網(wǎng)絡重構約束式（5）~（8）。
3 模型轉化與求解
在上述模型中，潮流方程包含二次項、三角函數(shù)項，引入輔助變量圖片 和 圖片 后，原模型中的電流平方項與電壓平方項可以消除，結合Big-M法和凸松馳技術，DistFlow方程約束可轉化為以下二階錐形式，即
相應地，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轉凸得到配電網(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平臺中的Yalmip工具箱，采用Cplex算法包求解。
4 算例分析
4.1 算例設置
為驗證本文所提模型的有效性，仿真算例采用改進IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)，如圖1所示，配電網(wǎng)節(jié)點電壓上、下限設置為1.1 p.u.和0.9 p.u.，系統(tǒng)的基準容量設置為10 MV·A，圖1中虛線為聯(lián)絡線，紅線為可重構線路。光伏PV1、PV2安裝在節(jié)點6、26，風機WT1、WT2安裝在節(jié)點16、31。
圖1 IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)拓撲結構
Fig.1 IEEE 33-bus distribution network
通過K-means聚類得到的廣東某地區(qū)分布式新能源與負荷典型場景數(shù)據(jù)如圖2所示，儲能位置及參數(shù)信息如表1所示。
圖2 分布式新能源與負荷典型日數(shù)據(jù)
Fig.2 Typical daily data of distributed new energy and load
表1 儲能位置及參數(shù)信息
Table 1 Energy storage installation location and parameters
為研究需求側管理和網(wǎng)絡重構對配電網(wǎng)新能源承載能力的影響，本文在考慮儲能接入配電網(wǎng)的情況下，設置如下4種情景進行對比分析：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)絡重構的配電網(wǎng)新能源承載能力評估；3）僅考慮需求側管理的配電網(wǎng)新能源承載能力評估；4）考慮需求側管理和網(wǎng)絡重構的配電網(wǎng)新能源承載能力評估。
4.2 承載能力評估
經(jīng)過模擬運行得到情景1~4的風電、光伏最大準入容量，如表2所示。
表2 風電、光伏最大準入容量
Table 2 Maximum access capacity of wind power and photovoltaic
由表2可知，對于間歇性較強的風電，需求側管理可以有效提高承載能力。網(wǎng)絡重構可以直接改變配電網(wǎng)的拓撲結構，影響功率的流動，從而可以較大程度地提高新能源的承載能力。考慮需求側管理和網(wǎng)絡重構可以極大提升配電網(wǎng)的新能源承載能力。
為深入分析需求側管理與網(wǎng)絡重構對配電網(wǎng)新能源承載能力的影響，分別統(tǒng)計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、平均棄風棄光率，經(jīng)過min-max標準化得到如圖3所示的雷達圖。其中，分布式新能源承載能力為正向指標，平均電壓偏差、最大電壓偏差、平均棄風棄光率為逆向指標。由圖3可知，僅考慮網(wǎng)絡重構的情景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%；考慮需求側管理和網(wǎng)絡重構的情景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%。該結果表明考慮需求側管理和網(wǎng)絡重構不僅可以提升配電網(wǎng)新能源承載能力，同時也可以減少配電網(wǎng)棄風棄光率，改善電能質量。
圖3 各方案指標對比
Fig.3 Comparison radar chart of each scheme index
為進一步分析需求側管理與網(wǎng)絡重構對配電網(wǎng)的影響，典型場景4考慮需求側管理前后的負荷曲線如圖4所示，情景4的典型場景4用電低谷、高峰時段網(wǎng)絡重構結果如圖5、圖6所示。由圖4可知，需求側管理之前負荷峰谷差為0.80 p.u.，需求側管理之后負荷峰谷差為0.69 p.u.，負荷高峰期（12:00—16:00，18:00—23:00）的部分負荷平移到負荷低谷期（00:00—11:00，17:00，24:00）。該結果表明考慮需求側管理對負荷最大峰谷差具有一定改善作用。
圖4 典型場景4考慮需求側管理前后負荷曲線
Fig.4 Load curve before and after considering demand side management for typical scenario 4
圖5 情景4的典型場景4用電低谷時段網(wǎng)絡重構結果
Fig.5 Network reconfiguration results during the valley period of electricity consumption for typical scenario 4 of situation 4
圖6 情景4的典型場景4負荷高峰時段網(wǎng)絡重構結果
Fig.6 Network reconfiguration results during the peak period of electricity consumption for typical scenario 4 of situation 4
由圖5、圖6可知，情景4的典型場景4在用電低谷時段線路1—18、2—22的支路開關斷開，聯(lián)絡線L1、L5的聯(lián)絡開關閉合，這是因為在負荷低谷時段需要通過聯(lián)絡線L1、L2向節(jié)點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；在用電高峰時段線路5—25、8—9的支路開關斷開，聯(lián)絡線L3、L4的聯(lián)絡開關閉合，這是因為在負荷高峰時段線路負載較重，通過聯(lián)絡線L3連接，能夠提升線路末端節(jié)點的電壓，保障配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。
5 結語
本文以分布式新能源承載能力最大為目標，建立考慮需求側管理和網(wǎng)絡重構的配電網(wǎng)新能源承載能力評估模型，利用二階錐松弛技術對模型進行轉凸求解，仿真算例采用改進IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)。實驗結果表明，考慮需求側管理和網(wǎng)絡重構能夠提高分布式新能源的承載能力。
注：本文內容呈現(xiàn)略有調整，如需要請查看原文。
