基于多端口能源路由器的配電臺區間優化控制策略研究

馬仲坤,黃奇峰,戚星宇,戴黎明,蔣志堅

(國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司,江蘇 常州 213003)

隨著大量分布式能源、儲能系統的接入,配電系統在逐步進入具有電力電子化特征的“交直流混合”時代[1-4]。由于分布式能源的分散性、隨機性、間歇性,其大規模接入配電網將對配網運行的安全性和質量造成嚴重影響[5-6]。為了應對挑戰,大量多端口能源路由器被安裝在配網中以實現配電臺區內源儲荷協調控制策略,從而降低臺區內運行損耗,實現新能源發電、儲能系統、直流充電樁、數據中心等設施的高效接入[7-10]。

目前臺區間的互聯互通仍采用基于拓撲重構、開關組合狀態切換等方法。由于交流電網“閉環設計、開環運行”的特征,在這種交流互聯互供方式下,臺區之間的母聯開關在系統正常運行時往往處于冷備用狀態,只有在臺區配變失電工況下觸發啟動,無法實現多臺區在線實時均衡、互濟,且無法精準調控臺區之間需要互濟的功率[11-14]。

隨著多端口能源路由器的發展成熟以及在配網中廣泛應用,通過多端口能源路由器實現臺區間的互聯互通成為可能[15]。能源路由器的結構是從固態變壓器[16]發展而來的,其在固態變壓器功能的基礎上,能源路由器還可以實現對分布式能源和各種交直流負載的即插即用式接入。得益于電力電子技術和通信技術的進步,能源路由器在交直流混合配電[17]、能源優化管理[18]等方面應用廣泛,在低壓配網管理中扮演重要的角色[19]。由于具備高效的能量傳輸和轉化功能,采用多端口能源路由器實現臺區間能量優化具有廣闊的應用前景。文獻[20]分析了多端口能源路由器在實現配電臺區間能量交互的關鍵技術和能量交互模式。這些研究的重點多集中在太區間互聯的網絡結構、設備和電能傳輸路徑上。本文從配電臺區運行的安全性和經濟性出發,研究了基于多端口能源路由器的臺區間的優化協調調度。

本文旨在通過臺區間的能源優化調度,從而降低配電臺區重過載風險,提高配電臺區運行效率。首先對應用多端口能源路由器進行臺區間互聯的作用進行了介紹,并闡釋了應用多端口能源路由器進行臺區間的互聯的實現流程。在此基礎上,以臺區配電變壓器最佳負載率為目標構建了基于多端口能源路由器的臺區間協調調度模型,最后通過算例驗證了所提方法為臺區配變經濟運行帶來的改善,并分析了不同容量的能源路由器對多提方法帶來的影響。

1 能源路由器實現臺區間互聯

1.1 臺區間互聯運行模型

基于多端口能源路由器的臺區間互聯運行示意圖如圖1所示,1號臺區和2號臺區分別通過一個多端口能源路由器與臺區變壓器母線相連,并通過內部交直流換流器為裝置內部750 V直流母線供電。多端口能源路由器提供了不同電壓幅值的直流端口為臺區內部的充電樁、路燈等供電,并配備了儲能電池以抑制功率波動。1號臺區和2號臺區通過能源路由器的750 V直流端口實現2個臺區間的互聯互通。當1號臺區輕載,2號臺區重載時,可通過1號臺區向2號臺區的能源流動實現兩個臺區間的綜合輕載率和重載率降低。

圖1 臺區互聯運行示意Fig.1 Schematic diagram of the interconnection between distribution station areas

1.2 臺區間配置能源路由器的作用

能源路由器作為多個臺區間潮流調控手段,其功率交互直接影響了資源的利用效率和系統運行狀態的安全穩定。對于多端能源路由器的協調優化控制是交直流配網能源管理中的重要問題。

基于臺區配電變壓器運行特性曲線(圖2)可知,當臺區配變輕載或重載運行時,其均未工作在最佳運行效率點上。當臺區配變負載率大于額定容量時,配變負載損耗將急劇增加,長期超負荷運轉將嚴重影響臺區配電變壓器的壽命,帶來安全問題;當臺區配電變壓器長期低于額定功率工作時同樣也會造成大量線損,增加運行成本。此外,通過能源路由器進行臺區間功率互聯互通,不僅能夠改善臺區間配電變壓器的負載率,還能夠實現臺區間功率互補,增強對新能源的消納能力。因此,通過能源路由器優化調控臺區間功率平衡對臺區安全經濟運行具有重要意義。

圖2 臺區配變運行特性Fig.2 Distribution station area transformer operating characteristics

1.3 臺區間優化調度流程

臺區互聯新形態下,通過能源路由器彼此互聯互濟能夠有效實現對臺區間功率的在線調節,從而動態調整不同臺區負載率,提高臺區群運行效率。臺區之間互聯功率決策是改善臺區間潮流分布的關鍵,通過臺區多端口能源路由器管理系統決策臺區功率交換指令,然后分別下發給不同臺區多端口能源路由器,實現臺區間的能源優化調度。在每個優化周期,基于臺區運行信息,優化調整互濟功率指令,在下次優化周期到來時,保持指令值不變。具體實施步驟如下。

(1)基于當前時刻的臺區配變狀態,判斷是否需要進行優化調控。如果需要則進入第二步。

(2)讀取配電臺區內電源、負荷、儲能等裝置的功率信息,以及多端口能源路由器的容量等相關信息。

(3)基于當前獲得的數據,建立臺區間多端口能源路由器優化調控數學模型。

(4)調用優化求解器,對優化調控模型進行求解,得到臺區間多端口能源路由器的調控指令。

(5)執行能源調控指令,實現臺區間能源優化調度。此時回到步驟1,再次進行判斷循環。

2 臺區間互聯優化控制模型

本文以臺區間多端口能源路由器為研究對象,以提升臺區配變設備利用率和運行效率為目標,在臺區間互聯基礎上,建立臺區間基于多端口能源路由器的優化調控模型,如圖3所示。通過對目標函數和約束條件對臺區間優化調度策略進行約束和求解,實現在滿足安全性指標的情況下對臺區間功率進行優化調度。以此為依據,下達功率調控指令,推動新型電力系統下臺區間互聯互濟,提升配電網整體運行水平。

圖3 基于多端能源路由器的互聯系統Fig.3 Interconnection system based on multiterminal energy routers

2.1 目標函數

負載率是臺區配變效率的重要影響因素,以臺區配電變壓器運行效率最高,也及負載率最接近額定負載率為目標,建立臺區優化調控模型,其目標函數為:

(1)

(2)

式中,ST,i為在優化周期T時刻,第i個臺區配電變壓器容量;λi為權重系數,ηb,i為第i個臺區配電變壓器的最佳負載率,N為臺區數量。

2.2 約束條件

(1)臺區潮流平衡方程:

Pi=Pac,i+Pdc,i

(3)

(4)

(5)

(6)

φ+,i·φ-,i=0

(7)

式中,Pac,i、Pdc,i分別為臺區配電變壓器交流側和直流側負荷功率;Pvdc為多端口能源路由器的流入和流出功率;φ為0～1變量,代表多端口能源路由器的狀態,當為1時,表示第i個臺區向多端口能源路由器注入功率;反之,表示第i個臺區從多端口能源路由器吸收的功率。

(2)臺區配電變壓器運行安全約束:

0≤Pi≤ηiST,i

(8)

式中,ηi為第i個臺區配電變壓器重載預警值。

(3)能源路由器功率約束?？紤]能源路由器容量限制以及功率方向,構建以下約束:

-Pei,rated≤Pei,i≤Pei,rated

(9)

式中,Pei,rated為能源路由器的功率約束。

(4)能源路由器功率平衡約束:

(10)

式中,Ui為第i個臺區能源路由器的節點電壓;Gij為兩個相連的能源路由器間的互電導,當i與j相等時,則Gij為編號為i的能源路由器的自電導。

(5)多端口能源路由器連接處電壓約束。為了保障多端口能源路由器電壓穩定在安全運行范圍,對其施加約束條件:

Ui,min≤Ui≤Ui,max

(11)

式中,Ui,min、Ui,max分別為臺區間多端口能源路由器連接處允許的電壓最小值、電壓最大值。

2.3 模型求解

基于上述目標函數、功率平衡方程和運行約束條件,構建臺區間基于多端口能源路由器優化調控模型,實現臺區互聯的高效運行。為了快速求解,將所提出模型進行標準化處理,建立混合整數非線性約束二次規劃問題,如式所示,然后利用主流解法器對優化模型進行求解。

(12)

式中,H、h、x1、xu分別為模型系數矩陣;x為優化變量,都可根據上述模型推導得到。

2.4 評價指標

臺區配電變壓器負載率是配電臺區的重要安全性和經濟性指標,負載率過大嚴重影響臺區變壓器的工作壽命,帶來安全性隱患,貳負載率長期處于低于額定電壓水平同樣也會造成大量線損,增加成本。為了評價基于能源路由器的臺區間能源調控效果,為模型建立了以臺區配電變壓器綜合輕載率、重載率以及最佳運行點等指標,從而使臺區配電變壓器能夠長期運行在額定負載率附近。

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中,δ1、δu、γt分別為臺區配電變壓器的輕載率、重載率以及最佳運行點接近程度指標;Pi,t為第i個臺區在t時刻配點變壓器的總負載功率。

3 算例分析

3.1 參數設置

以圖3所示的基于多端能源路由器的共母線型互聯系統為例開展調控效果分析。3個配電臺區的配電變壓器容量均為400 kVA,配電變壓器最佳運行點對應的負載率設置為0.65。3個配電臺區的負荷功率曲線如圖4所示。

圖4 臺區負荷曲線Fig.4 Load curves of the distribution station area

3.2 結果分析

經過調控后,最佳運行點接近度曲線以及輕載和重載的統計結果如圖5、圖6所示。其中,輕載、重載分別指負載率低于0.2、負載率高于0.8。在調控前,由3個臺區的最佳運行點綜合接近度曲線可以看出,最佳運行點的偏離度均在0.12以上,且存在輕載和重載的情況,分別為32%和24%。

圖5 最佳運行點綜合接近度曲線Fig.5 The best running point comprehensive proximity curves

圖6 輕載和重載統計分析結果Fig.6 Results of statistical analysis of light and heavy loads

經過所提方法開展調控后,臺區配電變壓器輕載率和重載率均顯著降低,變為0,使得臺區配點變壓器的工作狀況更加均衡。調控后,臺區配電變壓器工作狀況也更加接近最佳運行點。在11:00—21:00,臺區配電變壓器距最佳運行點的偏離度顯著降低。多端口能源路由器的指令曲線如圖7所示,調控功率均小于100 kW。

圖7 多端口能源路由器指令曲線Fig.7 Multiport energy router command curves

上述結果展示了基于多端口能源路由器的臺區間功率調控對實現臺區間能源互聯互通,改善臺區配電變壓工況的有效性,調控的開展顯著降低了臺區配電變壓器的綜合重載率和輕載率。

3.3 能源路由器容量對優化調控影響

基于100 kW容量的能源路由器進行了調控策略的研究,驗證了臺區間優化調控策略的有效性。為了進一步分析多端口能源路由器容量對調控策略的影響,設置能源路由器容量在40～100 kW,進行不同容量下的調控效果分析,如圖8所示。

圖8 不同容量下輕載和重載統計分析結果Fig.8 Statistical analysis results of light and heavy loads under different capacities

由圖8可以看出,在多端口能源路由器容量為0時,對臺區配電變壓器的輕載率和重載率沒有帶來改變。而當多端口能源路由器容量提升至40 kW時,重載率和輕載率顯著降低,綜合重載率降至4%,輕載率將至0%。隨著臺區配電變壓器容量的增加,綜合重載率進一步降低,直至0%。

上述分析表明,所提調控模型能夠適應不同容量的多端口能源路由器帶來的影響,顯著提高臺區配點變壓器的經濟運行能力。

3.4 配電變壓器最佳運行點對優化調控影響

對臺區配電變壓器的最佳運行點是否對優化調控有影響進行研究。在不同的臺區配電變壓器最佳運行點時,進行了優化調控。配電變壓器最佳運行點組合見表1,不同組合下偏離度曲線如圖9所示。

表1 配電變壓器最佳運行點組合Tab.1 Combination of optimal operating points for distribution transformers

圖9 不同組合下偏離度曲線Fig.9 Deviation curves under different combinations

由圖9可以看出,針對不同的臺區配電變壓器最佳運行點,在11:00—21:00內,所提優化調控策略均能顯著降低臺區配電變壓器距最佳運行點的偏離度。結果表明,所提調控方法能夠適應不同配變最佳運行點帶來的影響。

4 結語

本文介紹了基于多端口能源路由器的臺區間協調調度流程,構建了基于多端口能源路由器的優化調度模型,最后結合算例驗證了優化調控模型對配變負載率優化效果,探討了多端口能源路由器容量對于優化調控的影響,得出以下結論。

(1)基于多端口能源路由器的協調調控方法能夠改善臺區配變的負載率,降低不同臺區間的重載率和輕載率,提升臺區配變經濟運行水平。

(2)所提出的模型對不同容量的能源路由器具有良好的適應性,在容量較低時也能改善臺區配變的運行水平。

(3)所提出的模型在臺區配變最佳運行點改變時仍能夠保持較好的調控效果。