含分布式能源直流配电网的优化调度

 梁海峰，林嘉麟，李鹏

 （华北电力大学电力工程系，河北保定  071003）

摘要：直流配电网对促进分布式可再生能源消纳、解决传统交流配电网发展瓶颈等方面具有巨大优势。基于直流配电网现有讨论和研究，针对含多种分布式能源( distributed energy resource，DER)的直流配电网，讨论其组网方式与系统结构，重点研究适用于接有多种分布式能源的直流配电网的优化调度方法。设计各并网单元运行策略及直流配电网多时段优化调度策略，并建立了综合考虑运行成本、环境效益以及系统损耗的多日标优化调度模型通过算例的计算和分析．表明所提优化调度方法在促进接人多种分布式能源后直流配电网的优化运行以及接入分布式能源前后配电网优化目标的改善方面具有良好作用．验证了该方法的有效性。

关键词：直流配电网：分布式能源：优化调度：多目标

0引言

 随着近年来以清洁能源发电为主的分布式能源技术以及智能配电网技术的飞速发展．直流配用电技术以其良好特性正获得越来越多的关注。

 常见的分布式能源主要包括小型风机、光伏电池等可再生新能源和柴油发电机、燃料电池、微型燃气轮机等可控型分布式微源以及储能电站、电动汽车充换电站等电能存储单元，这些分布式能源多以直流电形式输出电能或可经简单整流变为直流电，若将分布式能源直接接入直流配网．则无需接入交流配网时所需的大量DC-AC换流环节，从而降低成本、减小损耗。此外，直流配网不需对电压相位和频率进行同步跟踪．进一步提升其可控性与可靠性。除了对分布式能源的良好兼容性外，直流配电网还具有减小线路损耗、提高供电容量、节省线路走廊、可控性强、电能质量高、隔离故障区域等优点。因此配电网的直流化必将成为未来配网改造升级的一个重要方向。

 近年来，国内外科研工作者对直流配电网的体系与架构、关键设备以及运行控制技术等各个方面展开了大量的研究，但针对其优化调度技术的研究还相对较少．特别是对含分布式能源的直流配网优化调度方法仍有待进一步深入研究。本文将对含分布式能源的直流配电网的组网方式与系统结构进行讨论．提出适用于接有多种分布式能源的直流配电网优化调度方法．并通过算例的计算和分析验证其有效性。

1  直流配电网组网方式与系统结构

 在组网方式方面，直流配电网作为现代智能配电网的分支，其结构应融合清洁能源发电技术、储能技术、智能电网接人等新技术．并应充分利用柔性直流配电网电能质量高、可控性高及运行方式灵活等优势．以适用不同技术条件下多种新能源的接入和满足更多新型负荷的用电需求。相比传统交流配电网，在连接负荷类型上．直流配电网更偏重直流负荷、采用变频技术的工业负荷以及以高新产业为主的重要交流敏感负荷等。

 在系统结构方面，相比大多以辐射式单向开环方式运行的交流配电网，基于多端柔性直流输电技术的直流配电网一般可以采用两端或多端结构供电。文献[7]也验证了相比环状与放射状结构，直流配电网采用两端结构供电时．直流线路电压分布更优。此外，直流配电网作为已有交流配电网的补充，一般通过电压源型换流器( voltagesource converter．VSC)与其他交流配电网互联以提高功率分配的灵活性。

另外，文献[3]指出直流配电网应是包含中压直流网架和用户侧低压网络的两（多）级电压配电网络．冈此，直流配电网的合理结构应是以中压直流线路为配网主网架，网架上接有多种并网单元，包括各种分布式能源、交直流负荷、用户侧低压直流配网．并通过双向DC-AC换流器与交流系统互联。低压直流配电网则可以以一个或若干个直流微网的形式通过双向DC/DC直流变压器连接在中压直流网架上。本文讨论的直流配电网采用两端结构供电，如图1所示。

2直流配电网优化调度方法

2.1  直流配电网能量管理工作原理

直流配电网能量管理主要以直流配网管理层为中心，与网内各单元及交流系统之问通信，获取优化调度所需信息，并发送优化调度调整指令。系统能量管理工作原理如图2所示。

2.2各并网单元运行方式

2.2.1  可再生能源发电单元

 可再生能源发电单元主要为光伏电池与小型风机。为保证可再生能源最大化利用，各可再生能源发电单元均采用最大功率点跟踪（MPPT）控制模式。

2.2.2低压直流微网（群）

 接人直流配网的微网或微网群一般为直流微网．其作为一种负荷／发电双向并网单元参与运行。微网内部的能量管理由微网管理层进行管理控制，直流配网管理层只负责对其联络功率需求按负荷节点予以满足。微网在日前与配网管理层互相根据自身安全性与经济性互动协调，确定并上报次日联络功率计划曲线，该曲线在当日作为已知条件参与优化调度。

2.2.3可调度发电单元及储能单元

 可调度发电单元主要是指各可控型微源，包括燃料电池、柴油机等，各单元出力根据直流配网管理层优化调度结果实时调整。储能单元主要为集中设置的储能电站或电动汽车充换电站，将其设定为在用电低谷时段作为负荷运行，用电高峰时段则作为可调度电源参与实时优化调度。

2.2.4换流器

 直流配电系统基于柔性直流供电技术，采用vsc与交流系统互联。本文针对两端结构直流配电网进行研究．即通过2个VSC与2个不同的中压交流系统互联．其中一个VSC采用定直流电压控制维持直流系统电压，另一个则采用定功率控制作为可调度单元参与优化调度，并同时作为前者的备用，在其因故障退出运行时切换为定直流电压控制支撑直流电压。

2.3直流配电网多时段优化调度策略

本文采用多时段优化调度策略对直流配电网进行优化调度，调度流程如图3所示。各调度周期内．基于负载和间歇式微源发电预测数据及各微网日前上报的联络功率计划曲线，在给定网络参数与微源出力能力等信息的基础上建立多目标优化调度数学模型，求解模型以得出各可调度单元优化调度方案并下发调整指令。调度周期可设为负载及间歇式微源发电超短期预测的时间频度。调度中假定各可渊度单元的出力在每一个调度周期内保持不变。

2.4直流配电网多目标优化调度模型

2.4.1  目标函数

(1)运行成本最低，可表示为

式中：C．表示运行成本；P为发电单元k在t时刻的有功功率输出，kW; At为调度周期长度，h；CFk、OMk、CDk分别表示调度周期内发电单元七的燃料消耗成本、运行管理成本和折旧成本，元；CA为与交流系统交互功率的购电费用，元；c。。为分布式发电单元k的单位发电燃料消耗成本．元／(kW -h);K。、M^为分布式发电单元k的运行管理系数，元／(kW -h)；IfisCostk为发电单元k的安装成本，元；CFR为社会资本回收系数：PNk为发电单元k的额定出力，kW; P,o为t时刻与交流系统的交互功率．kW,取向交流系统吸收功率时为正；CA．：为交流电价，元/(kW-h)。

(2)污染物处理费用最小，可表示为

式巾：C2表示污染物处理总费用；X表示排放污染物种类；CY为处理污染物所需费用，元/kg;y。，表示并网发电单元；发出单位电能时污染物X的排放重量，kg/(kW-h)。

 (3)系统损耗最小。直流配电系统的有功损耗主要包括各功率变换器损耗和直流配电线路损耗。

 功率变换器包括各种直流换流器与直流变压器。文献[9]给出了包括直流变压器在内的各类直流换流器的传输效率与其额定容量的拟合曲线，由此可查得各种换流器的大致传输效率，本文据此计算各类功率变换器的近似有功损耗。而直流配电线路损耗计算方法如下。

对含n个节点的直流网络，节点i注入电流/可表示为

写成向量形式即为直流网络节点电压方程为

可得直流配电网络功率方程

直流配电网中包含P节点和V节点两种类型的节点。其中V节点为直流网络平衡节点，即采用定直流电压控制的VSC节点．其电压值为已知，可设为中压直流配网额定电压。其余微源并网节点和采用定功率控制的VSC节点以及负荷节点在每一调度周期内设定为功率恒定．均作为P节点参与计算．其注入功率为各微源及负荷对节点注入功率的净值。根据式(8)可为，n-1个P节点建立n-1个非线性直流潮流方程．采用牛顿一拉夫逊法求解方程，可求得各节点直流电压值。最后由式(9)计算各线路功率损耗。

综上所述．直流配电系统损耗日标函数为

式中：C3表示系统总损耗；Z表示直流配电网支路编号，i、j表示其两端节点；△P表示支路Z存时刻t的线路损耗；P,ru为t时刻功率变换器m的有功功率传输值：n，。表示其传输效率．

2.4.2约束条件

多目标优化调度模型的约束条件为

 式(11)为直流系统潮流约束；式(12)为交直流电压幅值约束；式(13)为各发电单元功率输出限值；式(14)为储能单元容量约束；式(15)为储能单元充放电功率约束。

3算例分析

3.1  研究对象及相关基础数据

以修改IEEE 13节点标准配网得到的直流配网算例系统为例，结构如图4所示。交流系统1采用定直流功率控制，交流系统2采用定直流电压控制支撑直流电压。中压直流网架上接有小型风机( WT)、光伏电池(PV)、燃料电池(FC)、柴油发电机(DE)、储能站(ESS)等分布式能源及一个低压直流微网，，供电负载包括2个交流负载和3个直流负载，各负载日分布曲线设定为同比例，比例分布曲线如图5中所示。为简化计算，直流线路参数统一没置为0.64 fl/km，，其余有关数据如表1~3及图5所示。调度周期取15 min,计算该算例系统一天的优化调度情况。

3.2  优化结果分析

根据提出的直流配电网多时段优化调度方法，在Matlab软件中编程实现，并利用NSGA-Ⅱ多曰标遗传算法工具箱对算例的优化模型进行计算求解，、程序中设定种群数量1000,最大迭代次数500,交叉率为0.9．变异率为0.1．求取优化模型的最优解。从求得的各时段Pareto最优解集中得到各调度单元的优化调度方案，从而可得到多曰标优化调度方案如图6所示。

 由图6可知：(1)调度过程中，燃料电池多数时段都作为主要电源优先发电，这是因为燃料电池发电污染最低．且其距离2个直流负荷近，供电距离短、损耗小，但其成本较高；(2)谷时段（22:00-08:00）交流系统1与燃料电池共同作为主要电源供电，这是因为交流系统谷时电价较低，尽管其污染相对较大．但仍可作为主力电源供电，在其他时段( 08:00-22:00)其m力则相对要低得多；(3)柴油机只在17:00-20:00这段时间内有发电，其余时段则不发电，这是因为柴油机污染大，不过其距离3个直流负荷较近，故可在峰时段燃料电池出力达到上限时与交流系统1共同为各自近端负荷供电．且出力一般较小，作用主要是作辅助电源；(4)蓄电池在峰、谷时段分别执行充和放电操作，其电能无污染，费用低，电能优势大，因此充放电时均采用最大充放电功率。

同时计算同样负荷情况下不接入分布式能源．系统完全由外部交流系统供电时的上述3个指标值，并与含分布式能源时的情况对比．对比曲线如图7所示。

 由图7a）可知，含DER系统运行成本在谷时段稍高于不含DER系统，这是由于谷时交流电价较低而分布式能源发电成本仍相对较高．而峰时电价高，分布式能源则具有明显优势。尽管谷时段含DER系统运行成本没有优势．但损耗和污染物处理费用则在所有时段均具有极大优势，这在图7b）和图7c）中可以看出。

 不含DER时，负荷由交流系统供电，供电距离长．产生的损耗包括VSC和负荷并网换流器的损耗以及直流线路损耗．而含DER时各微源靠近负荷，线路损耗小，VSC联络功率较低损耗也小，再加上含DER时各微源出力经过优化分配进一步降低了损耗，因此图7b）巾含DER系统的损耗在各时段始终小于不含DER系统。另外，分布式能源电能多为清洁能源，其环境效益相比来自火电的交流电能必然有巨大优势，因此图7e）中，各时段含DER系统的污染物处理费用始终远低于不含DER系统。

 综上可知，算例的优化调度兼顾运行成本、环境效益及系统损耗3个目标．接入分布式能源后，直流配电网的运行指标得到了很大改善。

4结语

 本文讨论了采用柔性直流技术的直流配电网的组网方式和系统结构特点．针对含多种DER的两端结构供电的直流配电网．分析了其能量管理工作原理和并网单元运行方式．设计了一种多时段多曰标优化调度方法，建立了兼顾成本、环境及损耗的多日标优化模型。仿真结果表明，不同类型的DER在优化调度方法的指导下协调各自出力，达到系统最优，且DER很好地改善了配电网的运行指标。该方法为接人多种DER的直流配电网制定优化调度计划提供了一个有效的技术手段。在进一步的研究中，可利用直流配电网运行方式灵活，换流器控制方式多样的特点，针对系统可能的突发情况研究可调度单元的快速实时优化调整技术。