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1、h t t p: / /ww wa e p s i n f o c o m基于智能软开关与市场机制的有源配电网阻塞管理方法李 鹏,张培深,王成山,赵金利,宿洪智,宋 毅(智能电网教育部重点实验室( 天津大学) ,天津市 ;国网北京经济技术研究院,北京市 )摘要:随着高渗透率可再生能源和大规模灵活负荷的广泛接入, 在市场环境下用户以实现自身利 益最大化的电能生产或消费行为, 将可能导致配电网潮流分布在时间及空间上的过度集中, 从而出 现阻塞问题.文中提出了一种基于智能软开关与市场机制的有源配电网阻塞管理方法.考虑市场 环境下灵活负荷的响应特性, 建立了基于智能软开关与电价机制的配电网阻塞管理模型
2、, 通过将直 接控制手段与市场调节机制相结合来解决有源配电网的阻塞问题.采用P G智能软开关;有源配电网;灵活负荷;市场机制收稿日期: ;修回日期: .上网日期: .国家重点研发计划资助项目( Y F B ) . 引言电力行业市场化改革的推进, 以及竞争和价格 机制的引入, 营造了自由、 公平的电力交易环境, 实 现了社会资源的合理利用, 但同时也对电力系统的 安全经济运行产生了新的冲击 .从配电网的角度来看, 随着用户侧可再生能源和各种灵活负荷 的广泛接入, 在电力市场环境下, 各用户以实现自身 的经济利益为目标来进行交易或制定用电计划, 往 往会出现负荷在时间上的大规模“ 集聚” 及系统潮
3、流 在空 间 上 的 分 布 不 均 衡, 进 而 导 致 系 统 发 生 阻 塞 , 使配电网的安全运行受到威胁, 也降低了能源交易的灵活性. 对于配电网的阻塞问题, 配电系统调度人员 (d i s t r i b u t i o ns y s t e mo p e r a t o r,D S O) 通常采用两种 手段加以解决.一种为直接控制, 包括使用网络重构、 切除负荷或削减分布式电源出力等 .文献 通过网络重构的方法解决了配电网的阻 塞问题.文献 则通过削减分布式电源出力来缓 解线路的阻塞问题.另一种方式为间接控制, 即采 用市场机制来调节系统的阻塞问题.文献 使用 了容量市场法,D
4、S O通过对用户上报的用电计划进 行校验并根据线路的阻塞程度来设定阻塞费用, 然 后用户根据阻塞费用来调整用电计划并再次上报D S O.文献 提出动态费用法, 即D S O利用节点边际电价(l o c a t i o n a lm a r g i n a lp r i c e,LMP) 求 取反映配电网阻塞情况的阻塞费用,D S O将阻塞费 用发布给用户, 然后通过用户响应阻塞费用并改变 用电计划来解决阻塞问题.从D S O的角度来看, 调 整系统运行方式常涉及倒闸操作、 合环电流冲击等 问题, 无法实现配电网线路潮流的多时段连续调节, 且受限于线路本身的容量问题, 很难满足大规模可 再生能源
5、和灵活负荷接入情况下的阻塞管理需求. 智能软开关(s o f to p e np o i n t,S O P) 是安装于传 统联络开关处的电力电子装置, 它能够准确控制其 所连接两侧馈线的功率,S O P的接入提高了配电网 的灵活性和可控性, 给配电网的运行带来了诸多益 处.对于S O P的研究, 目前国内外已开展了不少工 作.文献 研究了S O P的双闭环协调控制, 并分 析了其动态响应及稳态运行特性.文献 建 立了考虑S O P的配电网运行优化模型.文献 重点考虑了联络开关和S O P协调配合时的配电网 优化运行问题.文献 则建立了基于S O P的有 源配电网电压无功控制的时序优化模型.文
6、献 提出了基于S O P的配电网供电恢复模型.文献 在考虑分布式电源出力特性的基础上, 对S O P 的优化配置问题展开了研究.文献 则研究并展 望了基于S O P的智能配电网柔性互联技术. 然而, 作为未来配电侧市场环境下系统运行的 核心问题之一的阻塞管理, 目前的研究暂未涉及. 本文提出一种基于S O P与市场机制的有源配电网 阻塞管理方法.首先, 考虑在阻塞管理的直接控制 手段中使用S O P, 即D S O通过控制S O P将阻塞线 路的部分功率调整到另外有裕度的线路来输送从而第 卷 第 期 年 月 日V o l N o O c t , D O I: /A E P S 解决阻塞问题;
7、在此基础上, 进一步考虑将S O P的 功率调节和市场机制相结合来解决系统的阻塞问 题, 具体而言是由D S O制定基于S O P的阻塞费用 来引导灵活负荷修改用电计划, 这样一方面可以将S O P的灵活性和负荷的灵活性相结合以实现更高 效的阻塞管理; 另一方面通过应用S O P可以缓解系 统的阻塞, 降低阻塞费用. 本文介绍了S O P的基本功能和模型, 在此基础 上考虑了市场环境下的灵活负荷的响应特性, 提出 了基于S O P与市场机制的有源配电网阻塞管理模 型, 通过优化S O P的传输功率和制定基于S O P的 系统阻塞费用来解决阻塞问题.最后, 采用P GPS O P,m a x为S
8、 O P变流器的有功功率上限. 灵活负荷的电价响应建模 灵活负荷的管理和运营机制 可再生能源发电设备出力的随机性和波动性增 加了有源配电网运行控制的难度.微电网通过将分 布式电源、 负荷、 储能及其控制器等进行有效管理, 形成具有自治能力的小型电力系统, 进而在一定程 度上解决了配电网中分布式电源接入的问题, 也为 配电网运行控制提供了可调度的资源和手段.电动 汽车、 居民可控负荷等用户侧资源具有规模大、 弹性 强等优点, 但单个用户的响应能力较为有限,D S O 无法对数量庞大、 种类繁多的负荷设备直接下达控 制指令, 因此需要通过负荷聚合商或能源供应商等 来整合各种资源并协调D S O和用
9、户的关系. 因此, 微电网、 电动汽车充电站和居民可控负荷 聚合 商 等 可 以 作 为 重 要 的 分 布 式 能 源 资 源 (d i s t r i b u t e de n e r g yr e s o u r c e,D E R) 参与配电网的 优化调度; 而在市场环境下, 则可以作为市场主体有 策略地参与配电市场的电能交易.此时, 各市场主 体仅以实现自身的利益为目标来制定用电计划, 而 不考虑与其外部的各种资源之间的协调和配合. 而当配电网出现阻塞问题时, 则需要D S O通过 协调各灵活负荷并对S O P进行控制等来解决系统 的阻塞问题.其中, 各灵活负荷通过电价机制进行 调节
10、, 即D S O通过制定阻塞费用来引导灵活负荷改 变用电计划以解决阻塞问题.S O P则直接接受配 电网的调度指令. 灵活负荷的购电电价和费用模型 在含有灵活负荷接入的配电系统中, 系统的总 负荷由固定负荷和灵活负荷组成, 而系统电价根据 总用电量而改变, 因此系统的电价由固定负荷和灵 活负荷共同影响.本文考虑的灵活负荷主要包括微 电网、 电动汽车和居民可控负荷, 用户可以依据市场 电价控制其灵活负荷与配电网进行交易.文献 给出一种能反映电价和灵活负荷关系的电价模型:ytcttPt() 式中:yt为考虑灵活负荷的系统电价;ct为系统的 基础电价, 它表示满足系统固定负荷的发电边际成 本;t为t
11、时段的价格系数, 它表示系统负荷改变时 , ( )学术研究h t t p: / /ww wa e p s i n f o c o m对价格的影响, 由系统的发电成本和调度情况决定;Pt为灵活负荷的功率.依据上述电价模型, 灵活负 荷的用电费用为:ytPt(cttPt)PtctPttP t() 各灵活负荷用户在满足自身需求或约束的基础 上, 采用上述用电费用模型以购电费用最小( 或售电 费用最大) 为目标来制定用电计划, 则此时灵活负荷 优化模型的目标函数为:m i nfF l e xmNTtNNi(ctPF l e xi,tt(PF l e x i,t) ()其中PF l e xi,tPMG
12、i,tPE V i,tPC L i,t() 式中:fF l e x m为配电网中第m个灵活负荷市场参与者 的购电费用;NN为系统节点数;NT为优化时段数;PF l e xi,t为在t时段节点i处灵活负荷的功率值;PMG i,t, PE Vi,t,PC L i,t分别为在t时段节点i处的微电网、 电动汽 车充电站和参与需求响应的居民可控负荷的功率. 灵活负荷的运行约束 ) 微电网运行约束 包括微电网和配电网联络线的功率约束, 微电 网功率平衡约束, 以及储能的运行约束 .本文忽略了储能系统的充放电损耗, 具体如下所示:PMG,m i n iPMG i,tPMG,m a x i()PMGi,tPL
13、 o a d i,tPD G i,tPE S S i,t()PE S S,m i n iPE S S i,tPE S S,m a x i( )SE S Si,tSE S S i,tPE S S i,tT EE S Si( )SE S S,m i n iSE S S i,tSE S S,m a x i( )NTtPE S S i,tT( )式中:PMG,m a x i和PMG,m i n i分别为微电网与配电网的联络线功率上、 下限;PD Gi,t和PE S S i,t分别为在t时段节 点i处分布式电源出力和储能的注入功率;PL o a di,t为节点i处的负荷功率;PE S S,m a x i
14、和PE S S,m i n i分别为节点i处微电网中储能的放电功率上、 下限;SE S Si,t为在 t时段节点i处微电网中储能的荷电量;EE S Si为储能的额定存储容量;SE S S,m a x i和SE S S,m i n i分别为节点i处 储能荷电状态的上、 下限.) 电动汽车充电站运行约束包括用户总充电量 约束, 以及充电站各时段充电功率约束 , 具体如下所示:NTtPE V i,tTNE V iQE V,m i n( )i,tNE ViPE V,m i nPE V i,ti,tNE V iPE V,m a x( ) 式中:NE Vi和QE V,m i n分别为该充电站的用户数和单个
15、用户的平均最低用电需求;PE V,m a x和PE V,m i n分别为电动汽车的充电功率上、 下限;i,t为电动汽车的 可控率, 即在t时段节点i处实际充电的电动汽车 占充电站总用户的比例.) 居民空调负荷约束包括在室内外温差和空调 作用下房间温度约束, 以及单个时段的空调功率约 束 , 具体如下所示:QR o o mi,t(tO u t i,ttR o o m i,t)T RR o o miKE E RPC L i,tT NC Li( )tR o o m i,ttR o o m i,tQR o o mi,t cA i r iMA i r i( )tR o o m,m i n itR o o m i,ttR o o m,m a x i( ) NC LiPA C,m i nPC L i,tNC L iPA C,m a x( ) 式中:PC Li
