基于多端口能源路由器的配电台区间优化控制策略研究

马仲坤,黄奇峰,戚星宇,戴黎明,蒋志坚

(国网江苏省电力有限公司常州供电分公司,江苏 常州 213003)

随着大量分布式能源、储能系统的接入,配电系统在逐步进入具有电力电子化特征的“交直流混合”时代[1-4]。由于分布式能源的分散性、随机性、间歇性,其大规模接入配电网将对配网运行的安全性和质量造成严重影响[5-6]。为了应对挑战,大量多端口能源路由器被安装在配网中以实现配电台区内源储荷协调控制策略,从而降低台区内运行损耗,实现新能源发电、储能系统、直流充电桩、数据中心等设施的高效接入[7-10]。

目前台区间的互联互通仍采用基于拓扑重构、开关组合状态切换等方法。由于交流电网“闭环设计、开环运行”的特征,在这种交流互联互供方式下,台区之间的母联开关在系统正常运行时往往处于冷备用状态,只有在台区配变失电工况下触发启动,无法实现多台区在线实时均衡、互济,且无法精准调控台区之间需要互济的功率[11-14]。

随着多端口能源路由器的发展成熟以及在配网中广泛应用,通过多端口能源路由器实现台区间的互联互通成为可能[15]。能源路由器的结构是从固态变压器[16]发展而来的,其在固态变压器功能的基础上,能源路由器还可以实现对分布式能源和各种交直流负载的即插即用式接入。得益于电力电子技术和通信技术的进步,能源路由器在交直流混合配电[17]、能源优化管理[18]等方面应用广泛,在低压配网管理中扮演重要的角色[19]。由于具备高效的能量传输和转化功能,采用多端口能源路由器实现台区间能量优化具有广阔的应用前景。文献[20]分析了多端口能源路由器在实现配电台区间能量交互的关键技术和能量交互模式。这些研究的重点多集中在太区间互联的网络结构、设备和电能传输路径上。本文从配电台区运行的安全性和经济性出发,研究了基于多端口能源路由器的台区间的优化协调调度。

本文旨在通过台区间的能源优化调度,从而降低配电台区重过载风险,提高配电台区运行效率。首先对应用多端口能源路由器进行台区间互联的作用进行了介绍,并阐释了应用多端口能源路由器进行台区间的互联的实现流程。在此基础上,以台区配电变压器最佳负载率为目标构建了基于多端口能源路由器的台区间协调调度模型,最后通过算例验证了所提方法为台区配变经济运行带来的改善,并分析了不同容量的能源路由器对多提方法带来的影响。

1 能源路由器实现台区间互联

1.1 台区间互联运行模型

基于多端口能源路由器的台区间互联运行示意图如图1所示,1号台区和2号台区分别通过一个多端口能源路由器与台区变压器母线相连,并通过内部交直流换流器为装置内部750 V直流母线供电。多端口能源路由器提供了不同电压幅值的直流端口为台区内部的充电桩、路灯等供电,并配备了储能电池以抑制功率波动。1号台区和2号台区通过能源路由器的750 V直流端口实现2个台区间的互联互通。当1号台区轻载,2号台区重载时,可通过1号台区向2号台区的能源流动实现两个台区间的综合轻载率和重载率降低。

图1 台区互联运行示意Fig.1 Schematic diagram of the interconnection between distribution station areas

1.2 台区间配置能源路由器的作用

能源路由器作为多个台区间潮流调控手段,其功率交互直接影响了资源的利用效率和系统运行状态的安全稳定。对于多端能源路由器的协调优化控制是交直流配网能源管理中的重要问题。

基于台区配电变压器运行特性曲线(图2)可知,当台区配变轻载或重载运行时,其均未工作在最佳运行效率点上。当台区配变负载率大于额定容量时,配变负载损耗将急剧增加,长期超负荷运转将严重影响台区配电变压器的寿命,带来安全问题;当台区配电变压器长期低于额定功率工作时同样也会造成大量线损,增加运行成本。此外,通过能源路由器进行台区间功率互联互通,不仅能够改善台区间配电变压器的负载率,还能够实现台区间功率互补,增强对新能源的消纳能力。因此,通过能源路由器优化调控台区间功率平衡对台区安全经济运行具有重要意义。

图2 台区配变运行特性Fig.2 Distribution station area transformer operating characteristics

1.3 台区间优化调度流程

台区互联新形态下,通过能源路由器彼此互联互济能够有效实现对台区间功率的在线调节,从而动态调整不同台区负载率,提高台区群运行效率。台区之间互联功率决策是改善台区间潮流分布的关键,通过台区多端口能源路由器管理系统决策台区功率交换指令,然后分别下发给不同台区多端口能源路由器,实现台区间的能源优化调度。在每个优化周期,基于台区运行信息,优化调整互济功率指令,在下次优化周期到来时,保持指令值不变。具体实施步骤如下。

(1)基于当前时刻的台区配变状态,判断是否需要进行优化调控。如果需要则进入第二步。

(2)读取配电台区内电源、负荷、储能等装置的功率信息,以及多端口能源路由器的容量等相关信息。

(3)基于当前获得的数据,建立台区间多端口能源路由器优化调控数学模型。

(4)调用优化求解器,对优化调控模型进行求解,得到台区间多端口能源路由器的调控指令。

(5)执行能源调控指令,实现台区间能源优化调度。此时回到步骤1,再次进行判断循环。

2 台区间互联优化控制模型

本文以台区间多端口能源路由器为研究对象,以提升台区配变设备利用率和运行效率为目标,在台区间互联基础上,建立台区间基于多端口能源路由器的优化调控模型,如图3所示。通过对目标函数和约束条件对台区间优化调度策略进行约束和求解,实现在满足安全性指标的情况下对台区间功率进行优化调度。以此为依据,下达功率调控指令,推动新型电力系统下台区间互联互济,提升配电网整体运行水平。

图3 基于多端能源路由器的互联系统Fig.3 Interconnection system based on multiterminal energy routers

2.1 目标函数

负载率是台区配变效率的重要影响因素,以台区配电变压器运行效率最高,也及负载率最接近额定负载率为目标,建立台区优化调控模型,其目标函数为:

(1)

(2)

式中,ST,i为在优化周期T时刻,第i个台区配电变压器容量;λi为权重系数,ηb,i为第i个台区配电变压器的最佳负载率,N为台区数量。

2.2 约束条件

(1)台区潮流平衡方程:

Pi=Pac,i+Pdc,i

(3)

(4)

(5)

(6)

φ+,i·φ-,i=0

(7)

式中,Pac,i、Pdc,i分别为台区配电变压器交流侧和直流侧负荷功率;Pvdc为多端口能源路由器的流入和流出功率;φ为0～1变量,代表多端口能源路由器的状态,当为1时,表示第i个台区向多端口能源路由器注入功率;反之,表示第i个台区从多端口能源路由器吸收的功率。

(2)台区配电变压器运行安全约束:

0≤Pi≤ηiST,i

(8)

式中,ηi为第i个台区配电变压器重载预警值。

(3)能源路由器功率约束。考虑能源路由器容量限制以及功率方向,构建以下约束:

-Pei,rated≤Pei,i≤Pei,rated

(9)

式中,Pei,rated为能源路由器的功率约束。

(4)能源路由器功率平衡约束:

(10)

式中,Ui为第i个台区能源路由器的节点电压;Gij为两个相连的能源路由器间的互电导,当i与j相等时,则Gij为编号为i的能源路由器的自电导。

(5)多端口能源路由器连接处电压约束。为了保障多端口能源路由器电压稳定在安全运行范围,对其施加约束条件:

Ui,min≤Ui≤Ui,max

(11)

式中,Ui,min、Ui,max分别为台区间多端口能源路由器连接处允许的电压最小值、电压最大值。

2.3 模型求解

基于上述目标函数、功率平衡方程和运行约束条件,构建台区间基于多端口能源路由器优化调控模型,实现台区互联的高效运行。为了快速求解,将所提出模型进行标准化处理,建立混合整数非线性约束二次规划问题,如式所示,然后利用主流解法器对优化模型进行求解。

(12)

式中,H、h、x1、xu分别为模型系数矩阵;x为优化变量,都可根据上述模型推导得到。

2.4 评价指标

台区配电变压器负载率是配电台区的重要安全性和经济性指标,负载率过大严重影响台区变压器的工作寿命,带来安全性隐患,贰负载率长期处于低于额定电压水平同样也会造成大量线损,增加成本。为了评价基于能源路由器的台区间能源调控效果,为模型建立了以台区配电变压器综合轻载率、重载率以及最佳运行点等指标,从而使台区配电变压器能够长期运行在额定负载率附近。

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中,δ1、δu、γt分别为台区配电变压器的轻载率、重载率以及最佳运行点接近程度指标;Pi,t为第i个台区在t时刻配点变压器的总负载功率。

3 算例分析

3.1 参数设置

以图3所示的基于多端能源路由器的共母线型互联系统为例开展调控效果分析。3个配电台区的配电变压器容量均为400 kVA,配电变压器最佳运行点对应的负载率设置为0.65。3个配电台区的负荷功率曲线如图4所示。

图4 台区负荷曲线Fig.4 Load curves of the distribution station area

3.2 结果分析

经过调控后,最佳运行点接近度曲线以及轻载和重载的统计结果如图5、图6所示。其中,轻载、重载分别指负载率低于0.2、负载率高于0.8。在调控前,由3个台区的最佳运行点综合接近度曲线可以看出,最佳运行点的偏离度均在0.12以上,且存在轻载和重载的情况,分别为32%和24%。

图5 最佳运行点综合接近度曲线Fig.5 The best running point comprehensive proximity curves

图6 轻载和重载统计分析结果Fig.6 Results of statistical analysis of light and heavy loads

经过所提方法开展调控后,台区配电变压器轻载率和重载率均显著降低,变为0,使得台区配点变压器的工作状况更加均衡。调控后,台区配电变压器工作状况也更加接近最佳运行点。在11:00—21:00,台区配电变压器距最佳运行点的偏离度显著降低。多端口能源路由器的指令曲线如图7所示,调控功率均小于100 kW。

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

上述结果展示了基于多端口能源路由器的台区间功率调控对实现台区间能源互联互通,改善台区配电变压工况的有效性,调控的开展显著降低了台区配电变压器的综合重载率和轻载率。

3.3 能源路由器容量对优化调控影响

基于100 kW容量的能源路由器进行了调控策略的研究,验证了台区间优化调控策略的有效性。为了进一步分析多端口能源路由器容量对调控策略的影响,设置能源路由器容量在40～100 kW,进行不同容量下的调控效果分析,如图8所示。

图8 不同容量下轻载和重载统计分析结果Fig.8 Statistical analysis results of light and heavy loads under different capacities

由图8可以看出,在多端口能源路由器容量为0时,对台区配电变压器的轻载率和重载率没有带来改变。而当多端口能源路由器容量提升至40 kW时,重载率和轻载率显著降低,综合重载率降至4%,轻载率将至0%。随着台区配电变压器容量的增加,综合重载率进一步降低,直至0%。

上述分析表明,所提调控模型能够适应不同容量的多端口能源路由器带来的影响,显著提高台区配点变压器的经济运行能力。

3.4 配电变压器最佳运行点对优化调控影响

对台区配电变压器的最佳运行点是否对优化调控有影响进行研究。在不同的台区配电变压器最佳运行点时,进行了优化调控。配电变压器最佳运行点组合见表1,不同组合下偏离度曲线如图9所示。

表1 配电变压器最佳运行点组合Tab.1 Combination of optimal operating points for distribution transformers

图9 不同组合下偏离度曲线Fig.9 Deviation curves under different combinations

由图9可以看出,针对不同的台区配电变压器最佳运行点,在11:00—21:00内,所提优化调控策略均能显著降低台区配电变压器距最佳运行点的偏离度。结果表明,所提调控方法能够适应不同配变最佳运行点带来的影响。

4 结语

本文介绍了基于多端口能源路由器的台区间协调调度流程,构建了基于多端口能源路由器的优化调度模型,最后结合算例验证了优化调控模型对配变负载率优化效果,探讨了多端口能源路由器容量对于优化调控的影响,得出以下结论。

(1)基于多端口能源路由器的协调调控方法能够改善台区配变的负载率,降低不同台区间的重载率和轻载率,提升台区配变经济运行水平。

(2)所提出的模型对不同容量的能源路由器具有良好的适应性,在容量较低时也能改善台区配变的运行水平。

(3)所提出的模型在台区配变最佳运行点改变时仍能够保持较好的调控效果。