光伏新能源并网系统的区间优化

董建军

摘要：新能源的大规模并网，势必增加电力系统运行参数的诸多不确定性，新能源的大规模并网，会增加电力系统运行参数的诸多不确定性。

关键词：光伏新能源;并网;区间优化

当前，发展光伏发电等新能源是解决雾霾等环境问题的有效手段之一。光伏发电在未来配电网中的高渗透趋势将日益明显。传统配电网与新能源的有机结合是配电网规划的主流趋势，新能源并网系统的数学建模为未来新能源并网提供了重要的理论支持。

一、区间不确定性优化方法

1、区间不确定优化问题的提出。在研究分析实际工程问题时，一些工程系统参数不确定，很难获得其数据，但不确定信息的边界往往是确定的，所以根据上下边界信息描述未知有界参数变量，并用区间不确定优化方法对其分析较合理有效。

2、将区间不确定优化问题转化为确定性优化问题。将基于区间序关系的区间优化方法延展为一般的非线性优化问题，实现从不确定目标函数到确定性多目标函数优化问题的转化。

二、光伏并网区间优化模型

1、光伏并网区间优化建模。新能源的有功功率调节并网是解决新能源并网可控可调的关键。当前，光伏发电系统被认为是配电系统中配电网的一种特殊负载，与其它普通负载一起称为广义负荷，对于电网，广义负荷功率是光伏电源功率和负载功率之和，由于光伏发电功率的间歇性和随机波动性，广义负荷功率的波动增大，导致负荷端电压的变化。若将多个光伏发电系统并网作为广义节点，实现光伏并网的控制问题将转化为光伏并网节点电流的优化问题。光伏功率通过逆变器注入主电网，实现光伏发电系统的并网，可通过控制并网节点电流，实现光伏发电系统并网的可控可调。本研究以光伏发电系统并网节点功率容量为目标函数，以配电网节点电压和支路有功功率特性为约束条件，建立光伏并网发电系统的数学模型，实现注入主电网的多节点光伏发电系统的区间最优调节建模，光伏并网配电系统满足中低压配电网±5%的波动，利用光伏发电系统并网节点电压的区间约束限制，避免了多节点光伏并网引起的电压波动问题。

2、区间优化的确定性转化。当前，光伏发电系统已并网运行，为保证低压配电系统的端电压在不增加支路阻抗的情况下在允许范围内工作，采用有功功率注入来平衡无功补偿。有学者提出利用配电系统潮流计算灵敏度矩阵实现有功注入调节并网的合理配比。在实现多节点光伏发电并网系统区间优化时，光伏发电系统的并网节点电压及光伏发电的并网注入容量是目标函数优化的主要区间变量，以保证多节点光伏发电并网稳定运行，将并网节点的最小电压波动及全网最小有功损耗作为两层嵌套目标函数，以注入有功容量及并网节点电压的区间边界函数为约束条件，结合光伏发电系统有功功率不等式约束与光伏发电系统并网调节问题，建立并网多节点光伏发电系统的优化模型。

3、区间优化求解。本文建立了多节点光伏发电系统并网区间优化模型，将其转化为两个确定性目标函数的优化问题求解，其步骤为：①内部目标函数优化采用前推回代法计算，以光伏发电系统并网容量区间边界为约束条件，求解光伏发电并网节点的确定性区间边界，得到最内层优化求解，即得到光伏发电系统并网节点的确定区间边界及其并网容量的区间可能度;②采用迭代法求解外目标函数优化，以光伏发电系统并网容量的区间可能度为约束条件，实现系统有功损耗最小的确定区间边界，得到外层优化求解的优化区间，实现全局最优解;③计算解集，若区间解集有解，则区间内存在并网优化问题存在解;若区间优化问题求解空集，即区间内并网优化问题无解。

三、计算分析

1、算例研究。本研究的建模方法在MATLAB R2011b平台上编程实现，选择IEEE 33节点系统测试，研究了并网节点负荷功率及光伏出力的随机性，未考虑电网故障引起网络参数的不确定性。IEEE33节点配电系统中有四条分岔支路，光伏并网位置越靠近后端，提高末端电压效果越明显。因此，用优先级编号（8-33）为支路1;（8-16）为支路2;（4-25）为支路3;（3-22）为支路4。在系统区间优化中，寻找光伏发电系统合理的并网位置及容量是区间优化的基础。大多数文献未对新能源并网配置进行准确描述，在系统设计中往往根据随机性及经验求解判断，降低了其可信度与可行性。

2、区间优化结果。光伏并网是研究新能源与配电网间的协调优化，光伏并网区间优化问题是在光伏并网区间不确定性影响下得到优化目标的区间，给出了光伏并网系统运行鲁棒性的两个边界区间，与不考虑光伏并网的确定性优化结果相比，能准确判断光伏与系统的匹配程度，为新能源并网提供合理的优化配置方案。多点光伏注入时，根据不同光伏出力及其并网支路组成分类器样本，随机抽取数据计算，比如支路1、2、3、4分别选择29-12-23-16进行光伏注入，光伏出力分别选[0.4P、0.8P]、[0.4P、0.8P]、0.8P、0.4P组成分类器C1～C9，在光伏出力区间下边界处，整个网络的最小有功功率损耗区间出现在分类器C4～C5，光伏注入的支路位置及出力容量区间存在明显的极值值，在确定性优化问题中，系统目标函数呈凸函数分布，函数极值如图1所示，即全集最优解。

四点光伏注入：①区间优化的解集中出现相同解，基于系统有功损耗最小，支路1、2的注入选择重复29-12，表明光伏并网在分叉支路末端支路实现，位置选择应为支路中间位置;②在末端电压满足约束方程前提下，支路3、4并网支路的选择不影响整个系统的最小损耗。

IEEE33节点系统实现并网区间优化，其目标函数的区间分布直观反映了光伏出力及并网节点电压区间约束下系统有功损耗396.2331，并网区间优化后，有功损耗结果[131.6576、143.4365]，有功损耗降低63.8～66.8%，末端节点电压显著增加，提升区间3.3～11.8%，支路1、2末端电压效果最显著。此外，未接入新能源时，首端功率结果为4110.247kW，利用并网区间优化后的计算结果[3755.657、4079.8]，优化目标为[30.446、354.5899]，传统配电网通过开关投切实现电网对新能源的接纳与否，未来，大规模光伏注入和主动配网是新能源并网的发展趋势。本研究考虑多节点光伏并网的支路有功功率的动态区间计算，为光伏并网配置提供一定的理论参考。

四、结论

光伏发电系统的随机波动特性对光伏接入配电系统的稳定運行提出了挑战，新能源并网系统允许接纳新能源接入位置及容量是许多学者研究的热点问题。本研究提出区间边界，实现光伏并网系统运行参数的确定性转化，实现光伏并网位置及容量的优化配置，利用区间可能度及区间序关系，实现光伏并网区间优化非线性建模目标函数及约束条件的确定性区间转化，为新能源并网提供稳定的电压极限区间及系统合理的“承载容量”

参考文献：

[1]陈璨.考虑光伏出力相关性的配电网概率潮流[J].电力系统自动化，2015（09）.

[2]胡博.光伏新能源并网系统的区间优化[J].沈阳农业大学学报，2017（03）.