CN103199554A - 一种实现电网光储系统容量配置及优化分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现配电网光储系统容量配置及优化分布的方法，步骤有：（1）建立光伏发电并网系统模型；（2）对模型进行潮流计算，判断电网运行是否满足约束条件；是则进行下一步，否则返回步骤（1）修改电网参数；（3）进行初始仿真计算得到储能系统接入前的指标值；（4）对储能系统的N个接入点进行仿真计算，得到接入后的指标值；（5）将每个接入点的指标归一化处理，生成目标子函数；（6）通过生成的目标子函数得到N个权衡系数可变的目标函数；（7）通过目标函数计算分析，得到评估结果；（8）对评估结果进行最优值选择。本发明为电网提供快速的有功、无功支撑，提高电网电压稳定水平，降低网络损耗，并且提高了准确性和通用性。

Description

一种实现电网光储系统容量配置及优化分布的方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种实现配电网光储系统容量配置及优化分布的方法。

背景技术

近年来风力发电、太阳能光伏发电装机规模骤增，新能源虽清洁环保，但有发电波动性、随机性、间歇性等不利特征，与火电相比无法形成稳定电量供给，对电力系统安全稳定运行带来新的压力。随着光伏发电系统规模的不断扩大以及光伏电源在系统中所占比例的不断增加，光伏并网发电对电网带来了一些不良影响变得不可忽视。当光伏电源接入电网后，改变了系统潮流的模式且潮流变得无法预测。这种潮流的改变使得电压调整很难维持，同时，也可能造成支路潮流越限、节点电压越限、变压器容量越限等从而影响系统的供电可靠性。此外，这种潮流的随机性也不利于制定发电厂发电计划。同时，由于光伏电源的自身输出不稳定性，当光伏发电系统并网运行后，系统必须增加相应容量的旋转备用，以保证系统的调峰、调频能力。

储能是电网和新能源领域的关键技术，尤其在风电、太阳能发电安全问题频发、弃风现象大量存在的背景下，储能的应用或将引领行业革命性变化。储能能够解决在风电、光伏发电并网过程中的四大问题：一是以储能平滑光伏出力波动;二是希望通过储能提高光伏预测准确度;三是利用储能辅助“削峰填谷”;四是储能提高光伏系统跟踪计划出力的能力。

现阶段，储能系统成本较高，为提高储能系统的利用率、提高其经济性同时实现储能系统平抑波动、提高光伏并网能力的功能，在储能系统选址定容的规划设计阶段，有必要深入研究储能系统在电网中的接入点及储能系统安装容量。储能系统的布点与容量配置需满足两个要求：一是储能系统的选址能够提高光伏接纳能力,并且提高电网运行的安全稳定性；二是储能系统容量的选择应满足一定的经济性，在保证满足电网需要的情况下，容量越小越经济。关于储能系统优化分布方面，到目前为止还没有相对成熟和系统的研究成果，相关学者只是有针对性地提出了一些研究方法。实际的应用中，一般是由工程师跟经验确定，导致了储能系统选址的准确性和通用性降低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种实现配电网光储系统容量配置及优化分布的方法，通过科学的计算，找出最优结果，提高了准确性和通用性。

本发明提供的一种实现配电网光储系统容量配置及优化分布的方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

（1）建立光伏发电并网系统模型；

（2）对模型进行潮流计算，判断电网运行是否满足约束条件；若是则进行步骤（3），否则返回步骤（1）修改电网参数；

（3）进行初始仿真计算得到储能系统接入前的指标值；

（4）对储能系统的N个接入点进行仿真计算，得到储能系统接入后的指标值；

（5）将每个接入点的指标进行归一化处理，生成目标子函数；

（6）通过生成的目标子函数得到N个权衡系数可变的目标函数；

（7）通过目标函数计算分析，得到评估结果；

（8）对评估结果进行最优值选择。

其中，指标包括电网电压越限距离、小干扰稳定特征值和网损贡献度。

其中，步骤（2）所述约束条件包括负荷约束条件和运行约束条件，其中：

所述负荷约束条件为：电网中任一节点的有功功率和无功功率平衡。

所述运行约束条件为：任一母线的电压、任一线路的潮流和任一台设备的功率在规定的范围内。

其中，所述电网电压越限距离用于衡量储能系统改善光储系统的电压水平；计算所述电网电压越限距离的表达式如下：

$D=\frac{{\mathrm{\Σ}}_i^N\frac{|U_{\mathrm{opt}}-U_i|}{U_{\mathrm{opt}}}}{N}---\left(1\right);$

式中，N为考察的电网敏感电压；U_opt为正常运行时电压目标值；U_i为节点i实际运行时的电压值。

其中，所述小干扰稳定特征值通过系统矩阵临界特征值的实部衡量系统稳定性。

其中，所述网损贡献度用于衡量储能系统接入后对全网有功损耗的影响程度；计算所述网损贡献度的表达式如下：

$C_{\mathrm{loss}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{-}-\mathrm{\Δ}{P}_{+}}{\mathrm{\Δ}{P}_{-}}\×100\%---\left(2\right);$

式中，ΔP_-为光储系统接入前全网的有功损耗；ΔP₊为光储系统接入后全网的有功损耗。

其中，步骤（5）所述目标子函数为：

电网电压越限距离变化率指标子函数：

$\frac{D_{-}-D_{+}}{D_{-}}\×100\%;$

小干扰稳定变化率子函数：

$\frac{Z_{\mathrm{real}-}-Z_{\mathrm{real}+}}{Z_{\mathrm{real}-}}\×100\%;$

网损变化率指标子函数：

$\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{-}-\mathrm{\Δ}{P}_{+}}{\mathrm{\Δ}{P}_{-}}\×100\%.$

其中，步骤（6）通过将生成的目标子函数加权得到权衡系数可变的目标函数，其表达式如下：

$E_{\mathrm{obj}}=w_1\frac{D_{-}-D_{+}}{D_{-}}+w_2\frac{Z_{\mathrm{real}+}-Z_{\mathrm{real}-}}{Z_{\mathrm{real}-}}+w_3{C}_{\mathrm{loss}}---\left(3\right);$

式中，w₁、w₂和w₃分别为权重系数，且w₁+w₂+w₃＝1；

w₁,w₂,w₃取不同的数值，数值大小不同，表明侧重评估的指标不同。

其中，步骤（7）所述通过目标函数计算分析，得到评估结果的步骤包括：

①对目标函数中的权重系数取值，计算对应的目标函数值E_obj；

②分别计算N个接入点在储能系统相同的有功出力和无功出力的目标函数值。

其中，步骤（8）所述对评估结果进行最优值选择是指将计算出的N个接入点的目标函数值选取最大值，完成储能系统的选址。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明的光储系统通过计算后选定接入点，通过选址后，为电网提供快速的有功、无功支撑，提高电网电压稳定水平，降低网络损耗。

本发明通过三个指标涵盖了储能规划设计阶段需要考虑的重点内容。通过指标整合得到目标函数，改变权重系数可获得不同的评估方案，具有很大灵活性和实际指导意义。

本发明采用电网电压越限距离，该指标在并网光伏发电系统稳定运行的前提下，衡量了储能接入后改善电网电压运行极限的程度以及维持电压水平高低的程度。这对于储能接入后评估其效果具有实际的重要意义。

附图说明

图1为本发明提供的储能选址定容评估流程图。

图2为本发明提供的36节点系统示意图。

图3为本发明提供的安全性评估指标D₊计算结果示意图。图中，横轴为储能系统有功出力（MW）和无功出力（MVar），纵轴为电网电压越限距离值。

图4为本发明提供的稳定性评估指标Z_real+计算结果示意图。图中，横轴为储能系统有功出力（MW）和无功出力（MVar），纵轴为小干扰稳定特征值。

图5为本发明提供的经济性评估指标C_loss+计算结果示意图。图中，横轴为储能系统有功出力（MW）和无功出力（MVar），纵轴为网损贡献度。

图6为本发明提供的方案一评估结果示意图。

图7为本发明提供的方案二评估结果示意图。

图8为本发明提供的方案三评估结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提出的一种实现配电网光储系统容量配置及优化分布的方法，其流程图如图1所示，其包括如下步骤：

（1）建立光伏发电并网系统模型；

（2）通过初始潮流计算判断系统运行是否满足约束条件，若是则进行步骤（3），否则返回步骤（1）修改电网参数；

约束条件包括负荷约束条件和运行约束条件，其中：

负荷约束条件为：电网中任一节点的有功功率和无功功率平衡。

运行约束条件为：任一母线的电压、任一线路的潮流和任一台设备的功率在规定的范围内。针对一个特点电网约束条件可以按照电网情况和运行方式确定。比如在典型运行方式下，节点电压上下限值分别设置为0.95和1.05（标幺值），支路有功潮流限值为1（标幺值）等。

（3）对模型进行仿真计算，得到储能系统接入前的指标值；

储能系统选址的确定要根据具体的指标进行考核，指标的选取考虑到储能系统接入电网后能为电网提供快速的有功、无功支撑，提高电网电压稳定水平，降低网络损耗，同时，储能系统作为稳控型装置也能够改善系统的小干扰稳定性，提高系统弱阻尼振荡模式的阻尼比。因此，本实施例选取三个评估指标建立指标评估模型，考核储能系统各接入位置的优劣，从而进行合理的选址。

（1）安全性评估指标

电网的安全性指的是在电网设备不过负荷，而且在各电气量不偏离允许范围的条件下，承受偶然事故，满足负荷需求的能力。针对含光伏发电的配电网，电压安全首先需要满足评判标准。传统的评判标准常常是以电网的设备运行极限作为约束。然而现代电网的各种运行压力常常使电网运行在技术极限附近，这时电网虽然有可能维持很好的电压水平，但实际上离电压离崩溃点已不远。为了满足现代电网的要求，需要选取合适的指标。本实例引入了电网电压越限距离D，其计算的表达式如（1）所示：

$D=\frac{{\mathrm{\Σ}}_i^N\frac{|U_{\mathrm{opt}}-U_i|}{U_{\mathrm{opt}}}}{N}---\left(1\right)$

本实例用这个指标在光伏并网系统稳定运行的前提下，衡量储能接入后改善电网电压运行极限的程度以及维持电压水平高低的程度。这对于储能接入后评估其效果具有实际的重要意义。因此，电网电压越限距离D为安全性评估指标。

（2）稳定性评估指标

光伏系统并网发电会对系统阻尼产生不利的影响，特别是光伏系统并网点距离负荷中心较远、并网容量较大时，此时光伏并网发电对系统小干扰稳定及阻尼特性的影响、光伏系统稳定运行的规律等问题就显得尤为重要。储能系统能够抑制系统低频振荡、提高光伏并网运行的稳定性。因此，当储能系统接入位置或容量变化时，应选取合适的指标对储能系统改善系统稳定性的效果进行评估。利用特征值分析方法（逆迭代转Rayleigh商迭代法和同时迭代法等）对系统小干扰稳定性进行研究时，采用QR方法可计算出系统的全部特征值，对于中小规模的系统，该算法具有良好的数值稳定性和较快的收敛速度。但随着电网规模的不断增大，当状态矩阵的维数相当高时，应用QR方法计算特征值误差很大，甚至得不出结果。实际上，对于不同的稳定分析目的，所关心的只是状态矩阵中的部分与分析目的密切相关的特征值。

本实例选取系统矩阵临界特征值的实部Z_real作为稳定性评估指标。只有特征值在复平面的左半部分时，系统才是小干扰稳定的，而且特征值距离复平面的虚轴越远，系统的稳定范围就越大。

（3）经济性评估指标

电力系统的运行既要求有良好的安全稳定性，又要求有尽可能好的经济性，即在有功功率和无功功率均达到平衡的前提下，尽可能地降低有功功率损耗，使全网有功功率损耗ΔP最小。因此，选取网损贡献度C_loss为经济性评估指标。

C_loss表示在同样条件下，储能系统接入后由其自身引起整个电网网损的变化程度，其表达式如下：

$C_{\mathrm{loss}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{-}-\mathrm{\Δ}{P}_{+}}{\mathrm{\Δ}{P}_{-}}\×100\%---\left(2\right);$

式中：ΔP_-为储能系统接入前全网的有功损耗；ΔP₊为储能接入后全网的有功损耗。C_loss为正值，表征储能接入后对全网有功损耗的减小程度，即引起的全网的网损减小量与并网前全网网损量之比，值越大表示储能接入后全网网损减小的越多。

由步骤（2）的潮流计算得到电网评估点的电压幅值，结合电网正常运行时的电压目标值，根据公式（1）计算得到安全性评估指标D_-；由小干扰稳定计算得到稳定性评估指标Z_real-；通过网损计算，得到全网有功损耗ΔP_-。

（4）对光储系统中储能系统的N个接入点进行仿真计算，得到储能系统接入后的指标值；

通过仿真计算和公式（1）得到接入光储系统后的三个指标：安全性评估指标D₊；稳定性评估指标Z_real+；有功损耗ΔP₊。

（5）将每个接入点的指标进行归一化处理，生成目标子函数，包括：

接入储能前电网电压越限距离之差与接入储能前电网电压越限距离之商构成的电网电压越限距离变化率子函数，函数值越大，说明储能系统接入后对电网电压水平提高和支撑作用越大。其表达式如下：

$\frac{D_{-}-D_{+}}{D_{-}}\×100\%;$

接入储能后与接入储能前小干扰稳定特征值实部之差与接入储能前小干扰稳定特征值实部之商构成小干扰稳定特征值变化率子函数，函数值越大，说明储能系统接入后对电网的稳定性改善效果越好。其表达式如下：

$\frac{Z_{\mathrm{real}-}-Z_{\mathrm{real}+}}{Z_{\mathrm{real}-}}\×100\%;$

接入储能前后网损之差与接入储能前网损之商构成网损变化率子函数，即网损贡献度，值越大表示储能系统接入后全网网损降低越多。其表达式如下：

$C_{\mathrm{loss}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{-}-\mathrm{\Δ}{P}_{+}}{\mathrm{\Δ}{P}_{-}}\×100\%$

（6）通过生成的目标子函数加权得到N个权衡系数可变的目标函数；

目标函数，其表达式如下：

$E_{\mathrm{obj}}=w_1\frac{D_{-}-D_{+}}{D_{-}}+w_2\frac{Z_{\mathrm{real}+}-Z_{\mathrm{real}-}}{Z_{\mathrm{real}-}}+w_3{C}_{\mathrm{loss}}---\left(3\right);$

式中，w₁、w₂和w₃分别为权重系数，且w₁+w₂+w₃＝1；

w₁,w₂,w₃三个权重系数取值可不同，权重系数的取值大小表明该指标在整体评估中所占的权重；不同数值的三个权重系数组合对应着不同的评估方案。

（7）通过目标函数计算分析，得到评估结果，包括：

①对目标函数中的权重系数取值，计算对应的目标函数值E_obj；

②分别计算N个接入点在储能系统相同的有功出力和无功出力的目标函数值。

（8）将计算出的N个接入点的目标函数值选取最大值，完成储能系统的选址。

对于不同接入点，依次对所有待评估的节点进行计算。然后在选定的方案下比较各接入点E_obj的大小，E_obj越大，该储能接入点越好。

对于同一接入点接入不同容量的储能系统，得到不同的E_obj，在每一种方案下比较不同配置容量下E_obj的大小，E_obj越大，越好。因此，得到的储能配置容量。

具体的，本实施例以一个36节点系统图表示一个含光储系统的配电网仿真接线图，如图2所示，该系统包含8座带负荷的枢纽变电站，分别表示为节点9、节点16、节点18、节点19、节点20、节点21、节点23和节点29。发电厂总发电容量为2657.3MW+j1476.2MVar，光伏系统的并网发电功率为150MW,储能系统包括储能元件和能量转化系统（PCS），其接入点（并网点）选择为节点9、节点16、节点18、节点19、节点20、节点21、节点23和节点29。

本实例根据上述步骤（1）-步骤（8）主要对评估指标的计算、评估方案的确定和评估结果的得到进行实例分析。其中，功率基值为100MVA。

评估指标的计算

首先，储能系统接入前进行仿真计算，得到指标值：

电网电压安全裕度D_-=0.0511；小干扰特征值Z_-=-0.522853；网损ΔP_-=0.808（p.u）

其次，储能系统分别从不同接入点接入后进行仿真计算，得到下述指标值：

①电网电压安全裕度D+；

②小干扰特征值Z+；

③网损ΔP+；

由 $C_{\mathrm{loss}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{-}-\mathrm{\Δ}{P}_{+}}{\mathrm{\Δ}{P}_{-}}\×100\%$ 可得到网损贡献度C_loss；

通过上述电网电压安全裕度D₊，小干扰特征值Z₊和网损贡献度C_loss三个指标的变化趋势分别如下图3、图4和图5所示。其可看出，一方面，在储能系统总出力相同的情况下，不同点接入所达到的效果也不同，以安全性评估为例，节点18的电网电压越限距离指标明显小于其他节点，表明该点接入储能系统后电网整体电压水平最高，电压安全性最好，该评估指标下，节点18优于其他节点；另一方面，在不改变储能系统接入位置的情况下，电压支撑由储能系统的总出力决定，总出力越多，与负荷的比值越高，电压支撑就越大，整体电压水平就越高，并且电网的稳定性越好，网损也越小。

评估方案的确定

根据不同的权重系数组合确定了三个不同的评估方案，如表1所示。

表1评估方案

方案一中，经济性评估指标的权重为0，该方案只考察不同接入位置下储能系统对电网电压运行水平和电网稳定性的影响程度，不关心电网运行的经济性；方案二中，安全性评估指标的权重最高，经济性评估指标的权重最低，该方案侧重于考察不同接入位置下储能系统对电网电压运行水平的影响程度；方案三中，经济性评估指标的权重最高，该方案侧重于考察不同接入位置下储能系统对电网运行经济性的影响程度。

评估结果的计算

最终，由 $E_{\mathrm{obj}}=w_1\frac{D_{-}-D_{+}}{D_{-}}+w_2\frac{Z_{\mathrm{real}+}-Z_{\mathrm{real}-}}{Z_{\mathrm{real}-}}+w_3{C}_{\mathrm{loss}}$ 计算得到三个方案的评估结果，如图6-图8所示。图中，每个节点从左到右表示从小到大排列的有功和无功。

评估结果分析

（1）通过图6-图8的数值比较，三个方案的评估结果得到节点18为储能系统最为合适的接入点。其中，对于方案一，经济性评估指标权重为0，此时该方案只评估储能系统接入后对电网运行安全性和稳定性的作用；对于方案二、三，三个指标分别占有一定权重比例，权重偏高则表明该方案侧重于该项指标的评估。

（2）在含大规模风电场的发输电网中配备储能系统能够改善系统潮流分布，缓解输电压力，增强电力系统运行稳定性和供电可靠性，大幅提高电网接纳风力发电的能力。因此，为了评估储能系统在提高电网运行性能中发挥作用的大小，安全性、稳定性和经济性是衡量三个重要的衡量标准。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种实现配电网光储系统容量配置及优化分布的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）建立光伏发电并网系统模型；

（2）对模型进行潮流计算，判断电网运行是否满足约束条件；若是则进行步骤（3），否则返回步骤（1）修改电网参数；

（3）进行初始仿真计算得到储能系统接入前的指标值；

（4）对储能系统的N个接入点进行仿真计算，得到储能系统接入后的指标值；

（5）将每个接入点的指标进行归一化处理，生成目标子函数；

（6）通过生成的目标子函数得到N个权衡系数可变的目标函数；

（7）通过目标函数计算分析，得到评估结果；

（8）对评估结果进行最优值选择。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，指标包括电网电压越限距离、小干扰稳定特征值和网损贡献度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述约束条件包括负荷约束条件和运行约束条件，其中：

所述负荷约束条件为：电网中任一节点的有功功率和无功功率平衡。

所述运行约束条件为：任一母线的电压、任一线路的潮流和任一台设备的功率在规定的范围内。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电网电压越限距离用于衡量储能系统改善光储系统的电压水平；计算所述电网电压越限距离的表达式如下：

$D=\frac{{\mathrm{\Σ}}_i^N\frac{|U_{\mathrm{opt}}-U_i|}{U_{\mathrm{opt}}}}{N}---\left(1\right);$

式中，N为考察的电网敏感电压；U_opt为正常运行时电压目标值；U_i为节点i实际运行时的电压值。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述小干扰稳定特征值通过系统矩阵临界特征值的实部衡量系统稳定性。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述网损贡献度用于衡量储能系统接入后对全网有功损耗的影响程度；计算所述网损贡献度的表达式如下：

$C_{\mathrm{loss}}=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{-}-{\mathrm{\ΔP}}_{+}}{{\mathrm{\ΔP}}_{-}}\×100\%---\left(2\right);$

式中，ΔP_-为光储系统接入前全网的有功损耗；ΔP₊为光储系统接入后全网的有功损耗。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）所述目标子函数为：

电网电压越限距离变化率指标子函数：

$\frac{D_{-}-D_{+}}{D_{-}}\×100\%;$

小干扰稳定变化率子函数：

$\frac{Z_{\mathrm{real}-}-Z_{\mathrm{real}+}}{Z_{\mathrm{real}-}}\×100\%;$

网损变化率指标子函数：

$\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{-}-{\mathrm{\ΔP}}_{+}}{{\mathrm{\ΔP}}_{-}}\×100\%.$

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（6）通过将生成的目标子函数加权得到权衡系数可变的目标函数，其表达式如下：

$E_{\mathrm{obj}}=w_1\frac{D_{-}-D_{+}}{D_{-}}+w_2\frac{Z_{\mathrm{real}+}-Z_{\mathrm{real}-}}{Z_{\mathrm{real}-}}+w_3{C}_{\mathrm{loss}}---\left(3\right);$

式中，w₁、w₂和w₃分别为权重系数，且w₁+w₂+w₃＝1；

w₁,w₂,w₃取不同的数值，数值大小不同，表明侧重评估的指标不同。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（7）所述通过目标函数计算分析，得到评估结果的步骤包括：

①对目标函数中的权重系数取值，计算对应的目标函数值E_obj；

②分别计算N个接入点在储能系统相同的有功出力和无功出力的目标函数值。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（8）所述对评估结果进行最优值选择是指将计算出的N个接入点的目标函数值选取最大值，完成储能系统的选址。

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