CN103956760B - 一种用于平抑城市负荷增长的储能容量配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于平抑城市负荷增长的储能容量配置方法，所述储能容量为安装于电网中的储能系统存储的电能量；所述方法包括：获取储能系统安装点处的典型日负荷数据；计算储能系统的输出功率；计算储能电池配置容量及储能额定功率；构建储能容量配置优化目标函数；迭代运算直至得到最优解。本发明的方法，实现了城市配电网中移峰填谷、减小负荷峰谷差的作用；该方法根据储能接入点的典型日负荷曲线，合理选择储能容量，适应性较好；综合考虑电能损耗及储能投资成本，在调整配电网电压分布、改善配电网电压偏差、减小配电网损耗的同时尽可能地减小了投入成本，避免了储能装置容量的浪费；本发明可用迭代法进行计算，简单易行，收敛速度快。

Description

一种用于平抑城市负荷增长的储能容量配置方法

技术领域

本发明属于城市配电网领域，具体讲涉及一种用于平抑城市负荷增长的储能容量配置方法。

背景技术

随着发达经济体经济的增长以及新兴经济体经济的快速崛起，城市电力负荷迅速增长，负荷构成日益复杂，尤其是随着空调、电冰箱、彩电等家用电器广泛使用，居民用电负荷在系统负荷中所占的比重越来越大，使得居民用电负荷变化对系统峰值负荷变化的影响也越来越大。快速增长的负荷，加大了用电峰谷差，使电力最大需求增加，用电负荷率减小。目前我国电源结构仍以火电为主，电网中绝大部分的调峰任务依靠常规电厂承担，其中绝大部分要由燃煤电厂负担。为保持低谷负荷时候的电力平衡，大型火电机组通常要减至最低出力，部分机组需日开夜停，发电成本增加，降低了电网运行的安全性和经济性。

在众多导致负荷快速增长的原因中，尖峰负荷对电网的冲击尤为突出，电力系统在快速演变以适应这种变化。但近年电网发展受规划站址的约束日趋明显，难以倚重新增站址、加大变电容量来满足未来负荷需求，亟待探讨在现有站址或已有规划站址上提高供电能力的方法。在这个过程中，储能系统的需求显得越来越迫切。在配用电系统中引入储能环节后可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，补偿负荷波动，还可以促进可再生能源的应用，也可以作为提高系统运行稳定性、调整频率的一种手段。

负荷快速增长对城市配电网带来的最直接的影响就是在负荷峰值时变压器或线路过载，电网损耗增加，末端电压值过低，配置一定容量的储能有助于改善配电网的运行。为了使储能接入能在调整配电网电压分布、改善配电网电压偏差、减小配电网损耗方面达到最优的效果，合理的储能接入位置及容量配置是至关重要的。

目前，国内外对储能系统的研究多集中在对储能输出功率的控制上，储能容量的优化配置方法大多基于经验分析，适应性不强，并且研究工作多以间歇式新能源发电领域及微电网领域为应用背景，在配电网中的应用研究还相对比较缺乏。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于平抑城市负荷增长的储能容量配置方法，根据储能接入点的典型日负荷曲线，合理选择储能容量。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种用于平抑城市负荷增长的储能容量配置方法，所述储能容量为安装于电网中的储能系统存储的电能量；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A.获取储能系统安装点处的典型日负荷数据；

B.计算储能系统的输出功率；

C.计算储能电池配置容量及储能额定功率；

D.构建储能容量配置优化目标函数；

E.迭代运算直至得到最优解。

优选地，所述步骤A中，设定所述储能安装点所在电网的负荷在该电网规划年限内以固定增长率逐年增长。

优选地，所述步骤B中，所述输出功率用下式表达：

$P=\left\{\begin{array}{cc}{P}_l-P_{\min }& P_l<P_{\min }\\ 0& P_{\min }<P_l<P_{\max }\\ P_l-P_{\max }& P_l>P_{\max }\end{array}\right.,---\left(1\right)$

式中，P_l为负荷功率，P_max为储能电池的放电启动功率，P_min为储能电池的充电启动功率；

所述步骤C中，保证日充放电次数为1次；所述储能电池配置容量E_ES及所述储能额定功率P_ES分别用下式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ES}}=\max (P_l-P_{\max },P_{\min }-P_l)\\ E_{\mathrm{ES}}=\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_d}{\&Integral;}_{t_{d1}}^{t_{d2}}(P_l-P_{\max })\mathrm{dt}={\mathrm{\&eta;}}_c{\&Integral;}_{t_{c1}}^{t_{c2}}(P_l-P_{\min })\mathrm{dt}\end{array}\right.,---\left(2\right)$

式中，η_d为储能系统放电效率，η_c为储能系统充电效率，t_d1为储能放电开始时刻，t_d2为储能放电结束时刻，t_c1为储能充电开始时刻，t_c2为储能充电结束时刻。

优选地，所述放电启动功率P_max为正值，所述充电启动功率P_min为负值，二者的迭代初值依据表达式（2）求得。

优选地，所述步骤D中，所述储能容量配置优化目标函数S如下式表达：

S＝min(αC_Loss+βE_ESQ)，（3）

式中，Q为储能系统单位容量价格，C_Loss为电网在储能运行年限内的电能损失费用，α为电能损失费用的权重系数，β为储能系统成本的权重系数。

优选地，所述步骤E中，所述迭代运算包括：重复步骤B～D，所述最优解为：步骤D中的目标函数S值最小。

优选地，所述储能电池的放电启动功率P_max及充电启动功率P_min与负荷之间存在如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_d}{\&Integral;}_{t_{d1}}^{t_{d2}}(P_l-P_{\max })\mathrm{dt}+{\mathrm{\&eta;}}_c{\&Integral;}_{t_{c1}}^{t_{c2}}(P_l-P_{\min })\mathrm{dt}=0\\ P_{l\max }\&GreaterEqual;P_{\max }\&GreaterEqual;P_{\min }\&GreaterEqual;P_{l\min }\end{array}\right.,---\left(4\right)$

式中，P_lmax为负荷峰值，P_lmin为负荷谷值。

优选地，所述电能损失费用C_Loss如下式：

$C_{\mathrm{Loss}}=c{\&Integral;}_{T_{\mathrm{ES}}}{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{Loss}}\mathrm{dt},---\left(5\right)$

式中，c为单位电价，T_ES为储能寿命，ΔP_Loss为系统有功功率损耗。

优选地，采用典型日的电能损失替代全寿命周期内的功率损耗，得C_Loss等效表达式如下：

$C_{\mathrm{Loss}}=T_{\mathrm{ES}}\&times;365\&times;c{\&Integral;}_0^{24}{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{Loss}}\mathrm{dt}---\left(6\right).$

优选地，所述的权重系数α、β根据两个变量的变化率进行设置，设置原则为保证两者的变化量在同一量级区间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提出了一种用于平抑城市负荷增长的储能容量配置方法，实现了城市配电网中移峰填谷、减小负荷峰谷差的作用；

2、本发明根据储能接入点的典型日负荷曲线，合理选择储能容量，适应性较好；

3、本发明综合考虑电能损耗及储能投资成本，在调整配电网电压分布、改善配电网电压偏差、减小配电网损耗的同时尽可能地减小了投入成本，避免了储能装置容量的浪费；

4、本发明可用迭代法进行计算，简单易行，收敛速度快。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明实施例中上海市某一区域内的配电网实例结构图；

图3是本发明实施例中节点6典型日负荷曲线；

图4是本发明实施例中储能电池充放电启动功率示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

首先对储能容量配置中涉及的相关参数进行定义和简化：

1）综合储能运行年限，储能容量配置考虑配电网的规划年限为5年，在此年限内，假定电网负荷逐年增长，负荷年增长率k。

2）储能电池的放电启动功率P_max及充电启动功率P_min，当负荷高于放电启动功率时，储能电池运行于放电状态，P_max亦为经储能系统平抑后的负荷峰值；当负荷低于充电启动功率时，储能电池运行于充电状态，P_min亦为经储能系统平抑后的负荷谷值。

3）储能电池系统参数，包括：储能系统放电效率η_d，储能系统充电效率η_c，储能全寿命周期T_ES。

本发明的流程如图1所示，包括以下步骤：

1）获取储能安装点处的典型日负荷数据，规划考虑年限为5年，在此年限内，电网负荷逐年增长，增长率为k，计算储能安装点处5年后的典型日负荷数据。

2）计算储能系统的输出功率；设置储能电池的放电启动功率P_max及充电启动功率P_min，其迭代初值可取P_max=P_min，设储能充电功率为负，放电功率为正，输出功率P如下式：

$P=\left\{\begin{array}{cc}{P}_l-P_{\min }& P_l<P_{\min }\\ 0& P_{\min }<P_l<P_{\max }\\ P_l-P_{\max }& P_l>P_{\max }\end{array}\right.,$

式中，P_l为负荷功率。

3）根据步骤2）所述的储能输出功率计算方法，保证日充放电次数为1次，计算储能电池配置容量E_ES及储能额定功率P_ES如下式：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ES}}=\max (P_l-P_{\max },P_{\min }-P_l)\\ E_{\mathrm{ES}}=\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_d}{\&Integral;}_{t_{d1}}^{t_{d2}}(P_l-P_{\max })\mathrm{dt}={\mathrm{\&eta;}}_c{\&Integral;}_{t_{c1}}^{t_{c2}}(P_l-P_{\min })\mathrm{dt}\end{array}\right.,$

式中，η_d为储能系统放电效率，η_c为储能系统充电效率，t_d1为储能放电开始时刻，t_d2为储能放电结束时刻，t_c1为储能充电开始时刻，t_c2为储能充电结束时刻。

所述步骤2）中的放电启动功率P_max及充电启动功率P_min，迭代初值可根据所述步骤3）中的等式求得。

4）构建储能容量配置优化目标函数S如下式：

S＝min(αC_Loss+βE_ESQ)，

式中，Q为储能系统单位容量价格，C_Loss为电网在储能运行年限内的电能损失费用，α为电能损失费用的权重系数，β为储能系统成本的权重系数。

5）本发明可使用迭代法进行优化计算。重复步骤2）～步骤4）直至步骤4）中的目标函数S值最小。

所述步骤2）中的储能电池的放电启动功率P_max及充电启动功率P_min与负荷之间存在如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_d}{\&Integral;}_{t_{d1}}^{t_{d2}}(P_l-P_{\max })\mathrm{dt}+{\mathrm{\&eta;}}_c{\&Integral;}_{t_{c1}}^{t_{c2}}(P_l-P_{\min })\mathrm{dt}=0\\ P_{l\max }\&GreaterEqual;P_{\max }\&GreaterEqual;P_{\min }\&GreaterEqual;P_{l\min }\end{array}\right.,$

式中，P_lmax为负荷峰值，P_lmin为负荷谷值，

所述步骤4）中的电网电能损失费用C_Loss如下式：

$C_{\mathrm{Loss}}=c{\&Integral;}_{T_{\mathrm{ES}}}{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{Loss}}\mathrm{dt},$

式中，c为单位电价，T_ES为储能寿命，ΔP_Loss为系统有功功率损耗，由于在全寿命周期内的功率损耗无法准确预测，因此为了计算方便，采用典型日的电能损失费用替代，因此C_Loss等效表达式如下式：

$C_{\mathrm{Loss}}=T_{\mathrm{ES}}\&times;365\&times;c{\&Integral;}_0^{24}{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{Loss}}\mathrm{dt},$

所述步骤4）中所述的权重系数α、β根据两个变量的变化率进行设置，设置原则为保证两者的变化量在同一量级区间。

下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

图2所示为上海市区某一区域内的配电网实例结构图，图2所示为上海市区某35kV变电站其中一条出线的电网实例结构图，该出线供电区域为一商业区。如图所示，该配电网结构中包含了10个母线节点，3台变压器，7条负荷出线，所有负荷从35kV电站取电，通过一台35/10kV的变压器，将电压降至10kV，其中一条10kV线路（锦11）直接供电给两个百货公司（节点2），另一条10kV线路（锦41）经过开关站（长茂站，节点3）后有5条出线，其中节点7、8、10均通过10kV线路直接供电，节点6与节点9分别经过一台10/0.4kV的变压器供电。本实例中选择在节点6处安装储能系统，本发明提供了一种储能容量配置方法，包括以下步骤：

1）获取节点6处的实测典型日负荷曲线，如图3所示。在本实例中对储能容量进行配置时按照5年考虑，此年限内负荷年增长率按照12%考虑，考虑负荷增长后的节点6处典型日负荷值如图3所示。

2）计算储能系统的输出功率；如图4所示，当负荷高于放电启动功率时，储能电池运行于放电状态；当负荷低于充电启动功率时，储能电池运行于充电状态。设置储能电池的放电启动功率P_max及充电启动功率P_min，且储能充电功率为负，放电功率为正，储能系统的输出功率P如下式：

$P=\left\{\begin{array}{cc}{P}_l-P_{\min }& P_l<P_{\min }\\ 0& P_{\min }<P_l<P_{\max }\\ P_l-P_{\max }& P_l>P_{\max }\end{array}\right.,$

3）在本实例中，储能充放电效率η_d和η_c均为90%，根据步骤2）所述的储能输出功率计算方法，保证日充放电次数为1次，计算储能电池配置容量E_ES及储能额定功率P_ES如下式：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ES}}=\max (P_l-P_{\max },P_{\min }-P_l)\\ E_{\mathrm{ES}}=\frac{1}{0.9}{\&Integral;}_{t_{d1}}^{t_{d2}}(P_l-P_{\max })\mathrm{dt}=0.9{\&Integral;}_{t_{c1}}^{t_{c2}}(P_l-P_{\min })\mathrm{dt}\end{array}\right.,$

4）在本实例中，锂电池储能系统容量价格Q按5490元/kWh计算，构建储能容量配置优化目标函数S，如下式：

S＝min(αC_Loss+β×5490E_ES)，

在本实例中，步骤2）所述的储能电池的放电启动功率P_max及充电启动功率P_min与负荷之间存在如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{0.9}{\&Integral;}_{t_{d1}}^{t_{d2}}(P_l-P_{\max })\mathrm{dt}+0.9{\&Integral;}_{t_{c1}}^{t_{c2}}(P_l-P_{\min })\mathrm{dt}=0\\ P_{l\max }\&GreaterEqual;P_{\max }\&GreaterEqual;P_{\min }\&GreaterEqual;P_{l\min }\end{array}\right.,$

当P_max=P_min≈0.324MW，储能容量达到最大，经过计算可得此时储能容量E_ES=1.378MWh，额定功率P_ES=200kW。

在本实例中，按照上海地区电价机制（为简化计算过程，不考虑分时电价），10kV供电的工商业用户电度电价为0.769元/kWh；锂离子循环寿命按3000次考虑，按照日充放电一次计算，考虑储能在春秋两季需求不大，储能系统运行年限T_ES按9年计算，步骤4）中所述的电网电能损失费用C_Loss如下式：

$C_{\mathrm{Loss}}=9\&times;365\&times;0.769{\&Integral;}_0^{24}{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{Loss}}\mathrm{dt},$

在本实例中，α值设为1，β值根据步骤4）中所述的两者的变化量进行设置。当储能容量E_ES=1.378MWh时，目标函数S=546.6+β757.62万元；当储能容量E_ES=0时，S=548万元，为保持两者的变化率在同一水平区间，所述步骤4）中的权重值β取0.0025进行优化计算。

5）本发明可采用迭代法进行优化计算，迭代初值设为P_max=0.35MW，经过5次迭代计算后，可得最优解：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\max }=395\mathrm{kW}\\ P_{\min }=238\mathrm{kW}\\ P_{\mathrm{ES}}=130\mathrm{kW}\\ E_{\mathrm{ES}}=532\mathrm{kWh}\end{array}\right.,$

在本实例中，计算得节点6应配置130kW/532kWh的储能电池系统。

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 (4)

1.一种用于平抑城市负荷增长的储能容量配置方法，所述储能容量为安装于电网中的储能系统存储的电能量；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A.获取储能系统安装点处的典型日负荷数据；

B.计算储能系统的输出功率；

所述步骤B中，所述输出功率用下式表达：

$P=\{\begin{array}{cc}{P}_l-P_{min}& P_l<P_{min}\\ 0& P_{\min }<P_l<P_{max}\\ P_l-P_{\max }& P_l>P_{max}\end{array},---\left(1\right)$

式中，P_l为负荷功率，P_max为储能电池的放电启动功率，P_min为储能电池的充电启动功率；

C.计算储能电池配置容量及储能额定功率；

所述步骤C中，保证日充放电次数为1次；所述储能电池配置容量E_ES及所述储能额定功率P_ES分别用下式表示：

$\{\begin{array}{c}{P}_{ES}=max(P_l-P_{max},P_{min}-P_l)\\ E_{ES}=\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_d}{\&Integral;}_{t_{d1}}^{t_{d2}}(P_l-P_{max})dt={\mathrm{\&eta;}}_c{\&Integral;}_{t_{c1}}^{t_{c2}}(P_l-P_{min})dt\end{array},---\left(2\right)$

式中，η_d为储能系统放电效率，η_c为储能系统充电效率，t_d1为储能放电开始时刻，t_d2为储能放电结束时刻，t_c1为储能充电开始时刻，t_c2为储能充电结束时刻；

所述储能电池的放电启动功率P_max及充电启动功率P_min与负荷之间存在如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_d}{\&Integral;}_{t_{d1}}^{t_{d2}}(P_l-P_{max})dt={\mathrm{\&eta;}}_c{\&Integral;}_{t_{c1}}^{t_{c2}}(P_l-P_{min})dt=0\\ P_{lmax}\&GreaterEqual;P_{\max }\&GreaterEqual;P_{\min }\&GreaterEqual;P_{l\min }\end{array}\right.,---\left(3\right)$

式中，P_lmax为负荷峰值，P_lmin为负荷谷值；

D.构建储能容量配置优化目标函数；

所述步骤D中，所述储能容量配置优化目标函数S如下式表达：

S＝min(αC_Loss+βE_ESQ)，(4)

式中，Q为储能系统单位容量价格，C_Loss为电网在储能运行年限内的电能损失费用，α为电能损失费用的权重系数，β为储能系统成本的权重系数；

所述电能损失费用C_Loss如下式：

$C_{Loss}=c{\&Integral;}_{T_{ES}}{\mathrm{\&Delta;P}}_{Loss}dt,---\left(5\right)$

式中，c为单位电价，T_ES为储能寿命，ΔP_Loss为系统有功功率损耗；

采用典型日的电能损失替代全寿命周期内的功率损耗，得C_Loss等效表达式如下：

$C_{Loss}=T_{ES}\&times;365\&times;c{\&Integral;}_0^{24}{\mathrm{\&Delta;P}}_{Loss}dt---\left(6\right);$

E.迭代运算直至得到最优解；

所述步骤E中，所述迭代运算包括：重复步骤B～D，所述最优解为：步骤D中的目标函数S值最小。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，设定所述储能系统安装点所在电网的负荷在该电网规划年限内以固定增长率逐年增长。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述放电启动功率P_max为正值，所述充电启动功率P_min为负值，二者的迭代初值依据表达式(2)求得。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的权重系数α、β根据两个变量的变化率进行设置，设置原则为保证两者的变化量在同一量级区间。