CN107622332A - 一种基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法，属于含储能的电力系统规划运行技术领域，主要包括以下步骤：首先，根据实际需求确定电网运行静态安全性预期目标；其次，基于含储能的电力系统潮流计算方法，依次计算N‑1线路故障下的线路潮流越限严重度指标S_l和节点电压越限严重度指标Q_b，逐步长增加接入电网侧输电断面的储能设备配置容量；最后，校验储能实际运行约束，并输出容量优化结果。本发明考虑在满足电力网静态安全性约束的条件下，能够快速确定电网侧的储能设备配置容量。

Description

一种基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法

技术领域

本发明属于含储能的电力系统规划运行技术领域，更具体的，涉及一种基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法。

背景技术

随着我国国民经济的不断发展，全社会用电规模不断增长，截止2016年底，全国全社会用电量已达到59198亿千瓦时，同比增长5.0％。与此同时，电力系统发电规模也呈逐年不断增长趋势，尤其是可再生能源并网规模迅速扩大，截止2016年底，全国并网风电装机容量达到1.5亿千瓦、同比增长13.2％，并网光伏发电装机容量达到7742万千瓦，同比增长81.6％。在此情形下，我国电网结构变得越来越复杂，电网安全可靠运行面临极大的挑战。因而，在高负载率支路或易超过断面潮流极限的电网侧输电断面引入储能技术，能够降低线路负载率和断面潮流，使得潮流分布更加合理，并以此延缓电网规划建设和对电网进行改造升级，具有较高的技术经济效益。

储能系统具有灵活的调节作用，在负荷高峰时段，储能装置处于放电状态，可承担一定的负荷功率，降低输电网络阻塞程度，提高故障情况下电网的静态安全性；在负荷低谷时段，储能装置处于充电状态，可吸收电力系统部分盈余电量，减少因调峰不足而产生的新能源弃电，提高系统对风电、光伏发电的接纳能力。因此，在电网侧配置合适容量的储能装置，不仅能在一定程度上促进新能源消纳，还能对电网资源进行优化配置，从而提升电网资产的利用效率，提高整个电网的静态安全性。

储能装置容量直接关系到电网运行的经济性，若储能配置容量冗余，则会导致储能投资成本过高，回收周期偏长，不能完全发挥储能在电网侧的经济效益；若储能配置容量不足，电网的静态安全性无法保障，电力系统面临失负荷风险。为达到电力网运行的静态安全性要求，需在系统中配置合适容量的储能装置。因此，研究基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法对于电力系统安全、稳定、经济运行具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法，其目的在于解决现有的电力系统规划未将电网侧储能设备考虑在内导致电力网运行的静态安全性能低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法，包括如下步骤：

步骤1：设置电力系统中储能设备第k次更新的容量为k△C，对在第j条支路发生断线故障的电力系统进行潮流计算获得每条支路的功率值和每个节点的电压标幺值，并让支路序号i遍历支路总数，获得在第j条支路发生断线故障时第i条支路的功率值和第j条支路发生断线故障时第m个节点的电压标幺值；

步骤2：根据在第j支路发生断线故障时第i条支路的功率值和每条支路的额定功率值获得第i条支路在第j支路发生断线故障时的支路负载率；

步骤3：对第i条支路在第j支路发生断线故障时的支路负载率进行分段处理获得第i条支路在第j条支路断线情况下的潮流越限严重度指标；对单条支路故障时每个节点的电压标幺值进行分段处理获得第m个节点在第j个支路断线条件下的电压越限严重度指标；

步骤4：对第i个支路在第j条支路断线情况下的潮流越限严重度指标进行求和处理获得在N_l-1故障方案下的潮流越限严重程度；对节点m在支路j断线条件下的电压越限严重度指标进行求和处理获得在N_l-1故障方案下的电压越限严重程度；

步骤5：判断在N_l-1故障方案下的潮流越限严重程度是否等于预期潮流越限严重程度，并判断判断在N_l-1故障方案下的电压越限严重程度是否等于预期电压越限严重程度；若是，则步骤6，否则，令k＝k+1，并进入步骤1；

步骤6：判断电力系统中储能设备第k次更新的容量是否满足储能实际运行约束，若满足，则将电力系统中储能设备第k次更新的容量作为电力系统中储能设备最优容量，否则，令k＝k+1，并进入步骤1；

其中，k为储能设备容量更新次序，i、j均为支路次序，m为节点次序，N_b为电力网节点总数量，N_l为支路总数量，1≤m≤N_b，1≤i,j≤N_l。

优选地，步骤3中根据公式获得支路i在支路j断线情况下的潮流越限严重度指标；

式中，β_ij为第i条支路在第j条支路断线条件下的线路负载率。

优选地，步骤3中根据公式获得节点m在支路j断线条件下的电压越限严重度指标；

式中，V_mj为第m个节点在第j条支路断线条件下的节点电压标幺值。

优选地，步骤6中根据公式-r₁·kΔC≤P_ESS,a≤r₂·kΔC和公式判断电力系统中储能设备第k次更新的容量是否满足储能实际运行约束；

式中，P_ESS,a为节点a安装的储能系统的充放电功率大小，kΔC为电力系统中储能设备第k次更新的容量，r₁为放电功率上限系数，r₂为充电功率上限系数，T为储能运行调度周期，ε为充放电平衡指标。

优选地，步骤1对在第j条支路发生断线故障的电力系统进行潮流计算中将储能设备作为一个正负可调的发电机组接入到输电断面侧。

优选地，步骤1对在第j条支路发生断线故障的电力系统进行潮流计算满足如下计算模型：

式中，P_G,a为储能接入节点a的发电机注入有功功率，Q_G,a为储能接入节点a的发电机注入无功功率；P_D,a为储能接入节点a有功负荷，Q_D,a为储能接入节点a无功负荷；P_ESS,a为储能接入节点a安装的储能系统的充放电功率大小，V_a表示储能接入节点a的电压幅值，δ_a表示储能接入节点a的电压相角；V_b表示节点b的电压幅值，δ_b表示节点b的电压相角，N_b为电力网节点总数量，Y_a,b为储能接入节点a与节点b之间的节点导纳，1≤a,b≤N_b。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的电网侧储能容量优化配置方法，基于含储能设备的电力系统潮流计算特征，并以线路潮流越限严重度指标S_l和节点电压越限严重度指标Q_b作为评价指标，建立了电网侧储能容量优化配置模型。此方法能够针对静态安全性约束下的电网侧储能容量进行优化配置，能够提高电力系统运行的静态安全性能，且实现方法简单、运算速度快，便于工程实际应用。

附图说明

图1为本发明提供的基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明提供的基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法的流程图。该方法包括如下步骤：

步骤1：结合电网实际运行情况，确定有储能安装需求的输电断面，设置电力系统中储能设备第k次更新的容量为k△C，即选定迭代步长△C，△C根据实际静态安全性计算精度要求选取，以k△C作为每次计算中的储能配置容量。对在第j条支路发生断线故障的电力系统进行潮流计算获得每条支路的功率值和每个节点的电压标幺值，并让支路序号j遍历支路总数，获得在第j支路发生断线故障时第i条支路的功率值和第j条支路发生断线故障时第m个节点的电压标幺值；其中，1≤i,j≤N_l。

对包含有容量为k△C的储能设备的电力系统进行潮流计算时，储能设备作为一个正负可调的发电机组接入到输电断面侧，储能设备的工作状态包括充电、放电和待机三种。在一定的控制策略下实现储能设备充放电状态的转换，潮流计算中的计算模型为：

式中，P_G,a、Q_G,a为储能接入节点a的发电机注入有功、无功功率；P_D,a、Q_D,a为储能接入节点a有功负荷、无功负荷；P_ESS,a为储能接入节点a安装的储能系统的充放电功率大小，其正值代表充电，负值代表放电；V_a、δ_a分别表示储能接入节点a的电压幅值与相角；V_b、δ_b分别表示节点b的电压幅值与相角，Y_a,b为储能接入节点a与节点b之间的节点导纳，1≤a,b≤N_b。

步骤2：根据在第j条支路发生断线故障时第i条支路的功率值和每条支路的额定功率值获得第i条支路在第j条支路发生断线故障时的支路负载率β_ij；

步骤3：对第i条支路在第j条支路发生断线故障时的支路负载率β_ij进行分段处理获得第i条支路在第j条支路断线情况下的潮流越限严重度指标；即根据公式(2)获得第i条支路在第j条支路断线情况下的潮流越限严重度指标：

式中，β_ij为第i条支路在第j条支路断线条件下的线路负载率；S_ij为第i条支路在第j条支路断线情况下的潮流越限严重度指标。

对单条支路故障时每个节点的电压标幺值进行分段处理获得第m个节点在第j条支路断线条件下的电压越限严重度指标；即根据公式(3)获得第m个节点在第j条支路断线条件下的电压越限严重度指标：

式中，V_mj为第m个节点在第j个支路断线条件下的节点电压标幺值；Q_mj为第m个节点在第j个支路断线条件下的电压越限严重度指标。

步骤4：对第i条支路在第j条支路断线情况下的潮流越限严重度指标进行求和处理获得在N_l-1故障方案下的潮流越限严重程度；即根据公式(4)获得在N_l-1故障方案下的潮流越限严重程度S_l：

式中，S_l为所有线路N_l-1断线情况下的总潮流越限严重度指标；N_l为支路集合。

对第m个节点在第j条支路断线条件下的电压越限严重度指标进行求和处理获得在N_l-1故障方案下的电压越限严重程度；即根据公式(5)获得在N_l-1故障方案下的电压越限严重程度Q_b：

式中，Q_b为所有节点电压在N_l-1断线情况下的总越限严重度指标；N_b为电力网节点集合。

步骤5：判断在N_l-1故障方案下的潮流越限严重程度S_l是否等于预期潮流越限严重程度S_l.exp，并判断在N_l-1故障方案下的电压越限严重程度是否等于预期电压越限严重程度Q_b.exp；即判断公式(6)是否成立。

S_l＝S_l.exp,Q_b＝Q_b.exp (6)

预期潮流越限严重程度S_l.exp和预期电压越限严重程度Q_b.exp根据电力网的实际静态安全性要求确定。

若是，则步骤6，否则，令k＝k+1，并进入步骤1。

步骤6：判断电力系统中储能设备第k次更新的容量是否满足储能实际运行约束，若满足，则将电力系统中储能设备第k次更新的容量作为电力系统中储能设备最优容量，否则，令k＝k+1，并进入步骤1；

储能实际运行约束包括储能充放电功率约束和容量约束：

式(7)表示储能充放电功率约束：

-r₁·kΔC≤P_ESS,a≤r₂·kΔC (7)

式(8)表示容量约束

式中，P_ESS,a为节点a安装的储能系统的充放电功率大小，正值代表储能充电，负值代表储能放电；r₁·kΔC和r₂·kΔC分别为储能装置的放电功率上限、充电功率上限，r₁为放电功率上限系数，r₂为充电功率上限系数，0≤r₁,r₂≤1；T为储能运行调度周期；ε为极小正数，代表充放电平衡指标，根据实际静态安全性计算精度要求选取。

本发明提供的基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法，设置储能设备容量为k△C，通过电力系统潮流计算，依次求解电力系统中单条线路故障下的线路潮流越限严重度指标和节点电压越限严重度指标，获得在储能设备容量为k△C的电力系统在N_l-1故障方案下的潮流越限严重程度S_l和电压越限严重程度Q_b，线路潮流越限严重度和节点电压越限严重度两个指标分别反映各支路在N_l-1故障方案下的潮流越限严重程度和电压越限严重程度。采用逐步长△C增加电网侧储能装置容量的方式，线路潮流越限严重度和节点电压越限严重度，直到满足预期目标S_l.exp和Q_b.exp，并记录下此时的储能配置状态，输出储能配置容量结果。

通过以上步骤能够快速计算出电网侧输电断面的储能配置容量，帮助电网规划相关人员更加全面、深入地了解输电网侧储能容量需求情况，进而对电网侧储能进行更加合理的规划、安装，提高整个电网运行的经济性和可靠性。除此之外，本发明能够根据电网实际运行的静态安全性要求，在满足储能实际运行约束条件下，快速输出电网侧储能配置容量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例子而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于静态安全性约束的电网侧储能容量优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设置电力系统中储能设备第k次更新的容量为k△C，对在第j条支路发生断线故障的电力系统进行潮流计算获得每条支路的功率值和每个节点的电压标幺值，并让支路序号j遍历支路总数N_l，获得在第j支路发生断线故障时第i条支路的功率值和第j支路发生断线故障时第m个节点的电压标幺值；

步骤2：根据在第j支路发生断线故障时第i条支路的功率值和每条支路的额定功率值获得第i条支路在第j支路发生断线故障时的支路负载率；

步骤3：对第i条支路在第j条支路发生断线故障时的支路负载率进行分段处理获得第i条支路在第j条支路断线情况下的潮流越限严重度指标；对第j条支路发生断线故障时第m个节点的电压标幺值进行分段处理获得第m个节点在第j条支路断线条件下的电压越限严重度指标；

步骤4：对第i条支路在第j条支路断线情况下的潮流越限严重度指标进行求和处理获得在N_l-1故障方案下的潮流越限严重程度；对第m个节点在第j条支路断线条件下的电压越限严重度指标进行求和处理获得在N_l-1故障方案下的电压越限严重程度；

步骤5：判断在N_l-1故障方案下的潮流越限严重程度是否等于预期潮流越限严重程度，并判断在N_l-1故障方案下的电压越限严重程度是否等于预期电压越限严重程度；若是，则步骤6，否则，令k＝k+1，并进入步骤1；

步骤6：判断电力系统中储能设备第k次更新的容量是否满足储能实际运行约束，若满足，则将电力系统中储能设备第k次更新的容量作为电力系统中储能设备最优容量，否则，令k＝k+1，并进入步骤1；

其中，k为储能设备容量更新次序，i、j均为支路次序，m为节点次序，N_b为电力网节点总数量，N_l为支路总数量，1≤m≤N_b，1≤i,j≤N_l。

2.如权利要求1所述的电网侧储能容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤3中根据公式获得第i条支路在第j条支路断线情况下的潮流越限严重度指标；

式中，β_ij为第i条支路在第j条支路断线条件下的线路负载率。

3.如权利要求1或2所述的电网侧储能容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤3中根据公式获得第m个节点在第j条支路断线条件下的电压越限严重度指标；

式中，V_mj为第m个节点在第j条支路断线条件下的节点电压标幺值。

4.如权利要求1至3任一项所述的电网侧储能容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤6中根据公式-r₁·kΔC≤P_ESS,a≤r₂·kΔC和公式判断电力系统中储能设备第k次更新的容量是否满足储能实际运行约束；

式中，P_ESS,a为节点a安装的储能系统的充放电功率大小，kΔC为电力系统中储能设备第k次更新的容量，r₁为放电功率上限系数，r₂为充电功率上限系数，T为储能运行调度周期，ε为充放电平衡指标。

5.如权利要求1至4任一项所述电网侧储能容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤1对在第j条支路发生断线故障的电力系统进行潮流计算中将储能设备作为一个正负可调的发电机组接入到输电断面侧。

6.如权利要求1至5任一项所述电网侧储能容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤1对在第j条支路发生断线故障的电力系统进行潮流计算满足如下计算模型：

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>G</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>S</mi> <mi>S</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>b</mi> </msub> </munderover> <msub> <mi>V</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

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式中，P_G,a为储能接入节点a的发电机注入有功功率，Q_G,a为储能接入节点a的发电机注入无功功率；P_D,a为储能接入节点a有功负荷，Q_D,a为储能接入节点a无功负荷；P_ESS,a为储能接入节点a安装的储能系统的充放电功率大小，V_a表示储能接入节点a的电压幅值，δ_a表示储能接入节点a的电压相角；V_b表示节点b的电压幅值，δ_b表示节点b的电压相角，N_b为电力网节点总数量，Y_a,b为储能接入节点a与节点b之间的节点导纳，1≤a,b≤N_b。