CN109948849A - 一种计及储能接入的配电网网架规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计及储能接入的配电网网架规划方法。从配电网投资者的角度出发，考虑系统中分布式电源和负荷的不确定性，以配电网网架、运行状态和储能运行状态为约束条件，建立计及储能接入的配电网网架规模模型。上层以年综合费用最小目标优化线路和储能投资，下层以储能系统运行收益最大为目标制定日充放电策略，求解得到配电网网架扩容方案和储能配置容量。本发明为储能系统接入配电网的网架规划提供了支撑。

Description

一种计及储能接入的配电网网架规划方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种计及储能接入的配电网网架规划方法

背景技术

近年来，随着分布式电源技术和储能技术的发展，分布式风机和储能设备接入配电网的比例不断增高。分布式电源和储能设备的大量接入使得配电网由传统的无源网络变为有源网络。在配电网运行中分布式电源的出力有较强的波动性，储能设备由于运行策略导致各时段的充放电功率也具有随机性。这使得传统针对配电网规划方法发生改变，不能仅依靠对负荷的预测结果设置相应的裕度对配电网进行规划。需要在配电网的网架规划阶段将分布式电源和储能作为规划的部分内容加以考虑，针对其运行中各种不确定性问题，制定计及运行情况的配电网网架规划方案。目前研究集中在配电网的网架优化模型的规划的尺度和指标内容上，规划时间尺度一般为单一阶段模型，规划指标的选取主要为配电网规划的经济性、可靠性和环性。针对配电网模型中的不确定因素，主要涉及对风电出力的不确定性、负荷波动的不确定性和电价的不确定性进行建模。配电网中储能设备的投运，需要考虑到配电网规划中的各种不确定因素协调自身充放电策略。为此，本文在此基础上，考虑配电网系统中分布式风电出力的随机性和负荷波动的不确定性，建立计及储能运行的配电网网架双层规划模型，以系统线路投资、储能设备投资和主网购电成本之和最小为上层目标，以满足约束的储能运行获利最大为下层目标，求解配电网网架扩容方案和储能配置容量。

发明内容

本发明的目的在于针对分布式电源和储能设备大规模接入配电网的现状，为提高配电网网架规划的经济性，提供一种计及储能接入的配电网网架规划方法，从配电网投资者的角度出发，考虑系统中分布式电源和负荷的不确定性，以配电网网架、运行状态和储能运行状态为约束条件，建立计及储能接入的配电网网架规模模型。上层以年综合费用最小目标优化线路和储能投资，下层以储能系统运行收益最大为目标制定日充放电策略。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种计及储能接入的配电网网架规划方法，包括如下步骤：

步骤S1：根据配电网原始网架数据，设置待规划建设线路和新增负荷点水平；获取系统各项运行参数和分布式风机的装机参数；

步骤S2：以配电网投资年综合费用最小化为目标函数建立双层配电网网架和储能设备投资规划模型；

步骤S3：利用内外层模型求解双层配电网网架和储能设备投资规划模型，并求解储能容量。

在本发明一实施例中，所述步骤S2具体实现如下：

步骤S21：外层模型中规划配电网网架投资和储能规划位置和储能容量：

在外层模型中，针对配电网中待选线路的建设，需要使新生成的网架满足相应的约束，在建模中将相应的线路建设与否用0-1变量来表示；针对储能设备的选址定容，考虑其建设位置必须在配电网网架中的原始节点或者新增节点，所以位置和容量的信息在外层模型中用1-N整数变量表示；其投资成本为：

min F＝F₁+F₂+F₃

式中：F₁为新建线路投资费用等年值，万元；F₂为储能设备投资和维护费用，万元；F₃为配电网向上级电网购电成本，万元；F₁、F₂和F₃的计算公式如下：

F₂＝r_essμE_ess+ξE_ess

F₃＝η(P_load+P_loss-P_DG±P_ESS)·T

式中：N为待选线路总数；x_i为线路建设状态，为0-1变量表示未建设该条线路；1表示建设该条线路；c_l，i为该条待选线路的初始投资费用；r为线路折现率；n为线路经济使用年限；r_ess为储能设备资金等年值系数；μ为储能单位容量投资成本；E_ess为储能站容量，ξ为储能单位容量维护成本；η为上级电网购电单价；P_load为配电网中负荷功率；P_loss为配电网网损；P_DG为配电网中DG出力，P_ESS为储能设备当前运行出力；T为一个周期内的运行小时数；

步骤S22：制定内层储能运行优化策略：

内层模型以储能设备运行周期内利用峰谷价差进行套利收益和降低配电网损耗等效收益之和最大为目标，表达式如下所示：

max f＝f1+f2

式中：f₁为运行周期内套利收益，万元；f₂为储能投入后使配电网有功网损降低的等效收益；f₁、f₂的计算公式如下：

式中：P_c，t和P_dis，t分别为t时段储能的充放电功率；λ_price，t为t时段的电价；P_loss，t为未配置储能时t时段的配电网有功网损，P_{loss，ESS，t}为配置储能后t时段的配电网有功网损。

步骤S23：设置双层模型求解约束条件：

(1)结合配电网的实际规划和运行要求，外层模型约束包括：

1)连通性约束

每个新建负荷点和分布式电源接入点应和上层电网形成联络，不出现孤岛的情况；

2)辐射网络约束

考虑配电网扩容之后的网络结构仍然遵循开环运行的原则，在进行网架约束处理时将其设置为辐射状，则其表达式为：

N_line＝N_node-1

det(A)＝0

式中：N_line为配电网支路数；N_node为配电网节点数；A为N_node×N_node阶矩阵，当节点i、j之间有线路连接时，A(i，j)＝1，反之为0；

(3)储能选址约束

储能安装位置必须在配电网系统中的节点进行选择，表达式为：

x_ESS∈X_location

式中：x_ESS为待选安装节点，X_location为所有可以安装储能的节点集合；

(2)内层模型约束包含系统潮流约束和储能运行约束，包括：

1)潮流约束

式中：P_i和Q_i分别为节点i注入的有功无功和无功功率；U_i和U_j分别为节点i和节点j的电压；G_ij和B_ij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；θ_ij分别为节点i和节点j之间的相角差；

(2)储能电量约束

为了使储能设备的荷电状态在每个周期的初始状态处于合理的位置，建立日周期的充放电电量一致约束：

式中：SOC(t)和SOC(t+Δt)分别为t时段和下一时段的储能荷电状态；P_c(t+Δt)和P_dis(t+Δt)分别为下一时段的储能充电或放电功率；α和β分别为储能的充电效率和放电效率；E_ess为储能设备的容量；

3)节点电压、支路电流约束

U_i，min≤U_i≤U_imax i＝1，2，…，N_node

I_i≤I_i，max i＝1，2，…，N_line

式中：U_i，min和U_i，max为节点电压的上下限，I_max为支路电流的上限；

4)储能充放电功率约束

-P_c，max≤P_t≤P_dis，max

式中：P_c，max和P_dis，max分别为储能设备最大充电功率和最大放电功率；

5)储能荷电状态约束

SOC_min≤SOC≤SOC_max

式中：SOC_min和SOC_max分别为储能荷电状态的下限和上限值；

步骤S24：配电网双层规划数学模型求解

外层模型包含配电网的网架规划和储能位置、容量规划，目标函数为配电网年综合费用最小，将配电网的待建线路和储能设备安装位置、安装额定容量作为决策变量；内层模型设置为配电网运行收益模型，目标函数为储能设备在一个运行周期内的收益，决策变量为储能运行周期每个时段的充放电功率；在每一次迭代中，外层首先给定待建线路和储能设备建设位置，内层模型以规划层的网架、储能设备规划为基础，计算当前网架下一个周期对储能设备的运行数据，作为返回量反馈给外层模型。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明考虑含储能的配电网的网架扩容的成本和考虑储能进行套利收益的储能运维成本和投资成本，全面量化配电网中储能的运行效益，有利于合理优化配电网的网架结构和储能容量配置；考虑储能的套利使得优化容量在现阶段的储能建设成本下不至于整体投资成本的提高，提升项目投资的经济性。

附图说明

图1为本发明上下层规划示意图。

图2为原始网架信息。

图3为规划网架及接入位置。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种计及储能接入的配电网网架规划方法，包括如下步骤：

步骤S1：根据配电网原始网架数据，设置待规划建设线路和新增负荷点水平；获取系统各项运行参数和分布式风机的装机参数；

步骤S2：以配电网投资年综合费用最小化为目标函数建立双层配电网网架和储能设备投资规划模型，如图1所示；

步骤S3：利用内外层模型求解双层配电网网架和储能设备投资规划模型，并求解储能容量。

以下为本发明的具体实施实例。

本发明在某中压配电网络进行测算，系统原始网架信息如图2所示，系统的基准电压为12.66kV，区域经主变压器连接上级电网。经过扩建规划，网络由原始的14节点系统变为19节点系统，线路使用LGJ-185型号架空线，单位投资费用为20万/km，经济使用年限为15年，折现率取0.1。新增负荷节点总功率值按照配电网原始负荷20％增长率进行计算。单个分布式风电机组的额定容量为150kW，安装节点为2，8，5，13，风力发电机的额定风速、切入风速和切除风速分别为12m/s、3.5m/s和20m/s。电价参考某地区现行峰谷电价制度，峰谷电价在平时段电价基础上上浮和下浮50％，高峰时段为09：00-14：00和18：00-22：00，高电价为0.87元/(kWh)；低谷时段为01：00-06：00，低电价为0.29元/(kWh)；其余时段的平电价为0.58元/(kWh)。储能的单位投资成本0.2万元/kVA，初始运行状态设置为50％荷电状态，充放电效率为0.9，储能爬坡约束为80kW，荷电状态上下限分别为90％和10％。

图3为优化后的规划网架及接入位置。

表1规划配电网年综合费用(万元)

表2储能运行日收益(元)

表1、2分别为优化投资费用、优化储能日收益表。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种计及储能接入的配电网网架规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：根据配电网原始网架数据，设置待规划建设线路和新增负荷点水平；获取系统各项运行参数和分布式风机的装机参数；

步骤S2：以配电网投资年综合费用最小化为目标函数建立双层配电网网架和储能设备投资规划模型；

步骤S3：利用内外层模型求解双层配电网网架和储能设备投资规划模型，并求解储能容量。

2.根据权利要求1所述的一种计及储能接入的配电网网架规划方法，其特征在于，所述步骤S2具体实现如下：

步骤S21：外层模型中规划配电网网架投资和储能规划位置和储能容量：

在外层模型中，针对配电网中待选线路的建设，需要使新生成的网架满足相应的约束，在建模中将相应的线路建设与否用0-1变量来表示；针对储能设备的选址定容，考虑其建设位置必须在配电网网架中的原始节点或者新增节点，所以位置和容量的信息在外层模型中用1-N整数变量表示；其投资成本为：

minF＝F₁+F₂+F₃

式中：F₁为新建线路投资费用等年值；F₂为储能设备投资和维护费用；F₃为配电网向上级电网购电成本；F₁、F₂和F₃的计算公式如下：

F₂＝r_essμE_ess+ξE_ess

F₃＝η(P_load+P_loss-P_DG±P_ESS)·T

式中：N为待选线路总数；x_i为线路建设状态，为0-1变量表示未建设该条线路；1表示建设该条线路；c_l，i为该条待选线路的初始投资费用；r为线路折现率；n为线路经济使用年限；r_ess为储能设备资金等年值系数；μ为储能单位容量投资成本；E_ess为储能站容量，ξ为储能单位容量维护成本；η为上级电网购电单价；P_load为配电网中负荷功率；P_loss为配电网网损；P_DG为配电网中DG出力，P_ESS为储能设备当前运行出力；T为一个周期内的运行小时数；

步骤S22：制定内层储能运行优化策略：

内层模型以储能设备运行周期内利用峰谷价差进行套利收益和降低配电网损耗等效收益之和最大为目标，表达式如下所示：

maxf＝f1+f2

式中：f₁为运行周期内套利收益；f₂为储能投入后使配电网有功网损降低的等效收益；f₁、f₂的计算公式如下：

式中：P_c,t和P_dis,t分别为t时段储能的充放电功率；λ_price,t为t时段的电价；P_loss,t为未配置储能时t时段的配电网有功网损，P_loss,ESS,t为配置储能后t时段的配电网有功网损。