CN110061492A

CN110061492A - 考虑配电网供电可靠性的储能系统容量优化配置方法

Info

Publication number: CN110061492A
Application number: CN201910217197.7A
Authority: CN
Inventors: 毛颖兔; 徐谦; 张利军; 孙轶恺; 徐晨博; 邱迪; 黄锦华; 何英静; 王蕾; 兰洲; 戴攀; 李帆; 孙飞飞; 王坤; 张西竹
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; State Grid Corp of China SGCC; Economic and Technological Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; State Grid Corp of China SGCC; Economic and Technological Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-07-26
Anticipated expiration: 2039-03-21
Also published as: CN110061492B

Abstract

本发明公开了一种考虑配电网供电可靠性的储能系统容量优化配置方法。本发明采用的技术方案为：在配电网重要负荷配置储能设备形成储能系统；根据配电网日负荷曲线决定储能系统充放电控制策略，并计算储能系统任意时刻的剩余电量；根据储能系统剩余电量计算其在配电网失电形成孤岛情况下的紧急支撑能力；以储能系统建设成本最小以及故障情况下储能系统紧急支撑能力最大为目标函数，配电网潮流约束与继电保护约束为约束条件，对储能系统功率容量进行优化配置。本发明在设计规划阶段对储能系统的设备选型、系统结构与运行方式进行统筹考虑，可有效降低储能装置的配置容量。

Description

考虑配电网供电可靠性的储能系统容量优化配置方法

技术领域

本发明属于智能配电网领域，涉及应用于削峰填谷以及紧急支撑的储能系统容量配置方案，具体地说是一种考虑配电网供电可靠性的储能系统容量优化配置方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，我国的输配电网逐渐向灵活、高可控性的柔性输电网以及主动配电网方向发展。储能系统作为电能存储系统，其自身具有发用电解耦的特点，从本质上改变了当前电力系统的运行原理。随着电化学储能系统的成本不断下降，储能系统将单独或结合可再生能源接入配电网发挥其自身特点，实现盈利或提高供电质量。

目前，应用于配电网的储能系统根据其投资方的不同具有多种典型应用场景。如由第三方投资的储能系统主要通过电网峰谷价差实现盈利；而由电力公司投资的储能系统主要起到提高用户用电质量的作用，如结合可再生能源消纳、电网调峰以及特殊用户电能质量等。

储能系统接入配电网将使传统配电网转变为有源配电网。储能系统同时具有电源与负荷的特性，将影响配电网潮流分布以及继电保护。合理安排储能系统的接入点与接入容量能够避免配电网节点电压、线路电流越限。在继电保护方面，储能系统的选址定容同样需要保证故障时继电保护正确动作。因此考虑配电网运行稳定性的储能系统设计规划问题，具有重要的实际意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种考虑配电网供电可靠性的储能系统容量优化配置方法，其在设计规划阶段对储能系统的设备选型、系统结构与运行方式进行统筹考虑，可有效降低储能装置的配置容量。

为此，本发明采用如下的技术方案：考虑配电网供电可靠性的储能系统容量优化配置方法，其包括步骤：

在配电网重要负荷配置储能设备形成储能系统，用于实现配电网调峰以及电网故障失电情况下的紧急功率支撑；

根据配电网日负荷曲线决定储能系统充放电控制策略，并计算储能系统任意时刻的剩余电量；

根据储能系统剩余电量计算其在配电网失电形成孤岛情况下的紧急支撑能力；

以储能系统建设成本最小以及故障情况下储能系统紧急支撑能力最大为目标函数，配电网潮流约束与继电保护约束为约束条件，对储能系统功率容量进行优化配置。

随着分布式能源发电、负荷预测技术以及电力系统监控技术的发展，电网控制的智能化水平显著提升。电化学储能技术虽然不断成熟，但其设备仍然较为昂贵。在设计规划阶段对储能系统的设备选型、系统结构与运行方式进行统筹考虑，可有效降低储能装置的配置容量。

作为上述技术方案的补充，所述的储能系统在正常运行状态下根据接入配电网日负荷曲线决定其充放电曲线，并保证剩余电量至少满足重要负荷1小时的功率支撑。

作为上述技术方案的补充，所述储能系统在配电网失电时刻下的紧急支撑能力，其计算步骤如下：

S1：根据储能系统充放电曲线以及储能系统总容量计算配电网失电时刻下储能系统的剩余电量；

S2：根据储能系统的剩余电量计算其能够保持一小时的最大输出功率；

但是在实际情况下，重要负荷节点附近不会有充足场地安设储能设备，需要根据具体情况选择储能系统站址，储能系统距离重要负荷越远，在最低SOC状态下需要的功率与容量约束就越高，需要根据配电网络拓扑结构重新计算；

S3：考虑继电保护约束、储能系统剩余电量约束以及接入配电网潮流约束计算储能系统在系统失电时刻下的紧急支撑能力。

针对由电网公司投资的应用于配电网的储能系统，其主要应用场景选取为削峰填谷与重要负荷紧急功率支撑。在配电网正常运行状态下，储能系统运行在削峰填谷模式，即在负荷低谷时段进行充电，在负荷高峰期进行放电，实现缓解配电网送电压力的作用，推迟系统由于配电能力不足导致的升级需求。当装设有储能系统的配电线路出现故障导致部分线路失电时，储能系统将形成孤岛运行，对部分负荷进行紧急功率支撑；支撑时长与支撑范围将由储能系统在故障时刻的支撑能力决定。

储能系统在削峰填谷模式下将采用恒功率控制，每日的充放电次数将根据接入配电网的负荷曲线决定，当储能设备的容量与充放电曲线确定下来后，即可计算在各时间点的SOC。结合接入配电网的潮流约束与继电保护约束，能够计算储能系统在每个时刻下的最大放电功率，也就是在故障时刻对失电负荷的支撑能力。为能够最大化发挥储能系统提高配电网运行可靠性的作用，在储能系统设计规划时应尽量保证其平均紧急支撑范围最大化。

作为上述技术方案的补充，所述的配电网潮流约束中，储能系统的功率配置应保证配电网节点电压以及线路电流不越上下限。

作为上述技术方案的补充，所述的继电保护约束中，储能系统的功率配置应保证配电网在短路故障时继电保护的灵敏性与可靠性。

作为上述技术方案的补充，所述储能设备的选型根据实际接入节点的场地大小、功率与容量需求以及充放电次数决定。

作为上述技术方案的补充，储能系统在紧急支撑状态下能够输出的最大功率由储能系统剩余电量、最大放电功率约束以及网络潮流约束决定：

式中，k^dmax为储能系统最大额定放电倍数，P^dr为储能系统额定放电功率，P^dmax为储能系统综合考虑储能变流器(PCS，是储能系统的一部分，能够约束储能系统的最大输出功率)的额定功率约束、电池容量约束和配电网潮流约束的最大供电能力；k^drmax为储能系统考虑储能变流器(PCS)控制的最大放电功率倍数，g∈G为满足电网拓扑约束的全部解空间集合，k^d(g,T)为考虑在T时刻下储能系统接入配电网潮流约束的放电倍数，η为储能系统放电功率转换效率，E(t)为储能系统在t时刻的剩余电量。

作为上述技术方案的补充，储能系统在t时刻的剩余电量E(t)的计算公式如下：

式中，P_in与P_out分别为储能系统输入与输出功率；E_min与E_max分别为储能系统剩余电量最小值与最大值。

作为上述技术方案的补充，利用蒙特卡罗方法，取时间间隔Δt＝0.5，计算故障发生时刻储能系统剩余电量的期望为

作为上述技术方案的补充，所述储能系统功率容量配置优化模型为：

其中，k_c与k_e为常量，为各储能系统在故障时刻下的剩余电量期望；C_e、C_p、C_install分别代表储能单位容量成本、储能单位功率成本及储能安装建设基本成本；E_ess、P_ess、N_e分别为储能系统接入容量、PCS额定功率以及储能系统建设数量；P_ess、P_grid、P_load、P_loss分别为储能功率、上级电网传输功率、配电网负荷功率和系统功率损耗；S_ij,max、S_ij,min、S_ij分别为配电网支路视在功率上下限和线路视在功率；V_i,max、V_i,min、V_i分别为节点电压上下限和i节点电压；P_max为考虑继电保护的储能的最大充放电功率，其中储能放电功率为负，充电功率为正；E_corei,f为在故障时刻形成孤岛后，重要负荷在1小时内需要的能量；E_essi,min为储能系统剩余的最小电量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

1、在配电网中装设储能系统能够有效减小配电网运行峰谷差，减小重载线路导致的功率损耗，推迟由于城市电网配电能力不足带来的配电网升级。储能系统接入的线路由于故障失电时，储能系统能够对部分负荷进行紧急功率支撑，提高配电网运行可靠性。

2、本发明中储能系统可以选择多点形式接入配电网，减小了储能设备充放电导致的增加能量流动距离带来的电能损耗；

3、本发明中储能系统功率配置考虑到了储能设备对配电网的继电保护影响。储能设备在配电网中同时作为电源与负荷，将影响故障时短路电流的大小与方向。本发明中将配电网继电保护整定值作为储能设备功率约束，保证了在系统故障时继电保护的正常动作。

附图说明

图1是某城市配电网日负荷曲线图；

图2为本发明储能系统容量优化配置方法的流程图；

图3是本发明储能系统紧急支撑能力计算流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明提供一种考虑配电网供电可靠性的储能系统容量优化配置方法，如图2所示，其包括步骤：

所述的储能系统在正常运行状态下根据接入配电网日负荷曲线决定其充放电曲线，并保证剩余电量至少满足重要负荷1小时的功率支撑。

所述储能系统在电网失电时刻下的紧急支撑能力，其计算步骤如下：

S1:根据储能系统充放电曲线以及储能系统总容量计算电网失电时刻下储能系统的剩余电量；

S2:根据储能系统的剩余电量计算其能够保持一小时的最大输出功率；

S3:考虑继电保护约束、储能系统剩余电量约束以及接入配电网潮流约束计算储能系统在系统失电时刻下的紧急支撑能力。

所述的配电网潮流约束中，储能系统的功率配置应保证配电网节点电压以及线路电流不越上下限。

所述的继电保护约束中，储能系统的功率配置应保证配电网在短路故障时继电保护的灵敏性与可靠性。

所述储能设备的选型根据实际接入节点的场地大小、功率与容量需求以及充放电次数决定。

储能系统在正常工作状态下应用于配电网削峰填谷，其充放电策略有配电网日负荷曲线决定。如附图1所示某城市配电网日负荷曲线，设定储能系统采用一充一放控制策略，每日6时达到最大荷电状态SOC_max，每日21日达到最小荷电状态SOC_min。通过这种控制方式，既能够实现有效的削峰填谷，平滑城市负荷，又能够减少储能系统充放电次数，延长储能系统使用寿命。

在电网正常运行状态下，考虑到储能系统寿命，应使储能系统充/放电功率在其额定功率以内，并保证在单个时间步长内恒充/放电功率运行。然而在电网发生故障或处于危急状态时，电网的安全性则是需要首先考虑的内容。这种情况下，储能系统能够以较大倍率进行放电，对电网提供功率支撑，而对持续放电时间的要求也比正常运行状态下要小。如式(1)所示，储能系统在紧急支撑状态下能够输出的最大功率由储能系统剩余容量、最大放电功率约束以及网络潮流约束决定。

式中，k^dmax为最大额定放电倍数，P^dr为额定放电功率，P^dmax为储能设备综合考虑PCS额定功率约束、电池容量约束和配电网潮流约束的最大供电能力。k^drmax为储能设备考虑PCS控制的最大放电功率倍数，g∈G为满足电网拓扑约束的全部解空间集合，k^d(g,T)为考虑储能系统接入配电网潮流约束的放电倍数。η为储能系统放电功率转换效率，E(t)为储能系统在t时刻的剩余电量，其计算公式如式(2)所示：

储能系统紧急支撑能力计算流程如附图3所示。

由于配电网出现故障的时间是不确定的，因此无法准确得到故障时刻储能系统的剩余电量。利用蒙特卡罗方法，取时间间隔Δt＝0.5，计算故障发生时刻储能系统剩余电量的期望为

结合储能系统紧急支撑能力、储能系统建设成本以及储能系统接入的网络潮流约束与继电保护约束。可以给出储能系统容量配置优化模型：

其中，C_ess(x)为储能设备投资成本；C_e、C_p、C_install分别代表储能单位容量成本、储能单位功率成本及储能安装建设基本成本；E_ess、P_ess、N_e分别为储能系统接入容量、PCS额定功率以及储能系统建设数量；P_ess、P_grid、P_load、P_loss分别为储能功率、上级电网传输功率、配电网负荷功率和系统功率损耗；S_ij,max、S_ij,min、S_ij分别为配电网支路视在功率上下限和线路视在功率；V_i,max、V_i,min、V_i分别为节点电压上下限和i节点电压；P_max为考虑继电保护的储能的最大充放电功率，其中储能放电功率为负，充电功率为正；E_core,f为在故障时刻形成孤岛后，重要负荷在1小时内需要的能量。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.考虑配电网供电可靠性的储能系统容量优化配置方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的储能系统容量优化配置方法，其特征在于，所述的储能系统在正常运行状态下根据接入配电网日负荷曲线决定其充放电曲线，并保证剩余电量至少满足重要负荷1小时的功率支撑。

3.根据权利要求2所述的储能系统容量优化配置方法，其特征在于，所述储能系统在配电网失电时刻下的紧急支撑能力，其计算步骤如下：

S3：考虑继电保护约束、储能系统剩余电量约束以及接入配电网潮流约束计算储能系统在配电网失电时刻下的紧急支撑能力。

4.根据权利要求1、2或3所述的储能系统容量优化配置方法，其特征在于，所述的配电网潮流约束中，储能系统的功率配置应保证配电网节点电压以及线路电流不越上下限。

5.根据权利要求1、2或3所述的储能系统容量优化配置方法，其特征在于，所述的继电保护约束中，储能系统的功率配置应保证配电网在短路故障时继电保护的灵敏性与可靠性。

6.根据权利要求1、2或3所述的储能系统容量优化配置方法，其特征在于，所述储能设备的选型根据实际接入节点的场地大小、功率与容量需求以及充放电次数决定。

7.根据权利要求1、2或3所述的储能系统容量优化配置方法，其特征在于，储能系统在紧急支撑状态下能够输出的最大功率由储能系统剩余电量、最大放电功率约束以及网络潮流约束决定：

P^dmax＝k^dmax·P^dr

式中，k^dmax为储能系统最大额定放电倍数，P^dr为储能系统额定放电功率，P^dmax为储能系统综合考虑储能变流器的额定功率约束、电池容量约束和配电网潮流约束的最大供电能力；k^drmax为储能系统考虑储能变流器控制的最大放电功率倍数，g∈G为满足电网拓扑约束的全部解空间集合，k^d(g,T)为考虑在T时刻下储能系统接入配电网潮流约束的放电倍数，η为储能系统放电功率转换效率，E(t)为储能系统在t时刻的剩余电量。

8.根据权利要求7所述的储能系统容量优化配置方法，其特征在于，储能系统在t时刻的剩余电量E(t)的计算公式如下：

式中，P_in与P_out分别为储能系统输入与输出功率；E_min与E_max分别为储能系统剩余电量的最小值与最大值。

9.根据权利要求8所述的储能系统容量优化配置方法，其特征在于，利用蒙特卡罗方法，取时间间隔Δt＝0.5，计算故障发生时刻储能系统剩余电量的期望为

10.根据权利要求9所述的储能系统容量优化配置方法，其特征在于，所述储能系统功率容量配置优化模型为：

其中，k_c与k_e为常量，为各储能系统在故障时刻下的剩余电量期望；C_e、C_p、C_install分别代表储能单位容量成本、储能单位功率成本及储能安装建设基本成本；E_ess、P_ess、N_e分别为储能系统接入容量、储能变流器额定功率以及储能系统建设数量；P_ess、P_grid、P_load、P_loss分别为储能功率、上级电网传输功率、配电网负荷功率和系统功率损耗；S_ij,max、S_ij,min、S_ij分别为配电网支路视在功率上下限和线路视在功率；V_i,max、V_i,min、V_i分别为节点电压上下限和i节点电压；P_max为考虑继电保护的储能的最大充放电功率，其中储能放电功率为负，充电功率为正；E_corei,f为在故障时刻形成孤岛后，重要负荷在1小时内需要的能量；E_essi,min为储能系统剩余的最小电量。