CN111049171B - 一种主动配电网储能配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动配电网储能配置方法，包括：步骤S1，以包含接入储能后减少网损带来的收益、储能通过电价差套利带来的收益及规划期内储能的总成本的储能净经济效益最大为目标，建立配电网综合效益目标函数；步骤S2，根据所述配电网综合效益目标函数，分别建立配电网运行约束表达式、储能运行容量约束表达式和储能荷电状态约束表达式；步骤S3，根据建立的配电网运行约束表达式、储能运行容量约束表达式以及储能荷电状态约束表达式，获取最优的储能动态配置。本发明考虑不同运行场景下储能的接入位置与容量可变，使储能的配置、充/放电运行方式在配电网运行场景更替时动态更新，保证在配电网各个运行场景下都能充分发挥储能价值。

Description

一种主动配电网储能配置方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种主动配电网储能配置方法。

背景技术

为了充分利用可再生能源资源，采取主动管理分布式电源、储能系统和客户双向负荷的主动配电网已成为配电网的必然发展趋势。储能通过向主动配电网吸收与注入电能，具有削峰填谷、降低网络损耗等优点，通过合理调节储能的充/放电运行方式，可以有效弥补主动配电网中分布式发电出力与负荷需求间的失配，缓解发电与负荷的实时平衡需求；同时，储能利用峰谷电价差也可实现盈利。

归纳已有的储能配置方法，其规划的结果大多是在规划周期内采用某种固定的储能配置或是储能的配置若干年才变化一次。实际上，电力负荷以及分布式发电出力具有显著的季节周期特性，随着主动配电网中陆续接入众多的新能源分布式发电设备，源、荷的季节周期特性使主动配电网在季节或月时间尺度上呈现出不同的运行场景，固定不变的储能配置方式并不能对所有时段的主动配电网都充分发挥储能的价值。

目前应用于电网的储能技术可分为电热储能、机械储能、化学储能和电池储能四类，其中应用最广的是机械储能，如抽水蓄能，但是机械储能对装设地点的严苛要求限制了其在电力系统中的推广。相对其他储能技术，电池储能具有效率高、响应速度快、维护成本低等优势，成为最具发展空间的储能技术之一。储能电池对安装地点并无特殊要求，因此电池储能方式具有较大的灵活移动潜力。从电力系统的角度来看，可移动电池储能并不是一个全新的概念，例如，V2G技术中的电动汽车就等效于移动的储能系统，只不过电动汽车受到用户出行需求的约束。随着储能及电力电子技术的日益发展，储能的能量密度将不断提升、占用空间将逐渐减小，即插即用也将成为储能装置的必然发展趋势，储能装置的运行灵活性将得到快速提升；而已有的配电网储能配置方法均假定储能装置安装后固定，并未考虑储能装置的可移动特性，储能的运行灵活性被极大限制，相应的规划思路及方法也亟需得到拓展。

随着全球气候变化使极端高、低温天气频次日益增多，以及风、光分布式电源陆续接入电网，主动配电网中源、荷的季节变化特性日益增大。风、光分布式发电出力与气象参数具有强相关性，在时间尺度上具有较显著的季节周期性特征。例如，光伏发电发出的功率大小与环境中的光照辐射强度、光照时长、环境温度相关，这些参数在不同季节间的较明显差异，会造成不同季节的光伏发电出力大小有所不同。类似的，由于风力的季节变化特性，风力发电出力在各个季节间也具有较明显差异。主动配电网中各类型电力用户负荷也具有类似特性，对居民负荷来说，夏季降温设备用电负荷、冬季供暖设备用电负荷具有明显的季节性变化规律；对工业负荷来说，工业生产通常也存在旺季、淡季之分，如工业硅行业受雨季等因素影响，其用电负荷主要集中在夏、秋季节。因此，在时间维度上，可根据季节简要划分得到典型的配电网运行场景，不同的场景下均对应一种较优的储能配置及运行方式，并随着季节或场景的改变而动态更新，使储能装置充分发挥其效用；同时，该过程也需计及储能运输带来的相应成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种主动配电网储能配置方法，使储能配置、充/放电运行方式在配电网运行场景更替时动态更新，以保证在配电网各个运行场景下都能充分发挥储能价值。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种主动配电网储能配置方法，包括：

步骤S1，以包含接入储能后减少网损带来的收益、储能通过电价差套利带来的收益及规划期内储能的总成本的储能净经济效益最大为目标，建立配电网综合效益目标函数；

步骤S2，根据所述配电网综合效益目标函数，分别建立配电网运行约束表达式、储能运行容量约束表达式和储能荷电状态约束表达式；

步骤S3，根据建立的配电网运行约束表达式、储能运行容量约束表达式以及储能荷电状态约束表达式，获取最优的储能动态配置。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

步骤S11，分别计算主动配电网从主网吸收的有功功率，主动配电网接入储能前后的购电功率变化量，以及降低主动配电网网损带来的年收益；

步骤S12，计算储能通过电价差套利带来的收益；

步骤S13，分别计算储能设备年运营维护成本，各个季节主动配电网各节点储能的额定功率和容量配置，主动配电网运行场景或季节更替时储能配置更新所产生的费用，规划期内储能的总成本；

步骤S14，计算储能为配电网运营商带来的净经济效益并将其作为储能动态配置规划的目标函数。

进一步地，所述步骤S13计算主动配电网运行场景或季节更替时储能配置更新所产生的费用时，将属于伪线性形式的计算式转化为线性形式，引入辅助变量进行处理，将替换后的计算式引入到目标函数中，将辅助变量约束加入到约束条件中。

进一步地，所述步骤S2建立配电网运行约束表达式具体包括：建立配电网节点功率平衡约束表达式、建立配电网线路载流约束表达式、建立配电网节点电压约束表达式。

进一步地，建立配电网节点功率平衡约束表达式如下：

其中，P_ij,s,h和Q_ij,s,h分别表示线路ij(节点i到节点j)在第s季、第h小时的首端有功功率和无功功率；C表示与节点j相连线路的集合；f_ij,s,h为线路ij在第s季、第h小时流过电流的平方；x_ij和r_ij分别表示线路ij的电抗和电阻；和/>分别为节点j在第s季、第h小时的有功和无功负荷；/>和/>分别表示节点j在第s季、第h小时的分布式发电有功和无功出力；/>和/>分别表示节点j在第s季、第h小时储能的运行功率。

进一步地，建立配电网线路载流约束表达式如下：

其中，为线路电流平方的上限；v_i,s,h为节点i在第s季、第h小时的电压的平方。

进一步地，建立配电网节点电压约束表达式如下：

其中，v^min和v^max分别代表节点电压平方的下限和上限。

进一步地，所述步骤S2建立储能运行容量约束表达式如下：

其中，和/>分别表示某次配置中节点i接入储能的额定功率和额定容量；/>和/>分别是接入主动配电网的储能装置总的额定功率和容量；u_i为0/1变量，为0/1时分别表示节点i上不接入/接入储能；P^ESS,max、P^Ess,min分别是能够接入主动配电网的最小、最大总储能功率；S^ESs,min、S^ESS,max分别是能够接入主动配电网的最小、最大的总储能容量。

进一步地，所述步骤S2建立储能荷电状态约束表达式如下：

其中，为节点i的储能设备在第s季节、第h小时的荷电状态，β_ch为储能设备充电效率；β_dis为储能设备放电效率；H_p为储能放电时段，H_o为储能充电时段，H_n为其余的时段。

进一步地，所述主动配电网储能配置方法还包括：基于如下公式：

计算储能装置的充放电深度，其中，γ_DC为储能的允许充放电深度。

本发明实施例的有益效果在于：本发明从主动配电网中源、荷的典型季节周期性特征出发，创新地提出了储能动态配置的规划模式，为配电网储能规划问题提出了一种新的思路。以负荷与分布式发电出力的季节周期性划分配电网典型运行场景，充分发挥储能装置的灵活性特点，考虑不同运行场景下储能的接入位置与容量可变，使储能的配置、充/放电运行方式在配电网运行场景更替时动态更新，保证在配电网各个运行场景下都能充分发挥储能价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种主动配电网储能配置方法的流程示意图。

图2是本发明实施例一种主动配电网储能配置方法的流程原理示意图。

图3是本发明实施例中动态储能配置示意图。

图4a是加入储能前主动配电网与主网功率交换示意图，图4b是加入储能后主动配电网与主网功率交换示意图

图5是IEEE 33节点配电网拓扑结构示意图。

图6a至图6d分别是四季度储能接入节点示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

请参照图1所示，本发明实施例提供一种主动配电网储能配置方法，包括：

步骤S1，以包含接入储能后减少网损带来的收益、储能通过电价差套利带来的收益及规划期内储能的总成本的储能净经济效益最大为目标，建立配电网综合效益目标函数；

步骤S2，根据所述配电网综合效益目标函数，分别建立配电网运行约束表达式、储能运行容量约束表达式和储能荷电状态约束表达式；

步骤S3，根据建立的配电网运行约束表达式、储能运行容量约束表达式以及储能荷电状态约束表达式，获取最优的储能动态配置。

具体地，请结合图2所示，步骤S1中，储能净经济效益计算方法如下：

其中， 表示储能接入后，降低主动配电网网损带来的年收益；s∈{1,2,3,4}，分别表示春、夏、秋、冬四季；h∈{1,2,3,…,22,23,24}表示一天中对应的小时；L为主动配电网内线路条数；f_l,s,h、/>分别为接入储能前、后，主动配电网内线路l电流的平方；r_l为主动配电网内线路l的电阻；Ds表示四个季节对应的天数；η_s,h表示第s季节、第h小时的电价；/> 表示储能全年的套利收益；n表示主动配电网内节点数；/>为节点i安装的储能在第s季节、第h小时的运行功率，/>表示储能充电，/>表示储能放电；FC为储能设备安装费；γ为回收系数；CS^ESS是储能单位额定容量造价；/>为四个季节中接入主动配电网储能最大总容量；OM^ESS储能设备年运营维护成本；m表示储能配置更新的次数，且m＝4×Y；第j次更新储能配置相应的运输费用为TC_j；/>表示规划期内的总收益；Y表示规划期年数，y代表第y年；i_r表示通货膨胀率；d_r表示贴现率；/>为规划期内储能的总成本。

从配电网运营商的角度，储能装置的接入，提升了主动配电网与主网电能交换的可控性，通过合理规划储能的配置、运行方式，可有效减少配电网运营商向主网购电的费用。

优选地，步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S11，分别计算主动配电网从主网吸收的有功功率，主动配电网接入储能前后的购电功率变化量，以及降低主动配电网网损带来的年收益；

具体地，(1)步骤S11基于以下公式：

p₁＝p^D-p^DG+p^loss,1

p₂＝p^D+p^ESS-p^DG+p^loss,2

计算主动配电网从主网吸收的有功功率，其中，p₁代表接入储能前，主动配电网向主网的购电功率；p₂代表接入储能后，主动配电网向主网的购电功率；p_DG表示配电网分布式发电出力；p^loss,1和p^loss,2分别代表加入储能前、后的主动配电网网络损耗；p^D代表主动配电网网内负荷；p^ESS代表储能的功率，p^ESS>0表示充电，p^ESS<0表示放电。

(2)基于以下公式：

Δp＝p₁-p₂＝p^loss,1-p^loss,2-p^ESS

计算主动配电网接入储能前后的购电功率变化量Δp。

储能可通过降低配电网运营商向主网的购电费用，为配电网运营商带来相关收益。由上式不难得知，该部分收益包括两部分：一是降低主动配电网网损带来的收益；二是储能通过电价差套利带来的收益。

(3)基于以下公式：

计算降低主动配电网网损带来的年收益。

步骤S12，计算储能通过电价差套利带来的收益；

具体地，步骤S12基于以下公式：

计算储能通过电价差套利带来的收益。

步骤S13，分别计算储能设备年运营维护成本，各个季节主动配电网各节点储能的额定功率和容量配置，主动配电网运行场景或季节更替时储能配置更新所产生的费用，规划期内储能的总成本；

具体地，(1)步骤S13基于以下公式：

计算储能设备年运营维护成本，其中，为四个季节中接入主动配电网的储能最大总额定功率；c_op为单位储能额定功率的年运行维护成本。

(2)基于以下公式：

计算各个季节主动配电网各节点储能的额定功率和容量配置，其中P^ESS,s和S^ESS,s均为n×1维的向量，分别表示第s季节主动配电网中各节点储能的额定功率和容量配置；分别表示第s季节的节点i接入的储能额定功率和容量；当/>与/>均为0时，代表节点i上没有安装储能。

上式中TC_j代表ADN运行场景或季节更替时，储能配置更新所产生的费用。如图3所示，每次换季时，从配送中心运出储能设备到需要增加储能的节点，将某些节点需要减少的储能运回配送中心，该过程产生的运输费用与路程公里数以及储能重量体积有关。

(3)基于以下公式：

TC_j＝d·|S^ESS,after(j)-S^{ESS,before(j)}|·DS

计算主动配电网运行场景或季节更替时储能配置更新所产生的费用，其中，TC_j代表主动配电网运行场景或季节更替时储能配置更新所产生的费用，假设每个节点到配送中心的最短路径已知，d表示节点1～节点n到配送中心的最短径构成的向量(1×n维)；S^{ESS ,before(j)}、S^ESS,after(j)分别表示第j次更新前、后对应季节的储能容量配置；DS表示单位距离运输单位容量的储能的费用。每次换季时，从配送中心运出储能设备到需要增加储能的节点，将某些节点需要减少的储能运回配送中心，该过程产生的运输费用与路程公里数以及储能重量体积有关。

(4)基于以下公式

计算规划期内储能的总成本。

步骤S14，计算储能为配电网运营商带来的净经济效益并将其作为储能动态配置规划的目标函数；

具体地，步骤S14基于以下公式：

计算储能为配电网运营商带来的净经济效益并将其作为储能动态配置规划的目标函数。

优选地，计算TC_j包括如下步骤：

基于以下公式：

TC_j＝d·y_j·DS

将原本属于伪线性形式的TC_j计算式转化为线性形式，引入辅助变量y_j，进行处理，将替换后的TC_j计算式引入到目标函数中，将y_j约束加入到约束条件中。

优选地，步骤S2建立配电网运行约束表达式具体包括：建立配电网节点功率平衡约束表达式、建立配电网线路载流约束表达式、建立配电网节点电压约束表达式。

具体地，建立配电网节点功率平衡约束表达式如下：

其中，P_ij,s,h和Q_ij,s,h分别表示线路ij(节点i到节点j)在第s季、第h小时的首端有功功率和无功功率；C表示与节点j相连线路的集合；f_ij,s,h为线路ij在第s季、第h小时流过电流的平方；x_ij和r_ij分别表示线路ij的电抗和电阻；和/>分别为节点j在第s季、第h小时的有功和无功负荷；/>和/>分别表示节点j在第s季、第h小时的分布式发电有功和无功出力；/>和/>分别表示节点j在第s季、第h小时储能的运行功率。

建立配电网线路载流约束表达式如下：

其中，为线路电流平方的上限；v_i,s,h为节点i在第s季、第h小时的电压的平方。

优选地，基于以下公式：

将线路载流约束改写为二阶锥约束。

建立配电网节点电压约束表达式如下：

其中，v^min和v^max分别代表节点电压平方的下限和上限。

由于配电网节点电压约束表达式二次项远远小于其他两项，因此可以忽略。优选地，基于以下公式：

将配电网节点电压约束转化为线性约束。

步骤S2建立储能运行容量约束表达式如下：

其中，和/>分别表示某次配置中节点i接入储能的额定功率和额定容量；/>和/>分别是接入主动配电网的储能装置总的额定功率和容量；u_i为0/1变量，为0/1时分别表示节点i上不接入/接入储能；P^ESS,max、P^ESS,min分别是能够接入主动配电网的最小、最大总储能功率；S^ESS,min、S^ESS,max分别是能够接入主动配电网的最小、最大的总储能容量。

建立储能荷电状态约束表达式如下：

计算储能荷电状态约束，其中，为节点i的储能设备在第s季节、第h小时的荷电状态，β_ch为储能设备充电效率；β_dis为储能设备放电效率；根据峰谷电价提前确定储能的充电或放电时刻，H_p为储能放电时段；H_o为储能充电时段；H_n为其余的时段。

基于如下公式：

计算储能装置的充放电深度，其中，γ_DC为储能的允许充放电深度。

步骤S3的储能动态配置过程示意如图3所示，增加储能前后，主动配电网与主网功率交换如图4a和图4b所示。

为验证本发明实施例的有效性，以下采用IEEE 33节点配电网拓扑结构进行算例分析，如图5所示。

IEEE 33节点系统包含32条支路，系统基准容量为10MVA，基准电压为12.66kV，在节点1接入额定功率为200kW的PV装置。配电网的参数如表1所示，表2所示为深圳市峰谷电价。算例采用某实际配电网四季典型日的居民负荷曲线，同时假定夏、秋季为工业生产旺季。设定节点24、14、12、13接入的负荷为工业负荷，节点10、19、15接入的负荷为商业负荷，其余节点接入的负荷均为居民负荷，将表1负荷乘以给出的对应负荷系数可以得到主动配电网一年四季24小时负荷。设定通货膨胀率为2％，贴现率为10％，且固定不变。储能参数C^SESS为1005元/kWh，c_op为47元/kW，γ_DC为0.75。假设储能能量密度为500Wh/kg，运输费用为0.1元/吨千米，并限制接入主动配电网的储能总容量上限为3MW。

表1IEEE33节点配电网支路参数

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表2用户峰谷电价表

通过求解本发明实施例建立的储能动态配置规划模型，得到四季度储能规划结果如表3及图6a-图6d所示。在20年规划期内，储能带来的净收益为292.47万元，投资回报率约为91.35％。

表3规划结果

由上述规划结果可知，四个季节配置储能的位置几乎都处于主动配电网较长支路的末端节点(如节点15、17、30、31)，这是由于这些位置与变电站节点相隔电气距离较长，电能送达这些节点需要经过众多分支，在这些节点安装储能，可以有效调节由变电站节点到末端之间线路的潮流，从而达到降低网损的效果。

此外，由表3及图6a-图6d看出，不同季节间，储能的安装地点与容量配置均存在一定差异。在春季，储能接入节点15、30、31；在夏季，由于节点12-14的工业负荷相对春季有较大幅度的增加，因此规划结果在节点17增加了储能，即储能接入节点15、17、30、31，且节点12-14所在支路的储能容量有所增大；在秋季，工业负荷相对于夏季进一步增多，因此规划结果表现出，节点17的储能接入容量进一步增大；在冬季，工业负荷处于较低水平，因此节点17的储能被运回。由上述分析可知，负荷的季节性差异造成了配电网内储能动态配置方式的需求。通过本算例可以验证本发明实施例的主动配电网储能配置方法是有意义的。

与相关技术相比较，本发明实施例具有如下有益效果：本发明从主动配电网中源、荷的典型季节周期性特征出发，创新地提出了储能动态配置的规划模式，为配电网储能规划问题提出了一种新的思路。以负荷与分布式发电出力的季节周期性划分配电网典型运行场景，充分发挥储能装置的灵活性特点，考虑不同运行场景下储能的接入位置与容量可变，使储能的配置、充/放电运行方式在配电网运行场景更替时动态更新，保证在配电网各个运行场景下都能充分发挥储能价值。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种主动配电网储能配置方法，其特征在于，包括：

步骤S1，以包含接入储能后减少网损带来的收益、储能通过电价差套利带来的收益及规划期内储能的总成本的储能净经济效益最大为目标，建立配电网综合效益目标函数；

步骤S2，根据所述配电网综合效益目标函数，分别建立配电网运行约束表达式、储能运行容量约束表达式和储能荷电状态约束表达式；

步骤S3，根据建立的配电网运行约束表达式、储能运行容量约束表达式以及储能荷电状态约束表达式，获取最优的储能动态配置；

所述步骤S1具体包括：

步骤S11，分别计算主动配电网从主网吸收的有功功率，主动配电网接入储能前后的购电功率变化量，以及降低主动配电网网损带来的年收益；

步骤S12，计算储能通过电价差套利带来的收益；

步骤S13，分别计算储能设备年运营维护成本，各个季节主动配电网各节点储能的额定功率和容量配置，主动配电网运行场景或季节更替时储能配置更新所产生的费用，规划期内储能的总成本；

步骤S14，计算储能为配电网运营商带来的净经济效益并将其作为储能动态配置规划的目标函数。

2.根据权利要求1所述的主动配电网储能配置方法，其特征在于，所述步骤S13计算主动配电网运行场景或季节更替时储能配置更新所产生的费用时，将属于伪线性形式的计算式转化为线性形式，引入辅助变量进行处理，将替换后的计算式引入到目标函数中，将辅助变量约束加入到约束条件中。

3.根据权利要求1所述的主动配电网储能配置方法，其特征在于，所述步骤S2建立配电网运行约束表达式具体包括：建立配电网节点功率平衡约束表达式、建立配电网线路载流约束表达式和建立配电网节点电压约束表达式。

4.根据权利要求3所述的主动配电网储能配置方法，其特征在于，建立配电网节点功率平衡约束表达式如下：

其中，P_ij,s,h和Q_ij,s,h分别表示线路ij在第s季、第h小时的首端有功功率和无功功率；C表示与节点j相连线路的集合；f_ij,s,h为线路ij在第s季、第h小时流过电流的平方；x_ij和r_ij分别表示线路ij的电抗和电阻；和/>分别为节点j在第s季、第h小时的有功和无功负荷；/>和/>分别表示节点j在第s季、第h小时的分布式发电有功和无功出力；/>和/>分别表示节点j在第s季、第h小时储能的运行功率。

5.根据权利要求3所述的主动配电网储能配置方法，其特征在于，建立配电网线路载流约束表达式如下：

其中，为线路电流平方的上限；v_i,s,h为节点i在第s季、第h小时的电压的平方。

6.根据权利要求3所述的主动配电网储能配置方法，其特征在于，建立配电网节点电压约束表达式如下：

其中，v^min和v^max分别代表节点电压平方的下限和上限。

7.根据权利要求1所述的主动配电网储能配置方法，其特征在于，所述步骤S2建立储能运行容量约束表达式如下：

其中，和/>分别表示某次配置中节点i接入储能的额定功率和额定容量；/>和/>分别是接入主动配电网的储能装置总的额定功率和容量；u_i为0/1变量，为0/1时分别表示节点i上不接入/接入储能；P^ESS,max、P^ESS,min分别是能够接入主动配电网的最小、最大总储能功率；S^ESS,min、S^ESS,max分别是能够接入主动配电网的最小、最大的总储能容量。

8.根据权利要求7所述的主动配电网储能配置方法，其特征在于，所述步骤S2建立储能荷电状态约束表达式如下：

其中，为节点i的储能设备在第s季、第h小时的荷电状态，/>和/>分别表示节点j在第s季、第h小时储能的运行功率；β_ch为储能设备充电效率；β_dis为储能设备放电效率；H_p为储能放电时段，H_o为储能充电时段，H_n为其余的时段。

9.根据权利要求8所述的主动配电网储能配置方法，其特征在于，还包括：基于如下公式：

计算储能装置的充放电深度，其中，γ_DC为储能的允许充放电深度。