CN112018790A - 基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，预先根据配电网络结构及负荷情况，在高压配电网、中压配电网和低压配电网选定配电区域构建分层分布式储能，其特征在于，包括：分别采集分层分布式储能的变电站负荷、配电站负荷、储能响应目标，构建配电区域需求优化模型以及确定所述配电区域需求优化模型的约束条件，求解所述配电区域需求优化模型获得调节控制指令。本方法解决了通过全面协调的控制策略实现储能在最优经济模式下发挥对配电网全面支撑的作用，提高分布式能源的消纳能力和配电网安全稳定高效运行能力。

Description

基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统及其自动化领域，特别涉及一种基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法。

背景技术

需求响应是指电力用户针对电价信号或激励机制做出响应并改变正常电力消费模式的参与行为，当面对电力供应不足时，通过激励的方式使用户减少电力消费，提高能源利用效率，用户可以自行决定是否参与。需求响应作为能源消纳和调节的重要手段，在平滑负荷曲线、可再生能源接纳方面具有显著的效益。电力储能是实现电力系统灵活调节的重要手段，负荷侧储能可以在电力调峰、分布式新能源消纳、提高系统运行稳定性和提高供电质量等方面开展应用。各种形式的储能电站可以在电网负荷低谷的时候作为负荷从电网获取电能充电，在电网负荷峰值时刻改为发电机方式运行，向电网输送电能，这种方式有助于减少系统输电网络的损耗，对负荷实施削峰填谷，从而获取经济效益。另一方面，和常规的发电机和燃气轮机相比，这种方式在成本方面具有很大的优势。它在电网低谷时刻使用电能，用电成本较低，不像柴油发电机或者燃气轮机那样需要消耗高成本的燃料。当前负荷侧的储能往往满足于单一方面的控制，未实现各类电压等级、各类区域储能间的协调控制，如何构建合理的分布式储能结构层次和协调控制还没有完善的解决方案。

当前的储能控制，包括变电站储能控制，主要是实现变电站层级调峰控制，在部分紧急情况下参与调频控制；用户侧分布式储能，主要采用调峰控制。

分层分布式储能控制包括以下策略：一、通过调峰方式，解决变电站负荷超限问题，提升变电站供电能力，延缓电网改造；二、控制储能电站通过调节储能单元无功输出功率，提升无功电压支撑能力，改善电网电压质量；三、结合分布式电源的出力波动性与负荷进行最优配备，提高分布式电源的就地消纳能力；四、在电网频率变化是对电网提供有功支撑，参与电网频率响应控制。

由于峰谷电价的时段性，导致调峰控制的同步性，影响了电网的安全稳定运行，降低了储能设备发挥对电网运行的支撑作用。如何合理的布置储能的分布形式，针对配电网和主干网的不同运行需求，配置不同的容量，通过合理协调的控制方式，减少潮流的无序流动，提高储能对电网运行的支撑能力，还需要进一步的深入研究。

发明内容

本发明旨在通过全面协调的控制策略实现储能在最优经济模式下发挥对配电网全面支撑的作用，提高分布式能源的消纳能力和配电网安全稳定高效运行能力。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，预先根据配电网络结构及负荷情况，在高压配电网、中压配电网和低压配电网选定配电区域构建分层分布式储能，包括：分别采集分层分布式储能的变电站负荷、配电站负荷和储能响应目标，构建配电区域需求优化模型以及确定所述配电区域需求优化模型的约束条件，求解所述配电区域需求优化模型获得调节控制指令。

进一步地，构建的配电区域需求优化模型表示如下：

约束条件包括等式约束和不等式约束，所述等式约束包括：

所述不等式约束包括：

其中：P_L为配电区域网损，B_rh是配电区域所有的支路的集合，G_ij是节点i和j之间支路的电导，B_ij是节点i和j之间支路的电纳，θ_ij是节点i和j之间的相角差，V_i是节点i的电压，

是节点i的最小电压阈值，

是节点i的最大电压阈值，V_j是节点j的电压；P_i是节点i的有功注入(任何一个负荷在电气图上都是一个节点的有功注入，包括变电站负荷、配电站负荷和用户负荷)，

是节点i的最小有功注入阈值，

是节点i的最大有功注入阈值，P_dem是配电区域需求响应功率即储能响应目标，P_si是节点i的变电站储能，

是节点i的变电站最小储能阈值，

节点i的变电站最大储能阈值，

是节点i的配电站最大储能阈值，

节点i的配电站储能最大储能阈值，P_pi是节点i的配电站储能，_ui是节点i的用户侧储能的有功注入量，

是节点i的用户侧储能的最小有功注入量阈值，

是节点i的用户侧储能的最大有功注入量阈值，n是和节点i相连的支路数量。

进一步地，在参与变电站负荷调峰控制过程中，所述不等式约束还包括:

其中：P_tf为变电站注入总负荷，

为变电站进线最大负荷。

进一步地，在参与配电线路无功支撑调节控制过程中，所述等式约束还包括:

其中：

是节点i的注入无功的最小值，

是节点i输出无功，Q_ki为节点i配电站储能注入的无功。

结合不等式约束条件，式1)、2)、3)、5)构成了配电线路无功电压支撑的优化模型，求解所述配电区域需求优化模型得到分层分布式储能参与配电线路无功电压支撑的优化结果。

进一步地，还包括采集用户侧新能源发电功率，在参与分布式新能源调节控制过程中，所述等式约束还包括:

其中：maxP_pvi为节点i处分布式新能源发电的最大发功率，P_pvi为节点i处分布式新能源发电功率。

进一步地，还包括采集分层分布式储能的全网频率，在参与电网频率调节控制过程中，所述不等式约束还包括：

F_min≤F≤F_max 7)

其中：F为全网频率，F_min为全网最小频率阈值，F_max为全网最大频率阈值。

进一步地，采用非线性规划内点法的方法对其进行求解。

本发明所取得的有益技术效果：

本发明提出的分层分布式储能参与需求响应调节控制的方法，提出了基于在变电站、配电站、用户侧构建的分层分布式储能系统，通过构建分层分布式储能参与调节的数学模型，以配电区域网损最低为目标，实现分层分布式储能的控制目标和控制优化结果，结合不同的控制目的，针对变电站负荷调峰、线路电压无功优化、分布式新能源消纳、参与电网频率调节，分别提出了优化约束条件，采用非线性规划内点法的方法对其进行求解，实现了分层分布式储能各层级自检的协调控制，适用于具有多种储能调节需求、多种储能调节目标的配电区域的储能规划、布置，及参与需求响应的调节控制模式，本方法解决了通过全面协调的控制策略实现储能在最优经济模式下发挥对配电网全面支撑的作用，提高分布式能源的消纳能力和配电网安全稳定高效运行能力。

附图说明

图1为本发明具体实施例分层分布式储能参与需求响应调节控制流程示意图；

图2为本发明具体实施例各层储能理想补偿容量；

图3为本发明具体实施例最优补偿容量补偿前后负荷曲线对比图；

图4为本发明具体实施例储能系统接入变电站低压侧母线接线示意图；

图5为本发明具体实施例储能系统接入到K型站或P型站示意图；

图6为本发明具体实施例储能系统接入到用户内部示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提供的基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法主要包括针对特定需求的配电区域，需要储能参与多种需求响应的调节，包括并不局限于负荷调峰、电压无功优化支撑、分布式新能源消纳、电网频率调节，考虑高中低压配电网整体建模，构建配电网络与分层分布式储能系统的协调交互框架，提出了分层分布式储能参与需求响应调节控制模式；在分布式储能参与需求侧调节方面考虑负荷调峰、电压无功支撑、新能源消纳、电网频率调节，以网损最小为目标、储能充放电功率、充放电量、节点电压等为约束建立含分层分布式储能参与需求响应有功优化调节模型，同样以网损最小为目标、节点电压等为约束建立含分层分布式储能配电区域无功电压优化模型，模型优化分别采用能够处理离散变量的基于互补理论和内点法的算法求解，得到该配电区域各电压等级、各类分布式储能的优化调节结果。针对负荷调峰、电压无功支撑、分布式新能源消纳、电网频率支撑，增加各自约束条件，求解分层分布式储能优化控制方法及具体控制策略。

实施例一、基于分层分布式储能参与需求响应调节控制流程图如图1所示，所述分布式储能分别构建于高压配电网、中压配电网和低压配电网，具体包括下述步骤：

预先根据配电网络结构及负荷情况，在高压配电网、中压配电网和低压配电网选定配电区域构建分层分布式储能，其特征在于，包括：分别采集分层分布式储能的变电站负荷、储能响应目标建配电区域需求优化模型以及确定所述配电区域需求优化模型的约束条件，求解所述配电区域需求优化模型获得调节控制指令。所述约束条件包括变电站负荷、配电站负荷P_i特性约束条件。

本实施例中，在高压配电网、中压配电网和低压配电网构建分布式储能的具体方法如下：

(1)选定配电区域，根据配电网络结构及负荷情况，在高中低压配电网络中构建分层分布式储能，本实施例中各层储能的理想安装容量如图2(具体实施例中各层储能的理想安装容量根据实际应用设定)，结合储能补偿的边际效应最优，最优储能补偿前后负荷曲线对比如图3。以某变电站为例，理想补偿状态要求储能系统具备非常的容量，需要大量的储能投资，该变电站为典型商业、居住混合型负荷曲线。峰值负荷集中在两个时段，分别为9:30～14:30和18:30～21:30，共计约8小时，考虑将夏季高峰负荷日峰谷差较现有水平缩小5％(相对峰值负荷)时，110kV变电站每台主变需安装储能容量1.3～1.7MW，35kV变电站每台主变需安装储能容量0.8～1.1MW。

(2)对于高压配电网，储能系统结合110(35)kV变电站的建设，安装在变电站内，以10kV电压等级接入变电站低压侧，接入方式如图4，利用站内通信及其它自动化资源，实现储能系统的在线监控、优化调度。储能系统直接接入变电站低压母线，适用于储能系统主要参与削峰填谷或储能容量较大，可满足整段目前供电要求。特殊情况下，储能系统也可以接入低压应急母线，实现重要用户的持续供电。

(3)对于中压配电网，储能系统安装在10kV配电站低压侧，如10kV杆变和箱变为户外站，采用户外布置，在K型站和P型站安装储能装置，接入方式如图5，可减少外界对储能系统的影响；基本安装方法等同于变电站安装，如需户外布置，由于户外受天气影响较大，储能系统需耐受高温及潮湿、冬季寒冷干燥天气，这会对储能系统提出更高要求。

(4)对于低压配电网，储能系统安装在用户低压侧(380/220V)母线，接入方式如图6，无需升压，可直接通过PCS接入到用户低压母线。利用无线通讯方式接入，实现在线监控和低压调度。

图2中的理想安装容量是行业公认的，完全实现负荷的绝对平滑，实际受限于经济性及其他外部约束条件，是不可能达到理想状态的。这也是储能容量配置在考虑不同侧重点时有不同的配置思路，本具体实施例主要是从构建分层分布式储能角度，提出一个相对通用的容量配置方法。储能容量的配置，在目前技术上，有多种配置思路，本方法提出了构建分层分布式储能的一种较优的容量配置方法，通过实践，能较好的满足控制要求，实际应用于取决于不同约束条件，还有各种适应性调整。

本实施例提供的基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法在步骤(4)之后还包括以下步骤：

(5)构建含各种约束条件的配电区域能量优化模型，响应需求响应的调控目标，通过控制各分层分布储能的充放电曲线进行调节，使全网网损最小或尽量小，同时满足潮流方程的等式约束，储能充放电功率的上下限约束，母线电压的上下限约束及线路和变压器支路的容量约束等。

需求响应指令下的配电区域能量优化模型如下：

等式约束：

不等式约束；

其中：P_L为配电区域网损，B_rh是配电区域所有的支路的集合，G_ij是节点i和j之间支路的电导，B_ij是节点i和j之间支路的电纳，V_i和V_j是节点i、j电压；P_i是节点i的有功注入，P_dem是配电区域需求响应功率即储能响应目标，P_si、P_pi、P_ui是节点i的变电站储能、配电站储能、用户侧储能的有功注入量。任何一个负荷在电气图上都是一个节点的有功注入P_i，当节点不同有功注入，P_i可表示变电站负荷、配电站负荷和用户负荷。式1)、2)、3)构成了含约束条件的配电区域需求优化模型，采用非线性规划内点法求解。

实施例二、在实施例一的基础上，提供基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，本实施例还包括步骤(6)：

(6)在实现变电站负荷调峰约束条件下，通过调峰方式，解决变电站负荷超限问题，提升变电站供电能力，延缓电网改造，优先控制变电站储能参与需求响应，在参与变电站负荷调峰控制过程中，增加优化变电站负荷调峰目标约束条件为:

其中：P_tf为变电站注入总负荷，

为变电站进线最大负荷。

结合不等式约束条件，式1)、2)、3)、4)构成了变电站调峰的优化模型，根据步骤(5)和步骤(6)得到分层分布式储能参与变电站调峰的优化结果。配电站和用户侧的负荷调峰可以参照变电站负荷调峰控制算法及策略，主要策略为就近优先控制，远距离控制为辅，减少潮流无序流动。

实施例三、在实施例一的基础上，提供基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，本实施例还包括步骤(7)：

(7)在实现电压无功调节约束条件下，控制储能电站通过调节储能单元无功输出功率，提升无功电压支撑能力，改善电网电压质量，优先控制配电站储能参与响应调节，此实施例中约束条件包括中压配电线路无功Q_i的约束条件，即在参与配电线路无功支撑调节控制过程中，增加优化线路无功电压支撑目标约束条件为：

其中：

是节点i的注入无功的最小值，

是节点i输出无功，Q_ki为节点i配电站储能注入的无功。

结合不等式约束条件，式1)、2)、3)、5)构成了配电线路无功电压支撑的优化模型，根据步骤(5)和步骤(7)得到分层分布式储能参与配电线路无功电压支撑的优化结果。储能接入的节点i的无功，此节点输出无功是确定的，通过调节储能的无功注入，使得输入的无功尽可能小，从而降低线路损耗。变电站及用户侧无功优化，需要结合变电站及用户侧无功补偿装置的投切、分接头调档和储能的联合调节。

实施例四、在实施例一的基础上，提供基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，本实施例还包括步骤(8)：

(8)在实现新能源充分消纳的约束条件下，结合分布式电源的出力波动性与负荷进行最优配备，提高分布式电源的就地消纳能力，优先控制用户侧储能参与新能源消纳，还包括采集用户侧新能源发电功率，在参与分布式新能源调节控制过程中，增加优化分布式新能源目标约束条件为：

其中：maxP_pvi为节点i处分布式新能源发电的最大发电功率，P_pvi为节点i处分布式新能源发电功率。

结合不等式约束条件，式1)、2)、3)、6)构成了用户侧分布式新能源发电消纳的优化模型，根据步骤(5)和步骤(8)得到分层分布式储能参与分布式新能源发电消纳的优化结果。

实施例五、在实施例一的基础上，提供基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，本实施例还包括步骤(9)：

(9)在实现参与电网频率调节的约束条件下，在电网频率变化时，对电网提供有功支撑，还包括采集分层分布式储能的全网频率，在参与电网频率响应控制过程中，增加优化参与电网频率调节目标约束条件为：

F_min≤F≤F_max 7)其中：F为全网频率，F_min为全网最小频率阈值，F_max为全网最大频率阈值。

结合不等式约束条件，式1)、2)、3)、7)构成了储能参与电网频率调节的优化模型，根据步骤(5)和步骤(9)得到分层分布式储能参与电网频率调节的优化结果。

(10)根据步骤(5)～步骤(9)，基于分层分布式储能参与需求响应调节控制在选定的配电区域收敛，最终得到全局优化的分层分布式储能调节控制策略。

本发明从全局统一分析的角度出发，在配电区域层面考虑高压配电网、中压配电网和低压配电网的储能系统均参与到需求响应的调节控制，以全局网损网损最小为主要控制目标，构建分层分布式储能控制模型，在进行负荷调峰、电压无功支撑、分布式新能源消纳、参与电网频率调节等多重目标约束情况下，基于配电区域分层分级协调控制和能够处理离散变量的互补内点方法求解，提出一种基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，优化配电区域的有功、无功资源，通过储能系统和配电网的协调交互，解决上述问题，同时实现配网区域全局资源的优化协调，降低网络损耗，提高配电区域的电压、电能质量，提高储能系统的运行能力。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，预先根据配电网络结构及负荷情况，在高压配电网、中压配电网和低压配电网选定配电区域构建分层分布式储能，其特征在于，包括：分别采集分层分布式储能的变电站负荷、配电站负荷、储能响应目标，构建配电区域需求优化模型以及确定所述配电区域需求优化模型的约束条件，求解所述配电区域需求优化模型获得调节控制指令。

2.根据权利要求1所述的基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，其特征在于，构建的配电区域需求优化模型表示如下：

约束条件包括等式约束和不等式约束，所述等式约束包括：

所述不等式约束包括：

其中：P_L为配电区域网损，B_rh是配电区域所有的支路的集合，G_ij是节点i和j之间支路的电导，B_ij是节点i和j之间支路的电纳，θ_ij是节点i和j之间的相角差，V_i是节点i的电压，

是节点i的最小电压阈值，

是节点i的最大电压阈值，V_j是节点j的电压；P_i是节点i的有功注入，

是节点i的最小有功注入阈值，

是节点i的最大有功注入阈值，P_dem是配电区域储能响应目标，P_si是节点i的变电站储能，

是节点i的变电站最小储能阈值，

节点i的变电站最大储能阈值，P_pi是点i的配电站储能，

是节点i的配电站最大储能阈值，

节点i的配电站储能最大储能阈值，P_ui是节点i的用户侧储能的有功注入量，

是节点i的用户侧储能的最小有功注入量阈值，

是节点i的用户侧储能的最大有功注入量阈值，n是和节点i相连的支路数量。

3.根据权利要求2所述的基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，其特征在于，在参与变电站负荷调峰控制过程中，所述不等式约束还包括:

其中：P_tf为变电站注入总负荷，

为变电站进线最大负荷。

4.根据权利要求2所述的基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，其特征在于，在参与配电线路无功支撑调节控制过程中，所述等式约束还包括:

其中：

是节点i的注入无功的最小值，

是节点i输出无功，Q_ki为节点i配电站储能注入的无功；

结合不等式约束条件，式1)、2)、3)、5)构成了配电线路无功电压支撑的优化模型，求解所述配电区域需求优化模型得到分层分布式储能参与配电线路无功电压支撑的优化结果。

5.根据权利要求2所述的基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，其特征在于，还包括采集用户侧新能源发电功率，在参与分布式新能源调节控制过程中，所述等式约束还包括:

其中：maxP_pvi为节点i处分布式新能源发电的最大发电功率，P_pvi为节点i处分布式新能源发电功率。

6.根据权利要求2所述的基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，其特征在于，还包括采集分层分布式储能的全网频率，在参与电网频率调节控制过程中，所述不等式约束还包括：

F_min≤F≤F_max 7)

其中：F为全网频率，F_min为全网最小频率阈值，F_max为全网最大频率阈值。

7.根据权利要求2所述的基于分层分布式储能参与需求响应调节控制方法，其特征在于，采用非线性规划内点法的方法对所述进行求解。

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