CN117910836B - 一种提升大电网灵活性的储能电站规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升大电网灵活性的储能电站规划方法，涉及电力系统储能配置技术领域，包括：以供电区域为依据对大电网进行逐级分区，并确定配置储能电站的节点；然后以建设成本为目标，以储能额定功率、储能容量、储能充放电特性以及电网灵活性为约束条件，建立全网和各级分区的储能优化配置模型；最后依次求解全网储能优化配置模型和各级分区的储能优化配置模型，得到各个储能电站的配置容量和额定功率，以实现储能电站在大电网中的选址、配置容量和额定功率。本发明能够指导大电网储能规划的位置、容量和额定功率，能全面提高全网的灵活性水平。
Description
技术领域
本发明涉及新能源领域中的储能配置技术领域，尤其涉及一种提升大电网灵活性的储能电站规划方法。
背景技术
源端以风电为代表的可再生能源具有随机性、波动性、间歇性等出力特性，荷端负荷变化频繁、峰谷差大，也具有随机波动特性，新型电力系统面临可再生能源和负荷双重波动性叠加，这将其灵活性需求剧增。
对于电力系统灵活性定义，当前研究的理解基本一致，即灵活性表征系统具备足够的调节能力和容量，快速响应功率波动并维持功率平衡，保证系统安全稳定运行的一种能力。储能系统作为一种高效的灵活性资源，具有快速响应和双向转化的优点，可以为电力系统提供灵活性支撑，目前提升系统灵活性的储能规划已成为配电网、微电网等领域的研究热点。而在主网规划方面，现有从不同角度的灵活性指标出发，通过智能算法进行场景模拟，对储能等灵活性资源进行了优化配置，但较少考虑网架结构对系统灵活性的影响。
网架结构虽然无法直接提供或者消耗灵活性功率，但却是一切灵活性资源的载体，其强弱也会影响功率传输情况和能量流动情况。有些学者为了实现储能与电网联合规划中资源效用的最大化，运用系统价值评估理论分析了储能在电网规划和运行层面的系统价值，建立了以经济性最优为目标的储能与输电网联合规划模型。另一些学者研究了储能不同布局对规划边界的改变和对输电网规划的影响机理，在此基础上构建了考虑灵活性供需平衡的源–网一体化规划模型。然而，由于电网结构日趋复杂和土地资源有限，新建输电线路工程建设周期长、难度大，可能难以实施。
发明内容
本发明的目的是针对新型电力系统所面临的灵活性挑战，设计一种提升大电网灵活性的储能电站规划方法。本发明通过配置储能延缓电网升级改造，提升运行灵活性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明首先提供了一种提升大电网灵活性的储能电站规划方法，所述方法包括：
根据供电区域电压等级的高低，对大电网进行电压等级由高到低的逐级分区，且对于任意电压等级V，逐级分区得到的各V分区之间断面的电压等级不得低于V；
确定配置储能电站的节点电压等级V’，并确定配置储能电站的节点；
以建设成本为目标，以储能额定功率、储能容量、储能充放电特性以及电网灵活性为约束条件，建立全网储能优化配置模型及各级分区储能优化配置模型；
先对全网储能优化配置模型进行求解，得到全网所配储能的总额定功率，并将其作为第一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，继而求解第一级分区储能优化配置模型；依次将上一级分区的储能优化配置模型的求解结果作为其包含的下一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，逐级求解各级分区的储能优化配置模型直至求解完成电压等级V’对应的分区储能优化配置模型，得到各个储能电站的配置容量和额定功率。
本发明还提供了一种所述方法的提升大电网灵活性的储能电站规划系统，其包括：
分区选址模块，其用于根据供电区域电压等级的高低，对大电网进行电压等级由高到低的逐级分区，根据预设的配置储能电站的节点电压等级，确定配置储能电站的节点；
储能优化配置模型构建模块，其用于根据分区选址模块得到的分区结果，以建设成本为目标，以储能额定功率、储能容量、储能充放电特性以及电网灵活性为约束条件，分别建立全网储能优化配置模型和各级分区的储能优化配置模型；
储能电站规划模块，其先对全网储能优化配置模型进行求解，得到全网所配储能的总额定功率，并将其作为第一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，继而求解第一级分区储能优化配置模型；依次将上一级分区的储能优化配置模型的求解结果作为其包含的下一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，逐级求解各级分区的储能优化配置模型直至求解完成电压等级V’对应的分区储能优化配置模型，得到各个储能电站的配置容量和额定功率。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明所述的储能电站规划方法。
本发明的有益效果包括：
1、本发明把分区选址方法和储能优化配置模型结合，克服了传统储能电站多点选址计算量过大的缺点，给大电网储能规划的位置、容量和额定功率提供了明确的指导；
2、本发明设置功率成本为全网模型的目标，设置容量成本为各级分区模型的目标，在减少建设成本的同时保证了各级分区配置足够多的储能容量；
3、本发明通过设置电网灵活性约束保证了配置储能的各级分区调节能力大于净负荷波动幅值，解决了现有灵活性规划方法中全网灵活性分布不均匀的问题，全面提高了全网的灵活性水平。
附图说明
图1为分区选址的实施流程；
图2为全网各个500kV分区示意图；
图3为各500kV分区的储能容量；
图4为各500kV分区的储能功率。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种提升大电网灵活性的储能电站规划方法，该方法用于指导储能电站的建设从而满足大电网的灵活性需求。本发明方法包括如下步骤：
步骤一：根据供电区域电压等级的高低，对大电网进行电压等级由高到低的逐级分区，且对于任意电压等级V，逐级分区得到的各V分区之间断面的电压等级不得低于V；确定配置储能电站的节点电压等级V’，并确定配置储能电站的节点；
步骤二：以建设成本为目标，以储能额定功率、储能容量、储能充放电特性以及电网灵活性为约束条件，建立全网储能优化配置模型及各级分区储能优化配置模型；
步骤三：先对全网储能优化配置模型进行求解，得到全网所配储能的总额定功率，并将其作为第一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，继而求解第一级分区储能优化配置模型；依次将上一级分区的储能优化配置模型的求解结果作为其包含的下一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，逐级求解各级分区的储能优化配置模型直至求解完成电压等级V’对应的分区储能优化配置模型，得到各个储能电站的配置容量和额定功率。
步骤一的目的是为对电网进行分区，并对储能电站进行分区选址，其中，根据供电区域电压等级的高低，对大电网进行电压等级由高到低的逐级分区，具体如下：
1）整理网架数据，设全网电压等级由高到低依次为V1、V2、V3、……、VJ，其中，VJ为全网最低电压等级，J为全网不同电压等级的总数量；
2）将分区索引j初始化为0；
3）令分区索引j加1，然后判断当前分区索引j与J的关系；若j> J，则大电网的逐渐分区已经完成；否则，进行当前分区索引j对应的电压等级Vj的分区；
其中，所述进行当前分区索引j对应的电压等级Vj的分区，具体为：把Vj以及所有大于Vj的电压等级视为高电压等级（即把V1，V2，…，Vj视为高电压等级），并在全网拓扑结构中把高电压等级的线路全部断开，得到多个连通区域，每个连通区域为一个Vj分区；然后将断开的线路连回，重复步骤3）进行下一级分区。
在本发明的一个具体实施例中，步骤一按如图1流程进行实施：
1）整理网架数据，设全网电压等级由高到低依次为V1、V2、V3、……、VJ，VJ为全网最低电压等级；
2）设j = 0；
3）令j = j + 1；
4）若j > J，则执行步骤8）；否则，执行步骤5）；
5）把V1，V2，…Vj视为“高电压等级”；
6）在全网拓扑结构中把高电压等级的线路全部断开，得到多个连通区域，每个连通区域记为一个Vj分区；
7）把断开的线路连回，返回步骤3）；
8）确定配置储能电站的节点电压等级V’，在本发明中，该节点电压等级是由电力公司预先给定的，其值V’选自V1、V2、V3、……或VJ；
9）在每个V’分区配置1个储能电站，储能电站直接与分区中电压等级为V’的节点相连。若一个V’分区包含多个V’电压等级节点，则选取本地负荷波动程度最大的变电站作为配置储能电站的节点。
进一步地，本发明的储能优化配置模型包括全网模型和各分区模型，其中全网模型为：
（1）
式中：P为所有储能总额定功率，cP为单位功率成本，Cfx为固定成本，为储能放电系数，Pmax为全网允许配置最大储能总额定功率，Pmin为全网允许配置最小总额定功率，为一个调节周期T内第k个灵活性资源能够向上调节的最大容量，/>为一个调节周期T内第k个灵活性资源能够向下调节的最大容量，/>为净负荷上波动幅值，为净负荷下波动幅值。
各级分区模型为：
（2）
式中：下标n表示第n个分区，En为储能容量，Pn为储能额定功率，cE为单位容量成本，二进制量bn表示第n个分区是否参与配置，nmax为待求的分区总个数，Psup为待求的nmax个分区所对应的上级分区需要配置的额定功率，为储能放电系数，/>为一个调节周期T内第n个分区中第k个灵活性资源能够向上调节的最大容量，/>为净负荷上波动幅值，/>为一个调节周期T内第n个分区中第k个灵活性资源能够向下调节的最大容量，为净负荷下波动幅值，En,max为分区所允许配置的最大容量，/>储能充电效率，储能放电效率，/>为调节周期个数，T为调节周期，emax为储能荷电百分比最大值，emin为储能荷电百分比最小值。
进一步地，所述的一级电网储能优化配置模型推导过程为：储能电站的建设成本由容量和额定功率决定，计算公式为：
（3）
本发明在全网的配置方案中确定所有储能的总额定功率，在各级分区的配置方案中确定各个储能的容量。因此，全网以功率成本和固定成本为目标，以容量和额定功率为待求变量，即设目标函数为：
（4）
相应的约束条件为：1）储能功率约束。储能电站总额定功率应在设定范围内，即：
（5）
2）电网灵活性约束。全网的调节能力应大于自身净负荷+波动幅值，即：
（6）
式（6）中，和/>可以通过对净负荷曲线/>做一阶差分运算求出：
（7）
式中：为lT时刻的全网净负荷，/>为正整数集合。
综上所述，全网储能优化配置模型为：
（8）
进一步地，所述的各级分区储能优化配置模型推导过程为：由于全网的配置方案已经确定了所有储能的总额定功率，故V1分区的配置方案只需确定各个V1分区的储能容量。因此，V1分区以容量成本为目标，以容量和额定功率为待求变量，即设目标函数为：
（9）
式中：下标i表示第i个V1分区，Ei为储能容量，Pi为储能额定功率，cE为单位容量成本。
相应的约束条件为：1）储能功率约束。把全网规划的结果即储能总额定功率作为V1分区规划的边界条件，各V1分区额定功率之和等于全网储能总额定功率，即：
（10）
式中：下标i表示第i个V1分区，Pi为储能额定功率，二进制量bi表示第i个V1分区是否参与配置，值为1表示分区参与配置，值为0表示不参与配置，imax为待求的V1分区总个数，Pone为全网需要配置的额定功率，也即待求imax个V1分区需要配置的额定功率之和。
2）电网灵活性约束，与式（6）同理。
3）储能容量约束。储能电站总容量应在设定范围内，即：
（11）
式中：Ei为储能容量，Emax为V1分区所允许配置的最大容量。
4）储能放电特性约束。根据储能电站的工作原理，其最大充电功率为，最大放电功率为/>。储能在m个调节周期T内所充或所放的电量应小于储能的最大荷电量与最小荷电量之差，即：
（12）
式中：为储能放电系数，/>储能充电效率，/>储能放电效率，/>为调节周期个数，T为调节周期，emax为储能荷电百分比最大值，emin为储能荷电百分比最小值。
综上所述，V1分区储能优化配置模型为：
（13）
V2分区的目标函数与式（13）同理，把V1分区规划的结果Pi作为V2分区规划的边界条件，约束条件与式（10）（6）（11）（12）同理。V2分区储能优化配置模型为：
（14）
V3分区、V4分区、V5分区的储能优化配置模型与式（13）（14）同理。从而可以得到各级分区储能优化配置模型的通式（2）为：
（2）
在一个可选的实施例中，步骤三具体为：
先对全网储能优化配置模型进行求解，得到全网所配储能的总额定功率，将其作为V1分区储能优化配置模型的储能功率约束，即各V1分区额定功率之和等于全网储能总额定功率，继而求解V1分区储能优化配置模型；
依次将上一级分区的储能优化配置模型求解得到的上一级分区需要配置的额定功率作为其包含的下一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，即满足，为某一个上一级分区需要配置的额定功率，n表示该上一级分区包含的第n个下一级分区， Pn为第n个下一级分区的储能额定功率， bn为二进制量，用于表示第n个下一级分区是否参与配置；逐级求解各级分区储能优化配置模型直至求解完成电压等级V’对应的分区储能优化配置模型，得到各个储能电站的配置容量和额定功率。
本发明方法能够通过储能电站选址、各个储能电站的配置容量和额定功率来提升大电网的灵活性水平。下面结合某省电网说明本发明的具体实施方式。
该电网的主干网架电压等级为500kV，共34个节点，与外部电网通过500kV送电通道相连。供电区域包括8个地区，各地区主供电的网架电压等级为220kV，共161个节点。
首先用本发明所提的分区选址方法，把全网分为21个500kV分区，如图2所示，图2中的序号是分区编号；又把每个500kV分区分为多个220kV分区。根据电力公司的建设政策，储能电站只允许配置在220kV的节点上，因此220kV分区是本算例锚定储能选址的最小供电区域。每个220kV分区配置1个储能电站；若出现一个220kV分区包含多个220kV节点的情况，则对该220kV分区各个220kV变电站进行现场勘测、打分，确定最适合配置储能电站的节点。
然后用本发明所提的全网储能优化配置模型即式（1）计算全网所需要配置的储能总额定功率。相关参数由电力公司提供，如表1所示，代入式（1）解得全网储能的总容量为12271MWh，总额定功率为4601MW。
表1 全网储能优化配置模型参数
最后用本发明所提的各级分区储能优化配置模型即式（2）计算220kV分区和500kV分区所需要配置的储能总额定功率。把表1的参数和全网储能总功率代入式（2），解得各500kV分区的储能容量如图3所示，各500kV分区的储能功率如图4所示。把表1的参数和图3的数据代入式（2），解得各220kV分区的储能容量和储能额定功率，进而根据对应的节点实现储能电站的选址和定容，如表2所示。
表2 各分区的储能容量和储能额定功率
与前述提升大电网灵活性的储能电站规划方法的实施例相对应，本发明还提供了一种提升大电网灵活性的储能电站规划系统的实施例，该系统包括：
分区选址模块，其用于根据供电区域电压等级的高低，对大电网进行电压等级由高到低的逐级分区，根据预设的配置储能电站的节点电压等级，确定配置储能电站的节点；
储能优化配置模型构建模块，其用于根据分区选址模块得到的分区结果，以建设成本为目标，以储能额定功率、储能容量、储能充放电特性以及电网灵活性为约束条件，分别建立全网储能优化配置模型和各级分区的储能优化配置模型；
储能电站规划模块，其先对全网储能优化配置模型进行求解，得到全网所配储能的总额定功率，并将其作为第一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，继而求解第一级分区储能优化配置模型；依次将上一级分区的储能优化配置模型的求解结果作为其包含的下一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，逐级求解各级分区的储能优化配置模型直至求解完成电压等级V’对应的分区储能优化配置模型，得到各个储能电站的配置容量和额定功率。
上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
相应的，本申请实施例还提供一种电子设备，电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，备还可以表示各种形式的移动装置。电子设备包括至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，如只读存储器、随机访问存储器等；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明所述的储能电站规划方法。本发明的处理器可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种提升大电网灵活性的储能电站规划方法，其特征在于，所述方法包括：
根据供电区域电压等级的高低，对大电网进行电压等级由高到低的逐级分区，且对于任意电压等级V，逐级分区得到的各V分区之间断面的电压等级不得低于V；
确定配置储能电站的节点电压等级V’，并确定配置储能电站的节点；
以建设成本为目标，以储能额定功率、储能容量、储能充放电特性以及电网灵活性为约束条件，建立全网储能优化配置模型及各级分区储能优化配置模型；
先对全网储能优化配置模型进行求解，得到全网所配储能的总额定功率，并将其作为第一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，继而求解第一级分区储能优化配置模型；依次将上一级分区的储能优化配置模型的求解结果作为其包含的下一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，逐级求解各级分区的储能优化配置模型直至求解完成电压等级V’对应的分区储能优化配置模型，得到各个储能电站的配置容量和额定功率；
所述对大电网进行电压等级由高到低的逐级分区，包括如下步骤：
1）整理网架数据，设全网电压等级由高到低依次为V 1、V 2、V 3、……、V J ，其中，V J 为全网最低电压等级，J为全网不同电压等级的总数量；
2）将分区索引j初始化为0；
3）令分区索引j加1，然后判断当前分区索引j与J的关系；若j> J，则大电网的逐渐分区已经完成；否则，进行当前分区索引j对应的电压等级V j 的分区；
其中，所述进行当前分区索引j对应的电压等级V j 的分区，具体为：把V 1，V 2，…，V j 视为高电压等级，并在全网拓扑结构中把高电压等级的线路全部断开，得到多个连通区域，每个连通区域为一个V j 分区；然后将断开的线路连回，重复步骤3）进行下一级分区；
所述配置储能电站的节点电压等级是预先给定的，其值V’选自；
所述确定配置储能电站的节点为：在每个V’分区配置1个储能电站，储能电站直接与V’分区内V’电压等级的节点相连；若一个V’分区包含多个V’ 电压等级节点，则选取本地负荷波动程度最大的变电站作为配置储能电站的节点；
所述全网储能优化配置模型为：
（1）
式中：P为所有储能总额定功率，c P 为单位功率成本，C fx为固定成本，为储能放电系数，P max为全网允许配置最大储能总额定功率，P min为全网允许配置最小总额定功率，为一个调节周期T内第k个灵活性资源能够向上调节的最大容量，/>为一个调节周期T内第k个灵活性资源能够向下调节的最大容量，/>为净负荷上波动幅值，/>为净负荷下波动幅值；
所述各级分区储能优化配置模型为：
（2）
式中：下标n表示第n个分区，E n 为储能容量，P n 为储能额定功率，c E 为单位容量成本，二进制量b n 表示第n个分区是否参与配置，n max为待求的分区总个数，P sup为待求的n max个分区所对应的上级分区需要配置的额定功率，为储能放电系数，/>为一个调节周期T内第n个分区中第k个灵活性资源能够向上调节的最大容量，/>为净负荷上波动幅值，/>为一个调节周期T内第n个分区中第k个灵活性资源能够向下调节的最大容量，/>为净负荷下波动幅值，E n,max为分区所允许配置的最大容量，/>储能充电效率，/>储能放电效率，/>为调节周期个数，T为调节周期，e max为储能荷电百分比最大值，e min为储能荷电百分比最小值；
全网储能优化配置模型及各级分区储能优化配置模型的求解过程，具体为：
先对全网储能优化配置模型进行求解，得到全网所配储能的总额定功率，将其作为V 1分区储能优化配置模型的储能功率约束，即各V 1分区额定功率之和等于全网储能总额定功率，继而求解V 1分区储能优化配置模型；
依次将上一级分区的储能优化配置模型求解得到的上一级分区需要配置的额定功率作为其包含的下一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，即满足， n表示上一级分区包含的第n个下一级分区， P n 为第n个下一级分区的储能额定功率，b n 为二进制量，用于表示第n个下一级分区是否参与配置；逐级求解各级分区储能优化配置模型直至求解完成电压等级V’对应的分区储能优化配置模型，得到各个储能电站的配置容量和额定功率。
2.一种实施权利要求1所述方法的提升大电网灵活性的储能电站规划系统，其特征在于，包括：
分区选址模块，其用于根据供电区域电压等级的高低，对大电网进行电压等级由高到低的逐级分区，根据预设的配置储能电站的节点电压等级，确定配置储能电站的节点；
储能优化配置模型构建模块，其用于根据分区选址模块得到的分区结果，以建设成本为目标，以储能额定功率、储能容量、储能充放电特性以及电网灵活性为约束条件，分别建立全网储能优化配置模型和各级分区的储能优化配置模型；
储能电站规划模块，其先对全网储能优化配置模型进行求解，得到全网所配储能的总额定功率，并将其作为第一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，继而求解第一级分区储能优化配置模型；依次将上一级分区的储能优化配置模型的求解结果作为其包含的下一级分区的储能优化配置模型的储能功率约束，逐级求解各级分区的储能优化配置模型直至求解完成电压等级V’对应的分区储能优化配置模型，得到各个储能电站的配置容量和额定功率。
3.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1所述的储能电站规划方法。
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