胡 榮，岳 美

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

儲(chǔ)能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置研究

胡 榮，岳 美

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

從電網(wǎng)側(cè)、新能源側(cè)及用戶(hù)側(cè)3種不同的應(yīng)用背景出發(fā)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置現(xiàn)狀進(jìn)行了研究.相比于單一儲(chǔ)能而言，混合儲(chǔ)能具有許多優(yōu)越之處.結(jié)合現(xiàn)階段主動(dòng)配電網(wǎng)下儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用情況，分析了未來(lái)儲(chǔ)能的推廣應(yīng)用所面臨的問(wèn)題.

配電網(wǎng);儲(chǔ)能優(yōu)化;分布式能源;混合儲(chǔ)能

隨著電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差的日益增大和分布式能源(Distributed Energy Resources，DER)的大規(guī)模并網(wǎng)，儲(chǔ)能技術(shù)逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn).儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中占有重要的地位，其主要功能包括:削峰填谷降低發(fā)電成本，利用峰谷電價(jià)差獲利;緩解電網(wǎng)阻塞;優(yōu)化充放電控制策略，提高電能質(zhì)量;事故停電時(shí)，為大中型工商業(yè)用戶(hù)提供不間斷電源或應(yīng)急電源;電網(wǎng)故障孤島運(yùn)行時(shí)，提供穩(wěn)定的電能.［1-2］

在智能電網(wǎng)、節(jié)能減排等理念逐漸深入人心的背景下，儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的合理規(guī)劃將會(huì)影響其上述功能的有效發(fā)揮.電網(wǎng)側(cè)、新能源側(cè)以及用戶(hù)側(cè)由于其主要側(cè)重方面不同，對(duì)儲(chǔ)能的優(yōu)化配置所提出的要求也會(huì)不同.同時(shí)，單一儲(chǔ)能很難同時(shí)滿(mǎn)足大容量?jī)?chǔ)能和快速響應(yīng)能力的要求，而混合儲(chǔ)能有助于解決這一問(wèn)題.近年來(lái)提出的主動(dòng)配電網(wǎng)(Active Distribution Network，ADN)理念以有機(jī)整合先進(jìn)信息通信、電力電子及智能控制等技術(shù)為背景，旨在實(shí)現(xiàn)分布式能源的大規(guī)模并網(wǎng)與高效利用，儲(chǔ)能在A(yíng)DN中所扮演的角色將更加多元.這些都對(duì)儲(chǔ)能在配電網(wǎng)中的應(yīng)用規(guī)劃提出了新的要求.

本文從電網(wǎng)側(cè)、新能源側(cè)以及用戶(hù)側(cè)3種不同的應(yīng)用背景出發(fā)，對(duì)儲(chǔ)能在配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置現(xiàn)狀進(jìn)行研究，結(jié)合混合儲(chǔ)能及ADN中儲(chǔ)能的應(yīng)用特點(diǎn)，重點(diǎn)圍繞儲(chǔ)能規(guī)劃前期的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析.

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用規(guī)劃

1.1 在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用規(guī)劃

儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于電網(wǎng)中，可以延緩電網(wǎng)升級(jí)、減少輸電阻塞、提高供電可靠性等.為了充分發(fā)揮儲(chǔ)能對(duì)電網(wǎng)各方面的促進(jìn)作用，在將儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)時(shí)需要進(jìn)行合理的規(guī)劃，一般以?xún)?chǔ)能安裝位置和容量為決策變量，不同的研究背景下側(cè)重會(huì)有所不同.

儲(chǔ)能電站接入配電網(wǎng)的一個(gè)重要功能是削峰填谷，文獻(xiàn)［3］考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電平衡約束、循環(huán)壽命等因素，研究了儲(chǔ)能技術(shù)用于電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷的儲(chǔ)能容量配置方法.儲(chǔ)能系統(tǒng)還有助于降低網(wǎng)損，文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］都將降損情況作為儲(chǔ)能規(guī)劃的重要參考指標(biāo).文獻(xiàn)［5］除了以網(wǎng)損最小化為目標(biāo)建立儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化模型外，還提出了在三相不平衡情況下進(jìn)行儲(chǔ)能優(yōu)化選址的網(wǎng)損靈敏度分析方法.儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)中會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］綜合考慮了電能價(jià)格套利、降低輸電成本、延緩設(shè)備投資等效益，建立了配電網(wǎng)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型.將儲(chǔ)能設(shè)備接入配電網(wǎng)不僅會(huì)影響電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)也會(huì)影響其運(yùn)行的穩(wěn)定性.文獻(xiàn)［8］提出了一種基于暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)的儲(chǔ)能位置與容量?jī)?yōu)化方法，根據(jù)暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)來(lái)衡量?jī)?chǔ)能裝置的作用和效果.

綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)在配電網(wǎng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置方面的研究成果可知，在目標(biāo)函數(shù)方面，主要考慮削峰填谷、降損節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益等，在約束條件及求解算法方面也是大同小異.儲(chǔ)能優(yōu)化規(guī)劃在以經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)兼顧儲(chǔ)能應(yīng)用帶來(lái)的綜合效益.

1.2 在新能源側(cè)的應(yīng)用規(guī)劃

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，新能源發(fā)電已成為各國(guó)研究的重點(diǎn).儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于新能源中，其最重要的功能在于平滑DER出力和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性.儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置與新能源本身的發(fā)電特性有著緊密的聯(lián)系，其出力曲線(xiàn)是儲(chǔ)能規(guī)劃研究的重要依據(jù).

文獻(xiàn)［9］采用離散傅里葉變換對(duì)可再生能源出力進(jìn)行了頻譜分析，并基于頻譜分析結(jié)果和儲(chǔ)能系統(tǒng)的相關(guān)約束，確定了平滑可再生能源功率波動(dòng)所需的儲(chǔ)能系統(tǒng)的最小容量.文獻(xiàn)［10］基于電網(wǎng)故障后潮流，通過(guò)分析電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)水平，確定了合理的風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)配置容量.文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］都是以?xún)?chǔ)能相關(guān)成本建立優(yōu)化模型，除了求解算法不同，文獻(xiàn)［11］還綜合考慮了電容補(bǔ)償對(duì)分布式儲(chǔ)能優(yōu)化配置的影響.文獻(xiàn)［13］針對(duì)某微電網(wǎng)，建立了多目標(biāo)優(yōu)化分布式儲(chǔ)能規(guī)劃和運(yùn)行模型，在3種不同的儲(chǔ)能位置配置策略下(儲(chǔ)能與光伏電站最近處、電壓幅值波動(dòng)最敏感節(jié)點(diǎn)處及負(fù)荷最大節(jié)點(diǎn)處)，分析了分布式儲(chǔ)能的優(yōu)化效果.

在含有新能源的電力系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)劃除了一般的降損分析，更多地側(cè)重于儲(chǔ)能接入后對(duì)DER的出力優(yōu)化和對(duì)供電質(zhì)量的影響.

1.3 在用戶(hù)側(cè)的應(yīng)用規(guī)劃

相比于電網(wǎng)側(cè)的“儲(chǔ)電于網(wǎng)”，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于用戶(hù)側(cè)更能體現(xiàn)其“儲(chǔ)電于民”的特性.用戶(hù)側(cè)的儲(chǔ)能設(shè)備主要用于提供不間斷電源，以及提高供電可靠性.儲(chǔ)能應(yīng)用在用戶(hù)側(cè)所帶來(lái)的收益是多方面的，主要包括減少用戶(hù)電費(fèi)、降低用戶(hù)停電損失費(fèi)用等.文獻(xiàn)［14］基于儲(chǔ)能系統(tǒng)在緊急備用中的應(yīng)用，以用戶(hù)停電成本最小為目標(biāo)函數(shù)，在停電期間優(yōu)先考慮為小型無(wú)備用電源的工商業(yè)負(fù)荷供電.文獻(xiàn)［15］基于各時(shí)段分時(shí)電價(jià)，以?xún)?chǔ)能相關(guān)成本最小為目標(biāo)函數(shù)，采用優(yōu)化仿真得出了儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率曲線(xiàn).

在對(duì)用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能優(yōu)化配置的研究中，大部分文獻(xiàn)都著重于儲(chǔ)能應(yīng)用于用戶(hù)側(cè)的價(jià)值評(píng)估方面.文獻(xiàn)［16］提出了典型居民用戶(hù)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電價(jià)響應(yīng)模型，并分析了用戶(hù)在固定電價(jià)和動(dòng)態(tài)電價(jià)兩種情況下用電成本的差異.文獻(xiàn)［17］分析了用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能裝置在減少電站容量和電費(fèi)支出等方面的經(jīng)濟(jì)效益.另外，也有文獻(xiàn)給出了用戶(hù)側(cè)電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)估方法.［18］

儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于用戶(hù)側(cè)有助于實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，在提高負(fù)荷可控性的同時(shí)緩解了電網(wǎng)的調(diào)度壓力.由于電力用戶(hù)的復(fù)雜性，不同利益相關(guān)者關(guān)注的方面有所不同，用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能在與用戶(hù)匹配的同時(shí)應(yīng)注重與電網(wǎng)的協(xié)調(diào).

2 混合儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的應(yīng)用規(guī)劃

近年來(lái)微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能提出了新的要求，儲(chǔ)能技術(shù)要同時(shí)具有大容量和快響應(yīng)的能力.現(xiàn)階段對(duì)單一儲(chǔ)能的應(yīng)用較多，但其很難同時(shí)滿(mǎn)足上述需求，故需要采用多種儲(chǔ)能技術(shù)及多元儲(chǔ)能設(shè)備(即混合儲(chǔ)能)，通過(guò)彼此間協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的特性?xún)?yōu)化.

混合儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的規(guī)劃主要集中在容量?jī)?yōu)化及經(jīng)濟(jì)評(píng)估方面，文獻(xiàn)［19］至文獻(xiàn)［21］都是以成本最小化建立了評(píng)價(jià)混合儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)函數(shù)，文獻(xiàn)［21］還根據(jù)系統(tǒng)的能量缺失率及能量損失率指標(biāo)提出了能量管理策略.文獻(xiàn)［22］基于儲(chǔ)能成本最小化建立了容量?jī)?yōu)化模型，并參考儲(chǔ)能元件Ragone圖提出了一種非線(xiàn)性求解方法.文獻(xiàn)［23］在考慮了風(fēng)電出力不確定性的基礎(chǔ)上，基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃建立了混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化模型.文獻(xiàn)［24］以跟蹤微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率為出發(fā)點(diǎn)，以混合儲(chǔ)能全壽命周期凈現(xiàn)值最大為目標(biāo)，驗(yàn)證了混合儲(chǔ)能在提高儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì).文獻(xiàn)［25］以混合儲(chǔ)能成本最小、DER出力波動(dòng)最小、功率需求匹配最優(yōu)建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用適應(yīng)度離差排序法確定了聚合后多目標(biāo)函數(shù)的權(quán)系數(shù)，使多目標(biāo)問(wèn)題得到了簡(jiǎn)化.

混合儲(chǔ)能在配電網(wǎng)中的規(guī)劃應(yīng)用，多以?xún)?chǔ)能成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，分析其比單一儲(chǔ)能的優(yōu)越之處，但前提是對(duì)功率型和能量型儲(chǔ)能進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，不同類(lèi)型的儲(chǔ)能建模的精確性對(duì)其容量配置也有一定的影響.

3 儲(chǔ)能在主動(dòng)配電網(wǎng)中的應(yīng)用

主動(dòng)配電網(wǎng)(ADN)是在2008年CIGRE會(huì)議上首次被提出，其基本定義為:通過(guò)使用靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)管理潮流，以便對(duì)局部的DER進(jìn)行主動(dòng)控制和主動(dòng)管理的配電系統(tǒng).［26］目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)在A(yíng)DN中的應(yīng)用研究主要側(cè)重于其在輔助ADN優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度方面的作用.文獻(xiàn)［27］綜合考慮調(diào)峰容量、電壓質(zhì)量等因素，建立了ADN中儲(chǔ)能選址定容的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并提出了一種權(quán)重最小理想點(diǎn)法進(jìn)行求解.文獻(xiàn)［28］基于A(yíng)DN中對(duì)電壓質(zhì)量的要求，以電壓偏差最小為目標(biāo)對(duì)分布式儲(chǔ)能進(jìn)行優(yōu)化選址.文獻(xiàn)［29］和文獻(xiàn)30］基于最優(yōu)潮流結(jié)果，分別對(duì)分布式儲(chǔ)能的控制方法和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)［31］基于自治協(xié)同的ADN優(yōu)化運(yùn)行思想，以區(qū)域自治網(wǎng)供蓄電能力為指標(biāo)，采用從區(qū)域自治網(wǎng)到ADN逐步優(yōu)化的方法對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行主動(dòng)管理.文獻(xiàn)［32］基于柔性交流輸電線(xiàn)間控制器結(jié)構(gòu)，提出了一種適用于A(yíng)DN的新型儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)中不同饋線(xiàn)之間功率交換具有重要作用.

基于A(yíng)DN主動(dòng)管理理念，儲(chǔ)能的應(yīng)用規(guī)劃與ADN的潮流優(yōu)化情況息息相關(guān).最優(yōu)潮流不但有助于電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，也有助于儲(chǔ)能的優(yōu)化控制.ADN是信息高度集成的配電網(wǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)與控制中心實(shí)現(xiàn)信息交互的費(fèi)用將對(duì)儲(chǔ)能的價(jià)值評(píng)估產(chǎn)生影響.此外，如何實(shí)現(xiàn)ADN中集中式儲(chǔ)能和分布式儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)也是值得關(guān)注的問(wèn)題.

4 結(jié)語(yǔ)

目前，對(duì)配電網(wǎng)中儲(chǔ)能優(yōu)化配置問(wèn)題的研究相對(duì)成熟，在新能源側(cè)和用戶(hù)側(cè)的儲(chǔ)能規(guī)劃研究發(fā)展較快，而在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用研究相對(duì)較少，儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)揮的長(zhǎng)遠(yuǎn)作用不只在配電網(wǎng)中，其對(duì)上游輸電網(wǎng)也有重要影響.同時(shí)，儲(chǔ)能技術(shù)在源、網(wǎng)、荷3方面的應(yīng)用并不是完全獨(dú)立的，如何從儲(chǔ)能應(yīng)用的全局出發(fā)進(jìn)行規(guī)劃研究也非常值得思考.在混合儲(chǔ)能方面，混合儲(chǔ)能應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)在于改善儲(chǔ)能設(shè)備性能、縮減儲(chǔ)能投資，其主要難點(diǎn)在于對(duì)功率型和能量型儲(chǔ)能的有效控制及其與DER的有效配合.在A(yíng)DN方面，由于其DER的高滲透率，這對(duì)儲(chǔ)能的運(yùn)行及其優(yōu)化配置都將提出新的要求.

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(編輯 白林雪)

Optimal Allocation of Energy Storage System in Power Distribution Network

HU Rong，YUE Mei
(School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

The optimal allocation of energy storage system is plotted out to the three main application backgrounds with utility side，user side and renewable energy generation.Compared to a single energy storage，the main advantages of hybrid energy storage are analyzed.Combining the present study on energy storage applications in active distribution network with aforesaid materials，a brief analysis is made on further considerations needed in the energy storage application.

distribution network;storage optimization;distributed energy resources;hybrid energy storage

TM712

A

1006-4729(2015)02-0223-04

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.006

2014-09-24

岳美(1990-)，女，在讀碩士，內(nèi)蒙古赤峰人.主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃及儲(chǔ)能等.E-mail: 1048542472@qq.com.

上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目(13DZ2251900);上海市重點(diǎn)支撐攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(13160500800).