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電網(wǎng)儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置策略分析

2021-12-17 11:19:10楊一敏
電子測試 2021年22期
關(guān)鍵詞:儲能配電網(wǎng)代表

楊一敏

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司江山市供電公司,浙江江山,324100)

0 引言

配電網(wǎng)在實際運行過程中,通常需要接入分布式電源,實現(xiàn)多主體供電,在這一過程中,很容易導(dǎo)致各節(jié)點電壓出現(xiàn)超限問題,影響整體電網(wǎng)運行穩(wěn)定性?;诖耍斜匾訌妼ε潆娋W(wǎng)儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置分析,這對維護電網(wǎng)運行穩(wěn)定有著非常重要的意義。

1 電網(wǎng)儲能電池改善電網(wǎng)電壓的原理分析

在我國,配電網(wǎng)類型以輻射式電網(wǎng)位置,在沒有接入DGs(是指由多個計算機組成一個電力控制系統(tǒng))的情況下,系統(tǒng)在運行時,潮流方向由首端開始,然后流向末端。反之, 配電網(wǎng)既要為負(fù)荷供電,自身也成為一種多電源供電系統(tǒng),這必然會改變電網(wǎng)潮流方向與大小。當(dāng)DGs向電網(wǎng)注入功率時,在對應(yīng)節(jié)點處,電壓會有所提升,從而影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量。而對接有分布式電源的配電網(wǎng)系統(tǒng)來說,為促使節(jié)點電壓質(zhì)量得到有效改善,文章引入了電池儲能系統(tǒng),在節(jié)點電壓出現(xiàn)越限現(xiàn)象時,引導(dǎo)儲能系統(tǒng)參與功率調(diào)度過程,從而能夠有效調(diào)整電網(wǎng)電壓,維護電網(wǎng)整體電壓穩(wěn)定性。在有分布式電源接入配電網(wǎng)的情況下,如果忽略線路損耗,那么線路節(jié)點電壓可用以下公式表示:

在(1)中,V0表示節(jié)點0處電壓,V1表示節(jié)點1處電壓;P1表示節(jié)點1處的有功功率;Q1表示節(jié)點1處的無功功率;PDG表示節(jié)點1在接入分布式電源后,系統(tǒng)的有功功率;QDG表示節(jié)點1在接入分布式電源后,系統(tǒng)的無功功率[1]。從中我們能夠了解到,在配電網(wǎng)中增加分布式電源的有功注入量,P1-PDG值會逐漸變小,一旦有功注入量足夠多,P1-PDG值會變成負(fù)數(shù),從而致使V1>V0,在這一情況下,對支路1末節(jié)點電壓值而言,將會比首端節(jié)點電壓值要大,由此可證明,隨著分布式電源在配電網(wǎng)之中接入,在該節(jié)點處,電壓可能會處于升高狀態(tài)。

文章通過接入儲能系統(tǒng),用于電壓越限問題改善,具體可采用以下表達(dá)式:

在(2)式中,PESS代表的是調(diào)度儲能系統(tǒng)的充電功率。若該公式合理,那么P1+PESS-PDG會成為正值。此時,在支路1兩端,相較于末端,首端電壓會更大。而在節(jié)點1處的電壓越限問題便能夠得到妥善解決。

2 電網(wǎng)儲能系統(tǒng)優(yōu)化模型構(gòu)建策略

2.1 科學(xué)合理進行儲能選址

通過上文我們能夠了解到,科學(xué)利用儲能系統(tǒng),能有效確保各節(jié)點之間的電壓穩(wěn)定性,保障電網(wǎng)安全運行。因此,文章采用節(jié)點電壓與實際電壓之差的平方來作為地址分配的依據(jù),來保障儲能選址的科學(xué)合理性。具體表達(dá)式如下:

在(3)式中,Vj表示的是某節(jié)點實際電壓值,VN表示的是網(wǎng)絡(luò)額定電壓值。在某節(jié)點之中,如果電壓出現(xiàn)了較大偏移量,可選擇這一節(jié)點,作為儲能裝置的接入位置,從而在該裝置的幫助下,實現(xiàn)對該節(jié)點電壓的控制。

2.2 儲能裝置容量配置策略

在實際進行儲能容量配置時,應(yīng)在滿足節(jié)點電壓的條件下,盡可能地加強配電網(wǎng)經(jīng)濟運行成本的控制。在儲能系統(tǒng)之中,建設(shè)成本的大小,一般與能量和功率有著非常密切的關(guān)系。因此在實際進行模型建立時,應(yīng)以儲能系統(tǒng)在接入配電網(wǎng)后,實際構(gòu)建經(jīng)濟最小化作為目標(biāo)函數(shù),具體函數(shù)可由以下公式表示:

在(4)式中,f1與f2分別代表配電網(wǎng)的運行成本與配電網(wǎng)儲能建設(shè)成本。前者具體是指,在電網(wǎng)與外界交互的過程中,所產(chǎn)生的電能成本,具體可用以下函數(shù)公式表示:

在上述(5)式中,m(t)代表的是在t時刻下,配電網(wǎng)與外界交互功率實際電價。P(t)則代表的是配電網(wǎng)與上級網(wǎng)絡(luò)交互的功率。

后者是指儲能實際的建設(shè)成本,具體可用以下函數(shù)公式表示:

在上述(6)式中,α與β分別代表單位功率成本(單位:元/kW)與單位容量成本(單位:元/kWh);Cinstall代表的是儲能安裝建設(shè)單位成本;P與S則分別代表的是儲能額定功率與儲能配置容量,NESS則表示,在配電網(wǎng)之中,實際接入儲能電源的數(shù)量。

2.3 約束條件

(1)潮流平衡約束。在實際開展優(yōu)化結(jié)果的計算時,應(yīng)滿足配電網(wǎng)有功與無功平衡約束,具體由以下公式表示:

在上述(7)式中,Pi代表的是注入節(jié)點i的有功功率;Qi代表的是注入節(jié)點i的無功功率;e代表的還是節(jié)點電壓實部分量;f代表的還是節(jié)點電壓虛部分量;Gij代表的是節(jié)點導(dǎo)納矩陣的實分量;Bij代表的是節(jié)點導(dǎo)納矩陣的虛分量;n代表的是節(jié)點總數(shù)量。

(2)節(jié)點電壓約束。先通過實施潮流計算,獲得在饋線內(nèi)部,相應(yīng)電壓指標(biāo),從而能夠確保在各個節(jié)點之中,電壓變化均在規(guī)定范圍內(nèi)。約束條件用以下公式表示:

(3)儲能功率約束。該約束的存在,主要是保證在儲能系統(tǒng)進行充放電時,始終在合理范圍內(nèi),不超出上限或者下限。具體約束條件可用以下公式表示:

在上述(9)式中,-Pmax與 ≤Pmax分別表示儲能系統(tǒng)充放電的下限與上限。

(4)支路電流約束。該約束條件的存在,主要是確保各支路電流始終在標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。具體可用以下公式表示:

在上述(10)式中,Iimax代表的是第i條支路電流上限,d代表的是系統(tǒng)內(nèi)支路總數(shù)。

3 算例仿真分析

為對上述策略準(zhǔn)確性及可行性進行驗證,文章選擇IEEE 11節(jié)點的配電系統(tǒng),如圖1所示。在該系統(tǒng)中,將基準(zhǔn)電壓設(shè)定為12.65 kV,實際功率值設(shè)置為10MVA。在節(jié)點4、8、11處,接入了0.45MW與3MW的光伏電源與4MW風(fēng)電[2]。儲能系統(tǒng)功率成本為1650元/kW,單位容量成本為1270元/kWh, 假設(shè)基礎(chǔ)建設(shè)成本為10萬元/次。在配電網(wǎng)與外界交互中,在0至6點與22至24點,實時電價為0.3元/kW·h。在6至8點與11至17點時段,實時電價為0.5元/kW·h。在8至11點與17至22點時段,實時電價為0.8元/kW·h。

圖1 包含DGs的配電網(wǎng)算例示意圖

在儲能選址結(jié)果方面,由于在本次研究中,采用潮流計算,獲得了各節(jié)點時序電壓值,本次選擇第 12時段實施分析。從最終結(jié)果來看,在節(jié)點1位置,節(jié)點電壓與基準(zhǔn)值的差值平方最小,究其原因在于,該位置與母線位置比較接近,因此在該節(jié)點處,如果注入功率,幾乎不影響節(jié)點電壓,因此無需在此位置進行儲能系統(tǒng)的安裝。而通過結(jié)果可知,在7、8、9節(jié)點位置處,電壓偏移量最大[3]。為保證配電網(wǎng)運行穩(wěn)定,并確保選擇的儲能位置不相鄰,

因此應(yīng)選擇在中間節(jié)點8處,接入儲能系統(tǒng)。而在節(jié)點10位置處,則是除了上述7、8、9節(jié)點之外電壓偏差最大的位置,同樣滿足儲能系統(tǒng)接入位置不相鄰條件,因此也可以選擇在該位置處接入儲能系統(tǒng)。

在對儲能容量配置結(jié)果分析時,應(yīng)結(jié)合實際情況,選擇一條供電線路典型日負(fù)荷, 包括商業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷等。在本次研究中,選擇某地典型日的負(fù)荷曲線,該曲線包括風(fēng)電出力和光伏出力,具體如圖2所示。

圖2 負(fù)荷曲線與DG出力曲線

由于在本次研究中,饋線支路較少,并且在實際配置儲能系統(tǒng)時,需要投入的成本也比較高,因此在配電網(wǎng)系統(tǒng)中,不宜接入過多儲能系統(tǒng)。具體的儲能接入方案可包括兩種,第一種接入方案,直接入一個儲能系統(tǒng),接入位置在節(jié)點8,儲能系統(tǒng)的額定功率為1200kW,儲能容量為2780kWh,需要消耗成本為629.7萬元。而第二種接入方案則接入兩個儲能系統(tǒng),第一個儲能系統(tǒng)接到節(jié)點8位置,該系統(tǒng)額定功率為400kW,儲能容量為1517kWh;第二個儲能系統(tǒng)接入到節(jié)點10位置,該系統(tǒng)額定功率為580kW,儲能容量為1040kWh??偼度氤杀緸?54.5萬元。

通過對比兩種方案我們可以發(fā)現(xiàn),相較于第一種方案,第二種方案顯然更優(yōu),且消耗的成本也最低。究其原因在于,單獨在節(jié)點8接入一個儲能系統(tǒng),需要提供非常高的功率,才能保證節(jié)點10的電壓處于規(guī)定電壓范圍之內(nèi)。單個高功率儲能系統(tǒng)成本更高。通過在節(jié)點8與節(jié)點10接入兩個小功率儲能系統(tǒng),同樣能解決電壓偏移問題,而且實際消耗成本更低。因此方案二屬于最佳方案。從實踐來看,通過采用方案二對配電網(wǎng)儲能進行優(yōu)化配置后,結(jié)合如圖3所示的各節(jié)點電壓時序變化曲線圖,我們能夠了解到電壓越限情況沒有再出現(xiàn),整個時段均處于0.95至1.05pu之間,有效實現(xiàn)了問題解決。

圖3 接入儲能系統(tǒng)后全時段電壓標(biāo)幺值

4 總結(jié)

配電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的接入,對于整體電網(wǎng)電壓穩(wěn)定有著直接的影響。因此需要我們充分考慮實際,加強對配電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的優(yōu)化,促使系統(tǒng)中各個節(jié)點電壓的越限情況得到解決,確保系統(tǒng)中各節(jié)點電壓幅值 都在規(guī)定范圍內(nèi),更好地維護配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

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