電網儲能系統優化配置策略分析

楊一敏

(國網浙江省電力有限公司江山市供電公司，浙江江山，324100)

0 引言

配電網在實際運行過程中，通常需要接入分布式電源，實現多主體供電，在這一過程中，很容易導致各節點電壓出現超限問題，影響整體電網運行穩定性?；诖?，有必要加強對配電網儲能系統優化配置分析，這對維護電網運行穩定有著非常重要的意義。

1 電網儲能電池改善電網電壓的原理分析

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

在（1）中，V0表示節點0處電壓，V1表示節點1處電壓；P1表示節點1處的有功功率；Q1表示節點1處的無功功率；PDG表示節點1在接入分布式電源后，系統的有功功率；QDG表示節點1在接入分布式電源后，系統的無功功率[1]。從中我們能夠了解到，在配電網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值會變成負數，從而致使V1＞V0，在這一情況下，對支路1末節點電壓值而言，將會比首端節點電壓值要大，由此可證明，隨著分布式電源在配電網之中接入，在該節點處，電壓可能會處于升高狀態。

文章通過接入儲能系統，用于電壓越限問題改善，具體可采用以下表達式：

在（2）式中，PESS代表的是調度儲能系統的充電功率。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。而在節點1處的電壓越限問題便能夠得到妥善解決。

2 電網儲能系統優化模型構建策略

2.1 科學合理進行儲能選址

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

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

2.2 儲能裝置容量配置策略

在實際進行儲能容量配置時，應在滿足節點電壓的條件下，盡可能地加強配電網經濟運行成本的控制。在儲能系統之中，建設成本的大小，一般與能量和功率有著非常密切的關系。因此在實際進行模型建立時，應以儲能系統在接入配電網后，實際構建經濟最小化作為目標函數，具體函數可由以下公式表示：

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

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

后者是指儲能實際的建設成本，具體可用以下函數公式表示：

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，在配電網之中，實際接入儲能電源的數量。

2.3 約束條件

(1)潮流平衡約束。在實際開展優化結果的計算時，應滿足配電網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代表的是注入節點i的有功功率；Qi代表的是注入節點i的無功功率；e代表的還是節點電壓實部分量；f代表的還是節點電壓虛部分量；Gij代表的是節點導納矩陣的實分量；Bij代表的是節點導納矩陣的虛分量；n代表的是節點總數量。

(2)節點電壓約束。先通過實施潮流計算，獲得在饋線內部，相應電壓指標，從而能夠確保在各個節點之中，電壓變化均在規定范圍內。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進行充放電時，始終在合理范圍內，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準限值內。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代表的是系統內支路總數。

3 算例仿真分析

為對上述策略準確性及可行性進行驗證，文章選擇IEEE 11節點的配電系統，如圖1所示。在該系統中，將基準電壓設定為12.65 kV，實際功率值設置為10MVA。在節點4、8、11處，接入了0.45MW與3MW的光伏電源與4MW風電[2]。儲能系統功率成本為1650元/kW，單位容量成本為1270元/kWh, 假設基礎建設成本為10萬元/次。在配電網與外界交互中，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的配電網算例示意圖

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

因此應選擇在中間節點8處，接入儲能系統。而在節點10位置處，則是除了上述7、8、9節點之外電壓偏差最大的位置，同樣滿足儲能系統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。

在對儲能容量配置結果分析時，應結合實際情況，選擇一條供電線路典型日負荷， 包括商業負荷和居民負荷等。在本次研究中，選擇某地典型日的負荷曲線，該曲線包括風電出力和光伏出力，具體如圖2所示。

圖2 負荷曲線與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時，需要投入的成本也比較高，因此在配電網系統中，不宜接入過多儲能系統。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，接入位置在節點8，儲能系統的額定功率為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，第一個儲能系統接到節點8位置，該系統額定功率為400kW，儲能容量為1517kWh；第二個儲能系統接入到節點10位置，該系統額定功率為580kW，儲能容量為1040kWh。總投入成本為554.5萬元。

通過對比兩種方案我們可以發現，相較于第一種方案，第二種方案顯然更優，且消耗的成本也最低。究其原因在于，單獨在節點8接入一個儲能系統，需要提供非常高的功率，才能保證節點10的電壓處于規定電壓范圍之內。單個高功率儲能系統成本更高。通過在節點8與節點10接入兩個小功率儲能系統，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儲能進行優化配置后，結合如圖3所示的各節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，整個時段均處于0.95至1.05pu之間，有效實現了問題解決。

圖3 接入儲能系統后全時段電壓標幺值

4 總結

配電網儲能系統的接入，對于整體電網電壓穩定有著直接的影響。因此需要我們充分考慮實際，加強對配電網儲能系統的優化，促使系統中各個節點電壓的越限情況得到解決，確保系統中各節點電壓幅值 都在規定范圍內，更好地維護配電網安全穩定運行。