面向源網荷儲充的農網臺區運行優化策略研究

冷張圓 趙劍飛 龔 超 章志翔 盧文博

（1.浙江省電力有限公司安吉縣供電公司，浙江 湖州 313300；2.上海電力大學，上海 200090）

0 引言

近年來，我國農村地區的分布式能源及電動汽車負荷占比日漸提高，導致其配電網臺區內負荷類型出現了新特點。因此，研究面向源網荷儲充的新型農網臺區配電網優化運行具有十分重要的意義。

目前已有許多文獻研究了配電網優化運行問題。

文獻[1]針對風電高頻波動問題和接入風電后系統的調峰問題，設計了采用抽水儲能和電池儲能共同組成的復合型儲能在含高滲透率風電的配電網中的協調優化運行策略。電池儲能具有響應較為靈活、存儲容量不高的特點，這使其可以彌補風電高頻波動的缺點，緩解上網風電的波動性問題；抽水儲能具有存儲容量龐大的特點，這使之能夠參與電力系統的調峰運行，用以彌補在接入風能之后系統調峰運行的不足。

文獻[2-3]構建了風電-抽水蓄能-蓄電池儲能裝置聯合優化運行模型，使得風電場與抽水蓄能電站的聯合出力在儲能裝置配合下能夠靈活地應對負荷波動。

文獻[4]研究了關于蓄電池儲能裝置的動態最優調度策略，該策略的研究對象為蓄電池儲能裝置，并將最佳經濟效益、最佳安全性、最小可再生能源系統波動、最適合的可再生能源發電方案等作為對微電網優化調度的主要目標，設計了一個基于動態規劃的多目標優化策略，并通過模糊理論與二元對比定量法將其轉換為單目標的問題，從而實現了該策略。

文獻[5]研究了一種關于微電網環保經濟運行的優化數學模型，該模型不但研究了儲能對負荷削峰填谷的影響，還同時探討了發電單位的發電成本、運行管理成本以及環境保護成本等問題。微電網運行的網絡結構使用的是標準IEEE-14節點配電網絡，并構建了包括電網潮流方程的制約條件，而微網的環保經濟運行的研究方法則使用的是改進微分進化算法。

文獻[6]考慮了可控分布式電源、實時電價、儲能裝置和聯絡開關對運行費用的影響。

文獻[7]基于配電網與主電網之間的協調機制，以最小配電網運行成本為優化目標，建立了一種基于實時電價的配電網協調優化模型。

文獻[8]考慮了配電網重構，構建多源協同優化運行模型，能夠顯著增強新能源消納能力，同時增加了配電網運行的經濟收益，提升了可靠性。

文獻[9]考慮了向主網的購電成本、清潔電源和電池儲能設備的運行費用和網絡損耗費用以及需求側響應費用。

文獻[10]建立了考慮可控分布式電源、儲能裝置和需求側響應的優化運行策略，該策略可以有效促進間歇性可再生能源的消納，減少運行費用和網絡損耗，并提高用戶的用電滿意度。

文獻[11]全面探討了配電網的可調度資源如新能源、儲能裝置、可投切電容器組、調壓器以及需求響應。

文獻[12]在概率潮流的基礎上，考慮了配電網供應側和需求側的互動，建立了供需群體協同優化運行策略，該策略能夠在保證系統運行安全性的前提下減小負荷波動。

文獻[13]針對應急供電和配電網日常運行兩種場景，構建考慮需求側響應的配電網移動儲能系統優化配置與調度模型，以減少停電損失，并保障配電網中移動儲能的經濟運行。

1 農網臺區運行優化模型

本文提出了一種考慮儲能裝置、需求響應和電動汽車充電樁的農網優化運行模型，該模型以最大化農網日運行綜合效益為目標函數。

1.1 臺區運行優化目標

本文所提農網優化運行模型的目標函數為最大化農網日運行綜合效益，表達式如下：

式中：F為農網的日運行綜合效益；Bse、CsESS和CsDR分別為農網日售電收益、儲能裝置日綜合運行成本和需求響應日支付成本；T和Δt分別為調度時刻總數和相鄰調度時刻時間間隔；Ps，te、Ps，tESS，d、Ps，tESS，c和ρs，t分別為時段農網日售電功率、電池儲能設備放電功率、充電功率和分時電價；CESS和CDR分別為電池儲能設備綜合運行費用（將損耗、折舊等成本進行折算）和需求響應補償費用；Ps，tDR為t時刻需求響應的切負荷功率。

1.2 配電網網側約束條件

（1）功率平衡約束：

式中：Ps，tpv和Ps，tL分別為t時段光伏貢獻和負荷值；Ps，tEV為t時刻電動汽車充電樁的充電功率。

（2）農網臺區變壓器供電功率約束：

式中：Pemax為農網臺區變壓器額定功率。

1.3 負荷側約束條件

（1）儲能裝置充/放電功率約束：

式中：PESSmax和PESSmin分別為電池儲能設備充/放電有功功率的界限值。

（2）儲能裝置SOC約束：

式中：SESSmax和SESSmin分別為電池儲能設備SOC界限值；Ss，tESS為t時刻電池儲能設備SOC；SESS0和SESST分別為調度周期起點和調度周期終點時刻的電池儲能設備SOC值。

（3）儲能裝置充放電次數約束：

式中：NESS為一個調度周期內儲能裝置實際充放電次數；NESSmax為一個調度周期內儲能裝置充放電次數上限。

（4）需求響應約束：

式中：PDRmax為需求響應的切負荷功率上限；NDR和NDRmax分別為一個調度周期內需求響應實際次數和需求響應次數最大值。

（5）電動汽車充電樁約束：

式中：PEVmax為電動汽車充電樁充電功率上限。

為了保證臺區變壓器不重載，本模型規定當變壓器供給功率超過額定功率70%時，充電樁停止充電。

2 算例分析

本文所提農網優化運行模型以某臺區炒茶點為算例研究對象。

2.1 某臺區炒茶點典型情況

某臺區3月、4月炒茶季的典型日負荷曲線存在明顯的特點：夜間負荷顯著高于白天負荷，這是因為某臺區炒茶工作大多在夜間進行，使得該臺區炒茶點的臺區負荷與大多數臺區負荷不同。以4月份炒茶典型日為例，該臺區炒茶點4月炒茶季的最高負荷可達330 kW，而該臺區炒茶點變壓器容量僅為315 kW，若不使用儲能裝置、需求響應等措施，該臺區的變壓器會過載運行，容易受到損壞。該臺區4月份用電負荷情況以及光伏曲線如圖1所示。

圖1 某臺區4月份典型日負荷和光伏曲線

該臺區炒茶點的參數設置如表1所示，分時電價如表2所示，數據來源為浙江省電網銷售電價表（2020-02-01）。

表1 該臺區算例參數設置

表2 分時電價

2.2 臺區運行優化結果

本文以該典型負荷情況為例，建立該臺區運行優化模型。下面以該臺區4月炒茶季的典型日為研究對象，利用GAMS軟件平臺對所建模型進行求解，求得的該臺區4月份炒茶季典型日優化調度策略如圖2所示。

由圖2可知，18：30—20：15時段以及21：45—23：00時段的負荷均已超過252 kW（即為額定容量315 kW的80%），并且夜間無光照，光伏沒有發電功率。本文所提優化運行模型給出的最優調度策略可以避免臺區變壓器過載，下面分別對儲能裝置、需求響應的調度策略進行分析。

圖2 該臺區4月份炒茶典型日運行優化策略

儲能裝置運行優化策略：由圖2可知，在負荷超過252 kW的負荷峰值時段，電池儲能設備處于放電狀態，把臺區變壓器供給功率限制在252 kW，減輕了臺區變壓器的供電壓力，順利解決了變壓器重載的問題。除此之外，因為要保持電池儲能設備的SOC在一個調度周期內不變，所以電池儲能設備在06：45、22：00、22：30等低電價時段調為充電狀態。以上電池儲能設備調度方案還可以實現低充高放，使得該臺區通過電池儲能設備的調度來獲利。

需求響應策略：由圖2可知，由于電池儲能設備受制于SOC、放電功率界限值等因素，僅僅依賴電池儲能設備并不可以確保臺區變壓器供電功率處在額定功率的80%以下。故本文提出的優化運行模型所求解的最優調度方案應用了需求響應，將19：00、19：45的負荷分別中斷了43.66 kW、21.01 kW，極大地減輕了臺區變壓器的供電壓力，同時防止了電池儲能設備過度放電造成的SOC減小過大、電池儲能設備運行壽命縮短等問題。

3 結語

本文針對農村配電網系統分布式能源和電動汽車負荷增加問題，構建了考慮儲能裝置、需求響應和電動汽車充電樁的農網協調優化運行模型。該優化運行模型以臺區變壓器供電功率上限、功率供需平衡、儲能裝置充放電功率上下限及次數限制等為約束條件，旨在最大化農村配電網的日綜合效益。最后，以某臺區炒茶點為算例進行分析，驗證了本文所提農網優化運行模型在提高農網運行經濟性和供電可靠性方面具有較好的有效性。