考慮經濟性最優的農村配電網儲能調壓策略

詹 琪，李鵬麗，孟曉麗，王金麗，李 蕊

（中國電力科學研究院，北京 海淀 100192）

我國經濟飛速發展，用電負荷不斷增加，傳統化石資源越來越匱乏并帶來了一系列環境問題[11]，使得分布式可再生能源的開發和利用、分布式電源接入配電網的研究就成了一條必由之路。現在主要的分布式能源大多為光伏發電。一方面，光伏發電技術發展較早、配套設施相對完善、齊全，普及的過程中幾乎沒有地域限制，在有陽光的地方均可發展光伏發電，并且不會產生任何污染。但另一方面，隨著經濟的發展和社會的進步，以集中式供電的大電網在近年來我國逐年增長的電力需求中，逐漸顯現出自己的一些劣勢和弊端。因此，分布式發電越來越成為了傳統電網發展的重點方向[1]。自2019 年起，國家電網公司通過改造升級農村電網、提高農村供電服務水平、推廣電能替代技術、推動特色用能項目建設、推介新型用電產品等各種方式，提升農業生產、鄉村產業、農村生活電氣化水平，在積極推進微電網和分布式能源系統建設的同時，也日益重視分布式電源發電技術、電能替代技術和農村地區的就地消納技術[2]。分布式光伏出力具有隨機性、波動性、間歇性的特點，在不配置儲能設備情況，難以滿足電力系統供須瞬時平衡的調節要求，隨著分布式光伏滲透率增加，會導致配電網運行特征發生變化，加劇原有配電網電壓閃變、電壓波動、諧波污染為主的電能質量問題，也帶來配電網規劃困難、網絡損耗不確定性增加等新問題[3]。本文旨在整縣光伏政策背景下，研究分布式光伏接入配電網帶來的電壓越限[2]等電能質量問題；分布式儲能響應速度快，能快速提供功率支撐[3]，因此本文利用分布式儲能解決電壓越限問題，并獲得經濟收益。

國內外學者在電壓控制方面提出了許多方法。文獻[13]針對線路阻抗阻性為主的配電網，在電壓補償環節中增加“虛擬電抗”，在實現 DG 出力按容量分配的同時確保節點電壓不出現大幅度波動。文獻[14]提出一種阻性虛擬阻抗加補償虛擬阻抗的改進下垂控制策略，通過阻性虛擬阻抗實現直流微電網穩態時的功率分配，補償虛擬阻抗提升母線電壓動態性能。文獻[15]針對等效線路阻抗不匹配的情況，提出了一種基于線路參數辨識的改進下垂控制來消除無功功率分配的偏差。文獻[16]針對分布式電源滲透率較高的配電網，給出了其多目標分布式優化控制的系統框架，設計了以容量利用比為一致性變量，綜合調節分布式電源出力來控制節點電壓的分布式優化算法。以上方法均從傳統電壓控制方法出發，未考慮配電網中的新要素儲能在配電網電壓控制方面的優勢。

本文根據儲能在網絡中的分布和各節點間的電氣距離劃分區域，以分布式資源經濟效益最大為目標函數，以電壓不越限為約束，存在電壓越限節點的區域里的儲能按照低電價充電，高電價放電的原則運行；并在IEEE 33 節點系統進行仿真，驗證本文所提方法的有效性。

1 控制方法

1.1 目標函數

以區域內儲能收益最優為目標函數，考慮光伏發電上網的收益、儲能充放電收益，具體公式如下：

式中：Pdis、Pch分別表示儲能放電、充電功率；p為分時電價。

1.2 約束條件

為防止出現電壓越限，保證系統安全穩定運行，考慮系統潮流約束、節點電壓約束、線路功率約束、分布式光伏運行約束、儲能裝置運行約束。

1.2.1 潮流約束

式中：Pi,t、Qi,t為t時刻節點i注入的有功功率和無功功率；PDG,i,t、PESS,i,t、PL,i,t分別為t時刻節點i的分布式光伏的有功功率、儲能裝置的有功功率、負荷消耗的有功功率；QDG,i,t、QL,i,t分別為t時刻節點i的分布式光伏的無功功率、負荷消耗的無功功率；Vi,t、Vj,t分別為t時刻節點i、節點j的電壓幅值；Gij、Bij分別表示節點i、j間的電導和電納；θij表示節點i、j間的相角差[10]。

1.2.2 節點電壓約束

Umin≤Ui,t≤Umax。

式中：Ui,t為t時刻節點的電壓大小；Umin為節點電壓允許最小值，取 0.95UN；Umax為節點電壓允許最大值，取 1.05UN[18]。

1.2.3 線路功率約束

Iij,t≤Iij,max。

式中：Iij,t為t時刻支路ij電流幅值；Iij,max為支路ij電流幅值上限[9]。

1.2.4 分布式光伏逆變器控制約束

式中：PDG,i,t、QDG,i,t、SDG,i,t分別為t時刻節點i的光伏逆變器的有功輸出功率、無功輸出功率和額定容量；為t時刻節點i的光伏逆變器的最大有功輸出功率；cosθ 為光伏逆變器的最小功率因數[8]。

1.2.5 儲能裝置運行約束

運行狀態約束。

式中：S為t時刻荷電狀態；Kc,t、Kd,t分別為儲能的充放電系數；PESS,c、PESS,d分別為儲能的充放電功率；為儲能裝置的最大充、放電功率；Dc,i,t、Dd,i,t為0、1 變量，保證充放電不同時進行[4]。

荷電狀態約束。

防止過度充放電，儲能荷電狀態應不超過上下限；儲能日內充放電量相同

式中：Smin為荷電狀態下限；Smax為荷電狀態上限；S(t)為t時刻荷電狀態；S0為周期初始荷電狀態；ST為周期末尾時刻的荷電狀態。

功率約束。

-PESS,N≤PESS,i,t≤PESS,N。

式中：PESS,N為儲能額定功率。

1.3 電壓控制效果指標

為反映本文所提方法對電壓控制的有效性，保證電壓調整后的電壓在滿意的水平上，引入電壓總偏差量[7]，如下式所示，其可定義為優化周期內系統所有節點電壓偏差平方和時序平均值，用以衡量電壓的波動情況，電壓偏差值越小代表電壓波動越小，是系統安全性和電能質量的重要指標。并在調整后對全系統的電壓情況進行校驗。

將120 mg上一步得到的核殼結構SiO2/Fe3O4-C顆粒分散于60 mL超純水中，再加入0.3 mL 25%的氨水，室溫下攪拌30 min。得到的混合液轉移至密閉的高壓反應釜中，于150 ℃下水熱反應6 h。反應結束后，待產物冷卻至室溫，用磁鐵將其分離出來，超純水清洗3次后，即可得到最終的Fe3O4-C磁性空心微球[8]。

式中：Ui為節點i的電壓幅值；為節點i的指定電壓幅值，通常取1；Uimax-Uimin為節點i允許的最大電壓偏差。

1.4 控制策略設計

首先，根據儲能的分布情況以及節點的電氣距離將整個系統劃分成不同區域，各區域單獨進行控制；選取存在電壓越限節點的區域為調節對象；利用調節區域內的儲能充放電進行電壓調節，循環檢測并調節內部節點電壓，直至電壓恢復至合理范圍內；接著輸出儲能的時序出力；最后計算總的儲能收益。具體步驟如下：

步驟1，輸入典型日負荷曲線、光伏出力曲線、儲能參數等，對網絡進行區域劃分；

步驟2，進行全局潮流計算，找到存在電壓越限的邊，存在電壓越限的區域開始進行控制；

步驟3，統計區域內部各節點電壓越限幅度和越限時刻，選取越限最嚴重的節點I作為調節對象，計算節點的電壓靈敏度[5]Sp=?Ui/?Pi；

步驟4，當節點I電壓大于電壓上限時，儲能充電以降低節點電壓，充電功率Pdis=(Ui-Umax)/Sp；當節點I電壓小于電壓下限時，儲能放電以提升電壓，放電功率為Pch=(Umin-Ui)/Sp；

步驟5，為保持儲能荷電狀態平衡，當Pb=Pdis-Pch>0 時，儲能在凌晨低電價時刻以充電，充電功率為Pb；當Pb=Pdis-Pch<0，儲能在晚間電價高峰時刻放電，放電功率為 -Pb；

步驟6，輸出儲能和時序出力，計算區域內電壓偏差水平以及儲能收益；

具體流程圖如圖1 所示。

圖1 控制策略流程圖

1.5 儲能容量配置

由目標函數可知，儲能充放電功率越大，收益越高，但是由于控制策略為在夜間低電價時儲能充電，會導致電壓下降，使得夜間電壓有可能越下限，所以必須對儲能最大充放電功率進行分析計算。

儲能在電價低谷時刻充電，根據全局潮流計算得到電價低谷時段內電壓最小值和對應節點J，計算節點J的電壓靈敏度[17]Sp=((B+Q)×(B-Q)/(G-P)+(G+P))-1；最小可調整電壓為 ΔU′=0.95-，儲能最大充放電功率為PESSmax=ΔU′/Sp。由此可得到每個區域內的儲能最優配置容量。

2 算例分析

2.1 算例設置

本文選取改造的IEEE33 節點配電系統進行算例分析，驗證本文所提方法的有效性。系統基準容量為10 MV·A，電壓等級為12.66 kV，系統結構[6]如圖2 所示。分時電價如表1 所示。在11、15、20節點分別接入分布式光伏，其功率變化趨勢如圖3所示；在17、25、30 節點接入儲能；各節點的有功功率和無功功率均按照圖3、圖4 所示的典型日負荷曲線變化。根據第一節提出的控制方式進行調度。

表1 分時電價

圖2 系統結構圖

圖3 光伏出力曲線

圖4 負荷曲線

2.2 場景構建

系統負荷較重且DG 接入比例較低時，配電網節點出現電壓越下限。各分布式資源接入位置不變，儲能最大充放電功率為480 kW，增大線路末端的負荷功率。本節以區域4 在17:00-22:00 時刻發生電壓越下限為例，利用內部儲能進行調度，以獲得最優經濟收益。

2.2.1 邊緣收益分析

區域4 內的儲能時序充放電情況如圖5 所示。

圖5 區域4 內的儲能時序充放電情況

表2 儲能調度參數

經過計算分析可得，當電壓越限最嚴重節點33的調節電壓Uad為0.975（標幺值）時，調節區域內的儲能利用率最大為100%，收益最大為2304 元。

圖6 不同儲能利用率對應收益

表3 不同調節電壓對應儲能利用率和收益

2.2.2 電壓分析

電壓局部分析。

選取電壓越限最嚴重的節點33 進行局部分析，33 節點各時刻電壓對比如圖7 所示。

圖7 節點33 電壓對比圖

從曲線變化趨勢來看，在負荷較重的17:00-22:00 時刻，節點出現電壓越下限情況，此時，通過儲能放電抬升電壓。圖7 顯示，在低電壓情況最為嚴重的20:00 時刻，經過本地控制后，33 節點電壓標幺值提升了4.24%，儲能參與控制的效果顯著，控制后33 節點在全周期內不存在電壓越下限時刻。

電壓全局分析。

控制前后電壓偏差計算結果如表4 所示。

表4 33 個節點的電壓總偏差

由表4 可以看出，儲能參與優化控制后，電壓優化效果明顯，電壓總偏差值分別由1.7611 下降至1.3682，電壓波動性降低。

全系統校驗分析。

為驗證邊緣控制方法對其他區域的影響，在優化控制以后對全系統的電壓越限情況進行校驗，如圖8 所示。

圖8 區域控制前后電壓對比

根據控制策略，在儲能充電時刻，節點電壓降低；在儲能放電時刻，節點電壓升高，電壓波動變小。全系統電壓最低為01:00 時刻節點33，電壓標幺值為0.95，未越電壓下限；全系統電壓最低為10:00 時刻節點17，電壓標幺值為1.03，未越電壓上限。

3 結論

本文利用據儲能在網絡中的分布和各節點間的電氣距離劃分區域，以分布式資源經濟效益最大為目標函數，以電壓不越限為約束，存在電壓越限節點的區域里的儲能按照低電價充電，高電價放電的原則運行。構建了單個區域電壓越下限的場景對本文所提方法進行仿真分析，得到了儲能利用率最大時的儲能運行狀態，并從經濟收益和電壓調節效果兩方面進行了綜合評估，著重分析了不同儲能利用率下的收益和電壓波動性，以及單個區域儲能動作后對其他區域電壓的影響。分布式儲能接入配電網，由于響應速度快，能快速提供功率支撐，且儲能在不同電價時刻充放電可過得經濟收益。因此本文利用分布式儲能解決電壓越限問題，并獲得經濟收益。可有效解決電壓越限問題，對儲能充放電時間和功率進行控制后，可獲得可觀的經濟收益，對促進農村電網建設和發展，加強農村電網可靠性，增加農民經濟收益具有積極意義。