基于電池儲能和柔性直流的城市配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略

張 偉，朱 釗，許浩偉，付守賽

（1.國網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000；2.國網(wǎng)河南能源互聯(lián)網(wǎng)電力設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

配電網(wǎng)改造可以在不增加其他投入的情況下，僅調(diào)整聯(lián)絡(luò)開關(guān)或分段切換組合狀態(tài)來降低電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)載，提高輸送電能的質(zhì)量[1]。為了深化配電網(wǎng)的建設(shè)與生產(chǎn)工作，可以使用柔性直流輸電技術(shù)，其具有雙向功率、有功控制、無功補(bǔ)償以及易于擴(kuò)展成多端直流系統(tǒng)等優(yōu)勢。我國傳統(tǒng)的大中型城市配電網(wǎng)建設(shè)工程中，一般都是采用交流母線作為中壓配電線路。在傳輸直流負(fù)載電能時，通常采用變壓器將前端反饋電壓降為較低的交流電源，經(jīng)過交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）轉(zhuǎn)換，即可將其轉(zhuǎn)換成低電壓直流。在柔性輸電技術(shù)迅速發(fā)展的當(dāng)下，中壓配電網(wǎng)也可以使用母線傳輸電能，母線電壓可以通過AC/DC轉(zhuǎn)換為高壓交流電或者通過直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）轉(zhuǎn)換為城市居民用戶供電。隨著配網(wǎng)用戶端負(fù)荷的不斷增大，電力系統(tǒng)的峰值負(fù)荷將會顯著提高，配電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行受到極大影響[2]。在高峰負(fù)荷期間，電力系統(tǒng)的供電可靠性不能滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行需求。因此，需要根據(jù)實(shí)際需求合理設(shè)計(jì)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，通過需求側(cè)響應(yīng)提升電力系統(tǒng)的調(diào)度與運(yùn)營水平。

1 建立城市配電網(wǎng)需求響應(yīng)模型

為了滿足城市配電網(wǎng)在運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)調(diào)度需求，需要根據(jù)相關(guān)工作的具體需求建立城市配電網(wǎng)需求響應(yīng)模型。將電價波動值作為參照，根據(jù)電價的需求響應(yīng)，劃分電價在不同時段下的峰值與谷值，從而引導(dǎo)用戶合理、安全用電[3]。通過此種方式，在一定程度上改善電網(wǎng)負(fù)荷現(xiàn)象，提高供電服務(wù)過程的安全性。在電價峰值與谷值階段，將電負(fù)荷中的電價彈性系數(shù)作為基礎(chǔ)，通過建立電價彈性矩陣，初步調(diào)整電力調(diào)度過程[4]。電價的彈性系數(shù)計(jì)算公式為

式中：ε表示電價彈性系數(shù)；ΔD表示供電服務(wù)過程中的電能改變量；D表示城市配電網(wǎng)供電需求量；c表示電價；Δc表示城市配電網(wǎng)供電服務(wù)中的電價改變量。在掌握電價峰值與谷值后，可以根據(jù)電力需求變化情況，求出各用戶在峰谷分時電價下的用電負(fù)荷變化曲線。在此基礎(chǔ)上，考慮到用戶需求反映模式能大致反映出終端配電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際狀況，但未考慮到城市配電網(wǎng)在一定時間內(nèi)無法隨意調(diào)節(jié)用戶負(fù)載，因此可以認(rèn)為在這一時段內(nèi)城市配電網(wǎng)的負(fù)荷是固定的，也是最大的。以此為依據(jù)，建立城市配電網(wǎng)需求響應(yīng)模型，根據(jù)響應(yīng)側(cè)需求調(diào)整響應(yīng)模型參數(shù)，即

式中：L(t)*表示需求響應(yīng)t時刻后，城市配電網(wǎng)的供電服務(wù)電能修正數(shù)值；L(t)b表示配電網(wǎng)運(yùn)行t時刻后，對應(yīng)時段的用戶用電固定負(fù)荷值；L(t)表示城市配電網(wǎng)運(yùn)行額定容量；L(t)max表示城市配電網(wǎng)運(yùn)行最大負(fù)荷值。按照上述方式，完成城市配電網(wǎng)需求響應(yīng)模型構(gòu)建。

2 基于電池儲能和柔性直流設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)配電網(wǎng)運(yùn)行中電池儲能的充電與放電方式，結(jié)合柔性直流配電網(wǎng)的作業(yè)模式，設(shè)計(jì)對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)。明確在輸電、配電分開的電力市場中，電力企業(yè)要從輸電網(wǎng)購買電能，而輸電網(wǎng)和輸配電公司的交易價格是實(shí)時變動的，因此要將安排存儲裝置作為前提條件，降低供電企業(yè)從電網(wǎng)購買電能的成本[5]。為滿足以安全為基礎(chǔ)的變流器與儲能系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，將可調(diào)度的分布式電源和負(fù)載控制納入研究范圍，將其作為電力系統(tǒng)的主要運(yùn)營成本。在設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)時，采用峰谷電價差法和柔性直流系統(tǒng)優(yōu)化電力系統(tǒng)供電服務(wù)模式，使配電網(wǎng)的電力采購成本達(dá)到最低。經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為

式中：p表示電力企業(yè)在配電公司購買電能時需要支出的單價成本；Pt,g表示對應(yīng)時段g中配電網(wǎng)的供電功率值；t表示用時；i表示時段，將24 h劃分為96個時段，每個時段為15 min。為了確保設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)滿足需求，提出3個約束條件：一是交直流電力系統(tǒng)的潮流限制條件，即配電網(wǎng)絡(luò)中的直流輸電功率不應(yīng)超出限制；二是交直流電力系統(tǒng)的安全限制條件，即節(jié)點(diǎn)電壓不能越界，柔性直流設(shè)備的轉(zhuǎn)換功率不能超出限制，無功補(bǔ)償容量不能超出限制；三是能量儲存系統(tǒng)的操作限制條件，即電池儲能設(shè)備的充放電次數(shù)等不能超過限制。

3 調(diào)度過程中的PI控制

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度過程中的PI控制。柔性直流配電系統(tǒng)中，能夠調(diào)整有功功率的主要有分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及連接不同網(wǎng)絡(luò)的換流器。控制過程中，根據(jù)PI理論，通過調(diào)節(jié)全網(wǎng)的調(diào)度功率，根據(jù)經(jīng)濟(jì)系數(shù)和反應(yīng)速率系數(shù)對各目標(biāo)執(zhí)行分配，從而降低調(diào)度指標(biāo)經(jīng)濟(jì)支出，保證電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益的穩(wěn)定性。調(diào)度控制的積分增益值K為

式中：G表示調(diào)度控制的比例增益值；U表示部分積分電壓值。在此基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)調(diào)度過程的優(yōu)化，需要提高總功率分配的合理性，保證各個節(jié)點(diǎn)之間的有功調(diào)度。根據(jù)可調(diào)節(jié)的有功節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)計(jì)PI控制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度過程中的PI控制，完成配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度過程的全面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 對比實(shí)驗(yàn)

完成上述設(shè)計(jì)后，以某城市大型居民配電服務(wù)中心為例設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)所提方法的可靠性。實(shí)驗(yàn)前，建立針對該地區(qū)的柔性直流配電網(wǎng)對外供電服務(wù)拓?fù)洌鐖D1所示。

圖1 柔性直流配電網(wǎng)對外供電服務(wù)拓?fù)?/p>

圖1中，節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)30為30個配電網(wǎng)輸電節(jié)點(diǎn)。掌握配電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，如表1所示。

表1 配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)

完成上述內(nèi)容的設(shè)計(jì)后，制定配電網(wǎng)在運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。建立城市配電網(wǎng)需求響應(yīng)模型，將電池儲能性能作為參照，利用電力市場電價的波動設(shè)計(jì)電池儲能與充電過程。例如，在常規(guī)供電條件下，每天的00:00—06:00為購電價最低的時段，在此時段內(nèi)對電池進(jìn)行儲能與充電；用電高峰時段也是購電價最高的時段，在此時段設(shè)計(jì)儲能電池的放電與供電服務(wù)過程。利用峰谷電價差，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)在市場運(yùn)營中的盈利。通過此種方式，建立配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件設(shè)計(jì)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)的約束條件。通過對經(jīng)濟(jì)調(diào)度過程中的IP控制，發(fā)揮經(jīng)濟(jì)調(diào)度的最高價值，從而降低電力企業(yè)在供電服務(wù)中的支出與成本。

在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)基于新能源消納的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法與基于需求響應(yīng)不確定性的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，作為傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2。通過調(diào)度城市配電網(wǎng)運(yùn)行，將某時段下3種方法調(diào)度后的企業(yè)供電服務(wù)支出作為評價指標(biāo)，檢驗(yàn)3種調(diào)度方法的經(jīng)濟(jì)效益。不同調(diào)度方法的經(jīng)濟(jì)效益對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 調(diào)度方法的經(jīng)濟(jì)效益對比

從圖2可以看出，在相同的供電條件下，本文設(shè)計(jì)的方法可以有效降低供電支出成本，從而提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營水平，保證電力企業(yè)公司在市場內(nèi)具有較高的經(jīng)濟(jì)收益。

5 結(jié) 論

配電網(wǎng)絡(luò)是連接電能生產(chǎn)到使用的紐帶，其安全性和運(yùn)行水平對于電力企業(yè)發(fā)展而言十分重要。為了在城市建設(shè)與發(fā)展中發(fā)揮配電網(wǎng)的價值，根據(jù)配電網(wǎng)運(yùn)行中的電池儲能方式，結(jié)合柔性直流配電網(wǎng)在運(yùn)行中響應(yīng)側(cè)的需求，設(shè)計(jì)針對城市配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。從建立城市配電網(wǎng)需求響應(yīng)模型、設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)、調(diào)度過程中的PI控制3個方面展開研究，優(yōu)化城市供電服務(wù)結(jié)構(gòu)與綜合模式。