配電網儲能設備運行策略與容量的協調優化

張 楊，陶生虎，張笑波，鄭東風，陳洲奕

（國網甘肅省電力公司定西供電公司，甘肅 定西 743000）

儲能系統主要用于提高分布式電源與配電網的互動能力。分布式電源是指接入配電網的可再生能源發電設備，是配電網中的重要組成部分，具有隨機性、波動性和間歇性等特點[1]。分布式電源與配電網互動時，分布式電源的接入會影響配電網運行特性，使配電網原有的安全穩定運行能力減弱。儲能系統可以根據需要進行充放電控制，有效平抑分布式電源并網引起的電壓波動，提高配電網對分布式電源的接納能力。儲能系統在配電網中的作用主要表現為：一是作為負荷用電的備用電源；二是作為調頻、調壓設備；三是作為需求側響應的調節設備；四是用于降低網絡損耗。

1 儲能系統在配電網中的應用形式

從應用形式上來看，儲能系統在配電網中有兩種應用形式：一種是在微網層面上應用；另一種是在配電網層面上應用[2]。在微網層面上應用的儲能系統，通常采用壓縮空氣儲能(CAS)、飛輪儲能(BCCS)、抽水蓄能(PL)和蓄電池儲能等類型的電池進行能量存儲。在配電網層面上應用的儲能系統，通常采用鋰離子電池、鈉硫電池和超級電容等類型的電池進行能量存儲。目前，配電網中采用較多的儲能系統是鋰離子電池和鈉硫電池等。鋰離子電池具有較高能量密度、快速充放電能力和長壽命等特點，但存在壽命短、對環境要求高等問題；鈉硫電池具有較高功率密度和長壽命等優點，但存在充放電功率大、能量密度低等問題；超級電容具有功率密度高、充放電速度快、環境適應性強等優點，但存在充電時間長、充電功率小等問題。

2 配電網儲能設備運行策略

在實際的配電網中，通常由多個可再生能源發電單元或分布式電源接入配電網的不同位置，因此，需要在考慮配電網儲能設備投資成本的同時，在一定程度上滿足其對可再生能源發電單元或分布式電源接入后對配電網負荷的調控需求，這就需要綜合考慮配電網中不同位置的儲能設備，采取不同的運行策略。

2.1 基于能量回收的運行策略

能量回收是指將系統中產生的剩余能量進行收集和利用，在一些特定的應用場景中，儲能設備可以通過回收系統中的余熱、余電等能量，實現能量的再利用，提高系統的能效[3]。

2.2 基于電池管理系統的運行策略

電池管理系統通過對電池的各項參數進行實時監測和調整，以實現最優能量利用和電網支持[4]。首先，電池管理系統能夠實時監測電池的電壓、電流、溫度等參數，并記錄電池的充放電狀態和健康狀況。這些數據可以幫助系統了解電池的性能和狀態，為后續的充放電控制提供依據。其次，根據電池的狀態和系統需求，電池管理系統可以合理調度電池的充放電功率。在充電時，管理系統可以根據電池的充電速率和充電時間進行控制，避免過充或過熱的情況發生。在放電時，管理系統可以根據系統的需求和電池的健康狀況來調整放電功率，避免電池過度使用或損壞。再次，電池管理系統還可以根據電網的需求和系統的負載情況，合理調度電池的充放電時機和功率，實現能量的高效利用和平衡。這有助于提高系統的可靠性和穩定性，并降低運行成本。另外，電池管理系統能夠對電池進行故障診斷，及時發現并處理電池故障或異常情況，可以檢測到電池的電量不足、過充、過放等問題，并及時采取措施進行處理，以保障系統的正常運行。

2.3 基于最大功率點追蹤的運行策略

在配電網儲能設備控制階段，當可再生能源發電單元輸出功率大于其接入點處配電網負荷時，通過對可再生能源發電單元輸出進行最大功率點追蹤，使其能夠向配電網提供足夠的功率；當可再生能源發電單元輸出功率小于其接入點處配電網負荷時，通過對儲能設備進行充電處理，以保證可再生能源發電單元能夠向配電網提供足夠的功率；當可再生能源發電單元輸出功率小于其接入點處配電網負荷時，通過對儲能設備進行放電處理，以保證可再生能源發電單元能夠向配電網提供足夠的功率；當可再生能源發電單元輸出功率大于其接入點處配電網負荷時，通過對儲能設備進行充電處理，以保證儲能設備能夠向配電網提供足夠的功率；當儲能設備所處位置處沒有足夠的負荷容量時，應將其接入配電網中[5]。

2.4 基于能量管理系統的運行策略

基于能量管理系統的控制策略是通過集中管理多種儲能技術，以實現能量的高效利用和平衡。首先，能量管理系統可以根據系統的需求，將多余的能量存儲在儲能設備中，并在需要時將能量釋放出來。這種存儲和釋放的過程有助于平衡系統的負荷，提高能源的利用效率[6]。其次，能量管理系統可以根據系統的需求和能源供應的情況，優化能源的利用方式。例如，在夜間電網需求較低時，管理系統可以將儲能設備中的電能進行回收和儲存，以供白天高峰時使用。這種方式有助于減少能源的浪費和節約成本。再次，能量管理系統可以實時監測儲能設備的使用情況和性能，并在必要時為系統提供可靠的能源供應。例如，在電網故障或其他緊急情況下，管理系統可以利用儲能設備中的電能繼續為系統供電，以保證系統的正常運行。另外，能量管理系統需要龐大的數據分析和處理能力，以實現能量的高效利用和平衡。這需要系統具備高效的數據處理能力和智能化的決策支持系統，以支持系統的正常運行和管理。

2.5 基于預測模型的運行策略

預測模型是儲能設備運行策略中常見的一種方法，通過對負載需求、能量供應和儲能設備狀態的預測，可以提前做出充放電策略的決策，以實現能量的平衡和優化。預測模型可以根據歷史數據和實時監測數據，利用統計學法和機器學習等方法建立，并根據實際情況進行優化。

3 配電網儲能設備容量的協調優化

3.1 儲能設備容量與可再生能源發電優化

由于可再生能源發電具有不確定性，在并網后，會對電網產生影響，儲能設備的容量由其所處的運行狀態決定[7]。在配電網中，可再生能源發電和負荷之間存在著能量交換，如果儲能設備能夠在滿足可再生能源發電出力的前提下，保證負荷在較長時間內保持穩定，那么其所配備的儲能容量就可以得到有效利用。然而，實際配電網中由于大量可再生能源的接入，可再生能源出力具有較大的波動性和隨機性。對于電網來說，需要考慮未來負荷變化情況對配電網運行的影響以及未來電力市場的相關規定，研究如何根據負荷預測和可再生能源出力預測進行合理規劃配置儲能設備容量。

3.2 儲能設備容量與配電網負荷優化

配電網中，負荷特性一般為尖峰負荷、高峰負荷、低谷負荷三種。在某些區域，峰谷差較大，則可以利用峰谷差發電。例如，在用電高峰時刻(例如晚高峰)，利用峰谷差發電，可降低上網電價，實現節能減排的目的。但如果要充分發揮儲能設備的作用，還需要考慮在高峰時段儲能設備需要吸收大量的電能而在低谷時段釋放的電能對電網的影響。

配電網中存在著大量的負荷特性為峰谷差較大的用戶，而且這些用戶占了整個配電網負荷比例的80%以上[8]。對于這類用戶來說，在低谷時段用電將對電網具有較大影響。為解決該問題，可引入儲能設備來消納低谷時段用戶的電能，并在其高峰時段釋放電能以降低網損。因此，如果要充分發揮儲能設備在配電網中的作用，就需要充分考慮這類用戶對電能的需求規律和需求時間。

居民用戶其用電規律為峰谷差較大。由于居民用電時間通常為晚高峰用電時間較早、早高峰用電時間較晚(即下班時間)、高峰時段用電時間相對固定等特點，因此在這類用戶中采用儲能設備消納其低谷時段電能是可行的。

由于工業企業通常具有白天負荷小、夜間負荷大、用電時間相對固定等特點。在這類用戶中采用儲能設備消納其低谷時段電能可以有效解決用電成本問題。而商業企業用戶由于其白天和夜間的用電特性與居民不同，因此需要采用儲能設備消納其高峰時段電能。

4 總結

儲能系統在配電網中的應用越來越廣泛，對配電網的安全、經濟運行有著重要影響。為提升儲能系統運行效率，保證儲能系統安全、穩定、經濟運行，開展配電網儲能設備運行策略與容量的協調優化研究，對于推動儲能科學的發展具有重要的意義。在以后的研究中，需要進一步根據實際情況優化儲能容量，確保投資成本低，投入產出比高，能量利用效率高。