峰谷電價下配電網中分布式儲能的容量配置

楊江濤，孫春順，楊 安，劉 佳

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410114；2.國網湖南省電力公司岳陽供電公司，湖南岳陽414000)

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峰谷電價下配電網中分布式儲能的容量配置

楊江濤1，孫春順1，楊 安2，劉 佳1

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410114；2.國網湖南省電力公司岳陽供電公司，湖南岳陽414000)

為了進一步提高電力系統的可靠性和經濟性，對配電網中儲能設備的容量進行合理配置。基于分布式儲能裝置的引入給配電系統帶來的影響，并考慮峰谷電價政策的影響，針對儲能裝置帶來的經濟效益分別從發(fā)電側、輸配電過程、降低網損、峰谷電價效益等各方面進行了經濟性上的量化；結合儲能裝置的自身成本，以年收益最大為目標建立了儲能裝置容量的優(yōu)化配置模型。最后考慮儲能裝置給系統潮流帶來的影響，在約束條件中加入節(jié)點電壓波動約束，通過對算例進行分析，得到了不同類型儲能設備的最優(yōu)容量配置。

峰谷電價；分布式儲能；配電網；容量配置

0 引言

隨著負荷的不斷增加，電力系統的負荷峰谷差也逐步擴大，為保證供電可靠性，電力系統需要從各個環(huán)節(jié)投入相應的設備來滿足短時需求，這樣使得設備利用率降低[1，2]。為了應對該問題，可以將儲能設備引入配電網中，通過控制儲能設備的充放/電狀態(tài)，能夠很好地對負荷進行削峰填谷，減少系統的旋轉備用容量，緩解系統增容改造的壓力，提高設備的利用率[3]。

配電網中引入儲能，能夠降低電網在發(fā)、輸、配電側建設投資，減少用戶停電損失，在當前峰谷電價政策下獲得電費效益[4]，但是儲能技術還不夠成熟，投資成本較高，因此，對儲能容量配置進行研究很有必要。目前對于容量配置研究，目標函數多為系統投資成本最小、年凈收益最大等；約束條件采用功率平衡約束、電池充/放電功率和電量約束，或者可靠性指標約束和削峰填谷比約束等；在模型求解中，應用較多的方法有序列二次規(guī)劃算法、遺傳算法、粒子群算法、禁忌搜索法[5～9]等各種智能算法。把儲能設備引入配電網中，會對系統的潮流分布產生一定影響，使得部分節(jié)點的電壓越限，而多數文獻在求解過程中并沒有對其進行深入的分析。

基于此，文章對于配電網中的分布式儲能系統容量配置進行了研究。文中首先分析了儲能設備在發(fā)電側、輸配電過程、降低線路損耗以及電價效益等帶來的經濟效益；然后結合儲能設備的成本，建立了容量配置模型；最后以系統經濟性最佳為目標，電壓波動率為約束條件，針對不同的儲能方式進行了容量配置。

1 配電網中分布式儲能的經濟效益

1.1 發(fā)電側效益

儲能裝置的引入可以很好地改變負荷峰谷時的裝機投入，在負荷低谷時，機組給儲能裝置充電而不必使機組退出運行；在負荷高峰時，儲能裝置投入運行給負荷供電，可以減少發(fā)電側機組的投入，在整個過程中，可以減少發(fā)電機組的起停狀態(tài)，減少設備投入，提高機組利用率，同時，也能提高線路的利用率。考慮不同變電站之間的錯峰效應，發(fā)電側的經濟效益可以表示成：

(1)

式中：M為儲能裝置的個數；μ為配電網間錯峰效應的系數；D為發(fā)電側單位備用容量投入；ηm表示第m個儲能裝置的放電效率；Prate_m表示第m個儲能裝置的額定功率。

1.2 輸配電過程效益

在電力系統運行過程中，配電網需要有一定的傳輸容量裕度來保證系統的可靠性。而配電系統的傳輸容量裕度定義為線路容量極限與系統高峰負荷之差。隨著負荷量的增加，相應的高峰負荷增加，從而使得系統裕度降低，而為了保證一定的可靠性，因此必須對配電系統增容改造。而儲能裝置的投入，可以通過在負荷低谷充電，在高峰放電來平緩峰谷差，降低線路在負荷高峰時的壓力，在一定程度上延緩配電系統增容改造的步伐。其帶來經濟效益可表示為：

(2)

1.3 降低網絡損耗效益

分布式儲能裝置的引入將明顯改變配電網的潮流分布，從而對于系統的網絡損耗產生一定的影響。在負荷低谷時，儲能裝置以負荷的形式接入系統，會增加線路損耗；在負荷高峰時，儲能裝置以電源形式接入系統，會減少線路損耗。假設儲能裝置的接入減少系統的線路損耗為ΔW，則有

(3)

考慮系統為降低單位線損投入資金為O，則儲能裝置帶來的效益R為：

(4)

1.4 電價效益

在目前峰谷電價的政策下，配電網中裝設的儲能設備，可以通過在電價低谷時，儲能設備充電，在電價高峰時，儲能裝置為系統供電，相應地獲得一定的電價效益。其電價情況如圖1。其收益可具體表示為：

(5)

式中：qj表示j時刻的電價。

圖1 某地區(qū)峰谷電價

2 儲能裝置的投入分析

儲能裝置的資金投入主要包括初始投資和后期維護投資。雖然對于不同的儲能方式，其工作效率、壽命、資金投入都不一樣，但是其成本的構成部分都是一致的。本文主要針對鉛酸電池儲能、鈉硫電池儲能、壓縮空氣儲能(Compressed Air Energy Storage, CAES)等幾種不同儲能方式進行分析[11]。其具體的特性參數如表1所示[5]。

2.1 初始投資

儲能裝置的初始投資Csys主要包括儲能設備的成本以及能量管理系統成本，具體可以表示為：

(6)

則平均年初始投資成本Ca_sys可表示為：

(7)

式中：CP為儲能單元單位功率成本；CE為儲能單元單位容量成本；Erate_m表示儲能裝置m的額定容量；Prate_m表示儲能裝置m的額定功率；l表示儲能系統的全壽命周期；e表示年利率。

表1 各儲能技術參數

2.2 后期維護投資

儲能設備投入運營后，每年都需要進行正常的維護運行和零件更換，其具體的投入資金Cafter可以表示為：

(8)

式中：Cw表示單位功率年維運成本。

3 配電網中分布式儲能的容量優(yōu)化模型

在配電網中增設儲能裝置，會增加系統的投資成本，但相應的儲能設備的投入會提高系統的性能，并帶來可觀的收益；儲能裝置的資金投入跟儲能裝置所配置的容量和其儲能形式有關，文中主要從整個系統的經濟性角度出發(fā)，針對不同類型的儲能形式建立了最優(yōu)容量配置的相關模型。

3.1 系統目標函數

通過上述的分析可知，系統的目標函數可由儲能裝置帶來的經濟效益和投資成本構成，其具體目標函數可表示為：

(9)

3.2 系統約束條件

有些重要負荷不能斷電，儲能裝置此時作為后備電源，必須滿足此類負荷的用電需求。故配網約束條件可表示為：

(10)

(11)

Pz為重要負荷的額定功率。

對于儲能系統的功率有一定的約束：

(12)

以便儲能系統能更好的進行削峰填谷，系統要保持當天的充放電量平衡

(13)

電壓波動約束：

(14)

式中：d為配電網節(jié)點的電壓波動率。下文介紹了d的計算方法。

3.3 電壓波動率

在配電網中，儲能設備既能做負荷，也能看作電源。在作負荷運行時，儲能設備可以看成PQ節(jié)點參與潮流計算；在作電源供電時，應看成PV節(jié)點參與潮流計算。而傳統的潮流計算方法不能計算含PV節(jié)點的網絡，因此必須將PV節(jié)點轉化成PQ節(jié)點參與潮流計算[10]。

對于PV節(jié)點，其潮流計算模型為：

(15)

式中：US、PS分別表示儲能裝置的電壓和有功功率輸出。

因為電力系統節(jié)點無功主要和電壓幅值有關；在P恒定不變的情況下，節(jié)點電壓隨無功的增大而增大，且對全網其他節(jié)點電壓有提升作用[12]。因此，可以根據PV節(jié)點電壓偏差(ΔU)修正無功功率，即

(16)

(17)

式中：t為迭代次數；ΔQ為無功修正量；X代表由節(jié)點阻抗矩陣中各元素的虛部所構成的矩陣，定義為P、V恒定時儲能設備的節(jié)點電抗矩陣。

從式(3)可以看出，儲能裝置的無功修正不僅與所在節(jié)點的電壓、電壓偏差有關，而且跟其他儲能裝置節(jié)點的電壓也有關系，它們通過節(jié)點電抗矩陣相互傳遞。

節(jié)點矩陣可以通過以下方法求取。設配電系統中儲能設備有M個，則節(jié)點電抗矩陣X為M×M的對稱方陣，其中的對角元素xzz為第z個儲能裝置的自電抗，其值等于從第z個儲能裝置到等效電壓源節(jié)點之間支路的電抗之和，而非對角元素為兩個儲能設備之間的互電抗，其值等于從兩個儲能裝置到等效電壓源節(jié)點之間共同支路的電抗之和。

潮流計算流程圖如圖2所示。在計算出各節(jié)點電壓后，配電網中各節(jié)點的電壓波動率d可以表示為：

(18)

式中：Ui、UN_i分別表示節(jié)點i的電壓和額定電壓。

圖2 潮流計算流程圖

4 實例分析

本文選取某地區(qū)含17節(jié)點的配電系統[4]，在其第2和12節(jié)點添加儲能裝置，如圖3所示。其典型日負荷曲線如圖4所示。

圖3 系統結構拓撲圖

圖4 典型日負荷曲線

通過模型求解可以得到兩個儲能裝置接入點在滿足電壓波動率約束條件下，各種不同類型的儲能方式所需配備的容量，如表2所示。

表2 不同類型儲能方式的容量配置

通過對比表2中的數據，可以看出在各個儲能接入點鈉硫電池所需的功率容量和能量容量都相對較低，而鉛酸電池所需的功率和能量容量相對較大，這說明在滿足相同的功率和能量需求條件下，儲能裝置的轉化效率越高，其所需的功率和容量就越小。

針對不同類型的儲能配置容量，通過計算可以分別得到其帶來的各方面收益及其成本。具體如圖5所示。

圖5 容量配置下各類型儲能方式的收益

從圖5可以看出各個儲能方式在發(fā)電側效益、輸配電過程收益、網損效益和電價效益方面所帶來整體效益相差不大，這說明儲能方式對系統的各部分收益沒有太大影響。但是從圖中看到各儲能方式在成本方面的投資相差巨大，這導致在不同的儲能方式下，系統的凈收益有很大的差別。從圖5中可以看出，鈉硫電池的收益很小，收益最大的是CAES，且遠遠高于鈉硫電池和鉛酸電池。這說明在保證相同的供電質量情況下，CAES的經濟性能最好，所帶來的收益比其他兩種儲能方式更加可觀；并且其年投入成本相對來說更低，同時其使用壽命更長，對環(huán)境更友好。因此，CAES相對來說，是一種很適應于接入電網削峰填谷的儲能方式。而鉛酸電池的收益雖然相對CAES來說稍低，但是考慮到其技術成熟度高，并且運行維護簡單，在特定情況下，也是一種相對較好的儲能方式。但對于鈉硫電池，從圖中可以看出，其投資成本太高，導致所得到的收益太小，在整個壽命周期內投資回報率很低；在目前的技術條件下，不適合用于配電網中。

從圖5可知，在分布式儲能所帶來的效益中，其中電價效益占整個儲能系統收益的絕大部分。而電價效益的構成主要是由峰谷電價來實現的。因此，以壓縮空氣儲能為例，分析了峰谷電價的相關系數比對系統電價效益的影響。具體如圖6，7所示。

圖6 峰谷電價差對電價效益的影響

從圖6中可以看出，峰谷電價差的大小對電價效益會產生一定的影響，特別是當峰谷電價差相對較小時，影響程度很明顯，但是隨著峰谷電價差的增大，其效果的明顯程度會越來越小，在其中某一個值時，效果達到最佳。從圖7可以看出，峰谷持續(xù)時間比對電價效益的影響比較明顯，特別是在峰谷持續(xù)時間比較小的時候，會對電價效益產生很大影響，此時的效益非常小，這是因為在峰谷時間比較小時，儲能系統放電的時間比較少，儲能的效益不能完全發(fā)揮出來；隨著其值的增大，儲能的效益愈發(fā)突顯出來，但是當其增大到一定程度時，儲能充電的時間就越少，但是充電功率不能過大，從而會降低電價效益。

圖7 峰谷電價持續(xù)時間對電價效益的影響

5 結論

文章以17節(jié)點系統為研究對象，對配電網中的分布式儲能設備進行了合理的容量配置研究。以系統收益最大為目標建立系統經濟性模型，結合配電網節(jié)點電壓波動約束，對不同儲能類型的容量配置進行了分析討論，主要結論如下：

(1)配網中引入儲能設備，可以給發(fā)電側、輸配電過程、降低網損、峰谷電價等各方面帶來一定的經濟效益，但是最顯著的效益是利用峰谷電價帶來的電費效益。

(2)通過分析不同類型儲能設備的容量配置情況，可知在滿足同樣的電力系統要求下，儲能設備的效率越大，所需配備的容量相應越小。

(3)峰谷電價時間比相對電價差來說，對電價效益產生的影響更大，在比例系數較小時，對電價效益影響很大，隨著比例系數的提升，影響逐漸減少，選擇合適的比例系數能夠很好地提高系統電價效益。

(4)算例分析表明，CAES相對于鈉硫電池和鉛酸電池這兩種儲能方式來說，帶來的效益更大，且其投資成本低，使用壽命長，是目前來說最適合用于配電網中的儲能方式。

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Capacity Configuration of Distribution Energy Storage in Distribution Network Under the Peak-valley Price

YANG Jiangtao1, SUN Chunshun1, YANG An2, LIU Jia1

(1.College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology; Changsha 410004,China; 2.State Grid Hunan Electric Power Company Yueyang Power Supply Company,Yueyang 414000，China)

In order to improve the reliability and economy of power system further, the capacity of energy storage device should be allocated with ration in the power distribution network.This paper analyzes the effect of the energy storage device on the power distribution system.On this basis, taking the influence of the peak valley price policy on the system into consideration, the benefits of the energy storage device to the system are analyzed, from the aspects of the power generation, transmission and distribution process, network loss reduce, peak valley price benefit and so on, and are quantified on the side of economy.Combined with the costs of the energy storage device, with the goal of maximizing the revenue, an optimal allocation model of energy storage device capacity is established.Finally, considering the effects of energy storage device to the system trend and adding node voltage fluctuation in constraint conditions, the optimal capacity configurations of different types of energy storage devices are obtained by the analysis of the proposed example.

peak-valley price; distribution energy storage; distribution network; capacity configuration

2016-07-12。

楊江濤(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行與控制、儲能技術的應用，E-mail:1542877808@qq.com。

TM715

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.003