面向電網(wǎng)運營提升的新型配電網(wǎng)儲能多目標(biāo)配置方法研究

項麗，康健，鄭偉，寧永龍，趙亮

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001）

0 引言

隨著我國碳達(dá)峰碳中和承諾的提出，全社會積極踐行新發(fā)展理念，全力服務(wù)清潔能源發(fā)展，加快推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費革命。2021年3月，我國提出了將在2035年完成構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，預(yù)計到2030年，我國風(fēng)光總裝機容量將超過1 200 GW，裝機占比突破50%，發(fā)電量占比將增長到25%以上；到2060年，風(fēng)光發(fā)電量占比預(yù)計進(jìn)一步提升到約60%。未來40年，大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等新能源，實現(xiàn)煤電從主體電源向保障電源的重大轉(zhuǎn)變，統(tǒng)籌發(fā)展與安全，保障電力持續(xù)可靠供應(yīng)，面臨前所未有的挑戰(zhàn)與變革[1]。在此背景下，配電網(wǎng)作為分布式電源的主要消納載體，面臨著分布式電源消納壓力加大，配電網(wǎng)峰谷差加劇，設(shè)備利用率降低，線損率提高等問題。儲能作為當(dāng)前電網(wǎng)削峰填谷的重要手段[2]，在其成本不斷下降的環(huán)境下，已經(jīng)初步具備在配電網(wǎng)中大規(guī)模應(yīng)用以提升電網(wǎng)運營效率的技術(shù)水平與經(jīng)濟(jì)性要求。因此，研究面向電網(wǎng)運營提升的新型配電網(wǎng)儲能的多目標(biāo)配置方法對配電網(wǎng)清潔、高效運營具有重要意義。

當(dāng)前，配電網(wǎng)中分布式儲能配置優(yōu)化涉及最優(yōu)容量確定和接入點網(wǎng)點優(yōu)化[3]兩方面。文獻(xiàn)[4]主要考慮降低電網(wǎng)電壓偏差，依據(jù)節(jié)點電壓對分布式儲能進(jìn)行選址決策。文獻(xiàn)[5]關(guān)注點主要在主網(wǎng)的分布式儲能優(yōu)化，針對性提出基于行政分區(qū)的廣域儲能優(yōu)化配置模型以解決棄風(fēng)棄光問題，以棄風(fēng)棄光成本及儲能投資最小為目標(biāo)配置儲能。文獻(xiàn)[6]著眼于大電網(wǎng)的儲能調(diào)峰問題，綜合考慮本地電源結(jié)構(gòu)與外送調(diào)節(jié)能力，確定儲能功率，進(jìn)而確定儲能選址并配置容量。文獻(xiàn)[7]以電網(wǎng)公司及相關(guān)方利益為出發(fā)點，以電網(wǎng)能耗的凈現(xiàn)值最小為目標(biāo)優(yōu)化儲能布點。文獻(xiàn)[8]考慮儲能在多目標(biāo)場景下的適應(yīng)能力，構(gòu)建半正定規(guī)劃模型求解儲能的運行策略。文獻(xiàn)[9]提出一種基于線路和變電設(shè)備兩階段潮流靈敏度搜索的分布式儲能接入點與定容優(yōu)化模型和采用遺傳算法優(yōu)化求解分布式儲能配置策略。已有各項研究大多以單目標(biāo)優(yōu)化為主，同時考慮配電網(wǎng)線損、設(shè)備利用率等層面的研究較少。

寧夏地區(qū)風(fēng)光資源豐富，清潔能源發(fā)展?jié)摿尤珖傲?，其配電網(wǎng)建設(shè)在注重精準(zhǔn)投資的前提下，將更注重清潔能源接入、清潔能源消納、配電網(wǎng)自身節(jié)能降損以及設(shè)備運行效率利用儲能系統(tǒng)提高配電網(wǎng)對新能源的接納能力以及配電網(wǎng)運行效率，成為寧夏配電網(wǎng)需要重點關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。

本文在綜合考慮儲能系統(tǒng)建設(shè)成本的基礎(chǔ)上，以配網(wǎng)清潔能源消納能力、配網(wǎng)網(wǎng)損和配網(wǎng)設(shè)備利用率為優(yōu)化目標(biāo)，以配網(wǎng)潮流、線損率、儲能運行狀態(tài)為約束條件，通過構(gòu)建基于遺傳算法的多目標(biāo)模型，提出了分布式儲能在配電網(wǎng)中的接入位置與接入容量最優(yōu)配置方法，并通過寧夏地區(qū)實際數(shù)據(jù)進(jìn)行實例計算，驗證本方法的優(yōu)化效果與實用性。

1 分布式儲能配置框架與配置流程

面向配電網(wǎng)變電及線路設(shè)備利用率提升的分布式儲能總體優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 分布式儲能配置框架與配置流程

首先，明確配電網(wǎng)分析區(qū)域，搜集當(dāng)前區(qū)域配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、變電站、線路參數(shù)、典型用戶負(fù)荷曲線、各類分布式電源典型日出力曲線、配電網(wǎng)線路負(fù)載率、線損率等運行數(shù)據(jù)、儲能設(shè)備單位功率、容量投資成本及運營成本、當(dāng)前區(qū)域配電網(wǎng)建設(shè)成本等具體參數(shù)，為優(yōu)化算法計算提供支撐。

隨后，構(gòu)建面向電網(wǎng)運營提升的新型配電網(wǎng)儲能多目標(biāo)配置方法模型，包括清潔能源消納、設(shè)備利用率、網(wǎng)損等優(yōu)化目標(biāo)；構(gòu)建基于配網(wǎng)潮流、網(wǎng)損約束、儲能運行約束的總體約束條件；提出基于配網(wǎng)直流潮流的遺傳算法優(yōu)化計算方法。

最后，依據(jù)優(yōu)化算法，計算分布式儲能優(yōu)化結(jié)果，包括儲能接入位置及接入容量，分析多目標(biāo)優(yōu)化效果，基于德爾菲法，采用加權(quán)方法計算綜合成效，分析優(yōu)化效果與經(jīng)濟(jì)性。

2 新型配電網(wǎng)分布式儲能優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)設(shè)置

在本研究中，主要考慮在配電網(wǎng)投資情況相對固定的前提下，考慮在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)劃分布式儲能，綜合考慮儲能建設(shè)與運營成本對配電網(wǎng)在長周期下的運營水平（設(shè)備利用率提升以及線損降低）的提升程度和分布式電源消納提升程度，模型為

式中：ΔDG和ΔEloss為分布式電源發(fā)電增長量絕對值和區(qū)域配電網(wǎng)線損電量下降絕對值；ηGrid和ηi分別為區(qū)域配電網(wǎng)平均負(fù)載率和節(jié)點i負(fù)載率；CGrid為當(dāng)前區(qū)域配電網(wǎng)固定投資總額；CESS,i為第i個儲能設(shè)備的建設(shè)成本；Cope,i為第i個儲能設(shè)備的運營成本；Copea為儲能設(shè)備單位運營成本，Erat,i為第i個儲能設(shè)備容量；Nt,i為第i個儲能的年充放電次數(shù)，Nday為總小時數(shù)，CESSr為單位儲能投資成本。

在最優(yōu)解搜索優(yōu)化過程中，為提高搜索優(yōu)化效率，首先依據(jù)當(dāng)前配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)潮流計算結(jié)果，尋找配電網(wǎng)重過載、輕載節(jié)點，依據(jù)重過載、輕載程度進(jìn)行排序，優(yōu)先選擇在全天一定時長內(nèi)（t小時）具備局部重過載、輕載特征的線路或變電設(shè)備作為待搜索的目標(biāo)設(shè)備。為簡化計算，在潮流計算中選用直流潮流進(jìn)行計算。

2.2 約束條件

目標(biāo)約束條件包括電網(wǎng)潮流約束、儲能系統(tǒng)運行約束，同時，儲能的運行策略、網(wǎng)損程度與負(fù)荷曲線呈現(xiàn)明顯相關(guān)性，因此儲能運行策略也是約束條件之一。

在潮流約束方面，應(yīng)遵循有功、無功約束，即注入單一節(jié)點有功、無功功率應(yīng)與當(dāng)前線路參數(shù)、電壓電流匹配；電壓幅值根據(jù)《電能質(zhì)量：供電電壓偏差》[10]規(guī)定，“20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%”；同時，線路視在功率也不應(yīng)超過線路載流量要求的容量。

在線損約束方面，根據(jù)現(xiàn)有管理經(jīng)驗，線損率不應(yīng)大于6%，同時也不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)損線路。

在儲能約束方面，儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）應(yīng)在0～100%之間，且儲能電池當(dāng)前剩余電量百分比不能突變。由于本文對充電、放電采用兩個單獨參數(shù)進(jìn)行表述，因此，兩個參數(shù)也不應(yīng)存在沖突，即，單一儲能不能同時充電放電。

2.2.1 配電網(wǎng)潮流約束

在配電網(wǎng)潮流約束方面，約束條件主要為有功、無功以及線路功率上下限約束，其具體約束內(nèi)容如式（6）至式（11）所示：

式中：Pl,i為第i個節(jié)點的注入的有功功率數(shù)值；Ui為第i個節(jié)點的電壓幅值數(shù)值；Umax為系統(tǒng)所設(shè)定的電壓幅值上限（本文設(shè)定為1.07 p.u.）；Umin為電壓幅值下限（本文設(shè)定為0.95 p.u.）；θij為節(jié)點i、j之間電壓的相角差；gij為第ij個支路的電導(dǎo)數(shù)值；bij為第ij個支路的電納數(shù)值；Piload為第i個節(jié)點的有功功率，恒定為正值；PiDESS為第i個節(jié)點的分布式儲能（distributed energy storage system，DESS）充放電功率，儲能充電時為負(fù)值，儲能放電時為正值；Uj為第j個節(jié)點的電壓幅值數(shù)值；PiDG為節(jié)點i的分布式電源出力，恒為正值；Qtot,i為第i個節(jié)點所注入無功功率凈值，僅包含負(fù)荷數(shù)值；Qlioad為第i個節(jié)點的無功負(fù)荷，與注入的無功功率相等；Sij為第ij支路的視在功率數(shù)值；Sij,min為支路ij的視在功率傳輸容量下限；Sij,max為支路ij的視在功率傳輸容量上限；δ為線路重過載約束倍率系數(shù)。

2.2.2 配電網(wǎng)網(wǎng)損約束

本文主要目標(biāo)為在現(xiàn)狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電力負(fù)荷特性、分布式發(fā)電出力特性基本確定的前提下，通過增加儲能系統(tǒng)以降低配電網(wǎng)網(wǎng)損（網(wǎng)損由直流潮流計算），在滿足區(qū)域網(wǎng)損降低的同時，不應(yīng)出現(xiàn)高負(fù)損線路：

式中：Eloss,i和Ep,i為i節(jié)點在計算周期內(nèi)的線損電量和用電量為線損率上限。

2.2.3 儲能系統(tǒng)運行約束

儲能系統(tǒng)運行應(yīng)考慮儲能自身荷電狀態(tài)、全壽命周期充放電次數(shù)約束以及儲能系統(tǒng)首末次充放電狀態(tài)的一致性，即當(dāng)前儲能充電時的SOC即為上次儲能放電后的SOC，具體公式如式（13）至式（19）所示：

式中:Kpc,i(t)表示為t時刻儲能設(shè)備i的充放電狀態(tài)的狄氏函數(shù)，設(shè)充電狀態(tài)為1，不充電狀態(tài)為0；Kpd,i(t)表示為t時刻儲能設(shè)備i的充放電狀態(tài)的狄氏函數(shù)，設(shè)放電狀態(tài)為1，不放電狀態(tài)為0；Δt為計算時間段；SOC,i(t)為儲能設(shè)備i在t時刻的SOC值（0～100%）；Ecap,i(t)為儲能設(shè)備i在t時刻的儲電量；Erat,i為儲能設(shè)備i的額定容量；Ppc,i(t)為儲能設(shè)備i在t時刻的充電功率；Ppd,i(t)為儲能設(shè)備i在t時刻的放電功率；ηc、ηd分別為充電、放電效率。

2.3 算法求解方法與流程

優(yōu)化模型求解流程如圖2所示。

圖2 儲能多目標(biāo)配置策略算法求解流程

面向電網(wǎng)運營提升的新型配電網(wǎng)儲能多目標(biāo)配置策略研究包含的網(wǎng)損、分布式電源消納及設(shè)備利用率三個目標(biāo)（式（1）至式（3）），本研究中采用德爾菲法[10]，依據(jù)地區(qū)自然資源、設(shè)備利用水平以及亟待提升的指標(biāo)情況，綜合采納多位電力專家意見，獲取各項目標(biāo)權(quán)重的修剪平均值，最終確定目標(biāo)權(quán)重。配電網(wǎng)側(cè)的DESS 優(yōu)化配置模型以多目標(biāo)綜合得分最大為目標(biāo)值，采用遺傳算法[11]在網(wǎng)絡(luò)待選節(jié)點優(yōu)化決策配置。

3 算例分析

3.1 算例選擇與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文選取西北地區(qū)某縣級中心城區(qū)為典型算例，本區(qū)域現(xiàn)有110 kV 變電站2 座，無35 kV 變電站，10 kV饋線12條，基于饋線互聯(lián)關(guān)系的配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)饋線聯(lián)絡(luò)關(guān)系

本文所選擇節(jié)點為10 kV 主干線路各分段中點，為簡化計算，各負(fù)荷、分布式電源節(jié)點同為各分段中點。

算例中，S1站，主變?nèi)萘繛?0+40 MVA，10 kV母線2 條，饋線8 條，為18 個分段，配電變壓器共112 臺；S2 站，主變?nèi)萘繛?0 MVA，10 kV 母線1條，饋線4條，為10個分段，配電變壓器共149臺。

該區(qū)域總體負(fù)荷曲線如圖4所示。

圖4 算例區(qū)域負(fù)荷情況

算例地區(qū)負(fù)荷以工商業(yè)和部分工業(yè)為主，整體負(fù)荷曲線呈現(xiàn)兩峰兩谷特性，典型日的全天最大負(fù)荷出現(xiàn)在18：25，當(dāng)前該區(qū)域分布式光伏接入量較少，后期隨著分布式光伏接入的激增，區(qū)域負(fù)荷“鴨子曲線”特性將逐漸凸顯，削峰填谷壓力將明顯增大，因此，在此時規(guī)劃分布式儲能以抑制后續(xù)光伏接入與峰谷差自然增長的問題具有重要意義。本算例中，各節(jié)點負(fù)載率與線損率如圖5所示。

圖5 各節(jié)點負(fù)載率與線損率

在全部20 個節(jié)點中，輕載線路共計3 個，重載線路2 個，無過載節(jié)點，區(qū)域線路運行情況一般；其中，1、7、9、14、17、20 號節(jié)點分別接入分布式光伏25 kWp、600 kWp、180 kWp、240 kWp、200 kWp、300 kWp、400 kWp，分布式光伏的加入在一定程度上降低了本地區(qū)線路重載情況，也改善了部分線路線損率，但由于部分線路接入容量較大，導(dǎo)致線路出現(xiàn)輕載等問題。由于線路輕載，配電系統(tǒng)中鐵損占比增高，部分線路線損率反而呈現(xiàn)上升趨勢。

在權(quán)重方面，結(jié)合本地分布式發(fā)電接入率、輕重載待解決緊迫性以及線損超標(biāo)情況，本算例中f1、f2、f3即風(fēng)光發(fā)電增長率、設(shè)備利用率合理、網(wǎng)損降低率三項目標(biāo)的權(quán)重分別為0.2、0.4、0.4，最終完成總體優(yōu)化目標(biāo)的構(gòu)建。

算例區(qū)域內(nèi)，所有10 kV 饋線如線路容量、聯(lián)絡(luò)、分段情況等如表1所示。本次算例選取的其他參數(shù)如最大電力負(fù)荷、變電站容量以及相關(guān)財務(wù)參數(shù)如表2所示。

表1 算例區(qū)域饋線參數(shù)

表2 算例其他相關(guān)參數(shù)

3.2 算例結(jié)果分析

在本算例中，由于初始值基于線路初始潮流并選取薄弱點配置初代方案，因此迭代次數(shù)較少，經(jīng)過34次迭代，算例結(jié)果滿足收斂要求，最終決策分別在1、3、5、8、9、10、16、18 節(jié)點配置儲能系統(tǒng)，配置方案如表3所示。

表3 基于遺傳算法的分布式儲能優(yōu)化配置結(jié)果

分布式電源發(fā)電量提升效果如圖6所示，由于本地分布式光伏接入量較低，分布式光伏滲透率僅為3.9%，因此算例區(qū)域配電網(wǎng)對分布式光伏的消納水平較高，幾乎為全額消納，僅部分單點接入量較大光伏在負(fù)荷低谷期間存在有功功率返送，分布式光伏無法就地消納等問題。分布式儲能的加入對優(yōu)化分布式光伏接入?yún)^(qū)域有功平衡起到了正向效果。

圖6 分布式電源就地消納電量提升效果

分布式儲能接入后，配電網(wǎng)主要節(jié)點線損優(yōu)化情況如圖7所示，當(dāng)前算例配電網(wǎng)由于裝備水平相對較低，配電系統(tǒng)線損率較高，分布式儲能加入后，各主要節(jié)點線損率下降均較明顯，其中最大下降幅度為2.1 個百分點，縣域城區(qū)網(wǎng)絡(luò)總體線損率由3.57%下降到了2.94%，分布式儲能的接入明顯降低了當(dāng)前配電網(wǎng)的總體線損率。

圖7 配電網(wǎng)線損優(yōu)化效果分析

分布式儲能介入后，配電網(wǎng)設(shè)備利用率提升情況如圖8所示，依據(jù)式（2），本地配電網(wǎng)目標(biāo)值負(fù)載率為58%，各條線路負(fù)載率均向目標(biāo)值漸進(jìn)，優(yōu)化后，本地線路無輕載、重過載情況，儲能優(yōu)化效果明顯。

圖8 配電網(wǎng)設(shè)備利用率優(yōu)化效果分析

4 結(jié)論

配置分布式儲能優(yōu)化配置逐漸成為配電網(wǎng)規(guī)劃的一部分，本文以配電網(wǎng)優(yōu)化運行和清潔能源就地消納為目標(biāo)，通過構(gòu)建優(yōu)化模型、約束條件及求解算法的面向電網(wǎng)運營提升的新型配電網(wǎng)儲能多目標(biāo)配置全流程方法，提出一種解決分布式光伏波動帶來的線損與設(shè)備利用率等相關(guān)指標(biāo)惡化問題的解決方法，同時優(yōu)化了分布式電源就地消納水平。研究結(jié)果以及算例分析表明：

1）合理配置分布式儲能，對于提升配電網(wǎng)總體設(shè)備利用率、降低配電網(wǎng)線損有著較為明顯的效果，本研究算例中，分布式光伏利用率評價提升4.7%，線路負(fù)載率平均優(yōu)化12.65 個百分點，各條接入線路線損率大幅下降24%，證明分布式儲能可高效解決分布式電源接入帶來的不確定等問題，同時分布式儲能在配電網(wǎng)接入中具備一定的經(jīng)濟(jì)性，未來儲能價格持續(xù)降低后，分布式儲能相對于配電網(wǎng)擴容，將逐漸具備經(jīng)濟(jì)可比性。

2）分布式儲能對于提高分布式電源就地消納能力，降低分布式電源棄風(fēng)棄光率等方面有著明顯效果，對于分布式電源滲透率較低的區(qū)域，可將優(yōu)化重心（即指標(biāo)權(quán)重）傾向于提高配電網(wǎng)運營水平方面。