廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃

曹新慧，車勇，司政，開賽江，周專，袁鐵江

(1.國網新疆電力有限公司經濟技術研究院 新疆 烏魯木齊，830000；2.國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊，830000；3.大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連，116023)

0 引言

風電裝機容量的大幅提高使大規(guī)模風電并網電力系統(tǒng)面臨風電消納能力不足、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行受阻等問題[1-2]，儲能特有的功率控制和能量吞吐能力為上述問題提供了解決途徑[3-4]。系統(tǒng)運行性能受儲能定容及選址規(guī)劃影響，目前國內外學者多聚焦于儲能定容規(guī)劃研究。文獻[5]基于不平衡功率離散型傅立葉變換分斷點的分斷原則，完成孤島型微網儲能容量優(yōu)化配置。文獻[6]通過風電場輸出功率偏差頻譜分析，最終確定儲能系統(tǒng)容量和儲能補償后的系統(tǒng)備用需求。文獻[7]研究了風光儲系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置。文獻[5-7]分別將電源與負荷統(tǒng)一等效為單個節(jié)點，雖通過儲能容量優(yōu)化配置抑制了新能源出力波動，實現了系統(tǒng)功率平衡，卻忽視了系統(tǒng)網架的影響，未將儲能選址規(guī)劃考慮在內。儲能選址方案會通過線路潮流約束等因素影響系統(tǒng)新能源輸送能力，進而導致儲能實際效益發(fā)揮程度受限，造成儲能資源浪費。

文獻[8-9]針對儲能定容與選址規(guī)劃展開了研究，采用解析法進行模型求解。文獻[8]同時計及有功功率與無功功率影響，基于改進系統(tǒng)阻抗矩陣對電池儲能電站優(yōu)化選址與容量配置方案進行仿真計算。文獻[9]通過系統(tǒng)矩陣特征值、靈敏度等參數計算，基于特征向量法和特征值靈敏度法完成了儲能系統(tǒng)的選址容量優(yōu)化。上述文獻只展開了單一儲能電站的規(guī)劃研究，且針對儲能定容與選址各自設置了不同目標，對儲能定容和選址規(guī)劃做了解耦處理。然而一定程度上，儲能的定容或選址目標會受到儲能定容與選址方案的雙重影響，解耦研究易造成儲能規(guī)劃結果偏差，影響儲能實際運行效益。

為避免儲能定容與選址規(guī)劃解耦研究可能帶來的不利影響，部分學者展開了儲能定容-選址一體規(guī)劃研究，采用優(yōu)化迭代算法進行模型求解[10-14]。眾多技術性及經濟性因素都將對儲能規(guī)劃結果產生影響[15]。技術性層面上，文獻[10]綜合考慮削峰填谷能力、電壓質量及功率主動調節(jié)能力，使用基于粒子群的帶權極小模理想點法求解模型。文獻[11]從系統(tǒng)電壓質量及負荷波動方面考慮，提出改進多目標粒子群算法(PSO)進行模型求解。經濟性層面上，部分學者從網損成本、年綜合費用等方面展開研究[12-13]，其中文獻[12]利用遺傳算法(GA)求解儲能規(guī)劃方案，文獻[13]采用嵌入潮流計算的雙層迭代混合PSO算法求解模型。此外，文獻[14]綜合考慮技術與經濟因素，立足于電壓改善角度，構建以投運成本最小為目標的儲能優(yōu)化規(guī)劃模型，采用GA算法求解。上述文獻從不同角度研究了儲能定容-選址一體規(guī)劃問題，有效提升了儲能系統(tǒng)投運效益，但研究場景均集中于配電網，缺少針對廣域大電網的研究。面向配電網或大電網開展儲能定容選址規(guī)劃研究時，成本一般是兩者均需考慮的因素，但依舊存在某些應用目標方面的差異。配電網中新能源并網以分布式電源形式為主，儲能電站規(guī)劃時更多關注于用戶側，無論是削峰填谷或以提高電壓質量為應用目標，均為改善負荷特性、平抑負荷波動、提升用戶用電質量[10-11]。此外，儲能應用于配電網時賦予的功率主動調節(jié)能力會受到自身容量小的限制，因此同樣是儲能電站在配電網展開定容選址規(guī)劃時的考慮因素之一[10]。針對大電網而言，并網新能源以大型新能源電站為主，儲能電站定容選址規(guī)劃時的關注重點將從用戶側轉為新能源發(fā)電側和輸電側，如考慮系統(tǒng)可接納新能源并網容量極限等因素[16-19]。儲能電站在配電網和大電網做定容選址規(guī)劃時應用目標不同，會導致規(guī)劃建模等方面的差異，將面向配電網時的儲能電站規(guī)劃方法套用于大電網的研究，適用性不強。

因此，本文面向大規(guī)模風電并網電力系統(tǒng)，探討儲能電站容量與位置對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定和風電并網容量極限的影響機理，提出廣域儲能電站定容-選址的評價指標，建立廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃模型，設計嵌入潮流計算及PSO的GA算法求解模型。最后，以準東大型風電基地為例，對所提模型與方法有效性進行驗證。

1 儲能電站定容與選址機理

系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定與風電消納能力，是大規(guī)模儲能電站在風電并網電力系統(tǒng)中應用的重要影響因素[20-24]。PV曲線可判定系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，風電場節(jié)點PV曲線鞍結分岔點可表征系統(tǒng)風電并網容量極限。

1.1 簡單輻射網絡

圖1為簡單輻射網絡示意，發(fā)電機初始出力為P+jQ，負荷為PL+jQL，節(jié)點①、②、③電壓分別為E、V2、V，線路①-②阻抗為R1+jX1，線路②-③阻抗為R2+jX2。上述變量均用標幺值表示。

圖1 簡單輻射網絡Fig.1 Simple radial network

由潮流計算原理易得節(jié)點①電壓E，即

1.1.1 基于 PV 曲線的儲能電站定容機理

節(jié)點①、②、③初始運行點所對應有功注入功率分別用P10、P20、P30表示，儲能電站并網容量為M，出力為Pe+jQe。以節(jié)點②為例進行說明。

（1）儲能電站在出力方式Pe＜0,Qe=0下所能達到的最小靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度為

（2）儲能電站在出力方式Pe=0,Qe＜0下所能達到的最小靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度為

（3）儲能電站在出力方式Pe≤0,Qe≤0下所能達到的最小靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度為

上述各靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度表達式相互間存在差異，但均為儲能電站并網容量M的函數。

節(jié)點①、③的推導結果與節(jié)點②相似，這里不再贅述。不失一般性，可得如下結論。

（1）儲能電站并網后，其不同的出力方式對靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度有不同程度的影響，且立足于系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定層面存在最為惡劣的情況。

（2）儲能電站定容方案影響最惡劣情況下對應的節(jié)點靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。

因此，本文提出基于靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的儲能電站定容思路為：基于儲能電站定容方案，針對相應靜態(tài)電壓穩(wěn)定最惡劣情況下的儲能電站出力方式進行搜索，對應靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度越大，儲能電站定容方案效果越好。

1.1.2 基于 PV 曲線的儲能電站選址機理

計及節(jié)點③時的推導結果與節(jié)點①、②相似，這里不再贅述。不失一般性，可得如下結論。

（1）儲能電站以某選址方案并網后，其不同的出力方式對系統(tǒng)風電并網容量極限有不同程度影響，且立足于風電消納能力提升層面存在最優(yōu)情況。

（2）儲能電站選址方案影響最優(yōu)情況下對應的系統(tǒng)風電并網容量極限。

因此，本文提出基于風電并網容量極限的儲能電站選址思路為：基于儲能電站選址方案，針對相應風電消納最優(yōu)情況下的儲能電站出力方式進行搜索，對應風電并網容量極限越大，儲能電站選址方案效果越好。

1.2 復雜網絡

2 廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃數學建模

3 算法設計

3.1 基于GA的廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃算法

廣域儲能電站定容-選址問題為帶約束的非線性規(guī)劃問題，決策變量為儲能電站并網位置及容量?；趦δ茈娬具x址規(guī)劃的0-1特性，本文采用遺傳算法進行求解。為簡化計算，對儲能電站并網容量進行二進制編碼，將連續(xù)的儲能電站容量變量轉化成離散變量，從而將定容和選址統(tǒng)一為整數規(guī)劃問題。染色體編碼分為兩部分，結構如圖2所示。

圖2 染色體結構Fig.2 Chromosome structure

染色體第一部分實現對儲能電站并網位置的基因編碼，Xi=1(1≤i≤N)表示i號位有儲能電站并網，N為其最大位置數；染色體第二部分實現對儲能電站容量的基因編碼，Ci1?Cim以二進制表示i號位儲能電站并網容量，其中2m?1≤Emax≤2m+1?1。

選擇算子方面引入輪賭法-錦標賽法混合算子，在兼顧收斂速度的同時提升算法全局搜索能力。交叉算子采用傳統(tǒng)單點交叉方法。變異算子采用均勻變異，基于式(24)對基因位進行變異操作。

式中：x'k為變異操作后的個體變異點基因；和分別為該變異點基因可能的最小和最大值；r為0-1之間的隨機數。

此外，為均勻變異引入變異概率自適應改變思想，即當種群適應度較為發(fā)散時，降低變異概率參數，提升收斂效率。當種群各染色體適應度差別小且趨于收斂時，增大變異概率，破壞當前穩(wěn)定性，克服局部收斂。同時算法采用精英保留策略[19]，即對每一代種群中的最優(yōu)染色體不執(zhí)行選擇、交叉和變異操作。

為兼顧廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性和經濟性，綜合評估其規(guī)劃效果，構造適應度函數，將儲能電站多目標規(guī)劃轉化為單目標函數處理，如式(25)所示，儲能電站定容選址規(guī)劃方案對應的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度變化率和投運凈收益都將對適應度函數值產生影響。

3.2 嵌入潮流計算及PSO的GA優(yōu)化流程

嵌入潮流計算及PSO的GA優(yōu)化流程如圖3所示，具體實施步驟如下。

圖3 GA優(yōu)化流程Fig.3 Flow chart of GA optimization

（1）步驟1，初始化。輸入待規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)電機、網絡、負荷、風電等原始數據，設置GA及PSO算法參數，完成種群初始化，對染色體容量基因解碼。

（2）步驟2，初代種群適應度計算。

①根據染色體對應廣域儲能電站定容選址信息，以儲能電站出力方式為決策變量、最劣情況下系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度最大為目標，基于PSO優(yōu)化完成最劣情況下的儲能電站出力方式搜索，并基于該出力方式計算靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標（靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平系數）。

②根據染色體對應廣域儲能電站定容選址信息，以儲能電站出力方式為決策變量、最優(yōu)情況下系統(tǒng)風電并網容量極限最大為目標，基于PSO優(yōu)化完成最優(yōu)情況下的儲能電站出力方式搜索，并基于該出力方式計算風電消納能力指標（風電消納年收益）和網損指標（系統(tǒng)網損成本）。

③根據染色體對應廣域儲能電站定容選址信息，計算儲能成本指標（儲能電站等年值投資成本），進而結合①、②結果完成染色體適應度計算。

（3）步驟3，最大迭代次數判斷。若滿足條件，則輸出最優(yōu)廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方案；否則轉向步驟4。

（4）步驟4，GA優(yōu)化。

①對上代種群依次進行選擇、交叉及變異操作，并針對染色體在交叉與變異過程中可能出現的選址與容量信息不匹配的問題（如選址基因位為1，而對應容量基因位出現全0的情況），進行染色體編碼修正。

②新一代種群適應度計算（計算過程同步驟2）。

（5）步驟5，進化中止條件判斷。若不滿足條件，則轉向步驟4；否則輸出最優(yōu)廣域儲能電站定容—選址一體規(guī)劃方案。

4 算例分析

以新疆準東大型風電基地作為算例進行仿真分析。為方便研究，針對準東地區(qū)電壓等級110 kV及以上網架進行簡化，簡化后系統(tǒng)包括7個發(fā)電機節(jié)點和9個負荷節(jié)點，其中包括3個750 kV 節(jié)點，9個 220 kV 節(jié)點以及 2個 110 kV 節(jié)點。老君廟和北塔山處有風電場并網，風電裝機容量為400 MW。出于財政投資限制，儲能電站并網容量極限為120 MW?？紤]到在大規(guī)模風電并網電力系統(tǒng)中儲能電站并網容量的微小變化對規(guī)劃結果的影響較小，因此儲能電站容量變量以5 MW為單位進行優(yōu)化。

4.1 儲能電站并網數量對規(guī)劃結果的影響分析

為滿足準東地區(qū)廣域儲能電站多點規(guī)劃需求，本節(jié)探討當儲能電站并網總容量一定時，其并網數量對規(guī)劃結果的影響，將儲能電站并網總容量固定為風電裝機容量的20%，即80 MW。分別針對儲能電站并網數量為1～4時的定容-選址一體規(guī)劃方案進行優(yōu)化，得到不同情況下最優(yōu)方案及其適應度如表1所示。

表1 不同儲能電站并網數量下最優(yōu)規(guī)劃結果Table 1 Optimal planning results for different numbers of energy storage plants

由表1可知，雖然儲能電站并網數量的不同導致了規(guī)劃結果的差異，且并網位置并不一定處于風電場節(jié)點，但規(guī)劃結果傾向于儲能并網于風電場附近，不同儲能電站并網數量對應最優(yōu)規(guī)劃方案中均出現了風電場鄰近節(jié)點興盛。綜合比較之下，當儲能電站并網數量為2，并網點選在老君廟和興盛，并網容量分別為10 MW和70 MW時，規(guī)劃效果最優(yōu)。此外通過儲能電站并網數量為4時的仿真分析可以發(fā)現，該方案下風電場節(jié)點老君廟和興盛總計有70 MW儲能電站并網，然而與風電場節(jié)點總計并網儲能電站10 MW的最優(yōu)方案相比，適應度只達到后者的45%，即將儲能電站集中規(guī)劃于風電場節(jié)點并不一定是理想的選擇。為進一步探究上述仿真結果的出現原因，圖4給出了不同儲能電站并網數量對應最優(yōu)規(guī)劃方案的評估指標對比結果。

圖4 不同儲能電站并網數量對應最優(yōu)方案評估指標對比Fig.4 Comparison of evaluation indices of optimal schemes for different energy storage quantities

由圖4 a)可知，儲能電站并網后，系統(tǒng)風電并網容量極限由原始的1008.33 MW明顯提升，并網數量為2時提升至1109.03 MW，提升幅度最大。然而，不同儲能電站并網數量下的風電并網容量極限相差并不明顯。事實上，固定容量的儲能電站分布在風電場附近時，不同并網數量的儲能電站對系統(tǒng)風電傳輸容量的支撐作用相差不多。這也使得立足于風電消納層面，儲能電站并網容量一定時，并網數量并非影響其規(guī)劃效果的關鍵因素。

由圖4 b)可知，儲能電站并網對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平造成了一定影響。當并網數量在2以內時，最優(yōu)方案的系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度變化率幾乎一致。而隨著儲能電站并網數量繼續(xù)增加，該指標值持續(xù)上升，在并網數量為4時達到75.65%，對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定造成的影響最為嚴重。網損成本方面，由圖4 c)可知不同儲能電站并網數量下的最優(yōu)方案對系統(tǒng)網損的影響相對較小。另外儲能電站等年值成本如圖4 d)所示，由于并網容量一定，故均為1505.63萬元。

綜上，儲能電站并網容量一定時，其數量的變化對于準東地區(qū)風電消納能力、網損及儲能成本的影響不大，但會對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平造成重大影響。

4.2 儲能電站并網容量對規(guī)劃結果的影響分析

通過改變儲能電站并網容量進一步探究其規(guī)劃結果。不同儲能電站并網容量下的最優(yōu)定容-選址一體規(guī)劃方案及其適應度如表2所示。

表2 不同儲能電站并網容量下最優(yōu)規(guī)劃結果Table 2 Optimal planning results for different capacity of energy storage systems

由表2可知，不同儲能電站并網容量下的最優(yōu)選址方案均為老君廟和興盛兩處。隨著儲能電站并網容量增加，規(guī)劃方案適應度呈現先升后降的趨勢。表2所列方案中，當儲能電站于老君廟和興盛處并網容量分別為10 MW和70 MW，總計80 MW時，規(guī)劃效果最優(yōu)。為進一步探究上述仿真結果的出現原因，圖5給出了不同儲能電站并網容量對應最優(yōu)規(guī)劃方案的評估指標對比結果。

圖5 不同儲能電站并網容量對應最優(yōu)方案評估指標對比Fig.5 Comparison of evaluation indices of optimal schemes for different energy storage capacity

由圖5可知，儲能電站并網投運使系統(tǒng)風電并網容量極限上升明顯，風電消納能力得到顯著提升，且隨著儲能電站并網容量的增加，提升幅度也隨之增大。然而，系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度變化率及年等值成本也隨之增加，相應規(guī)劃方案在系統(tǒng)穩(wěn)定性及經濟性層面均失去了優(yōu)勢。網損方面，不同儲能電站并網容量下的最優(yōu)方案對系統(tǒng)網損的影響相對較小。上述分析也對表2中的規(guī)劃結果做出了解釋，即當儲能電站并網容量增長超出一定范圍后，其提升系統(tǒng)風電消納能力所帶來的積極效應將不足以再抵消因系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性下降及儲能成本增加而導致的不利影響。

綜上，儲能電站并網容量的變化對于準東地區(qū)網損影響不大，但隨著并網容量的增加，系統(tǒng)的風電消納能力將不斷提升，而儲能成本也將隨之升高，系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定受到的不利影響會更為嚴重。因此，在進行儲能電站定容選址規(guī)劃時，規(guī)劃效果的優(yōu)劣與儲能電站并網容量的大小并非呈簡單的線性關系。

4.3 最優(yōu)廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方案

根據表2中不同儲能并網容量下的方案適應度變化趨勢，進一步探究準東地區(qū)最優(yōu)廣域儲能電站選址-定容一體規(guī)劃方案，結果如表3所示。

表3 最優(yōu)廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方案Table 3 Optimal integrated planning scheme of sizing and siting of energy storage plants across wide area

表3中方案1給出了準東地區(qū)最優(yōu)廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方案，即于老君廟和興盛處分別并網10 MW和75 MW。此外表3中方案2給出了當前業(yè)界常見的一種儲能電站規(guī)劃方案，即并網于風電場節(jié)點，并網容量總計145 MW。然而與方案1相比，方案2的適應度下降了42.5%，且超出了準東地區(qū)儲能電站并網容量極限。上述2種方案評估指標對比結果如表4所示。

表4 不同儲能電站規(guī)劃方案評估指標對比Table 4 Comparison of evaluation indices of different schemes for energy storage plants

由表4中方案1可知，準東地區(qū)最優(yōu)廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方案使系統(tǒng)風電并網容量極限增加107.33 MW，風電消納能力顯著提升。表4中方案2由于儲能電站并網容量更大，風電并網容量極限提升效果更為明顯。然而，大量的儲能電站并網使系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定受到嚴重影響，系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度變化率超過90%，且儲能成本相比于方案1增加了70.59%。相較之下，2種方案在網損方面差別不大。上述情況導致方案2的規(guī)劃效果遠遜色于方案1。因此，進行儲能電站規(guī)劃時直接將并網點選在風電場處并非一定是理想的選擇，需要綜合考量多方面因素決定最終的規(guī)劃方案。

5 結語

（1）基于儲能四象限運行特性，論證了儲能電站容量與位置對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定和風電消納能力的影響機理，分別基于靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度和風電并網容量極限提出了儲能電站的定容與選址思路。

（2）針對大規(guī)模風電并網電力系統(tǒng)提出廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方法，設計了嵌入潮流計算及PSO的GA算法求解模型，通過準東大型風電基地的仿真分析驗證了所提方法的有效性，在保證系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的同時提升了系統(tǒng)風電消納能力。

（3）開展儲能電站定容選址規(guī)劃工作時同樣需要關注系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定、儲能控制策略等問題，將上述因素納入儲能規(guī)劃體系，對儲能電站規(guī)劃方案進行修正，是需要進一步解決的問題。