基于電壓擬合的有源低壓配電網(wǎng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置

王書傳，陳國培

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瓊中供電局，海南瓊中 572900；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510640）

0 引言

近年來，隨著光伏發(fā)電（Photovoltaic，PV）技術(shù)不斷發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)及建設(shè)成本持續(xù)降低，各國政府針對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)紛紛制定了發(fā)展規(guī)劃[1]。我國大部分農(nóng)村地區(qū)地域遼闊，陽光照射充足，適合安裝光伏。同時(shí)，地方政府也出臺(tái)了多項(xiàng)“光伏扶貧”的利民政策，推動(dòng)了戶用光伏的發(fā)展。但是在分布式光伏接入電網(wǎng)的過程中，因?yàn)楣β实顾?，可能?huì)引起電壓越限等問題[2]。儲(chǔ)能（Energy Storage，ES）技術(shù)為解決光伏新能源并網(wǎng)所帶來的問題提供了解決的可能性。儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于削峰填谷、平抑光伏出力波動(dòng)、提高可再生能源接入電網(wǎng)友好性等[3]。但是，目前儲(chǔ)能的成本較高，如何合理配置儲(chǔ)能的容量成為當(dāng)前“光伏+儲(chǔ)能”模式下亟需解決的問題。

針對(duì)儲(chǔ)能如何合理的優(yōu)化配置，國內(nèi)外學(xué)者展開了一系列研究。文獻(xiàn)[4]拓展了光伏功率因數(shù)和儲(chǔ)能有功的調(diào)控手段，提出了低壓配電網(wǎng)主動(dòng)電壓控制模型，并采用雙層迭代的災(zāi)變遺傳算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[5]從增量配電網(wǎng)的運(yùn)行安全與經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，提出以系統(tǒng)網(wǎng)損和儲(chǔ)能調(diào)節(jié)代價(jià)綜合最小為目標(biāo)的配電網(wǎng)無功優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了以系統(tǒng)有功網(wǎng)損最小和電壓越限風(fēng)險(xiǎn)最小為優(yōu)化目標(biāo)的拓展無功優(yōu)化模型，采用遺傳算法求取帕累托前沿，獲得無功優(yōu)化的最優(yōu)折衷解。文獻(xiàn)[7]提出了光伏接入低壓配電網(wǎng)耐受滲透比的概念，進(jìn)而提出了考慮耐受滲透比的分布式儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。以上研究從不同角度提出儲(chǔ)能配置的方法。但是，由于低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)架信息缺失或不準(zhǔn)確，在實(shí)際工程中難以評(píng)估光儲(chǔ)接入點(diǎn)的電壓。

針對(duì)電壓評(píng)估的困難，本文提出基于電壓曲線擬合的儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。首先，建立了光伏和儲(chǔ)能的出力模型；然后，擬合出用戶電壓與臺(tái)區(qū)總表有功及用戶有功三者之間的函數(shù)關(guān)系；接著，在考慮儲(chǔ)能運(yùn)行約束和電壓幅值約束下，建立儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型；最后，以某實(shí)際低壓臺(tái)區(qū)的運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文所提方法的有效性。

1 光伏和儲(chǔ)能的出力建模

1.1 光伏出力模型

本文通過采集某實(shí)際低壓臺(tái)區(qū)的光伏出力樣本，近似得到在晴天、陰天及變化天氣等類型下的典型日出力曲線，如圖1所示。因?yàn)楣夥谇缣斐隽ψ畲?，后文將以晴天天氣的典型日出力曲線作為光伏出力特性的具體體現(xiàn)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 3種天氣情況下光伏日出力曲線

1.2 儲(chǔ)能出力模型

儲(chǔ)能的出力滿足3個(gè)約束。

（1）儲(chǔ)能裝置輸出功率約束

蓄電池t時(shí)刻輸出的有功功率受蓄電池最大充放電功率和蓄電池儲(chǔ)能剩余容量的限制，即：

式中：Pc和Pd分別為儲(chǔ)能的充、放電功率；Pes,max為儲(chǔ)能的極限功率。

（2）蓄電池容量約束

每個(gè)時(shí)刻蓄電池的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）應(yīng)在允許的上、下限之間，即：

例如：在對(duì)“迎客”進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的過程中，教師可以采用播放錄像的形式來進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生可以通過對(duì)錄像畫面的觀看，對(duì)這一節(jié)所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容做到初步的掌握，然后再引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題加以發(fā)現(xiàn)，再進(jìn)入到新課的實(shí)踐教學(xué)中進(jìn)行學(xué)習(xí)。

式中：SOCmax、SOCmin分別為蓄電池荷電狀態(tài)的上、下限，SOC(t)的表達(dá)式為：

式中：SOC0為蓄電池初始荷電狀態(tài)。

（3）蓄電池充放電平衡

為保證蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在第2天及以后能持續(xù)正常工作，需要對(duì)其蓄電池的剩余容量加以限制，即在1個(gè)充放電周期（24 h）內(nèi)蓄電池的充電和放電總量應(yīng)相等，即：

2 電壓曲線擬合模型

本文利用電壓與有功之間存在的二次非線性關(guān)系，提出用臺(tái)區(qū)總表有功與用戶有功來擬合用戶電壓?？紤]到電壓與功率存在二次關(guān)系，采用式（5）的函數(shù)關(guān)系來進(jìn)行擬合。

式中：V為用戶電壓；x為臺(tái)區(qū)總表的有功功率；y為用戶的有功功率；f的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系為二次曲面；p00、p10、p01、p20、p11、p02均為擬合參數(shù)。

采集某實(shí)際低壓臺(tái)區(qū)的總表有功和用戶有功及用戶電壓1天（采樣頻率1 h/次）的時(shí)序數(shù)據(jù)，以總表有功為x軸，用戶有功為y軸，用戶電壓為z軸進(jìn)行關(guān)系擬合，可以得到三者之間的關(guān)系。

3 儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型

通過上述的用戶電壓曲線擬合，即可根據(jù)臺(tái)區(qū)總表有功和用戶有功推算出用戶的電壓。在此基礎(chǔ)上，考慮電壓越上限約束、和儲(chǔ)能模型的運(yùn)行約束，提出基于電壓曲線擬合的儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。該配置方法以配置儲(chǔ)能容量最小為目標(biāo)，在考慮儲(chǔ)能最大充放電功率和容量限制的前提下，建立儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型。

鉛酸蓄電池的容量指處于滿電量狀態(tài)下的電池以一定的電流數(shù)值進(jìn)行放電到規(guī)定的終止電壓時(shí)能夠釋放的總電量[8]。因此，將鉛酸蓄電池的最大放電率限制為αes,那么蓄電池的極限功率Pes,max和儲(chǔ)能容量En之間有如下關(guān)系：

式中：Ppv,t為t時(shí)刻光伏的出力值；Pc,t、Pd,t分別為t時(shí)刻蓄電池的充、放電功率；ηc、ηd分別為蓄電池充、放電效率。

儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型：

式中：Vmax為電壓幅值上限。

4 仿真分析

采集目標(biāo)臺(tái)區(qū)1天（數(shù)據(jù)采樣頻率為1 h/次）的總表有功與用戶有功及電壓時(shí)序數(shù)據(jù)，通過式（5）結(jié)合采集的時(shí)序數(shù)據(jù)，運(yùn)用Matlab的擬合算法包擬合得到該臺(tái)區(qū)用戶電壓與總表有功和用戶有功三者的函數(shù)關(guān)系如式（10）。由式（10）計(jì)算得到的電壓擬合值與真實(shí)值的對(duì)比如圖2所示。

圖2 預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的電壓曲線

由圖2知，電壓擬合值與真實(shí)值之間的偏差最大為1.32 V，平均誤差為0.6 V，由此可見，擬合的函數(shù)關(guān)系能夠較好的反映出實(shí)際電壓。

表1 最優(yōu)儲(chǔ)能配置

將式（10）代入式（9），可得到關(guān)于光儲(chǔ)聯(lián)合出力值Pu,t與電壓值Vt的函數(shù)關(guān)系如式（11）：

仿真條件設(shè)定：儲(chǔ)能蓄電池最大放電率αes限制為0.2，電壓幅值上限設(shè)定為235 V，求解上述儲(chǔ)能配置模型，可得該光伏用戶的最優(yōu)儲(chǔ)能配置如表1所示，電壓曲線如圖3所示。由圖3可知，在加裝光伏后，光伏出力消納了中午高峰期的部分本地負(fù)荷，使得電壓抬升；但是，由于光伏出力過大，導(dǎo)致個(gè)別時(shí)刻電壓抬升過高，使得電壓越上限；在用戶側(cè)按表1配置儲(chǔ)能后，儲(chǔ)能在滿足穩(wěn)定運(yùn)行約束的前提下，在用電峰期充電，在谷期放電，使得在用電高峰期能一定程度抬升電壓，并將整體電壓控制在電壓幅值上限235 V之下。

圖3 用戶電壓曲線

5 結(jié)束語

本文提出基于電壓曲線擬合的儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法，避免了通過潮流計(jì)算電網(wǎng)電壓的困難。通過分析論證得出：（1）本文所提的電壓曲線擬合方法，能準(zhǔn)確計(jì)算光儲(chǔ)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，有助于儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型的建立；（2）本文所提的最優(yōu)儲(chǔ)能配置方法，可以在無需具體網(wǎng)架參數(shù)的情況下，給出最優(yōu)儲(chǔ)能配置方案，以最小的配置容量保證光伏接入點(diǎn)的電壓合格，有效指導(dǎo)儲(chǔ)能優(yōu)化配置。