考慮經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的農(nóng)村配電網(wǎng)儲能調(diào)壓策略

詹 琪，李鵬麗，孟曉麗，王金麗，李 蕊

（中國電力科學(xué)研究院，北京 海淀 100192）

我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，用電負(fù)荷不斷增加，傳統(tǒng)化石資源越來越匱乏并帶來了一系列環(huán)境問題[11]，使得分布式可再生能源的開發(fā)和利用、分布式電源接入配電網(wǎng)的研究就成了一條必由之路?，F(xiàn)在主要的分布式能源大多為光伏發(fā)電。一方面，光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展較早、配套設(shè)施相對完善、齊全，普及的過程中幾乎沒有地域限制，在有陽光的地方均可發(fā)展光伏發(fā)電，并且不會產(chǎn)生任何污染。但另一方面，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，以集中式供電的大電網(wǎng)在近年來我國逐年增長的電力需求中，逐漸顯現(xiàn)出自己的一些劣勢和弊端。因此，分布式發(fā)電越來越成為了傳統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)展的重點(diǎn)方向[1]。自2019 年起，國家電網(wǎng)公司通過改造升級農(nóng)村電網(wǎng)、提高農(nóng)村供電服務(wù)水平、推廣電能替代技術(shù)、推動特色用能項(xiàng)目建設(shè)、推介新型用電產(chǎn)品等各種方式，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)、農(nóng)村生活電氣化水平，在積極推進(jìn)微電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)建設(shè)的同時，也日益重視分布式電源發(fā)電技術(shù)、電能替代技術(shù)和農(nóng)村地區(qū)的就地消納技術(shù)[2]。分布式光伏出力具有隨機(jī)性、波動性、間歇性的特點(diǎn)，在不配置儲能設(shè)備情況，難以滿足電力系統(tǒng)供須瞬時平衡的調(diào)節(jié)要求，隨著分布式光伏滲透率增加，會導(dǎo)致配電網(wǎng)運(yùn)行特征發(fā)生變化，加劇原有配電網(wǎng)電壓閃變、電壓波動、諧波污染為主的電能質(zhì)量問題，也帶來配電網(wǎng)規(guī)劃困難、網(wǎng)絡(luò)損耗不確定性增加等新問題[3]。本文旨在整縣光伏政策背景下，研究分布式光伏接入配電網(wǎng)帶來的電壓越限[2]等電能質(zhì)量問題；分布式儲能響應(yīng)速度快，能快速提供功率支撐[3]，因此本文利用分布式儲能解決電壓越限問題，并獲得經(jīng)濟(jì)收益。

國內(nèi)外學(xué)者在電壓控制方面提出了許多方法。文獻(xiàn)[13]針對線路阻抗阻性為主的配電網(wǎng)，在電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)中增加“虛擬電抗”，在實(shí)現(xiàn) DG 出力按容量分配的同時確保節(jié)點(diǎn)電壓不出現(xiàn)大幅度波動。文獻(xiàn)[14]提出一種阻性虛擬阻抗加補(bǔ)償虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制策略，通過阻性虛擬阻抗實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時的功率分配，補(bǔ)償虛擬阻抗提升母線電壓動態(tài)性能。文獻(xiàn)[15]針對等效線路阻抗不匹配的情況，提出了一種基于線路參數(shù)辨識的改進(jìn)下垂控制來消除無功功率分配的偏差。文獻(xiàn)[16]針對分布式電源滲透率較高的配電網(wǎng)，給出了其多目標(biāo)分布式優(yōu)化控制的系統(tǒng)框架，設(shè)計(jì)了以容量利用比為一致性變量，綜合調(diào)節(jié)分布式電源出力來控制節(jié)點(diǎn)電壓的分布式優(yōu)化算法。以上方法均從傳統(tǒng)電壓控制方法出發(fā)，未考慮配電網(wǎng)中的新要素儲能在配電網(wǎng)電壓控制方面的優(yōu)勢。

本文根據(jù)儲能在網(wǎng)絡(luò)中的分布和各節(jié)點(diǎn)間的電氣距離劃分區(qū)域，以分布式資源經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)函數(shù)，以電壓不越限為約束，存在電壓越限節(jié)點(diǎn)的區(qū)域里的儲能按照低電價充電，高電價放電的原則運(yùn)行；并在IEEE 33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證本文所提方法的有效性。

1 控制方法

1.1 目標(biāo)函數(shù)

以區(qū)域內(nèi)儲能收益最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，考慮光伏發(fā)電上網(wǎng)的收益、儲能充放電收益，具體公式如下：

式中：Pdis、Pch分別表示儲能放電、充電功率；p為分時電價。

1.2 約束條件

為防止出現(xiàn)電壓越限，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，考慮系統(tǒng)潮流約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、線路功率約束、分布式光伏運(yùn)行約束、儲能裝置運(yùn)行約束。

1.2.1 潮流約束

式中：Pi,t、Qi,t為t時刻節(jié)點(diǎn)i注入的有功功率和無功功率；PDG,i,t、PESS,i,t、PL,i,t分別為t時刻節(jié)點(diǎn)i的分布式光伏的有功功率、儲能裝置的有功功率、負(fù)荷消耗的有功功率；QDG,i,t、QL,i,t分別為t時刻節(jié)點(diǎn)i的分布式光伏的無功功率、負(fù)荷消耗的無功功率；Vi,t、Vj,t分別為t時刻節(jié)點(diǎn)i、節(jié)點(diǎn)j的電壓幅值；Gij、Bij分別表示節(jié)點(diǎn)i、j間的電導(dǎo)和電納；θij表示節(jié)點(diǎn)i、j間的相角差[10]。

1.2.2 節(jié)點(diǎn)電壓約束

Umin≤Ui,t≤Umax。

式中：Ui,t為t時刻節(jié)點(diǎn)的電壓大??；Umin為節(jié)點(diǎn)電壓允許最小值，取 0.95UN；Umax為節(jié)點(diǎn)電壓允許最大值，取 1.05UN[18]。

1.2.3 線路功率約束

Iij,t≤Iij,max。

式中：Iij,t為t時刻支路ij電流幅值；Iij,max為支路ij電流幅值上限[9]。

1.2.4 分布式光伏逆變器控制約束

式中：PDG,i,t、QDG,i,t、SDG,i,t分別為t時刻節(jié)點(diǎn)i的光伏逆變器的有功輸出功率、無功輸出功率和額定容量；為t時刻節(jié)點(diǎn)i的光伏逆變器的最大有功輸出功率；cosθ 為光伏逆變器的最小功率因數(shù)[8]。

1.2.5 儲能裝置運(yùn)行約束

運(yùn)行狀態(tài)約束。

式中：S為t時刻荷電狀態(tài)；Kc,t、Kd,t分別為儲能的充放電系數(shù)；PESS,c、PESS,d分別為儲能的充放電功率；為儲能裝置的最大充、放電功率；Dc,i,t、Dd,i,t為0、1 變量，保證充放電不同時進(jìn)行[4]。

荷電狀態(tài)約束。

防止過度充放電，儲能荷電狀態(tài)應(yīng)不超過上下限；儲能日內(nèi)充放電量相同

式中：Smin為荷電狀態(tài)下限；Smax為荷電狀態(tài)上限；S(t)為t時刻荷電狀態(tài)；S0為周期初始荷電狀態(tài)；ST為周期末尾時刻的荷電狀態(tài)。

功率約束。

-PESS,N≤PESS,i,t≤PESS,N。

式中：PESS,N為儲能額定功率。

1.3 電壓控制效果指標(biāo)

為反映本文所提方法對電壓控制的有效性，保證電壓調(diào)整后的電壓在滿意的水平上，引入電壓總偏差量[7]，如下式所示，其可定義為優(yōu)化周期內(nèi)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)電壓偏差平方和時序平均值，用以衡量電壓的波動情況，電壓偏差值越小代表電壓波動越小，是系統(tǒng)安全性和電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。并在調(diào)整后對全系統(tǒng)的電壓情況進(jìn)行校驗(yàn)。

將120 mg上一步得到的核殼結(jié)構(gòu)SiO2/Fe3O4-C顆粒分散于60 mL超純水中，再加入0.3 mL 25%的氨水，室溫下攪拌30 min。得到的混合液轉(zhuǎn)移至密閉的高壓反應(yīng)釜中，于150 ℃下水熱反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束后，待產(chǎn)物冷卻至室溫，用磁鐵將其分離出來，超純水清洗3次后，即可得到最終的Fe3O4-C磁性空心微球[8]。

式中：Ui為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值；為節(jié)點(diǎn)i的指定電壓幅值，通常取1；Uimax-Uimin為節(jié)點(diǎn)i允許的最大電壓偏差。

1.4 控制策略設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)儲能的分布情況以及節(jié)點(diǎn)的電氣距離將整個系統(tǒng)劃分成不同區(qū)域，各區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行控制；選取存在電壓越限節(jié)點(diǎn)的區(qū)域?yàn)檎{(diào)節(jié)對象；利用調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)的儲能充放電進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，循環(huán)檢測并調(diào)節(jié)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓，直至電壓恢復(fù)至合理范圍內(nèi)；接著輸出儲能的時序出力；最后計(jì)算總的儲能收益。具體步驟如下：

步驟1，輸入典型日負(fù)荷曲線、光伏出力曲線、儲能參數(shù)等，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域劃分；

步驟2，進(jìn)行全局潮流計(jì)算，找到存在電壓越限的邊，存在電壓越限的區(qū)域開始進(jìn)行控制；

步驟3，統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)電壓越限幅度和越限時刻，選取越限最嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)I作為調(diào)節(jié)對象，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的電壓靈敏度[5]Sp=?Ui/?Pi；

步驟4，當(dāng)節(jié)點(diǎn)I電壓大于電壓上限時，儲能充電以降低節(jié)點(diǎn)電壓，充電功率Pdis=(Ui-Umax)/Sp；當(dāng)節(jié)點(diǎn)I電壓小于電壓下限時，儲能放電以提升電壓，放電功率為Pch=(Umin-Ui)/Sp；

步驟5，為保持儲能荷電狀態(tài)平衡，當(dāng)Pb=Pdis-Pch>0 時，儲能在凌晨低電價時刻以充電，充電功率為Pb；當(dāng)Pb=Pdis-Pch<0，儲能在晚間電價高峰時刻放電，放電功率為 -Pb；

步驟6，輸出儲能和時序出力，計(jì)算區(qū)域內(nèi)電壓偏差水平以及儲能收益；

具體流程圖如圖1 所示。

圖1 控制策略流程圖

1.5 儲能容量配置

由目標(biāo)函數(shù)可知，儲能充放電功率越大，收益越高，但是由于控制策略為在夜間低電價時儲能充電，會導(dǎo)致電壓下降，使得夜間電壓有可能越下限，所以必須對儲能最大充放電功率進(jìn)行分析計(jì)算。

儲能在電價低谷時刻充電，根據(jù)全局潮流計(jì)算得到電價低谷時段內(nèi)電壓最小值和對應(yīng)節(jié)點(diǎn)J，計(jì)算節(jié)點(diǎn)J的電壓靈敏度[17]Sp=((B+Q)×(B-Q)/(G-P)+(G+P))-1；最小可調(diào)整電壓為 ΔU′=0.95-，儲能最大充放電功率為PESSmax=ΔU′/Sp。由此可得到每個區(qū)域內(nèi)的儲能最優(yōu)配置容量。

2 算例分析

2.1 算例設(shè)置

本文選取改造的IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行算例分析，驗(yàn)證本文所提方法的有效性。系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為10 MV·A，電壓等級為12.66 kV，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]如圖2 所示。分時電價如表1 所示。在11、15、20節(jié)點(diǎn)分別接入分布式光伏，其功率變化趨勢如圖3所示；在17、25、30 節(jié)點(diǎn)接入儲能；各節(jié)點(diǎn)的有功功率和無功功率均按照圖3、圖4 所示的典型日負(fù)荷曲線變化。根據(jù)第一節(jié)提出的控制方式進(jìn)行調(diào)度。

表1 分時電價

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 光伏出力曲線

圖4 負(fù)荷曲線

2.2 場景構(gòu)建

系統(tǒng)負(fù)荷較重且DG 接入比例較低時，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓越下限。各分布式資源接入位置不變，儲能最大充放電功率為480 kW，增大線路末端的負(fù)荷功率。本節(jié)以區(qū)域4 在17:00-22:00 時刻發(fā)生電壓越下限為例，利用內(nèi)部儲能進(jìn)行調(diào)度，以獲得最優(yōu)經(jīng)濟(jì)收益。

2.2.1 邊緣收益分析

區(qū)域4 內(nèi)的儲能時序充放電情況如圖5 所示。

圖5 區(qū)域4 內(nèi)的儲能時序充放電情況

表2 儲能調(diào)度參數(shù)

經(jīng)過計(jì)算分析可得，當(dāng)電壓越限最嚴(yán)重節(jié)點(diǎn)33的調(diào)節(jié)電壓Uad為0.975（標(biāo)幺值）時，調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)的儲能利用率最大為100%，收益最大為2304 元。

圖6 不同儲能利用率對應(yīng)收益

表3 不同調(diào)節(jié)電壓對應(yīng)儲能利用率和收益

2.2.2 電壓分析

電壓局部分析。

選取電壓越限最嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)33 進(jìn)行局部分析，33 節(jié)點(diǎn)各時刻電壓對比如圖7 所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)33 電壓對比圖

從曲線變化趨勢來看，在負(fù)荷較重的17:00-22:00 時刻，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓越下限情況，此時，通過儲能放電抬升電壓。圖7 顯示，在低電壓情況最為嚴(yán)重的20:00 時刻，經(jīng)過本地控制后，33 節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值提升了4.24%，儲能參與控制的效果顯著，控制后33 節(jié)點(diǎn)在全周期內(nèi)不存在電壓越下限時刻。

電壓全局分析。

控制前后電壓偏差計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 33 個節(jié)點(diǎn)的電壓總偏差

由表4 可以看出，儲能參與優(yōu)化控制后，電壓優(yōu)化效果明顯，電壓總偏差值分別由1.7611 下降至1.3682，電壓波動性降低。

全系統(tǒng)校驗(yàn)分析。

為驗(yàn)證邊緣控制方法對其他區(qū)域的影響，在優(yōu)化控制以后對全系統(tǒng)的電壓越限情況進(jìn)行校驗(yàn)，如圖8 所示。

圖8 區(qū)域控制前后電壓對比

根據(jù)控制策略，在儲能充電時刻，節(jié)點(diǎn)電壓降低；在儲能放電時刻，節(jié)點(diǎn)電壓升高，電壓波動變小。全系統(tǒng)電壓最低為01:00 時刻節(jié)點(diǎn)33，電壓標(biāo)幺值為0.95，未越電壓下限；全系統(tǒng)電壓最低為10:00 時刻節(jié)點(diǎn)17，電壓標(biāo)幺值為1.03，未越電壓上限。

3 結(jié)論

本文利用據(jù)儲能在網(wǎng)絡(luò)中的分布和各節(jié)點(diǎn)間的電氣距離劃分區(qū)域，以分布式資源經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)函數(shù)，以電壓不越限為約束，存在電壓越限節(jié)點(diǎn)的區(qū)域里的儲能按照低電價充電，高電價放電的原則運(yùn)行。構(gòu)建了單個區(qū)域電壓越下限的場景對本文所提方法進(jìn)行仿真分析，得到了儲能利用率最大時的儲能運(yùn)行狀態(tài)，并從經(jīng)濟(jì)收益和電壓調(diào)節(jié)效果兩方面進(jìn)行了綜合評估，著重分析了不同儲能利用率下的收益和電壓波動性，以及單個區(qū)域儲能動作后對其他區(qū)域電壓的影響。分布式儲能接入配電網(wǎng)，由于響應(yīng)速度快，能快速提供功率支撐，且儲能在不同電價時刻充放電可過得經(jīng)濟(jì)收益。因此本文利用分布式儲能解決電壓越限問題，并獲得經(jīng)濟(jì)收益?？捎行Ы鉀Q電壓越限問題，對儲能充放電時間和功率進(jìn)行控制后，可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益，對促進(jìn)農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展，加強(qiáng)農(nóng)村電網(wǎng)可靠性，增加農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收益具有積極意義。