交直流配電系統(tǒng)儲能優(yōu)化配置方法

張鴻雁，付 涵，許長清，羅 潘，皇甫霄文，孫建行

（1.國網(wǎng)河南省電力公司，鄭州 450052；2.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，鄭州 450052；3.教育部智能電網(wǎng)重點實驗室（天津大學(xué)），天津 300072）

隨著全球?qū)厥覛怏w排放的日益關(guān)注，可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)[1]。然而可再生能源固有的間歇性和隨機性會造成電網(wǎng)實際運行成本、網(wǎng)絡(luò)損耗、棄光和棄風(fēng)率的增加[2-3]。儲能系統(tǒng)ESS（energy storage system）在平抑新能源出力波動、緩解系統(tǒng)不確定性、改善負(fù)荷特性以及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運行等方面發(fā)揮著重要作用，是實現(xiàn)可再生能源并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)[4-5]，但相對較高的成本和較短的使用壽命，在一定程度上阻礙了儲能系統(tǒng)的發(fā)展。因此，世界各地開展了從聯(lián)合優(yōu)化角度提高儲能經(jīng)濟性和技術(shù)性的研究。文獻[6]提出了一種以儲能成本和提高負(fù)荷率獎勵費用綜合最優(yōu)為目標(biāo)的光儲優(yōu)化模型；文獻[7]提出了一種考慮分時電價和最大暫態(tài)頻率偏移的儲能系統(tǒng)機會約束優(yōu)化配置方案?，F(xiàn)有研究表明，儲能系統(tǒng)可獲得潛在經(jīng)濟效益以降低投資成本并避免冗余配置。

另一方面，柔性直流技術(shù)和電力電子器件在提高新能源利用率方面也有巨大潛力[8]。交直流混合配電系統(tǒng)融合了交流配電系統(tǒng)和直流配電系統(tǒng)的優(yōu)點，直流子系統(tǒng)可通過減少交直流轉(zhuǎn)換過程中的能量損失來促進直流分布式電源的接入，交流子系統(tǒng)可通過電壓源型換流器VSC（voltage source converter）調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓、提供功率支撐。與傳統(tǒng)的交流配電系統(tǒng)相比，交直流混合配電系統(tǒng)可以通過各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運行解決可再生能源并網(wǎng)所帶來的問題[9]。此外，交直流混合微電網(wǎng)可合理調(diào)整交流、直流電源與負(fù)荷接入，能夠有效減少電力轉(zhuǎn)換裝置的投資，因而得到廣泛應(yīng)用，文獻[10]以日前調(diào)度的運行成本最小為目標(biāo)，提出了一種含高滲透率可再生能源發(fā)電和電動汽車的交直流混合微電網(wǎng)的最優(yōu)運行方案；文獻[11]提出了一種基于經(jīng)濟調(diào)度的微電網(wǎng)儲能優(yōu)化配置方法。對于可再生能源滲透率較高的交直流混合配電系統(tǒng)，為平抑由可再生能源和電動汽車引入的波動，文獻[12]不僅提出了一種能夠有效提高系統(tǒng)經(jīng)濟性和靈活性的隨機調(diào)度方法，還研究了儲能與各種分布式能源的協(xié)調(diào)運行。現(xiàn)有文獻表明，儲能和交直流混合配電系統(tǒng)不僅能夠提高系統(tǒng)的可控性，還能夠提高可再生能源消納能力，進而加快電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型。但現(xiàn)有研究忽略了儲能無功調(diào)節(jié)能力和全壽命周期成本以及子系統(tǒng)之間的功率支撐能力。

本文面向交直流混合配電系統(tǒng)，綜合考慮各子系統(tǒng)中儲能與VSC的靈活配合，提出了一種儲能容量雙層優(yōu)化模型。首先，建立了交直流混合配電系統(tǒng)相關(guān)模型；隨后，建立儲能雙層容量優(yōu)化配置模型，通過內(nèi)外層迭代求解儲能配置方案；最后，通過算例分析證明所提模型的有效性。

1 交直流混合配電系統(tǒng)建模分析

典型的交直流混合配電系統(tǒng)包括ESS、VSC、光伏PV（photovoltaic）、直流負(fù)荷和交流負(fù)荷，交流子系統(tǒng)和直流子系統(tǒng)通過VSC進行功率交互。

1.1 電池儲能模型

電池儲能系統(tǒng)BESS（battery energy storage system）主要由儲存電量的電池本體和控制其充放電過程的換流器PCS（power conversion system）組成。PCS可以發(fā)出或吸收一部分無功功率以支撐電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。儲能系統(tǒng)的充放電功率需滿足的約束為

式中：PESS,i(t) 和QESS,i(t) 分別為第i個儲能系統(tǒng)在t時刻輸出的有功和無功功率，本文設(shè)儲能放電為正，充電為負(fù)；SESS,i為第i個PCS的接入容量；PESS.N,i和QESS.N,i分別為第i個儲能系統(tǒng)輸出有功和無功功率最大值。

當(dāng)BESS接入直流配電系統(tǒng)時不考慮其無功特性，其充放電功率約束滿足式（2）即可。此外，用荷電狀態(tài)SOC（state of charge）表示儲能的剩余容量，其值為儲能剩余容量與儲能總?cè)萘康谋戎?。在運行過程中，電池儲能系統(tǒng)需滿足約束

式中：SOCi(t)為第i個儲能系統(tǒng)在t時刻的荷電狀態(tài)；Erate,i為第i個儲能系統(tǒng)的額定容量；和分別為第i個儲能系統(tǒng)的SOC 上、下限；SOCi（0）和SOCi（T）分別為第i個儲能系統(tǒng)在運行優(yōu)化周期內(nèi)SOC的初始時刻和最終時刻的值。

1.2 換流站模型

交直流換流站是交直流混合配電系統(tǒng)中的核心設(shè)備。VSC能夠獨立控制有功和無功功率，可快速反轉(zhuǎn)潮流并向交流系統(tǒng)輸送無功功率，其運行功率約束為

式中：PVSC.ac,k(t)和QVSC.ac,k(t)分別為第k個VSC在t時刻傳輸?shù)慕涣鱾?cè)有功和無功功率；SVSC,k為第k個VSC的額定容量；PVSC.ac.N,k和QVSC.ac.N,k分別為第k個VSC傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率最大值。

VSC 的有功功率損耗與其傳輸?shù)挠泄β屎土鬟^的電流有關(guān)，具體表示為

式中：PVSC.loss,k為第k個VSC 的有功功率損耗；η為VSC 的有功損耗系數(shù)，取值范圍為3%～10%[13]；PVSC.dc,k為第k個VSC輸出的直流功率。

對于交直流混合配電系統(tǒng)而言，維持直流配電系統(tǒng)的有功功率平衡是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，即直流配電系統(tǒng)輸入的有功功率等于直流配電系統(tǒng)中的功率損耗與輸出的有功功率之和。各VSC在保證直流配電系統(tǒng)功率平衡的基礎(chǔ)下可獨立控制其交流側(cè)無功功率或母線電壓。因此，需選擇一個VSC 作為有功功率平衡換流器以保證直流配電系統(tǒng)功率平衡，其余VSC根據(jù)實際情況設(shè)定有功功率[14]。一般來說，VSC 間的協(xié)調(diào)控制可分為主從式控制和分布式下垂控制[15]。此外，交直流混合配電網(wǎng)中VSC 具有多種運行模式，包括PUac控制，PQ控制，UdcQ控制，UdcUac控制[16]。

1.3 交直流混合配電網(wǎng)Distflow 支路潮流模型

本文在傳統(tǒng)交流潮流基礎(chǔ)上，提出了適用于交直流混合配電系統(tǒng)的支路潮流模型。主換流器采用UdcQ控制，其他換流器采用PQ控制，交直流子系統(tǒng)約束如下。

（1）交流支路潮流約束為

式中：φi為以i為末節(jié)點的首節(jié)點集合；?i為以i為首節(jié)點的末節(jié)點集合；Ui(t)為t時段節(jié)點i的電壓；Iij,ac(t)、Pij,ac(t)和Qij,ac(t)分別為t時段交流節(jié)點i流向交流節(jié)點j的電流、有功和無功功率；rij和xij分別為支路ij的電阻和電抗；Pi,ac(t)和Qi,ac(t)分別為t時段注入交流節(jié)點i的有功和無功功率之和，可表示為

式中：為t時段光伏電源注入節(jié)點i的有功功率；和分別為t時段儲能注入節(jié)點i的有功和無功功率；PVSC.ac,i(t)和QVSC.ac,i(t)分別為t時段VSC 交流側(cè)注入交流節(jié)點i的有功和無功功率，規(guī)定從直流配電系統(tǒng)流向交流配電系統(tǒng)為正；和分別為t時段節(jié)點i上負(fù)荷消耗的有功和無功功率。

（2）交流子系統(tǒng)運行電壓水平約束為

式中，和分別為節(jié)點i的電壓上、下限。

（3）交流子系統(tǒng)支路電流約束為

式中，為交流支路ij允許通過的電流最大值。

（4）直流支路潮流約束為

式中：Iij,dc(t)和Pij,dc(t)分別為t時段直流節(jié)點i流向直流節(jié)點j的電流和有功功率；Pi,dc(t)為t時段直流節(jié)點i上注入有功功率之和，可表示為

式中，PVSC.dc,i(t)為t時段VSC直流側(cè)注入直流節(jié)點i的有功功率。

（5）直流子系統(tǒng)運行電壓水平約束為

（6）直流子系統(tǒng)支路電流約束為

式中，為直流支路ij允許通過的電流最大值。

BESS 運行約束如式（1）～式（6），VSC 的運行約束為式（7）～式（11）。

2 雙層容量優(yōu)化配置模型

BESS 容量優(yōu)化配置不僅要適應(yīng)未來配電系統(tǒng)的安全性和可靠性，還要具有較好的經(jīng)濟性，以便推動BESS 的廣泛應(yīng)用。如圖1 所示為本文所提出的儲能雙層容量優(yōu)化模中，其外層優(yōu)化模型負(fù)責(zé)解決BESS 容量規(guī)劃問題；內(nèi)層優(yōu)化模型主要在外層優(yōu)化模型給定的各BESS 的額定容量、額定功率和初始SOC的基礎(chǔ)上解決系統(tǒng)的經(jīng)濟運行問題，并將得到的BESS 運行功率和套利收益、VSC 運行功率以及系統(tǒng)網(wǎng)損成本返回給外層優(yōu)化模型；內(nèi)外層模型交替求解得到最優(yōu)配置方案。其中，外層優(yōu)化模型采用遺傳算法結(jié)合模擬退火算法求解，內(nèi)層模型采用二階錐規(guī)劃求解。

圖1 BESS 雙層容量優(yōu)化配置模型Fig.1 Bi-level BESS capacity optimization model

2.1 內(nèi)層優(yōu)化模型

BESS 和VSC 協(xié)調(diào)運行可提高交直流混合配電系統(tǒng)的靈活性，平抑由可再生能源發(fā)電滲透率過高所導(dǎo)致的電壓波動。本文中光伏電源按單位功率因數(shù)輸出有功功率，BESS 的PCS 可以吸收或發(fā)出一定的無功功率用于無功補償和電壓支撐。當(dāng)配電系統(tǒng)電壓位于最佳運行區(qū)間時，該系統(tǒng)的安全性及經(jīng)濟性較好。通過儲能系統(tǒng)和VSC 協(xié)調(diào)運行可以最大限度的將電壓維持在最佳運行狀態(tài)，模型的目標(biāo)函數(shù)為

式中：CL為BESS 配置后配電系統(tǒng)的年均網(wǎng)損成本；CA為儲能套利收益；ΔU為電壓水平偏差；λ1、λ2和λ3為相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；K、NESS、Ndc和Nac分別為VSC 的個數(shù)、ESS 的個數(shù)、直流子系統(tǒng)和交流子系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)；Ωi為節(jié)點i的相鄰節(jié)點所構(gòu)成的集合；price(t)為t時刻電價；BESS 在盡可能降損套利的基礎(chǔ)上，應(yīng)使電壓接近或處于節(jié)點電壓幅值的優(yōu)化區(qū)間，即[Uthr,min，Uthr,max]；G為一年中BESS運行天數(shù)。

內(nèi)層優(yōu)化模型是多時段最優(yōu)潮流問題，本文采用Distflow支路潮流模型。求解儲能規(guī)劃模型的主要挑戰(zhàn)是最優(yōu)潮流問題的強非凸非線性，而凸化松弛處理可將非凸的非線性問題轉(zhuǎn)化為二階錐規(guī)劃以進行高效求解。錐規(guī)劃理論對數(shù)學(xué)模型具有嚴(yán)格限制，需對本文中存在決策變量乘積項和二次項的相應(yīng)模型進行錐轉(zhuǎn)換處理，具體分為以下3個步驟。

步驟1目標(biāo)函數(shù)的線性變換。

用Iij,ac,2(t)、Iij,dc,2(t) 和Ui,2(t) 替換式（25）和式（27）中的二次項、和，將目標(biāo)函數(shù)線性化為

由于式（25）中存在絕對值項|PVSC.ac,k(t) |，引入輔助變量pVSC,k(t)=|PVSC.ac,k(t) |，并增加約束

由于式（29）中存在絕對值項|Ui,2(t)-1 |，引入輔助變量μi(t)=|Ui,2(t)-1 |，并增加約束[18]

步驟2系統(tǒng)運行約束的錐轉(zhuǎn)換。

對于交流子系統(tǒng)約束，用Iij,ac,2(t)和Ui,2(t)替換式（12）～式（14）以及式（16）和式（17）中的二次項和，可得

將約束條件式（33）做松弛處理，可得

再等價變換成標(biāo)準(zhǔn)二階錐的形式，有

直流子系統(tǒng)約束轉(zhuǎn)化相似于交流子系統(tǒng)，用Iij,dc,2(t)和Ui,2(t)替換式（18）～式（20）及式（22）和式（23）中的二次項和，可得

將約束條件式（40）做松弛處理，可得

再等價變換成標(biāo)準(zhǔn)二階錐的形式，有

步驟3儲能系統(tǒng)及VSC運行約束的錐轉(zhuǎn)換。

將BESS充放電約束式（1）轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)錐約束為

而式（2）～式（7）為線性約束，無需對其進行轉(zhuǎn)化。

與BESS 充放電約束類似，式（10）中絕對值項轉(zhuǎn)化同式（25）。VSC 的充放電約束需要等價地轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)錐約束，即

至此完成了優(yōu)化模型的錐轉(zhuǎn)換處理。

本文采用Gurobi工具，利用Matlab求解目標(biāo)優(yōu)化模型的錐規(guī)劃算法。本文提出的內(nèi)層優(yōu)化模型求解框圖如圖2所示。

圖2 內(nèi)層優(yōu)化模型框圖Fig.2 Block diagram of inner-layer optimization model

2.2 外層優(yōu)化模型

外層模型以BESS經(jīng)濟性最優(yōu)為目標(biāo)，表示為

式中：Csys、Crep、CFOM、Cdis分別為儲能系統(tǒng)的年均初始安裝成本、更換成本、固定運維成本和處理成本；CL0為BESS配置前配電系統(tǒng)的年均網(wǎng)損成本。

（1）初始安裝成本。本文的儲能系統(tǒng)主要包含電池、PCS和相關(guān)輔助設(shè)施。因此系統(tǒng)的年均初始安裝成本可表示為

式中：CE和CP分別為儲能電池的單位容量成本價格和單位功率成本價格；Prate,i為第i個儲能系統(tǒng)的額定功率；Y為項目年限周期，a；σ為貼現(xiàn)率，%。

（2）更換成本。電池儲能在項目周期內(nèi)的年均更換成本為

式中：k和n分別為儲能電池更換的次數(shù)和壽命周期；ε為更換儲能的電池本體的次數(shù)；β為儲能初始安裝成本每年下降的比例。本文設(shè)定PCS 的使用壽命為10 a。

（3）固定運維成本。固定運維成本CFOM與儲能類型和額定功率有關(guān)，可表示為

式中，Cf為儲能系統(tǒng)的單位固定運維成本。

（4）處理成本。處理費用是處理廢舊電池所產(chǎn)生的費用為

式中，Cd為電池的單位處置成本。

本文設(shè)置儲能的額定無功功率為額定有功功率0.5倍。此外，外層優(yōu)化模型還應(yīng)滿足約束條件

式中：和分別為第i個儲能系統(tǒng)投資功率的上、下限；和分別為第i個儲能系統(tǒng)投資容量的上、下限。

遺傳算法可通過迭代獲得優(yōu)化結(jié)果，能夠有效解決非線性約束問題，但其易陷于局部最優(yōu)解；而模擬退火算法可以輔助遺傳算法離開局部最優(yōu)區(qū)域，進而尋找全局最優(yōu)解[19]，因此外層優(yōu)化模型采用遺傳算法結(jié)合模擬退火算法求解，求解流程如圖3所示。

圖3 外層優(yōu)化模型求解流程Fig.3 Flow chart of solving the outer-layer optimization model

3 算例分析

3.1 算例設(shè)置

以如圖4 所示的低壓交直流混合配電系統(tǒng)為例來驗證本文所提BESS雙層容量優(yōu)化配置模型的有效性和準(zhǔn)確性，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 交直流混合配電系統(tǒng)線路參數(shù)Tab.1 Line parameters of AC/DC hybrid distribution system

圖4 低壓交直流混合配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Topology of low-voltage AC/DC hybrid distribution system

算例中交直流混合配電系統(tǒng)共包含61 個節(jié)點，整個系統(tǒng)分為交流配電系統(tǒng)1 和系統(tǒng)2 及直流配電系統(tǒng)3 部分。直流系統(tǒng)中VSC1 控制模式為UdcQ控制，VSC2 為PQ控制模式。交流配電系統(tǒng)1、直流配電系統(tǒng)和交流配電系統(tǒng)2的平衡節(jié)點分別為節(jié)點36、節(jié)點1和節(jié)點62。設(shè)置交流配電系統(tǒng)和直流配電系統(tǒng)的電壓等級為10 kV 和±10 kV，各支路允許通過的最大電流為500 A，電壓幅值區(qū)間設(shè)為[0.97 p.u.，1.03 p.u.]，優(yōu)化區(qū)間為[0.985 p.u，1.015 p.u.]。本算例采用峰谷分時電價，具體如表2 所示，各負(fù)荷和PV的運行情況如圖5所示。

表2 分時電價Tab.2 Time-of-use electricity price

圖5 典型日負(fù)荷與光伏電源的運行情況Fig.5 Operation of typical daily load and PV power generation

項目規(guī)劃年限為20 a，單位容量價格、單位功率價格、單位運維成本和單位處理成本分別為1 060 元/（kW·h）、1 085 元/kW、155 元/kW和1 400 元/kW，貼現(xiàn)率設(shè)為10%，VSC 參數(shù)見表3。通過層次分析法得到目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)λ1= 0.7，λ2=0.15，λ3=0.15[17]。本算例在Matlab環(huán)境下調(diào)用Gurobi工具進行求解。

表3 VSC 初始配置參數(shù)Tab.3 Initial configuration parameters of VSC

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

本算例中BESS 配置結(jié)果如表4 所示。為進一步研究交直流混合配電系統(tǒng)中電壓水平和經(jīng)濟性受BESS運行策略的影響，設(shè)置了以下3種不同場景進行對比分析。

表4 雙層容量優(yōu)化配置模型結(jié)果Tab.4 Results of bi-level capacity optimization model

場景1：儲能未參與運行，只有VSC 參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

場景2：儲能僅有功功率參與運行，儲能與VSC協(xié)調(diào)運行參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

場景3：儲能有功/無功功率同時參與運行，儲能與VSC協(xié)調(diào)運行參與調(diào)節(jié)交直流混合配電系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

3.2.1 場景1：儲能未參與運行

在場景1 中，只有VSC 參與交直流混合配電系統(tǒng)調(diào)節(jié)。圖6和圖7中展示了VSC1和VSC2的運行情況以及各個子系統(tǒng)的電壓情況?？梢?，僅VSC1和VSC2 協(xié)調(diào)運行參與交直流混合配電系統(tǒng)調(diào)節(jié)，各子系統(tǒng)會出現(xiàn)電壓越限問題。在08：00—12：00時段，3 個子系統(tǒng)的電壓因PV 出力的增大而升高，其中交流子系統(tǒng)2中的PV位置距離平衡節(jié)點較遠，其電壓變化顯著。在13：00—16：00 時段，交流子系統(tǒng)2 的電壓越限問題由于負(fù)荷的逐漸增加而有所緩解。由于VSC1 采用UdcQ控制且直流負(fù)荷靠近VSC2，故VSC2 提供直流配電系統(tǒng)的功率支撐，減輕了直流子系統(tǒng)的電壓越限問題。在08：00—15：00 時段，各VSC 調(diào)節(jié)無功功率以盡可能地緩解電壓問題。在17：00—22：00 時段，由于交流子系統(tǒng)2 負(fù)荷較重，直流子系統(tǒng)主要由交流子系統(tǒng)1 經(jīng)VSC1提供功率支撐，且VSC2通過無功支撐緩解交流子系統(tǒng)2電壓問題。

圖6 場景1 下VSC 運行情況Fig.6 Operation of VSCs under Scenario 1

圖7 場景1 下各典型節(jié)點電壓曲線Fig.7 Voltage curve at typical nodes under Scenario 1

綜上，VSC的協(xié)調(diào)運行對交直流混合系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起到積極作用，但VSC的有限容量難以保證極端條件下交直流混合系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.2.2 場景2：儲能僅有功參與運行

場景2 下，BESS 的配置結(jié)果如表4 所示，各BESS 僅有功出力，將表4 中的額定無功功率QN設(shè)定為0。儲能與VSC 協(xié)調(diào)運行以平抑由PV 出力和負(fù)荷變化引起的電壓問題。各儲能系統(tǒng)的運行情況、VSC的運行情況和各子系統(tǒng)的電壓水平分別如圖8、圖9和10所示。

圖8 場景2 下儲能系統(tǒng)運行情況Fig.8 Operation of BESSs under Scenario 2

圖9 場景2 下VSC 運行情況Fig.9 Operation of VSCs under Scenario 2

由圖8～圖10 可以看出，通過儲能介入可以解決系統(tǒng)電壓問題，并且BESS 的充放電狀況由系統(tǒng)中的電力供求關(guān)系所確定，而儲能系統(tǒng)只有在電壓安全裕度范圍之內(nèi)才能進行套利。各系統(tǒng)的電壓在09：00—15：00 時段越上限，為了將電壓的幅值控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，儲能系統(tǒng)在高電價期間進行充電。綜合考慮01：00—05：00 時段和08：00—16：00 時段儲能以及VSC 的運行情況，BESS1 除了在電壓越限階段要吸收多余電量之外，其余時段主要處于套利運行狀態(tài)；而BESS2、BESS3則在低電價時段進行放電，以此來維持儲能的充放電量的平衡。從圖9可以看出，在08：00—16：00時段，直流配電系統(tǒng)倒送功率主要經(jīng)由VSC2 被交流配電系統(tǒng)2消納，由于直流配電系統(tǒng)的PV節(jié)點距離采用PQ控制的VSC2 較近，因此直流配電系統(tǒng)的電壓能夠保持在較好的水平。

圖10 場景2 下各典型節(jié)點電壓曲線Fig.10 Voltage curve at typical nodes under Scenario 2

綜上，VSC與BESS的協(xié)調(diào)運行，既能保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定在安全裕度內(nèi)，又能使儲能系統(tǒng)獲得套利收益。此外，二者協(xié)調(diào)運行減少了混合系統(tǒng)對儲能的調(diào)控需求，從而減少儲能的配置容量。當(dāng)交直流混合系統(tǒng)的電壓處于安全電壓范圍內(nèi)時，采用PQ控制方式且距離直流負(fù)荷較近的VSC將會優(yōu)先為其提供電力功率支持，以確保直流配電系統(tǒng)的電壓處于一個較優(yōu)的水平。

3.2.3 場景3：儲能有功/無功同時參與運行

場景3 中BESS 配置情況見表4。在不改變BESS 配置的情況下，通過調(diào)節(jié)PCS 功率因數(shù)可獲得無功支撐。BESS無功調(diào)節(jié)與有功輸出和VSC協(xié)調(diào)運行相配合，可對系統(tǒng)電壓進行更深層次的調(diào)節(jié)，從而提升BESS套利收益。圖11和圖12分別展示了BESS 和VSC 的運行情況，圖13 展示了各個子系統(tǒng)的電壓水平?？梢姡琍CS無功介入后，當(dāng)PV出力增加引起電壓越限時，BESS能夠通過其有功/無功功率配合將各系統(tǒng)電壓調(diào)整到安全范圍內(nèi)，與場景2結(jié)果相比各子系統(tǒng)的電壓水平得到進一步提高。

圖11 場景3 下儲能系統(tǒng)運行情況Fig.11 Operation of BESSs under Scenario 3

圖12 場景3 下VSC 運行情況Fig.12 Operation of VSCs under Scenario 3

圖13 場景3 下各典型節(jié)點電壓曲線Fig.13 Voltage curve at typical nodes under Scenario 3

與場景2相比，場景3中BESS獲得了更好的峰谷套利收益。經(jīng)過PCS1無功補償后，VSC1的無功出力減少，實現(xiàn)了無功的就地補償，提高了系統(tǒng)的電壓水平并減少了網(wǎng)絡(luò)損耗。3個儲能雙系統(tǒng)協(xié)調(diào)互動，保持系統(tǒng)在安全電壓范圍內(nèi)并實現(xiàn)BESS 收益最大化。

各場景下BESS的套利收益和混合系統(tǒng)的年均網(wǎng)損成本見表5，考慮PCS 無功出力后，BESS 的年套利收入增加約70.9 萬元。圖14 所示為場景2 和場景3下各BESS年均成本，通過比較在PCS產(chǎn)生無功功率前后各BESS 年均成本變化，可見，BESS1年均成本改變較小，BESS2平均成本增加了約3.2萬元，BESS3年均成本減少了約2.3萬元。在不同的場景下，各BESS配置情況保持不變，變化成本主要來自更換和處理成本。在綜合考慮BESS全壽命周期成本、儲能套利收益以及降低網(wǎng)損收益后，與PCS 無功出力之前相比，BESS總年均成本減少了65.4萬元。因此，在PCS 無功出力后BESS 的經(jīng)濟性能得到了較大改善。

表5 各場景下的套利收益和年均網(wǎng)損成本Tab.5 Arbitrage revenue and average annual loss cost under various scenarios 萬元

圖14 場景2 和場景3 下各儲能年均成本Fig.14 Average annual cost of each ESS under Scenarios 2 and 3

綜上，充分發(fā)揮BESS 有功功率調(diào)節(jié)能力和無功支撐能力，與VSC 協(xié)同運行，可以有效緩解由分布式電源和負(fù)荷引起的交直流混合系統(tǒng)電壓問題，進而提高配電網(wǎng)對可再生能源的消納能力。此外，PCS 的無功出力能夠增大儲能的套利收益并避免冗余配置。

4 結(jié) 論

本文面向交直流混合配電系統(tǒng)，提出了一種考慮VSC 和BESS 運行特性的BESS 容量優(yōu)化配置方法，以適應(yīng)新能源帶來的隨機性和間歇性。結(jié)論如下。

（1）交直流混合配電系統(tǒng)便于直流電源的接入，各子系統(tǒng)可通過VSC 進行功率支撐，從而提高整個系統(tǒng)的靈活性和可控性。

（2）BESS和VSC聯(lián)合運行可有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，同時提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性并避免儲能冗余配置。

（3）BESS 可通過改變PCS 的功率因數(shù)來實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的無功支撐，并與VSC 運行相結(jié)合，可實現(xiàn)系統(tǒng)電壓的進一步穩(wěn)定，同時提高BESS 套利收益。