配電網(wǎng)儲能設(shè)備運行策略與容量的協(xié)調(diào)優(yōu)化

張 楊，陶生虎，張笑波，鄭東風(fēng)，陳洲奕

（國網(wǎng)甘肅省電力公司定西供電公司，甘肅 定西 743000）

儲能系統(tǒng)主要用于提高分布式電源與配電網(wǎng)的互動能力。分布式電源是指接入配電網(wǎng)的可再生能源發(fā)電設(shè)備，是配電網(wǎng)中的重要組成部分，具有隨機性、波動性和間歇性等特點[1]。分布式電源與配電網(wǎng)互動時，分布式電源的接入會影響配電網(wǎng)運行特性，使配電網(wǎng)原有的安全穩(wěn)定運行能力減弱。儲能系統(tǒng)可以根據(jù)需要進行充放電控制，有效平抑分布式電源并網(wǎng)引起的電壓波動，提高配電網(wǎng)對分布式電源的接納能力。儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的作用主要表現(xiàn)為：一是作為負荷用電的備用電源；二是作為調(diào)頻、調(diào)壓設(shè)備；三是作為需求側(cè)響應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備；四是用于降低網(wǎng)絡(luò)損耗。

1 儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用形式

從應(yīng)用形式上來看，儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中有兩種應(yīng)用形式：一種是在微網(wǎng)層面上應(yīng)用；另一種是在配電網(wǎng)層面上應(yīng)用[2]。在微網(wǎng)層面上應(yīng)用的儲能系統(tǒng)，通常采用壓縮空氣儲能(CAS)、飛輪儲能(BCCS)、抽水蓄能(PL)和蓄電池儲能等類型的電池進行能量存儲。在配電網(wǎng)層面上應(yīng)用的儲能系統(tǒng)，通常采用鋰離子電池、鈉硫電池和超級電容等類型的電池進行能量存儲。目前，配電網(wǎng)中采用較多的儲能系統(tǒng)是鋰離子電池和鈉硫電池等。鋰離子電池具有較高能量密度、快速充放電能力和長壽命等特點，但存在壽命短、對環(huán)境要求高等問題；鈉硫電池具有較高功率密度和長壽命等優(yōu)點，但存在充放電功率大、能量密度低等問題；超級電容具有功率密度高、充放電速度快、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，但存在充電時間長、充電功率小等問題。

2 配電網(wǎng)儲能設(shè)備運行策略

在實際的配電網(wǎng)中，通常由多個可再生能源發(fā)電單元或分布式電源接入配電網(wǎng)的不同位置，因此，需要在考慮配電網(wǎng)儲能設(shè)備投資成本的同時，在一定程度上滿足其對可再生能源發(fā)電單元或分布式電源接入后對配電網(wǎng)負荷的調(diào)控需求，這就需要綜合考慮配電網(wǎng)中不同位置的儲能設(shè)備，采取不同的運行策略。

2.1 基于能量回收的運行策略

能量回收是指將系統(tǒng)中產(chǎn)生的剩余能量進行收集和利用，在一些特定的應(yīng)用場景中，儲能設(shè)備可以通過回收系統(tǒng)中的余熱、余電等能量，實現(xiàn)能量的再利用，提高系統(tǒng)的能效[3]。

2.2 基于電池管理系統(tǒng)的運行策略

電池管理系統(tǒng)通過對電池的各項參數(shù)進行實時監(jiān)測和調(diào)整，以實現(xiàn)最優(yōu)能量利用和電網(wǎng)支持[4]。首先，電池管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，并記錄電池的充放電狀態(tài)和健康狀況。這些數(shù)據(jù)可以幫助系統(tǒng)了解電池的性能和狀態(tài)，為后續(xù)的充放電控制提供依據(jù)。其次，根據(jù)電池的狀態(tài)和系統(tǒng)需求，電池管理系統(tǒng)可以合理調(diào)度電池的充放電功率。在充電時，管理系統(tǒng)可以根據(jù)電池的充電速率和充電時間進行控制，避免過充或過熱的情況發(fā)生。在放電時，管理系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的需求和電池的健康狀況來調(diào)整放電功率，避免電池過度使用或損壞。再次，電池管理系統(tǒng)還可以根據(jù)電網(wǎng)的需求和系統(tǒng)的負載情況，合理調(diào)度電池的充放電時機和功率，實現(xiàn)能量的高效利用和平衡。這有助于提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并降低運行成本。另外，電池管理系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵剡M行故障診斷，及時發(fā)現(xiàn)并處理電池故障或異常情況，可以檢測到電池的電量不足、過充、過放等問題，并及時采取措施進行處理，以保障系統(tǒng)的正常運行。

2.3 基于最大功率點追蹤的運行策略

在配電網(wǎng)儲能設(shè)備控制階段，當(dāng)可再生能源發(fā)電單元輸出功率大于其接入點處配電網(wǎng)負荷時，通過對可再生能源發(fā)電單元輸出進行最大功率點追蹤，使其能夠向配電網(wǎng)提供足夠的功率；當(dāng)可再生能源發(fā)電單元輸出功率小于其接入點處配電網(wǎng)負荷時，通過對儲能設(shè)備進行充電處理，以保證可再生能源發(fā)電單元能夠向配電網(wǎng)提供足夠的功率；當(dāng)可再生能源發(fā)電單元輸出功率小于其接入點處配電網(wǎng)負荷時，通過對儲能設(shè)備進行放電處理，以保證可再生能源發(fā)電單元能夠向配電網(wǎng)提供足夠的功率；當(dāng)可再生能源發(fā)電單元輸出功率大于其接入點處配電網(wǎng)負荷時，通過對儲能設(shè)備進行充電處理，以保證儲能設(shè)備能夠向配電網(wǎng)提供足夠的功率；當(dāng)儲能設(shè)備所處位置處沒有足夠的負荷容量時，應(yīng)將其接入配電網(wǎng)中[5]。

2.4 基于能量管理系統(tǒng)的運行策略

基于能量管理系統(tǒng)的控制策略是通過集中管理多種儲能技術(shù)，以實現(xiàn)能量的高效利用和平衡。首先，能量管理系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的需求，將多余的能量存儲在儲能設(shè)備中，并在需要時將能量釋放出來。這種存儲和釋放的過程有助于平衡系統(tǒng)的負荷，提高能源的利用效率[6]。其次，能量管理系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的需求和能源供應(yīng)的情況，優(yōu)化能源的利用方式。例如，在夜間電網(wǎng)需求較低時，管理系統(tǒng)可以將儲能設(shè)備中的電能進行回收和儲存，以供白天高峰時使用。這種方式有助于減少能源的浪費和節(jié)約成本。再次，能量管理系統(tǒng)可以實時監(jiān)測儲能設(shè)備的使用情況和性能，并在必要時為系統(tǒng)提供可靠的能源供應(yīng)。例如，在電網(wǎng)故障或其他緊急情況下，管理系統(tǒng)可以利用儲能設(shè)備中的電能繼續(xù)為系統(tǒng)供電，以保證系統(tǒng)的正常運行。另外，能量管理系統(tǒng)需要龐大的數(shù)據(jù)分析和處理能力，以實現(xiàn)能量的高效利用和平衡。這需要系統(tǒng)具備高效的數(shù)據(jù)處理能力和智能化的決策支持系統(tǒng)，以支持系統(tǒng)的正常運行和管理。

2.5 基于預(yù)測模型的運行策略

預(yù)測模型是儲能設(shè)備運行策略中常見的一種方法，通過對負載需求、能量供應(yīng)和儲能設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測，可以提前做出充放電策略的決策，以實現(xiàn)能量的平衡和優(yōu)化。預(yù)測模型可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計學(xué)法和機器學(xué)習(xí)等方法建立，并根據(jù)實際情況進行優(yōu)化。

3 配電網(wǎng)儲能設(shè)備容量的協(xié)調(diào)優(yōu)化

3.1 儲能設(shè)備容量與可再生能源發(fā)電優(yōu)化

由于可再生能源發(fā)電具有不確定性，在并網(wǎng)后，會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，儲能設(shè)備的容量由其所處的運行狀態(tài)決定[7]。在配電網(wǎng)中，可再生能源發(fā)電和負荷之間存在著能量交換，如果儲能設(shè)備能夠在滿足可再生能源發(fā)電出力的前提下，保證負荷在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，那么其所配備的儲能容量就可以得到有效利用。然而，實際配電網(wǎng)中由于大量可再生能源的接入，可再生能源出力具有較大的波動性和隨機性。對于電網(wǎng)來說，需要考慮未來負荷變化情況對配電網(wǎng)運行的影響以及未來電力市場的相關(guān)規(guī)定，研究如何根據(jù)負荷預(yù)測和可再生能源出力預(yù)測進行合理規(guī)劃配置儲能設(shè)備容量。

3.2 儲能設(shè)備容量與配電網(wǎng)負荷優(yōu)化

配電網(wǎng)中，負荷特性一般為尖峰負荷、高峰負荷、低谷負荷三種。在某些區(qū)域，峰谷差較大，則可以利用峰谷差發(fā)電。例如，在用電高峰時刻(例如晚高峰)，利用峰谷差發(fā)電，可降低上網(wǎng)電價，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。但如果要充分發(fā)揮儲能設(shè)備的作用，還需要考慮在高峰時段儲能設(shè)備需要吸收大量的電能而在低谷時段釋放的電能對電網(wǎng)的影響。

配電網(wǎng)中存在著大量的負荷特性為峰谷差較大的用戶，而且這些用戶占了整個配電網(wǎng)負荷比例的80%以上[8]。對于這類用戶來說，在低谷時段用電將對電網(wǎng)具有較大影響。為解決該問題，可引入儲能設(shè)備來消納低谷時段用戶的電能，并在其高峰時段釋放電能以降低網(wǎng)損。因此，如果要充分發(fā)揮儲能設(shè)備在配電網(wǎng)中的作用，就需要充分考慮這類用戶對電能的需求規(guī)律和需求時間。

居民用戶其用電規(guī)律為峰谷差較大。由于居民用電時間通常為晚高峰用電時間較早、早高峰用電時間較晚(即下班時間)、高峰時段用電時間相對固定等特點，因此在這類用戶中采用儲能設(shè)備消納其低谷時段電能是可行的。

由于工業(yè)企業(yè)通常具有白天負荷小、夜間負荷大、用電時間相對固定等特點。在這類用戶中采用儲能設(shè)備消納其低谷時段電能可以有效解決用電成本問題。而商業(yè)企業(yè)用戶由于其白天和夜間的用電特性與居民不同，因此需要采用儲能設(shè)備消納其高峰時段電能。

4 總結(jié)

儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛，對配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行有著重要影響。為提升儲能系統(tǒng)運行效率，保證儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，開展配電網(wǎng)儲能設(shè)備運行策略與容量的協(xié)調(diào)優(yōu)化研究，對于推動儲能科學(xué)的發(fā)展具有重要的意義。在以后的研究中，需要進一步根據(jù)實際情況優(yōu)化儲能容量，確保投資成本低，投入產(chǎn)出比高，能量利用效率高。