雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲能技術(shù)研究

冼鐘業(yè)，左 婧，萬中田，馬文琳，鄧奕星

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528200；2.廣東南海電力設(shè)計院工程有限公司，廣東 佛山 528200；3.國電華研電力科技有限公司，廣東 廣州 510030)

1 引 言

我國在2020年聯(lián)合國大會上提出中國將于2030年將碳排放量[1]達(dá)到峰值并于2060年實現(xiàn)碳中和。2020年12月在氣候雄心峰會上就雙碳目標(biāo)[2]做出進(jìn)一步規(guī)劃，作為全球最大的發(fā)展中國家，實現(xiàn)雙碳目標(biāo)未來挑戰(zhàn)嚴(yán)峻。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷提升，電力設(shè)備逐年增多。配電網(wǎng)[3]作為輸電網(wǎng)與用電側(cè)的連接設(shè)備，在電力系統(tǒng)中起到的作用巨大。電力負(fù)荷[4]增長迅速，峰谷落差大等問題的出現(xiàn)，更是給配電網(wǎng)帶來“低電壓”“標(biāo)準(zhǔn)低”以及“聯(lián)系弱”問題。針對傳統(tǒng)配電網(wǎng)儲能技術(shù)中成本高技術(shù)落后的問題，提出高效簡潔的配電網(wǎng)共享儲能方法，成為整個電力行業(yè)都迫切需要解決的問題之一。

文獻(xiàn)[5]方法通過對配電網(wǎng)儲能運(yùn)行狀態(tài)的分析，確定了配電網(wǎng)節(jié)點的儲能優(yōu)先級；依據(jù)配電網(wǎng)電壓波動以及網(wǎng)損節(jié)點建立目標(biāo)函數(shù)；使用粒子群算法優(yōu)化配電網(wǎng)充放電功率，獲取儲能的最佳配置容量，實現(xiàn)儲能共享。該方法由于未能對配電網(wǎng)電力信號進(jìn)行去噪處理，導(dǎo)致該方法無法處理的儲能充放電功率低。文獻(xiàn)[6]方法首先確定購電、網(wǎng)損、投資等成本指標(biāo)，并建立配電網(wǎng)運(yùn)行模型，依據(jù)時間尺度對模型進(jìn)行計算；通過運(yùn)行結(jié)果構(gòu)建儲能選址定容模型，設(shè)定配電網(wǎng)節(jié)點電壓約束范圍，根據(jù)二階規(guī)劃算法實現(xiàn)儲能優(yōu)化，完成儲能共享。該方法進(jìn)行二階規(guī)劃時存在問題，所以該方法的共享效果差。文獻(xiàn)[7]方法依據(jù)條件的風(fēng)險價值改進(jìn)置信區(qū)間，通過供需平衡角度建立風(fēng)險成本模型；使用定量評估法評價邊界的潛在損失；綜合配電網(wǎng)架構(gòu)。建立安全與經(jīng)濟(jì)性并存的儲能優(yōu)化配置模型，實現(xiàn)對儲能的優(yōu)化配置，完成儲能共享。該方法在進(jìn)行潛在損失評估時存在誤差，因此，該方法的電網(wǎng)儲能共享性能差。

為解決上述配電網(wǎng)儲能共享過程中存在的問題，提出雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲能技術(shù)研究。

2 配電網(wǎng)信號去噪

在對配電網(wǎng)儲能[8]資源進(jìn)行儲能共享前，需要使用高斯濾波器對配電網(wǎng)中的噪聲信號進(jìn)行去噪處理。

2.1 濾波器原理

高斯濾波器[9]在進(jìn)行信號去噪時，通過高斯核函數(shù)對原始噪聲信號進(jìn)行卷積，從而實現(xiàn)信號去噪。首先設(shè)定一維的高斯函數(shù)為g(t,σ)，表達(dá)如式(1)所示：

(1)

式中:σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差；t為卷積時間標(biāo)記；exp為指數(shù)函數(shù)。利用上述高斯函數(shù)[10]對配電網(wǎng)噪聲信號進(jìn)行卷積，結(jié)果如式(2)所示：

S(t,σ)=f(t)×g(t,σ)

(2)

式中；×為卷積運(yùn)算符號；g(t,σ)為高斯濾波器；f(t)為一維函數(shù)；S(t,σ)為濾波結(jié)果。高斯濾波器能夠通過對標(biāo)準(zhǔn)方差的控制來調(diào)整噪聲信號[11]的平滑程度，實現(xiàn)配電網(wǎng)噪聲信號的去噪。

2.2 去噪算法

設(shè)定配電網(wǎng)的電力信號為f(m)，其中信號的采樣時間標(biāo)記m，濾波權(quán)值用w(m,σ)，原始電力信號標(biāo)記f0(m)，平滑去噪后的濾波器輸出標(biāo)記fk+1(m)，窗口內(nèi)權(quán)值標(biāo)記wk(m+i,σ)，窗口長度用(2M+1)表示，通過計算可獲取信號在k+1次迭代后的濾波器輸出，過程如式(3)所示：

(3)

式中：i為常數(shù)；M為信號數(shù)量。當(dāng)濾波器的窗口內(nèi)權(quán)值為1時，通過濾波器對配電網(wǎng)電力信號進(jìn)行平滑處理，保留未發(fā)生變異的電力信號[12]。通常情況下，由于配電網(wǎng)電力信號的位置與幅度是未知的，所以不能隨意更改信號權(quán)值，這時就需要利用導(dǎo)數(shù)運(yùn)算方法修正濾波器權(quán)重系數(shù)，過程如式(4)所示：

(4)

2.3 信號標(biāo)準(zhǔn)差性能分析

由于電力信號在平滑去噪時，濾波器權(quán)重系數(shù)wk(m,σ)的高低，是通過電力信號一階導(dǎo)數(shù)與信號標(biāo)準(zhǔn)差σ之間的占比來決定的。因此需要通過恒定參數(shù)σ控制信號的迭代變異信息以及信號的平滑程度，過程中需要對濾波器各項參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，結(jié)果如下：

(2)當(dāng)wk(m,σ)較小時，信號標(biāo)準(zhǔn)差小于信號一階導(dǎo)數(shù)，迭代后的信號以及迭代突變數(shù)據(jù)發(fā)生融合，增強(qiáng)電力信號噪聲。

(3)當(dāng)wk(m,σ)為0時，信號[13]導(dǎo)數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)方差大致相同，迭代突變信息留存較完整。

基于上述可知，信號標(biāo)準(zhǔn)方差取值的大小，能夠決定信號的去噪效果。

2.4 去噪流程

配電網(wǎng)電力信號去噪具體流程如下：

(1)對電力原始信號進(jìn)行采樣處理。

(2)設(shè)定迭代次數(shù)。

(4)選取不同的信號標(biāo)準(zhǔn)方差對導(dǎo)數(shù)平均值進(jìn)行計算，獲取信號濾波的權(quán)重系數(shù)。

(5)選取不同的信號標(biāo)準(zhǔn)方差對配電網(wǎng)電力信號進(jìn)行平滑去噪，使用窗口模板計算信號關(guān)聯(lián)程度，過程如式(5)所示：

(5)

式中：fk+1(m)為信號的窗口關(guān)聯(lián)程度；i為常數(shù)。

(6)對迭代次數(shù)進(jìn)行辨別，當(dāng)k=K時，迭代結(jié)束，至濾波器[14]中輸出平滑后電力信號，完成配電網(wǎng)電力信號的去噪處理。

3 配電網(wǎng)儲能共享技術(shù)

3.1 確定等效集中儲能參數(shù)

由于配電網(wǎng)中各項儲能資源儲存位置分散利用率低，所以需要整合配電網(wǎng)各項儲能[15]資源。基于上述去噪信號獲取配電網(wǎng)的等效集中參數(shù)。

首先設(shè)定配電網(wǎng)儲能為SOC，初始儲能標(biāo)記SOC0，儲能最大充電功率標(biāo)記Pchmax、最大放電功率標(biāo)記Pdismax，對配電網(wǎng)的充放電功率進(jìn)行獲取，過程如式(6)所示：

(6)

式中：Pirate為第i種儲能的額定功率，kW；Pich為充電功率，kW;Pidis為放電功率，kW;Pallch為配電網(wǎng)總充電功率，kW;Palldis為總放電功率，kW;N為儲能總數(shù)量；fch、fdis分別為儲能函數(shù)?；谏鲜鲇嬎憬Y(jié)果實現(xiàn)儲能的聚合，由于配電網(wǎng)中各項儲能的額定功率[16]充放電時長不同，所以需要對相對應(yīng)的儲能參數(shù)進(jìn)行表示，結(jié)果如式(7)所示：

(7)

式中：Pallrate為等效集中的儲能額定功率，kW;Sallrate為額定容量，kW·h;ηallch為集中充電功率，kW;ηalldis為等效風(fēng)電功率；Pirate、Sirate、ηich分別為儲能i的額定功率、額定容量以及充放電功率。

在雙碳目標(biāo)下，碳排放量[17]作為衡量共享儲能效果的關(guān)鍵指標(biāo)，獲取過程如式(8)所示：

Q(t)=λPallrate

(8)

式中：λ為電網(wǎng)儲能的等效碳排放量系數(shù)；Q(t)為碳排放量，kg。

3.2 建立儲能共享模型

3.2.1 建立目標(biāo)函數(shù)

由于配電網(wǎng)中各項儲能受電網(wǎng)削峰填谷以及電網(wǎng)壓力影響，所以需要基于電網(wǎng)的負(fù)荷波動以及電壓差建立共享儲能模型的目標(biāo)函數(shù)，其中電網(wǎng)負(fù)荷波動[18]獲取過程如式(9)所示：

(9)

式中：K為電網(wǎng)負(fù)荷功率區(qū)間數(shù)量；Mj為功率區(qū)間j的負(fù)荷數(shù)量；Pjavrload為功率平均值；Pjess為儲能的總有功出力；Pavrload為配電網(wǎng)全時段功率平均值；fΔP為獲取的配電網(wǎng)全時段負(fù)荷波動。而配電網(wǎng)的電壓偏差則如式(10)所示：

(10)

式中：fΔU為配電網(wǎng)電壓偏差；R為配電網(wǎng)節(jié)點數(shù)量；Uji為負(fù)荷功率區(qū)間j的電壓幅值；Uexp為期望電壓?；谏鲜鲇嬎憬Y(jié)果完成目標(biāo)函數(shù)的建立，描述成minF=[fΔP,fΔU]形式。

3.2.2 約束條件

為規(guī)避儲能共享對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，需要提出電壓范圍、儲能充放電功率以及二氧化碳排放量[19]范圍等相關(guān)約束條件。具體約束范圍如式(11)所示：

(11)

式中：Umin、Umax為配電網(wǎng)節(jié)點電壓上下限；-Pallrate、Pallrate分別為額定功率上下限；Qmin(t)、Qmax(t)分別為配電網(wǎng)二氧化碳排放量上下限。

3.3 儲能共享

3.3.1 建立模型

基于上述獲取的配電網(wǎng)[20]等效集中參數(shù)、建立的目標(biāo)函數(shù)以及制定的約束條件，建立配電網(wǎng)的儲能共享模型，過程如式(12)所示：

(12)

式中：SOCgx為建立的配電網(wǎng)儲能共享模型。

3.3.2 模型求解

采用粒子群算法對配電網(wǎng)儲能共享模型進(jìn)行求解，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)的儲能共享。過程如下：

(1)采集配電網(wǎng)各項參數(shù)以及儲能參數(shù)并對其進(jìn)行初始化。

(2)計算配電網(wǎng)儲能等效集中參數(shù)。

(3)預(yù)測配電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)、計算負(fù)荷功率并對比各時段配電網(wǎng)負(fù)荷功率占比。

(4)依據(jù)構(gòu)建的共享模型，使用粒子群算法進(jìn)行模型求解，輸出共享結(jié)果。

4 實驗結(jié)果及分析

為了驗證上述配電網(wǎng)儲能共享方法的整體有效性，需要對此方法進(jìn)行測試。

分別采用雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲能技術(shù)研究(本文所提方法)、基于網(wǎng)損靈敏度方差的配電網(wǎng)分布式儲能位置與容量優(yōu)化配置方法(文獻(xiàn)[5]方法)、主動配電網(wǎng)中計及靈活性不足風(fēng)險的儲能優(yōu)化配置(文獻(xiàn)[7]方法)進(jìn)行測試。

配電網(wǎng)儲能在共享過程中，充放電功率的高低、目標(biāo)函數(shù)的大小以及共享性能的優(yōu)劣都會給配電網(wǎng)儲能共享效果帶來巨大影響。將上述三項指標(biāo)設(shè)定為測試指標(biāo)，采用本文所提方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法進(jìn)行儲能共享時，完成三項指標(biāo)的測試。

1)充放電功率測試

配電網(wǎng)進(jìn)行儲能共享過程中，充放電功率的高低會直接給共享效果帶來影響，采用本文所提方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法進(jìn)行儲能共享，對過程中產(chǎn)生的儲能充放電功率進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖1所示。

分析圖1(a)可知，本文所提方法測試出的配電網(wǎng)儲能充電功率高于其他兩種方法，文獻(xiàn)[5]方法測試結(jié)果略低于本文所提方法，文獻(xiàn)[7]方法測試結(jié)果較不理想。而在圖1(b)中，本文所提方法測試出的配電網(wǎng)儲能放電功率測試結(jié)果也高于文獻(xiàn)[5]方法與文獻(xiàn)[7]方法。在測試初期，文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法測試出的儲能放電功率相差較小，但是隨著配電網(wǎng)節(jié)點的不斷增加，兩種方法的測試結(jié)果逐漸拉開距離。這主要是因為本文所提方法在進(jìn)行儲能共享時，利用了高斯濾波器對配電網(wǎng)噪聲信號進(jìn)行了去噪處理。所以本文所提方法在進(jìn)行配電點儲能共享時，儲能的充放電功率高。

圖1 不同方法的配電網(wǎng)儲能充放電功率測試結(jié)果

2)去噪前后上級電網(wǎng)總注入有功曲線對比測試

上級電網(wǎng)在進(jìn)行有功功率注入時，注入的總有功功率方差值大小可以影響功率波動，波動越大共享效果越差，反之則越好。利用本文所提方法進(jìn)行儲能共享時，對去噪前后的配電網(wǎng)上級總有功功率注入時的功率波動進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 去噪前后上級電網(wǎng)總注入有功功率波動曲線測試結(jié)果

分析圖2可知，本文所提方法在去噪前測試出的上級電網(wǎng)總注入有功功率曲線波動幅度遠(yuǎn)高于去噪后的功率波動幅度測試結(jié)果。這主要是因為本文所提方法在進(jìn)行配電網(wǎng)信號去噪過程中，對配電網(wǎng)信號的標(biāo)準(zhǔn)差性能進(jìn)行了具體分析，降低了功率的方差值，所以本文所提方法在儲能共享過程中，上級電網(wǎng)總注入有功功率波動幅度小。

3)共享性能對比

基于上述測試結(jié)果，采用上述三種儲能共享方法進(jìn)行配電網(wǎng)的儲能共享，測試三種方法的共享性能。結(jié)果如表1所示。

表1 不同共享方法的共享性能測試結(jié)果

分析表1可知，本文所提方法測試出的配電網(wǎng)儲能共享節(jié)點、儲能額定功率以及額定容量均高于文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法。證明本文所提方法在進(jìn)行配電網(wǎng)儲能共享時的共享性能優(yōu)異。

綜上所述，本文所提方法在進(jìn)行配電網(wǎng)儲能共享時，儲能的充放電功率高、上級電網(wǎng)總注入有功功率波動幅度小、共享性能好。

5 結(jié) 語

隨著雙碳目標(biāo)的提出，國家積極重視配電網(wǎng)儲能削峰填谷、電壓差大等弊端。基于該項問題提出雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲能技術(shù)研究。該方法首先對配電網(wǎng)信號噪聲進(jìn)行平滑去噪處理，確定等效集中儲能參數(shù)；建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件建立配電網(wǎng)儲能共享模型；使用該模型完成配電網(wǎng)的儲能共享，該方法由于在確定等效儲能參數(shù)時存在問題，今后會針對該項問題繼續(xù)優(yōu)化該儲能共享方法。