新能源接入下配電網(wǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法

摘 要：由于現(xiàn)有配置方法時(shí)延高，SOC為58%，因此研究新能源接入下配電網(wǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法。通過模型調(diào)整儲(chǔ)能裝置的輸出功率，以達(dá)到最佳容量平衡分配。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，根據(jù)儲(chǔ)能的初始荷電狀態(tài)，計(jì)算額定容量，可以滿足最小化儲(chǔ)能裝置的容量需求。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后比優(yōu)化前的時(shí)延有所降低，平均為1.0s～1.1s，使優(yōu)化后的系統(tǒng)平均能耗顯著降低，提高新能源的利用率；測(cè)試小組荷電狀態(tài)SOC從58%降至37%，儲(chǔ)能裝置有效地進(jìn)行了放電操作，以滿足電網(wǎng)的能量需求，顯著提升了容量配置優(yōu)化效果。

關(guān)鍵詞：新能源；配電網(wǎng)；儲(chǔ)能；容量；配置

中圖分類號(hào)：TM 721" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)，儲(chǔ)能裝置能夠在負(fù)荷低谷時(shí)儲(chǔ)存電能，在高峰時(shí)段或新能源發(fā)電不足時(shí)釋放電能，有效平抑電網(wǎng)波動(dòng)，增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)可再生能源的消納能力。研究配電網(wǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法，對(duì)推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、促進(jìn)電力可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。在實(shí)際分析中，毛志宇等[1]根據(jù)風(fēng)電功率的波動(dòng)情況和儲(chǔ)能裝置的特性，確定復(fù)合儲(chǔ)能裝置的總功率需求。采用改進(jìn)哈里斯算法求解模型，通過加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)個(gè)體的信息共享，平衡各階段搜索能力，避免限于局部最優(yōu)。雖然該方法能夠有效平抑風(fēng)電功率波動(dòng)，但復(fù)合儲(chǔ)能裝置的配置和功率分配策略可能相對(duì)固定，難以適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的快速變化。馬蘭等[2]根據(jù)綜合能源設(shè)備的轉(zhuǎn)換能力和負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)能力，制定針對(duì)不同場(chǎng)景的綜合能源多級(jí)分配策略，確定各輸出端的出力順序。盡管多級(jí)分配策略可以提高系統(tǒng)的靈活性，但儲(chǔ)能裝置的配置和出力分配策略可能相對(duì)固定，難以完全適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的快速變化。因此，在新能源接入背景下，以配電網(wǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 容量?jī)?yōu)化配置方法

1.1 新能源接入下電網(wǎng)儲(chǔ)能模型構(gòu)建

新能源發(fā)電的間歇性和隨機(jī)性可能導(dǎo)致電網(wǎng)頻率和電壓的波動(dòng)，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過快速充放電來響應(yīng)這些波動(dòng)，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，通過構(gòu)建新能源接入下的電網(wǎng)儲(chǔ)能模型，不僅明確了儲(chǔ)能系統(tǒng)需求與作用，還提供了經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行策略與調(diào)度方案，旨在最大化儲(chǔ)能效益，提升電網(wǎng)整體運(yùn)行效率與可靠性，同時(shí)降低成本并優(yōu)化性能。通過集中安裝新能源電力儲(chǔ)能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，減少了儲(chǔ)能裝置的占地面積，便于實(shí)施統(tǒng)一管理和高效調(diào)度，從而提升了整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行效率。該創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的具體布局如圖1所示。

在新能源廣泛接入的電網(wǎng)環(huán)境中，為了優(yōu)化資源配置，將發(fā)電機(jī)組集中部署于特定區(qū)域。通過升壓變壓器與高壓輸電線緊密相連，將風(fēng)電產(chǎn)生的低壓電能提升至適合長(zhǎng)距離傳輸?shù)母邏核?，有效減少了傳輸過程中的能量損耗。這一布局策略不僅充分利用了自然資源，還通過采用先進(jìn)的升壓變壓器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從風(fēng)電場(chǎng)直接產(chǎn)生的低壓電能向高壓電能的高效轉(zhuǎn)換。這一轉(zhuǎn)換過程對(duì)長(zhǎng)距離、大容量的電力傳輸至關(guān)重要，它能顯著降低因線路電阻導(dǎo)致的能量損耗，提高輸電效率。

高壓電能通過輸電線輸送至用戶端，抵達(dá)用戶端后，電能再通過降壓變壓器調(diào)整至安全電壓，確保電能供應(yīng)的安全。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電或其他新能源發(fā)電出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，儲(chǔ)能裝置能夠迅速響應(yīng)，填補(bǔ)發(fā)電不足的部分，確保電力供應(yīng)穩(wěn)定性[3]。因此，需要構(gòu)建電網(wǎng)儲(chǔ)能模型，通過確定最佳儲(chǔ)能裝置容量，以滿足不同電壓等級(jí)電網(wǎng)的實(shí)際需求。在電力儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)能容量模型中，其功率波動(dòng)率需要控制在一定范圍內(nèi)，即不超過設(shè)定的最大限制值lim。通過分析波動(dòng)率，得到在連續(xù)2個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)的儲(chǔ)能裝置功率變化。同時(shí)，還要添加有功功率平衡約束。當(dāng)儲(chǔ)能裝置發(fā)出的總功率在滿足負(fù)荷需求后，剩余部分應(yīng)與電網(wǎng)的交互功率相等。通過這平衡關(guān)系，可以得到電網(wǎng)中儲(chǔ)能元件的功率貢獻(xiàn)，獲取儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行損耗。這樣通過添加約束能夠使儲(chǔ)能裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行。其約束如公式（1）所示。

b∈{emin≤e≤emax} （1）

式中：e為儲(chǔ)能元件的能量。

通過給出儲(chǔ)能元件容量的上下限，有效地預(yù)防儲(chǔ)能裝置發(fā)生過充或過放的現(xiàn)象，確保儲(chǔ)能裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行[4]。儲(chǔ)能元件的容量約束不僅限定了其能夠存儲(chǔ)的最大電能，也設(shè)定了其在放電過程中不應(yīng)低于的最低閾值，延長(zhǎng)儲(chǔ)能元件的使用壽命，同時(shí)保護(hù)系統(tǒng)免受因極端操作條件可能引發(fā)的損害。在確定了容量約束后，構(gòu)建電力儲(chǔ)能裝置的優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型是一個(gè)綜合性的數(shù)學(xué)框架，通過優(yōu)化儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行策略來最大化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。通過計(jì)算分析，找出在給定約束條件下最優(yōu)的儲(chǔ)能裝置輸出功率分配方案。其模型如公式（2）所示。

（2）

式中：pi為實(shí)時(shí)功率；po為額定功率；b為儲(chǔ)能元件容量變化范圍。

通過模型調(diào)整儲(chǔ)能裝置的輸出功率，以達(dá)到最佳容量平衡分配。

綜上所述，構(gòu)建新能源接入下的電網(wǎng)儲(chǔ)能模型，并實(shí)施容量?jī)?yōu)化配置方法，是應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電間歇性與隨機(jī)性挑戰(zhàn)、提升電網(wǎng)穩(wěn)定性與可靠性的關(guān)鍵舉措。該模型不僅精確刻畫了儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的需求與作用，還通過綜合考量?jī)?chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)運(yùn)行需求及新能源發(fā)電特性，制定了經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行策略與調(diào)度方案。同時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能裝置容量進(jìn)行合理設(shè)定與動(dòng)態(tài)調(diào)整，并添加必要的約束條件，例如儲(chǔ)能元件的容量約束與有功功率平衡約束，確保了儲(chǔ)能裝置在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。未來，隨著新能源技術(shù)不斷進(jìn)步與儲(chǔ)能技術(shù)持續(xù)優(yōu)化，電網(wǎng)儲(chǔ)能模型將更智能化、更精細(xì)化，為構(gòu)建綠色、高效、可靠的現(xiàn)代電力系統(tǒng)提供有力支撐。

1.2 混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置

風(fēng)電和光伏發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性，傳統(tǒng)的單一儲(chǔ)能技術(shù)難以同時(shí)滿足調(diào)頻和調(diào)峰的需求。而混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以整合高速功率型的儲(chǔ)能設(shè)備和高能量型的儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)短時(shí)波動(dòng)平抑和長(zhǎng)時(shí)間尺度調(diào)峰的綜合功能?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)是指采用2種或2種以上具有不同性能特點(diǎn)的儲(chǔ)能技術(shù)組合而成的系統(tǒng)，以充分利用各自的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一儲(chǔ)能技術(shù)的不足。

即在配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置通常由能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能組成，以充分利用不同類型儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)能量的高效存儲(chǔ)與快速響應(yīng)[5]。其具有充放電靈活、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，能夠在電網(wǎng)出現(xiàn)供需失衡時(shí)迅速調(diào)整儲(chǔ)能輸出，幫助電網(wǎng)維持頻率和電壓的穩(wěn)定。為了最大化配電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置的性能并降低其全壽命周期成本，需要針對(duì)混合儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置。通過合理配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，可以有效平抑風(fēng)電功率波動(dòng)。在配電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置中，額定功率的配置需要綜合考慮能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能的特性，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，針對(duì)能量型儲(chǔ)能，其額定功率prate的確定需要考慮用電設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率，其功率如公式（3）所示。

（3）

式中：t為起始時(shí)間；η為能量轉(zhuǎn)換效率。

這些效率因素直接影響儲(chǔ)能裝置在實(shí)際應(yīng)用中能夠提供的有效功率[6]。具體來說，當(dāng)系統(tǒng)需要輸出或吸收一定功率時(shí)，需要通過效率系數(shù)調(diào)整計(jì)算得到的功率值prate，以確保儲(chǔ)能裝置能夠滿足實(shí)際需求。功率型儲(chǔ)能的額定功率配置適用于需要瞬時(shí)大功率支撐的場(chǎng)景。同時(shí)，還需要進(jìn)行額定容量配置，使儲(chǔ)能裝置在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)需要滿足的能量需求[7]。以能量型儲(chǔ)能為例，其額定容量soc的計(jì)算需要考慮儲(chǔ)能的初始荷電狀態(tài)，其額定容量如公式（4）所示。

（4）

式中：ks為時(shí)刻；p（t）為充放電功率。

通過計(jì)算可以得到在給定時(shí)間段內(nèi)儲(chǔ)能裝置需要滿足的最小容量，以確保系統(tǒng)能夠在任何時(shí)刻都保持足夠的能量?jī)?chǔ)備。當(dāng)初始荷電狀態(tài)soc滿足實(shí)際條件時(shí)，能量型儲(chǔ)能的額定容量達(dá)到最小。這樣在初始荷電狀態(tài)合理設(shè)置的情況下，可以最小化儲(chǔ)能裝置的容量需求，從而降低投資成本[8]。儲(chǔ)能的額定容量配置在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮能量需求和響應(yīng)速度，由于其主要用于平衡短期內(nèi)的功率波動(dòng)，因此其容量配置相對(duì)靈活，可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整。在完成配電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置的額定功率和額定容量配置后，可以有效降低系統(tǒng)的全壽命周期成本，提高裝置的可行性。同時(shí)，配電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用還能夠提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)提供有力支持。

2 試驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 搭建試驗(yàn)環(huán)境

為分析新能源接入配網(wǎng)儲(chǔ)能配置多目標(biāo)優(yōu)化方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，選定配網(wǎng)作為主要的測(cè)試目標(biāo)。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)與分析，搭建測(cè)試組。該測(cè)試網(wǎng)絡(luò)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中融入了分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)，初始預(yù)設(shè)的額定容量為3.4MW，實(shí)時(shí)功率為1.5MW。整個(gè)測(cè)試區(qū)域分為3個(gè)部分，并為每個(gè)部分分配了編號(hào)。確定各配置區(qū)域的實(shí)際邊界，部署了一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。能夠全面覆蓋測(cè)試區(qū)域，確保數(shù)據(jù)采集的完整性。通過拓?fù)涮幚淼姆绞?，這些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集新能源配置數(shù)據(jù)。在配網(wǎng)中接入了儲(chǔ)能電池A、B、C。針對(duì)每種電池，其基礎(chǔ)參數(shù)與控制指標(biāo)見表1。

在試驗(yàn)中，采用了容量均衡分配的方法，根據(jù)儲(chǔ)能裝置的健康狀態(tài)和充電狀況合理地將儲(chǔ)能裝置的總?cè)萘糠峙浣o各個(gè)站點(diǎn)。在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，中央控制器會(huì)綜合這些信息，精確計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)所需的功率，并據(jù)此將總功率需求有效地分配給各個(gè)儲(chǔ)能裝置，以確保能源分配的高效與均衡。

2.2 結(jié)果與分析

在測(cè)試環(huán)境中，根據(jù)儲(chǔ)能配置多目標(biāo)優(yōu)化需求進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試中，新能源的儲(chǔ)能位置接入3種電池中，對(duì)配網(wǎng)儲(chǔ)能配置進(jìn)行目標(biāo)容量?jī)?yōu)化處理，所得的優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，優(yōu)化后比優(yōu)化前的時(shí)延有所降低，平均為1.0s～1.1s。說明運(yùn)用本文配置方法極大地縮短了高峰時(shí)段的平均響應(yīng)延時(shí)。使優(yōu)化后的系統(tǒng)平均能耗顯著降低，充分證明了本文所提優(yōu)化方法的有效性。通過合理配置儲(chǔ)能容量，可以更好地匹配新能源發(fā)電與負(fù)荷需求，減少因新能源發(fā)電過剩而導(dǎo)致的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，提高新能源的利用率。

為了進(jìn)一步細(xì)化分析，將新能源的配置階段細(xì)分為峰時(shí)段、平時(shí)段和谷時(shí)段，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定了各時(shí)段的具體時(shí)間范圍。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)新能源在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的荷電狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果以圖3的形式直觀呈現(xiàn)。

由圖3可知，測(cè)試小組的荷電狀態(tài)SOC在經(jīng)歷不同測(cè)試時(shí)段后從58%降至37%，儲(chǔ)能裝置有效地進(jìn)行了放電操作，以滿足電網(wǎng)的能量需求。說明運(yùn)用本文容量配置方法能夠在慮新能源接入的配網(wǎng)儲(chǔ)能配置中對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，顯著提升了容量配置優(yōu)化效果。通過先進(jìn)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的智能調(diào)度和控制，根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際需求和儲(chǔ)能裝置的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整充放電策略，提高電網(wǎng)的智能化水平。

綜上所述，針對(duì)新能源接入下的配電網(wǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置問題，考慮了新能源發(fā)電的不確定性，通過精細(xì)化的容量分配策略，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能裝置在不同時(shí)段內(nèi)的最優(yōu)充放電控制。顯著提升儲(chǔ)能裝置的容量配置優(yōu)化效果，有效縮短高峰時(shí)段的平均響應(yīng)延時(shí)，并大幅降低系統(tǒng)能耗。這一成果不僅驗(yàn)證了新能源接入配電網(wǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置的可行性與有效性，也為智能電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。

3 結(jié)語

本文從容量?jī)?yōu)化配置入手，深入分析新能源相關(guān)問題，探究了新能源接入下配電網(wǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法。確保儲(chǔ)能容量的配置能夠維持電網(wǎng)在新能源接入后的穩(wěn)定運(yùn)行，減少新能源出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。合理配置儲(chǔ)能容量，降低投資成本，提高儲(chǔ)能裝置的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。但是本文方法中還存在不足，例如儲(chǔ)能裝置的充放電策略等。對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析負(fù)荷峰谷差和負(fù)荷特性，確定儲(chǔ)能裝置在電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等方面的作用。結(jié)合需求響應(yīng)機(jī)制，優(yōu)化儲(chǔ)能裝置的充放電計(jì)劃，提高電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力和靈活性。

參考文獻(xiàn)

[1]毛志宇，李培強(qiáng)，馬德鑫，等.基于風(fēng)功率波動(dòng)平抑的復(fù)合儲(chǔ)能兩次功率分配容量配置方法研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2023，47（10）：4111-4123.

[2]馬蘭，謝麗蓉，宋新甫，等.基于儲(chǔ)能容量配置的綜合能源多級(jí)分配策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2023，47（6）：2218-2230.

[3]李建林，王思佳，周毅，等.計(jì)及多典型天氣特征的光儲(chǔ)容量配置技術(shù)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2022，38（3）：80-89.

[4]時(shí)帥，吳慧嫻，黃冬梅，等.考慮復(fù)雜海洋氣候條件影響的海上風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能容量配置研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2022，50（10）：172-179.

[5]陸秋瑜，楊銀國(guó)，陳俊生，等.考慮選型的混合儲(chǔ)能平抑海上風(fēng)電波動(dòng)的容量?jī)?yōu)化研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2024，57（6）：782-791.

[6]王騫，易傳卓，張學(xué)廣，等.兼顧捕碳強(qiáng)度與可再生能源消納的儲(chǔ)能容量配置優(yōu)化方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2023，43（21）：8295-8309.

[7]曹昉，胡佳彤，羅進(jìn)奔，等.基于路網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型下EV路徑模擬的快速充電站容量配置[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2022，42（10）：107-115.

[8]張麗艷，賈瑛，韓篤碩，等.電氣化鐵路同相儲(chǔ)能供電系統(tǒng)能量管理及容量配置策略[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，58（1）：22-29.