面向综合能源配电网的储能系统优化配置方法

面向综合能源配电网的储能系统优化配置方法

杨超杰

昆明工业职业技术学院电气学院教师云南 昆明 650302

摘要：随着社会经济的发展，储能技术作为智能电网领域中不可或缺的一部分，其发挥的作用越来越重要。由于波动性和随机性，风光等可再生能源的规模化并网，对电网造成较大的影响，而利用储能可以提高再生能源的消纳。再者，由于电源和负荷资源分配的不均衡，需要进行大规模远距离的电力输送，利用储能可以延缓输配电线路的更新投资，提高了电网的运行效率，本文将对综合能源配电网的储能系统优化配置方法进行深入探讨，以供参考。

关键词：综合能源；高密度光伏；储能系统；模型预测控制；优化配置

引言

将储能设备引入配电网，能够落实配电网需求侧的高效管理，削峰填谷，平滑负荷，提升核心设备的利用率，减少供电资本投入；还能平抑光伏的出力波动，降低冲击电网的可能性，提升配电网消纳光伏的能力，大大提高供电可靠性，更好地保障综合能源系统的安全稳定，充分体现新能源发电的优势。未来，储能设备的发展应用会给传统的电力系统模式带来巨大革新，面向综合能源配电网的储能系统的使用将成为我国分布式能源发展重要的产业形式。

1系统数学模型

本文所提综合能源配电网的模型如图１所示。该系统可向用户供给热、电多种形式的能量，配电网中配置储能、内燃机、燃气锅炉和余热锅炉、用户侧配置光伏发电设备，储能系统基于分时电价进行削峰填谷动作，从而获取收益。光伏与内燃机的电功率大于用户负荷时，储能设备充电；输出功率小于负荷时，储能设备放电，若电量不足，则与上级电网交易购买。在各设备提供长期服务的同时，需要付出一定的维修成本。此外，内燃机的余热通过余热锅炉满足需求侧的热负荷供应，不足时使用燃气锅炉进行补充。

图1综合能源系统

2优化模型

将面向综合能源配电网的储能优化问题划分为2个优化任务，如图2所示。首先根据热负荷需求控制系统内各供热设备的出力，目标函数为供热设备运行成本最低，实现热系统的经济运行；再建立储能优化配置模型，根据输入的设备参数及分时电价进行储能配置容量决策，目标函数为全寿命周期总成本最低。

图2优化模型

2.1热系统运行优化

MPC的主要思想是根据机组的特性方程构建预测模型，将当下时间的测量值作为初始状态进行模型预测、滚动优化以及反馈校正。本文根据预测模型，以 为调度时长，针对系统未来时段内燃机、余热锅炉及燃气锅炉的出力进行短时预测，将需求侧热负荷所造成的扰动偏差当作反馈量，实施滚动优化；获取此刻与未来时刻的状态量，使各机组出力向预定轨迹发展，从而求取最佳变量，实现热系统的优化运行。

首先，针对含内燃机、余热锅炉、燃气锅炉及热负荷的热网络，在采样时段，将 时刻内燃机、余热锅炉、燃气锅炉出力及热负荷的测量初值作为初始状态，建立功率状态向量如下：

(1)

对于 时刻预测的 时刻的模型如下：

（2）

式中， 为调度时长； 为未来时段各设备的功率增量。

然后，满足热功率平衡约束，以机组设备运行成本最小为目标，目标函数为

（3）

式中 为燃料价格，单位为元／ｍ^３；

再综合考虑当前时段内的诸多不确定因素，将实际信息与预测结果的偏差当作反馈量，以当下时刻的实际状态量作为初始值，通过持续的在线滚动校正，减小偏差量，日内滚动修正模型如下：

(4)

式中 为当下时刻的实际状态量。

2.2储能配置优化

将分布式光伏发电系统引入综合能源配电网模型中，再结合储能设备，考虑配电网的节点电压、潮流等约束求解获取机组的预测出力信息。以全寿命周期内的总投资成本Ｃ为目标函数，包含所有设备的建造成本、运行成本以及维护成本，目标函数为：

（5）

式中： 为建造资本； 为运行资本； 为维护资本。各部分具体表达式如下：

考虑到储能设备的建造及折旧率， 是将设备折算到每年的装机成本，即

（6）

（7）

式中， 为利率,取0.03； 为全寿命周期取10a； 为当下年份； 为将第 年费用折算到当前年份的系数； 为折旧率； 为储能的建造单价; 为储能电站的容量｡

储能设备工作时要按功率收取相应费用；当光伏发电设备及内燃机设备系统发电量大于负荷需求时,储能设备存储多余电能,此时收取租赁费用；当电量不足时,储能与上级电网按照分时电价进行功率交互收取费用,购进为正,送电为负｡ 为储能租赁费用从上级电网购买的电能花费之和,表示为

（8）

其中，

（9）

式中： 为储能资本； 为每个时刻储能的剩余容量；

为储能单位时间内吸收能量的成本系数，取0.13元/KW.h； 为与上级电网交易的购电资本；采用峰谷电价制度， 为分时电价； 为购电功率； ； ； 。 为设备的维护费用，表示为：

（10）

式中 为设备的维护成本系数，取0.02。

与无储能系统比较：

采用CPLEX进行建模､优化计算,得到无储能系统的生命全周期最低成本为: 元,与考虑储能的综合能源配电网相比，成本增加较多。考虑区域内光电多能互补、储能平衡的综合能源配电网规划设备容量，能有效提高能源利用率，获得良好的经济效益，减少运行投资。表1对2个综合能源配电网的成本构成进行了比较。

表1无储能与有储能系统成本构成对比

由表1可知，无储能系统由于没有使用储能设备，建造成本和设备维护成本比有储能的综合能源配电网低。但是无储能系统的运行成本比较高，因为其资源利用效率低，没有考虑分布式光伏及内燃机的电能存储，缺乏光电互补，需要大量购电费用，导致总成本很高。从长期运行结果来看，考虑储能的综合能源配电网产生的经济效益更大，使用了更多清洁能源，拥有高资源利用率和环境友好性，可以落实资源的可持续发展与能源的梯级利用。

结束语

储能系统能够有效存储和转移能量，解决了不少传统难题，配电网运行的灵活性、稳定性以及可靠性都得到很大提升。在综合能源配电网中，通过引入光伏储能设备，可以平滑光伏电站出力，削峰填谷，延长缓和甚至取消输配电设施改造升级需求，提高供电可靠性。储能设备经过合理配置，可以为综合能源配电网实现多能互补提供有效保障。本文基于MPC的思想，实现配电网台区侧热系统的经济运行，然后利用储能的平衡作用，将生命全周期总投资成本最低作为目标函数，优化求解获取最佳容量，量化该模型的经济效益，充分肯定了储能系统在综合能源配电网中的应用价值和发展必要性。目前光伏电站和储能产业都在蓬勃发展，政府持续调整光伏及电网电价，储能费用逐渐降低，不断冲击着传统电力系统模式，无储能系统低建造成本的优势慢慢淡化，面向综合能源配电网的储能系统的使用将会变成我国分布式能源发展的重要形式。

参考文献

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作者简介：杨超杰（1993-）男，云南洱源人，硕士，昆明工业职业技术学院电气学院教师，研究方向：电力系统教学与交直流微网/配网研究。