基于风力发电的配电网侧储能容量优化设计

基于风力发电的配电网侧储能容量优化设计

陈啸龙

大唐河南清洁能源有限责任公司  450000

摘要：目前，我国的风力发电工程建设有了很大进展，配电网工程建设越来越多。合理的配电网储能容量规划对消纳分布式光伏及电网的稳定运行至关重要。提出了一种基于风险理论的配电网储能优化配置方法。本文就基于风力发电的配电网侧储能容量优化设计工作进行研究，以供参考。

关键词：风力发电；配电网；侧储能；容量；优化设计

引言

配电自动化是智能电网构建的重要路径。合理配置智能化功能的开关、馈线设备，科学设计配电网线路走向，是实现配电网馈线自动化的关键。配电自动化在促进配电系统稳定供电、配电网自动化发展方面发挥重要作用。为增强供电稳定性，需优化馈线自动化技术，以在发生配电线路故障时能快速定位故障点，缩短故障处理时间，节约配电网维护成本，提高供电服务质量。

1国内配电网研究现状

在智能化技术方面，国内研究强调智能监测、自动化调度和数据分析的应用，通过物联网、大数据和人工智能等技术实现对电力系统运行状态的实时监测和智能化管理，以提高供电的稳定性和运行效率。可再生能源整合方面，国内学者致力于将太阳能、风能等可再生能源纳入配电网，通过分布式能源系统和微电网的建设，实现清洁能源的高效利用，减少对传统能源的依赖，促进能源结构的转型。电力市场改革在国内配电网研究中具有重要地位，旨在构建具有竞争性和公平性的电力市场体系，优化电力资源配置，提高市场效率和透明度，推动电力行业的改革与创新。国内还关注电力系统的可靠性和安全性。特别是在应对自然灾害和突发故障方面，国内学者积极探索智能防护装置、紧急恢复策略等，以提高电力系统的抗干扰能力，保障供电的可靠性。此外，随着电动汽车的普及，国内也在积极研究电动汽车充电基础设施的建设和管理，以满足电动汽车充电需求，促进电动汽车产业的可持续发展。国内配电网研究正在围绕智能化、可再生能源、电力市场改革等方向展开，为推动我国电力供应的现代化和可持续性发展作出了积极努力。

2基于风力发电配电网侧储能容量优化设计策略

2.1采用高性能电容与储能电池

风力发电中，配电网侧储能容量要想充分发挥优化风电效果，就要根据风电系统的设计功率采用合适的电容与储能电池。当电池容量明显小于风机功率时，就会对储能电池造成过充，这样既会影响电池的使用寿命，也会造成风力发电设备电源的浪费。采用储能电池明显超过风机发电功率时，会造成储能电池采购成本的上升，造成资源的浪费。需要根据风机的额定功率与瞬时最大功率，确定储能电池的容量与电容。在储能电池选择上，当前除了锂电池外，广泛应用的磷酸铁锂等其他电池材料也具有竞争优势。锂电池充放电快，同等体积下容量高，但是采购成本较高，因此需要根据项目投资实际情况选择储能电池材质，还要考虑到后期的安全维护。

2.2微机综合保护单元设计

微机综合保护控制单元是馈线网络保护模式的集成区域。该单元集成了多种保护策略，支持3种保护模式的自动切换，并集成了接地保护、零序保护、加速保护、过负荷保护等保护方式。微机综合保护单元主要分为2个部分：（1）传感器及信息号调理电路，用于检测动触头位移、分合电流、机械振动、控制回路、分合电流、弹簧风度、灭弧室真空度；（2）永磁机构驱动器、GPRS通信模块、通信加密模块、电源管理模块、一次线路参数检测模块等其他功能模块。核心处理器是微机综合保护单元功能展现的基础。当馈电线路运行时，可通过传感器获取相关参数。发生故障时，操作人员可根据预设保护定值及逻辑进行操控，实现人机交互。核心处理器不仅可结合设定程序，通过信号收集、统计、处理，执行具体的保护动作，也可收集真空断路器运行时产生的数据，监测断路器运行状态并分析其机械性能，以便及时检测及排除断路器的潜在隐患。为增强微机综合保护单元的抗干扰性能，提高其散热性及维护便利性，应将其设计为分层插拔式安装结构，其中，包含开关量、电源、通信、核心控制等可插拔板，并设计了人机交互界面，具备远程控制、本地控制2种控制方式，可在任意时间地点查看电压电流、系统运行、保护动作、开关变位、保护类型投退等信息。

2.3求解算法

本文构建模型为双层优化模型，下层优化模型为混合整数规划问题，利用CEPLX求解器求解，上层优化模型是寻优过程，本文选用混合粒子群算法求解，其结合了粒子群算法对经典遗传算法进行了改进，从保持种群多样性入手以避免经典遗传算法不成熟收敛的问题。混合粒子群遗传算法的具体步骤如下。1)初始种群生成。随机生成n个个体的初始种群。2)家族划分。每隔若干代，采用基于适应度值排序的方法将种群分成K类，每一类看成是一个家族。3)族间交叉。随机选择某一家族中的最优个体与另一家族的最优个体作交叉操作。4)粒子群交叉。选择每个家族中的最优个体与该家族中的其他个体作交叉操作。5)族内交叉。在同一家庭中随机选择个体进行族内交叉。6)变异。采用精英保留策略，保留每一代种群中最优的两个个体不参加变异。对种群中的其他个体按变异概率进行变异操作;若满足终止条件，算法结束;否则转到步骤2)。

2.4储能设备成本的优化

风力发电成本在部分地区目前已经低于热电厂发电成本，但是受制于发电的稳定性，对于电网造成冲击，因此影响风力发电成本因素还体现在储能装置成本上。以侧储能为例，其成本包括场地费用、建设成本、储能设备成本、维护成本、设备折旧成本等。在对配电网侧储能容量优化中，成本优化是一项重要因素。在储能成本中，占据主要成本因素的是储能设备成本，该部分成本除了叠加到电力成本外，还可以考虑与火电企业合作，实现成本均摊。由于风力发电中，侧储能容量不仅体现在增加风力发电效率提高上，还能缓解风力发电对电网的冲击，通过储能设计来实现对电网的平稳供电。当前，储能成本较高，因此在衡量其投资回报时，除了直接的经济效益外，还要看到其对电网的间接调峰作用，特别是考虑到绿色风电的环境效益，在这种趋势下，对于配电网侧储能容量优化才能有合理的成本优势。

2.5考虑极端天气对有源配电网的影响

电力供应部门应具备完善的应急管理系统，采取差异化的预防性措施，如提前部署移动式柴油发电机及燃料储备、关闭分布式发电设备以减少损害、调派应急抢修队伍等。考虑到极端天气下配电网不采取任何预防措施的假设是不切实际的，在综合考虑长时间停电和连续阴雨天对风、光发电设备的影响的基础上，城市电力供应采用柴油发电机与储能系统相结合的方式，以确保供电的可靠性。在不影响原有规划方案的前提下，可以增加应急发电机的数量，以满足短时供电保障的需要。

结语

风力发电功率具有不可预测性，特别是并入电网后，由于瞬时功率变化，会对电网稳定造成冲击。采用侧储能方式，可以有效平抑风电波峰与波谷，使风电能够平稳进入电网。在侧储能容量优化中，采用高性能电容与大容量电池，选择合适的电路接入方式，可以有效提高侧电网容量。此外，考虑到当前储能电池成本较高的现状，还应当与传统火力发电等企业进行合作，共同投入资金建设侧储能设备，分摊资金压力。

参考文献

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