考虑光伏消纳的配电网储能与直流选址定容协同规划_宁可儿.pdf

Abstract:Large-scale distributed PV brings a great impact on the operation of the distribution network.The temporal variation and regional differences of distributed PV generation bring challenges to effective renewable energy consumption.Therefore,a coordinated planning framework of energy storage systems(ESSs)and DC lines in distribution networks is proposed in this paper.By installing ESSs,peak cutting and valley filling of power can be realized to improve the time fluctuation imbalance of PV.By building DC lines,energy mutual aid can be realized to improve the uneven distribution of regional PV.The goal of the model is to minimize the total cost composed of investment cost,maintenance cost,and power cost.Then,siting and sizing planning of AC/DC distribution networks with ESSs and DC lines is designed,and intra-and inter-regional PV spillover is improved.Finally,the proposed model is tested on a modified IEEE 13-bus system,and the validity and rationality of the model are verified.Keywords:distribution network;photovoltaic consumption;energy storage;direct current;siting and sizing摘 要：大规模分布式光伏的接入将对配电网的安全经济运行带来重要影响，分布式光伏发电的时效性变化和光伏装机的区域性差异为有效进行新能源消纳带来挑战。为此，通过提出配电网储能与直流线路协同规划架构，针对光伏随时间波动的不平衡，使用储能装置进行电能存储，实现电力的削峰填谷。针对区域光伏分布不均，通过建设直流线路以实现区域间能量互济，消纳光伏溢出区域的发电量。进一步，以投资成本、维护成本和电能费用构成的年综合费用最小为目标，构建储能及直流线路选址定容的交直流配电网优化规划问题，实现区域内和区域间光伏溢出功率的高质量、高经济性消纳。最后，基于改进的IEEE 13节点算例及多种规划方案，对比验证了模型的有效性与合理性。关键词：配电网；光伏消纳；储能；直流；选址定容0 引言新型电力系统的建设促进了以风电和光伏为代表的新能源的发展1。截至2021年年底，中国分布式光伏装机达到1.075亿kW，约占全部光伏发电并网装机容量的1/32。到2025年，中国新能源装机将超过 9亿kW3。然而，具有随机性、波动性的大规模分布式光伏接入将会对配电网的安全经济运行带来影响4。通过扩大电网规模或建设汇流站解决其大范围的消纳问题，也会造成各级电网电能质量下降、调峰困难，能源转换效率低等问题。储能与直流配电技术的发展，为未来配电网满足分布式电源溢出功率的灵活调控、多样化供需互动带来了新的解决方案。当新能源和直流负荷接入配电网后，传统交流配电系统会向交直流混合系统转变，相应的网络架构、控制方式以及配电网综合性能、新能源消纳和经济性也会发生变化5。在交直流混合配电网中，分布式电源与储能接入直流侧将能够节省大量换流环节，提升能量利用率，并起到削峰填谷的作用6。通过协调优化储能的充放电及换流站的无功补偿，可以确保配电系统安全运行7。在利用储能提升消纳能力方面，文献8综合考虑了储能与光伏出力、负荷间时序的配合，提出高光伏基金项目：国家电网有限公司总部科技项目（面向中低压配电网的功率溢出型分布式电源接入与协同优化规划技术与示范研究，5400-202220146A-1-1-ZN）。Science and Technology Foundation of SGCC(Research on the Access and Collaborative Optimization Planning Technology of Power-overflow Distributed Power Supply for Medium and Low Voltage Distribution Networks,5400-202220146A-1-1-ZN).全球能源互联网Journal of Global Energy Interconnection第 6 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.6 No.1Jan.2023文章编号：2096-5125(2023)01-0045-09 中图分类号：TM715 文献标志码：ADOI：10.19705/ki.issn2096-5125.2023.01.005考虑光伏消纳的配电网储能与直流选址定容协同规划宁可儿，刘俊杉，张超逸，顾瀚文，孙沛霄，焦在滨*（西安交通大学电气工程学院，陕西省 西安市 710049）Coordinated Planning of Distribution Grid Energy Storage and DC Siting and Sizing Considering Photovoltaic ConsumptionNING Keer,LIU Junshan,ZHANG Chaoyi,GU Hanwen,SUN Peixiao,JIAO Zaibin*(School of Electrical Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,Shaanxi Province,China)46 全球能源互联网 第 6 卷 第 1 期渗透率配电网中分布式储能的选址定容方案。文献9根据网架结构和负荷特性对配电网进行集群划分，建立了分布式光伏与储能双层协调选址定容规划模型。文献10通过建立储能的经济评估模型，对其参与削峰填谷、提高新能源消纳能力两种应用场景进行了经济性分析。文献11以新能源消纳为目标，提出以Nas电池为主的大规模多储能组合应用方案。在利用直流线路提升消纳能力方面，文献12建立了考虑跨区直流功率优化的新能源消纳能力计算模型，针对多地区测算了跨区特高压直流互补促进新能源消纳的效果。文献13在输电网层面，提出风电就地消纳和跨区消纳的综合经济调度方法。文献14以运行成本和弃风量最小为目标，建立了跨区电网直流联络线运行优化模型，提升了网络的运行经济性。在消纳水平方面，文献15总结了中国存在的五种风光消纳模式的现状与特点。文献16从规划设计、装备研发、灵活调控、仿真测试等几个方面介绍分布式发电并网消纳的关键技术，并结合示范应用对分布式发电集群的发展进行了展望。文献17提出了不同的配电网供电模式，得到交直流混合配电网在消纳高渗透率分布式电源及电动汽车方面优于传统交流配电网，且能通过换流器的功率控制进一步提升消纳能力。然而，现有文献的工作大多只考虑配置储能装置来配合高渗透率分布式电源，或在输电网层面搭建高压直流线路实现电能输送以实现新能源的消纳。尚未形成储能与直流线路在配电网中消纳分布式电源溢出功率的协同优化。目前，溢出型分布式电源在中低压配电网中，尚未形成经济高效、安全可靠、体系成熟的消纳模式，导致电网电能质量问题长期存在，可概括为以下几个方面：传统交流配电网作为电能分配的载体，馈线之间及台站之间联络性差，功率潮流控制困难，整体协同运行能力不足，灵活性差18；中低压配电网（特别是农村配电网）运维能力不足，缺少利用储能和柔性负荷等设备提高分布式电源功率就地消纳的经济运行模式；配电设备无法支撑大规模溢出型分布式电源的高质量消纳，配电变压器按照功率单相流动设计，溢出功率上送导致设备损耗增大，从而降低设备使用寿命19。针对以上问题，本文首先提出考虑光伏消纳的配电网储能与直流线路协同规划架构，通过在区域内装设储能进行电能存储，实现削峰填谷。通过在区域间建设直流线路以缓解光伏的地理分布不平衡，从而在区域内和区域间协同形成分布式光伏消纳体系。其次，构建储能与直流选址定容协同规划模型，以年综合费用最小为目标，提出描述储能装置、直流线路、交流配电网的约束条件，构建储能及直流线路选址定容的交直流配电网优化规划问题，以实现光伏在区域内和区域间的高质量、高经济性消纳。1 储能与直流线路协同规划架构分布式电源功率溢出指分布式电源发电出力大于本地消纳能力。在光伏溢出严重的配电区域，光伏分布的不平衡是亟待解决的主要问题20。光伏分布的不平衡主要体现在时间和空间两个方面。光伏时间的不平衡指光伏一天内各时间段出力不均，通常正午出力最大，夜晚出力最小，造成发电与负荷需求不匹配的问题。光伏空间上的不平衡指不同区域的光伏装机容量受地形，成本等因素分布不均，造成了光伏就地消纳困难问题。直流输电具有能够远距离大功率输电、便于控制、线路走廊窄、能量损耗小、能够联系不同频率或非同步运行的交流系统等优势21，更适合支撑配电网的互联，为区域间能量双向流动提供通道。储能装置则具有充放电快速、灵活多样、配置方便、改善电能质量等优势22。二者协同优化，发挥特长，既能够提升新能源消纳能力，也能够提高配电网传输效率，是配电网新能源消纳的新模式。因此，本文提出配电网储能与直流线路协同规划架构，如图1所示。针对光伏时间的不平衡，通过装设储能装置进行电能存储，实现电力的削峰填谷。针对区域光伏分布不均，通过建设直流线路以实现区域间能量互济，消纳光伏溢出区域的发电量。在储能与直流线路的协同规划问题中，需要着重考虑以下问题：储能装置为时间尺度耦合器件，因此需要建立动态时间的系统潮流模型；在交流配电区域间架设直流输电线路，需要进行交直流混联配电网的潮流模型设计；为了实现储能和直流协同规划，在模型设计中，储能的容量、荷电量以及直流线路的容量均需要作为决策变量引入模型中，且与器件的选址0-1决策变量进行有效耦合。储能与直流线路协同规划模型将在后续章节详细介绍。Vol.6 No.1 宁可儿，等：考虑光伏消纳的配电网储能与直流选址定容协同规划 472 储能与直流选址定容协同规划模型2.1目标函数 min(CCCIMP+)（1）式中：目标函数由投资成本CI、维护成本CM和电能费用CP相加组成，表示年综合费用最小。2.1.1 投资成本投资成本主要包括设备的一次投资成本及建设成本。一次投资成本包含投资储能、直流线路和直流线路两端换流器的成本。由于储能设备往往内置有与其配套的换流装置，因此，不单独考虑储能接入交流电网的换流器成本。此外，本模型在已有光伏发电装置的配电网系统基础上进行储能和直流协同的规划方案，因此，光伏装置接入交流电网的逆变器设备也不计入规划成本中。进一步，建设成本一般按工程一次投资成本的百分比（5%10%）选取23。故等年值投资成本为 CCCC (1+)()IIESSILIcon=(1+)(+)=i j N,i Ne EVSCVSCRC EC S SESSIRIER C l xR CS SLISTISlconBeeeijij+i+pB （2）式中：CIESS、CIL、CIcon分别为