考虑温控负荷聚合调控的新能源-储能联合规划.pdf

第 12 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.12 No.6Jun.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology考虑温控负荷聚合调控的新能源-储能联合规划张伟，罗世刚，滕婕，白永利（国网甘肃省电力公司，甘肃 兰州 730030）摘要：新能源合理配置储能对促进新能源消纳、实现减排脱碳具有重要意义。本工作考虑温控负荷聚合调控，围绕电网的低碳减排和承载能力提升，提出新能源-储能联合规划方法。首先，计及等效热容、等效热阻等热力参数建立温控负荷聚合模型，并进一步分析温控负荷与储能协同运行对配电网承载能力的影响。然后，将表征配网承载力的潮流分布均衡指标和表征配网碳足迹的碳排放指标作为目标函数，嵌入经济利润机会约束，构建双层规划模型，外层为选址问题，内层为定容问题。随后，对模型进行二阶锥松弛后，采用麻雀搜索算法+凸优化求解器的混合算法进行高效求解。最后，算例表明储能和温控负荷的协同运行有利于配网潮流时空均匀分布，提高了新能源渗透率并降低了系统的碳排放。关键词：新能源规划；储能配置；温控负荷聚合；承载能力提升；碳约束doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0054 中图分类号：TM 73 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）06-1901-12Joint planning of renewable energy and storage considering thermostatically controlled loads aggregation regulationZHANG Wei,LUO Shigang,TENG Jie,BAI Yongli(State Grid Gansu Electric Power Co.Ltd.,Lanzhou 730030,Gansu,China)Abstract:Configuring energy storage with suitable capacity for renewable energy is crucial for promoting new energy consumption and achieving emission reduction and decarbonization.This paper proposes a joint planning method for renewable energy and energy storage aimed at reducing carbon emissions and improving the load-carrying capacity of the power grid,considering the aggregate control of temperature-controlled loads.First,a temperature-controlled load aggregation model was developed,considering factors such as equivalent heat capacity and equivalent thermal resistance,and other thermal parameters.The influence of the collaborative operation of temperature-controlled load and energy storage on the carrying capacity of the distribution network was further analyzed.Next,the equilibrium index of power flow distribution,representing the distribution networks bearing capacity,and the carbon emission index,representing the distribution networks carbon footprint,were used as an objective functions.The economic profit opportunity constraint is embedded to construct a two-layer programming model.The outer layer is the location problem of landscape storage,and the inner layer is the constant volume problem.After applying second-order cone 储能系统与工程收稿日期：2023-02-07；修改稿日期：2023-03-30。基金项目：国网总部科技项目（52272810005），国网甘肃省电力公司专项研究项目（W22FZ2730011）。第一作者及通讯联系人：张伟（1982），男，硕士，高级工程师，主要从事储能在电力系统中的应用研究，E-mail：。引用本文：张伟,罗世刚,滕婕,等.考虑温控负荷聚合调控的新能源-储能联合规划J.储能科学与技术,2023,12(6):1901-1912.Citation：ZHANG Wei,LUO Shigang,TENG Jie,et al.Joint planning of renewable energy and storage considering thermostatically controlled loads aggregation regulationJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(6):1901-1912.2023 年第 12 卷储能科学与技术relaxation,a hybrid algorithm combining the sparrow search algorithm and solver was used to solve the model efficiently.Finally,the example shows that the coordinated operation of energy storage and temperature-controlled loads contributes to a uniform spatiotemporal distribution of power flow in the distribution network.This coordination improves the permeability of renewable energy and reduces the systems carbon emissions.Keywords:renewable energy planning;energy storage configuration;thermostatically controlled load aggregation;carrying capacity enhancement;carbon constraint近年来，我国能源消耗和环境治理压力不断增大，大力发展绿色、低碳的可再生能源成为广泛共识，风能和太阳能在电力能源消费中的比例不断提高1。然而，分布式风电和光伏具有显著的间歇性和波动性，不仅难以预测，使电网精准调度的难度增加，还存在功率不确定变化使配电网存在安全隐患2，这严重制约了电网对风光的承载能力。充分利用储能技术，将风光储作为一个整体进行协同规划，对提升配电网承载能力、促进风光消纳、实现减排脱碳具有重要价值3。针对风光与储能的协同规划问题，国内外学者从提升灵活性、应对不确定性、电力自给自足、兼顾优化运行等角度出发开展了广泛研究。文献4提出一种基于深度信念网络的新能源出力时间序列场景生成方法，以充分挖掘新能源出力特性，进而建立基于中长期时序电力平衡的风/光/储协同规划模型；文献5提出基于多场景置信间隙决策理论的风光储联合鲁棒规划模型，并采用交叉熵-雷达扫描微分进化算法进行求解；文献6提出计及虚拟储能的风光储独立型微电网容量配置模型；文献7提出了一种基于机组出力特征解析的风光储联合规划方法；文献8考虑风光互补特性、储能系统的运行特性和输电线路规划，提出输电网大规模接纳风能和光能的联合规划方法；文献9利用蓄电池和超级电容具有的互补性，建立并网型风光储互补发电系统容量优化配置模型；文献10为降低自然灾害或网络攻击致使系统崩溃的概率，提出了基于网络划分的风光储优化配置方法；文献11提出了可再生能源和储能的联合规划与运行框架；文献12以供电成本、电网独立性、新能源消纳三个指标为目标函数，提出风光储多目标规划方法；文献13为提升风电场输电线路的利用率，提出了风储联合系统的定容方法。这些方法考虑风光储的互补互济，在一些指定场景或系统中取得了较好的成效，但都忽视了用户侧温控负荷与储能的协同运行。充分挖掘温控负荷和储能的协调潜力能够有效提升电网的经济性和灵活性，进而优化风光储规划的结果。目前考虑柔性负荷资源的风光储联合规划已有部分研究成果。文献14提出一种风光储虚拟电厂分层容量配置策略，考虑引导用户响应可再生能源出力变化；文献15基于年时序仿真提出一种考虑需求响应和环境效益的售电主体风光储容量优化配置方法，有效降低了售电主体的运行成本；文献16提出综合园区电能替代下考虑配电网运行状态和需求响应的风光储系统最优配置方案。以上研究虽然考虑了用户侧资源，但对柔性负荷的建模较为粗略，例如，未考虑温控负荷的物理特性及聚合调控，难以刻画温控负荷与储能的协同运行特性。此外，面向新型配电网的风光储联合规划技术亦不能忽略碳排放的约束。综上研究与问题，本工作从电网承载能力提升和低碳减排的角度出发，考虑温控负荷聚合调控，提出新能源-储能联合规划方法。首先，考虑冷/热负荷的物理特性建立基于热力学等值的温控负荷聚合模型，并分析温控负荷与储能协同对配网承载能力的影响；然后，以表征配网承载力的潮流分布均衡指标和表征配网碳足迹的碳排放指标为目标函数，引入保证规划收益的经济机会约束，建立新能源-储能双层规划模型(外层模型决策安装位置，内层模型决策配置容量)；随后，对模型进行二阶锥松弛后，通过麻雀搜索算法+凸优化求解器的混合算法进行高效求解；最后，以IEEE-33节点配电系统为算例验证方法的有效性。1 温控负荷与储能的数学模型及协同运行分析1.1温控负荷运行模型温控负荷(thermostatically controlled loads，1902第 6 期张伟等：考虑温控负荷聚合调控的新能源-储能联合规划TCLs)是虚拟电厂或需求侧响应中最常见的负荷侧可调资源，包括商业楼宇的中央空调、居民住宅的空调热水器等用户侧温控类负荷。TCLs通过改变室内温度设定值或控制器开关状态来参与配网主动调控。1.1.1单体模型依据TCL的物理特性，可建立热力学等值模型17。该模型引入热容、热阻等参数直观呈现了TCL的动态调节特性，适用于商业楼宇或居民住宅中冷负荷和热负荷的建模。以制冷负载为例，单体TCL模型见式(1)和式(2)，结构图如图1所示。式(1)表示一阶热力学等值模型，式(2)表示负载的控制策略。Cidi，tdt=at-i，tRi-mi，tiPtclni(1)mi，t=0，i，t seti，t-i 21，i，t seti，t+i 2mi，t-t，其他(2)式中，i,t和at分别为负载i在时刻t的室内温度和室外温度；Ci和Ri分别为等效热容和等效热阻，单位分别是kWh/和/kW；i为制冷效率；Ptclni为制冷负载的额定耗电功率；seti,t和i分别为温度设定值和温度调节死区宽度；t为建模时间尺度；mi