杨江涛，孙春顺，杨 安，刘 佳

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410114；2.国网湖南省电力公司岳阳供电公司，湖南岳阳414000)



峰谷电价下配电网中分布式储能的容量配置

杨江涛1，孙春顺1，杨 安2，刘 佳1

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410114；2.国网湖南省电力公司岳阳供电公司，湖南岳阳414000)

为了进一步提高电力系统的可靠性和经济性，对配电网中储能设备的容量进行合理配置。基于分布式储能装置的引入给配电系统带来的影响，并考虑峰谷电价政策的影响，针对储能装置带来的经济效益分别从发电侧、输配电过程、降低网损、峰谷电价效益等各方面进行了经济性上的量化；结合储能装置的自身成本，以年收益最大为目标建立了储能装置容量的优化配置模型。最后考虑储能装置给系统潮流带来的影响，在约束条件中加入节点电压波动约束，通过对算例进行分析，得到了不同类型储能设备的最优容量配置。

峰谷电价；分布式储能；配电网；容量配置

0 引言

随着负荷的不断增加，电力系统的负荷峰谷差也逐步扩大，为保证供电可靠性，电力系统需要从各个环节投入相应的设备来满足短时需求，这样使得设备利用率降低[1，2]。为了应对该问题，可以将储能设备引入配电网中，通过控制储能设备的充放/电状态，能够很好地对负荷进行削峰填谷，减少系统的旋转备用容量，缓解系统增容改造的压力，提高设备的利用率[3]。

配电网中引入储能，能够降低电网在发、输、配电侧建设投资，减少用户停电损失，在当前峰谷电价政策下获得电费效益[4]，但是储能技术还不够成熟，投资成本较高，因此，对储能容量配置进行研究很有必要。目前对于容量配置研究，目标函数多为系统投资成本最小、年净收益最大等；约束条件采用功率平衡约束、电池充/放电功率和电量约束，或者可靠性指标约束和削峰填谷比约束等；在模型求解中，应用较多的方法有序列二次规划算法、遗传算法、粒子群算法、禁忌搜索法[5～9]等各种智能算法。把储能设备引入配电网中，会对系统的潮流分布产生一定影响，使得部分节点的电压越限，而多数文献在求解过程中并没有对其进行深入的分析。

基于此，文章对于配电网中的分布式储能系统容量配置进行了研究。文中首先分析了储能设备在发电侧、输配电过程、降低线路损耗以及电价效益等带来的经济效益；然后结合储能设备的成本，建立了容量配置模型；最后以系统经济性最佳为目标，电压波动率为约束条件，针对不同的储能方式进行了容量配置。

1 配电网中分布式储能的经济效益

1.1 发电侧效益

储能装置的引入可以很好地改变负荷峰谷时的装机投入，在负荷低谷时，机组给储能装置充电而不必使机组退出运行；在负荷高峰时，储能装置投入运行给负荷供电，可以减少发电侧机组的投入，在整个过程中，可以减少发电机组的起停状态，减少设备投入，提高机组利用率，同时，也能提高线路的利用率。考虑不同变电站之间的错峰效应，发电侧的经济效益可以表示成：

(1)

式中：M为储能装置的个数；μ为配电网间错峰效应的系数；D为发电侧单位备用容量投入；ηm表示第m个储能装置的放电效率；Prate_m表示第m个储能装置的额定功率。

1.2 输配电过程效益

在电力系统运行过程中，配电网需要有一定的传输容量裕度来保证系统的可靠性。而配电系统的传输容量裕度定义为线路容量极限与系统高峰负荷之差。随着负荷量的增加，相应的高峰负荷增加，从而使得系统裕度降低，而为了保证一定的可靠性，因此必须对配电系统增容改造。而储能装置的投入，可以通过在负荷低谷充电，在高峰放电来平缓峰谷差，降低线路在负荷高峰时的压力，在一定程度上延缓配电系统增容改造的步伐。其带来经济效益可表示为：

(2)

1.3 降低网络损耗效益

分布式储能装置的引入将明显改变配电网的潮流分布，从而对于系统的网络损耗产生一定的影响。在负荷低谷时，储能装置以负荷的形式接入系统，会增加线路损耗；在负荷高峰时，储能装置以电源形式接入系统，会减少线路损耗。假设储能装置的接入减少系统的线路损耗为ΔW，则有

(3)

考虑系统为降低单位线损投入资金为O，则储能装置带来的效益R为：

(4)

1.4 电价效益

在目前峰谷电价的政策下，配电网中装设的储能设备，可以通过在电价低谷时，储能设备充电，在电价高峰时，储能装置为系统供电，相应地获得一定的电价效益。其电价情况如图1。其收益可具体表示为：

(5)

式中：qj表示j时刻的电价。

图1 某地区峰谷电价

2 储能装置的投入分析

储能装置的资金投入主要包括初始投资和后期维护投资。虽然对于不同的储能方式，其工作效率、寿命、资金投入都不一样，但是其成本的构成部分都是一致的。本文主要针对铅酸电池储能、钠硫电池储能、压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage, CAES)等几种不同储能方式进行分析[11]。其具体的特性参数如表1所示[5]。

2.1 初始投资

储能装置的初始投资Csys主要包括储能设备的成本以及能量管理系统成本，具体可以表示为：

(6)

则平均年初始投资成本Ca_sys可表示为：

(7)

式中：CP为储能单元单位功率成本；CE为储能单元单位容量成本；Erate_m表示储能装置m的额定容量；Prate_m表示储能装置m的额定功率；l表示储能系统的全寿命周期；e表示年利率。

表1 各储能技术参数

2.2 后期维护投资

储能设备投入运营后，每年都需要进行正常的维护运行和零件更换，其具体的投入资金Cafter可以表示为：

(8)

式中：Cw表示单位功率年维运成本。

3 配电网中分布式储能的容量优化模型

在配电网中增设储能装置，会增加系统的投资成本，但相应的储能设备的投入会提高系统的性能，并带来可观的收益；储能装置的资金投入跟储能装置所配置的容量和其储能形式有关，文中主要从整个系统的经济性角度出发，针对不同类型的储能形式建立了最优容量配置的相关模型。

3.1 系统目标函数

通过上述的分析可知，系统的目标函数可由储能装置带来的经济效益和投资成本构成，其具体目标函数可表示为：

(9)

3.2 系统约束条件

有些重要负荷不能断电，储能装置此时作为后备电源，必须满足此类负荷的用电需求。故配网约束条件可表示为：

(10)

(11)

Pz为重要负荷的额定功率。

对于储能系统的功率有一定的约束：

(12)

以便储能系统能更好的进行削峰填谷，系统要保持当天的充放电量平衡

(13)

电压波动约束：

(14)

式中：d为配电网节点的电压波动率。下文介绍了d的计算方法。

3.3 电压波动率

在配电网中，储能设备既能做负荷，也能看作电源。在作负荷运行时，储能设备可以看成PQ节点参与潮流计算；在作电源供电时，应看成PV节点参与潮流计算。而传统的潮流计算方法不能计算含PV节点的网络，因此必须将PV节点转化成PQ节点参与潮流计算[10]。

对于PV节点，其潮流计算模型为：

(15)

式中：US、PS分别表示储能装置的电压和有功功率输出。

因为电力系统节点无功主要和电压幅值有关；在P恒定不变的情况下，节点电压随无功的增大而增大，且对全网其他节点电压有提升作用[12]。因此，可以根据PV节点电压偏差(ΔU)修正无功功率，即

(16)

(17)

式中：t为迭代次数；ΔQ为无功修正量；X代表由节点阻抗矩阵中各元素的虚部所构成的矩阵，定义为P、V恒定时储能设备的节点电抗矩阵。

从式(3)可以看出，储能装置的无功修正不仅与所在节点的电压、电压偏差有关，而且跟其他储能装置节点的电压也有关系，它们通过节点电抗矩阵相互传递。

节点矩阵可以通过以下方法求取。设配电系统中储能设备有M个，则节点电抗矩阵X为M×M的对称方阵，其中的对角元素xzz为第z个储能装置的自电抗，其值等于从第z个储能装置到等效电压源节点之间支路的电抗之和，而非对角元素为两个储能设备之间的互电抗，其值等于从两个储能装置到等效电压源节点之间共同支路的电抗之和。

潮流计算流程图如图2所示。在计算出各节点电压后，配电网中各节点的电压波动率d可以表示为：

(18)

式中：Ui、UN_i分别表示节点i的电压和额定电压。

图2 潮流计算流程图

4 实例分析

本文选取某地区含17节点的配电系统[4]，在其第2和12节点添加储能装置，如图3所示。其典型日负荷曲线如图4所示。

图3 系统结构拓扑图

图4 典型日负荷曲线

通过模型求解可以得到两个储能装置接入点在满足电压波动率约束条件下，各种不同类型的储能方式所需配备的容量，如表2所示。

表2 不同类型储能方式的容量配置

通过对比表2中的数据，可以看出在各个储能接入点钠硫电池所需的功率容量和能量容量都相对较低，而铅酸电池所需的功率和能量容量相对较大，这说明在满足相同的功率和能量需求条件下，储能装置的转化效率越高，其所需的功率和容量就越小。

针对不同类型的储能配置容量，通过计算可以分别得到其带来的各方面收益及其成本。具体如图5所示。

图5 容量配置下各类型储能方式的收益

从图5可以看出各个储能方式在发电侧效益、输配电过程收益、网损效益和电价效益方面所带来整体效益相差不大，这说明储能方式对系统的各部分收益没有太大影响。但是从图中看到各储能方式在成本方面的投资相差巨大，这导致在不同的储能方式下，系统的净收益有很大的差别。从图5中可以看出，钠硫电池的收益很小，收益最大的是CAES，且远远高于钠硫电池和铅酸电池。这说明在保证相同的供电质量情况下，CAES的经济性能最好，所带来的收益比其他两种储能方式更加可观；并且其年投入成本相对来说更低，同时其使用寿命更长，对环境更友好。因此，CAES相对来说，是一种很适应于接入电网削峰填谷的储能方式。而铅酸电池的收益虽然相对CAES来说稍低，但是考虑到其技术成熟度高，并且运行维护简单，在特定情况下，也是一种相对较好的储能方式。但对于钠硫电池，从图中可以看出，其投资成本太高，导致所得到的收益太小，在整个寿命周期内投资回报率很低；在目前的技术条件下，不适合用于配电网中。

从图5可知，在分布式储能所带来的效益中，其中电价效益占整个储能系统收益的绝大部分。而电价效益的构成主要是由峰谷电价来实现的。因此，以压缩空气储能为例，分析了峰谷电价的相关系数比对系统电价效益的影响。具体如图6，7所示。

图6 峰谷电价差对电价效益的影响

从图6中可以看出，峰谷电价差的大小对电价效益会产生一定的影响，特别是当峰谷电价差相对较小时，影响程度很明显，但是随着峰谷电价差的增大，其效果的明显程度会越来越小，在其中某一个值时，效果达到最佳。从图7可以看出，峰谷持续时间比对电价效益的影响比较明显，特别是在峰谷持续时间比较小的时候，会对电价效益产生很大影响，此时的效益非常小，这是因为在峰谷时间比较小时，储能系统放电的时间比较少，储能的效益不能完全发挥出来；随着其值的增大，储能的效益愈发突显出来，但是当其增大到一定程度时，储能充电的时间就越少，但是充电功率不能过大，从而会降低电价效益。

图7 峰谷电价持续时间对电价效益的影响

5 结论

文章以17节点系统为研究对象，对配电网中的分布式储能设备进行了合理的容量配置研究。以系统收益最大为目标建立系统经济性模型，结合配电网节点电压波动约束，对不同储能类型的容量配置进行了分析讨论，主要结论如下：

(1)配网中引入储能设备，可以给发电侧、输配电过程、降低网损、峰谷电价等各方面带来一定的经济效益，但是最显著的效益是利用峰谷电价带来的电费效益。

(2)通过分析不同类型储能设备的容量配置情况，可知在满足同样的电力系统要求下，储能设备的效率越大，所需配备的容量相应越小。

(3)峰谷电价时间比相对电价差来说，对电价效益产生的影响更大，在比例系数较小时，对电价效益影响很大，随着比例系数的提升，影响逐渐减少，选择合适的比例系数能够很好地提高系统电价效益。

(4)算例分析表明，CAES相对于钠硫电池和铅酸电池这两种储能方式来说，带来的效益更大，且其投资成本低，使用寿命长，是目前来说最适合用于配电网中的储能方式。

[1]张文亮，邱明，来小康.储能技术在电力系统中的应用[J].电网技术,2008，32(7) : 1-9．

[2]宋旭东,张晓平,余南华,等.考虑分布式能源接入的配电网规划及其关键技术综述[J].陕西电力,2015,43(3):38-42,87.

[3]杨舒婷,曹哲,时珊珊,等.考虑不同利益主体的储能电站经济效益分析[J].电网与清洁能源, 2015(5):89-93,101.

[4]胡荣,任锐焕,杨帆,等.配电网中储能系统优化配置研究[J].华东电力,2014,42(2):345-349.

[5]唐文左,梁文举,崔荣,等.配电网中分布式储能系统的优化配置方法[J].电力建设,2015, 36(4):38-45.

[6]颜志敏,王承民,郑健,等.配电网中蓄电池储能系统的价值评估模型[J].电力自动化设备,2013,33(2):57-61.

[7]CARPINELLI G，CELLI G，MOCCI S， et al． Optimal integration of distributed energy storage devices in smart grids [J].IEEE Transactions on Smart Grid，2013，4(2) : 985-995.

[8]王承民,孙伟卿,衣涛,等.智能电网中储能技术应用规划及其效益评估方法综述[J].中国电机工程学报, 2013, 33(7):33-41.

[9]CHAKRABORTY S， SENJYU T， TOYAMA H， et al． Determination methodology for optimising the energy storage size for power system [J].GenerationTransmission & Distribution Let，2009，3(11) : 987-999．

[10]张立梅,唐巍.计及分布式电源的配电网前推回代潮流计算[J].电工技术学报,2010,25(8):123-130.

[11]杨安,孙春顺,杨江涛,等.液气压缩空气储能在光伏发电中的经济性分析[J].电力科学与工程,2015, 31(6): 37-42.

[12]景世良,王毅,许士锦,等.基于VSC的直流配电网的电压调整控制策略[J].电力科学与工程,2016, 32(5):7-13.

Capacity Configuration of Distribution Energy Storage in Distribution Network Under the Peak-valley Price

YANG Jiangtao1, SUN Chunshun1, YANG An2, LIU Jia1

(1.College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology; Changsha 410004,China; 2.State Grid Hunan Electric Power Company Yueyang Power Supply Company,Yueyang 414000，China)

In order to improve the reliability and economy of power system further, the capacity of energy storage device should be allocated with ration in the power distribution network.This paper analyzes the effect of the energy storage device on the power distribution system.On this basis, taking the influence of the peak valley price policy on the system into consideration, the benefits of the energy storage device to the system are analyzed, from the aspects of the power generation, transmission and distribution process, network loss reduce, peak valley price benefit and so on, and are quantified on the side of economy.Combined with the costs of the energy storage device, with the goal of maximizing the revenue, an optimal allocation model of energy storage device capacity is established.Finally, considering the effects of energy storage device to the system trend and adding node voltage fluctuation in constraint conditions, the optimal capacity configurations of different types of energy storage devices are obtained by the analysis of the proposed example.

peak-valley price; distribution energy storage; distribution network; capacity configuration

2016-07-12。

杨江涛(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制、储能技术的应用，E-mail:1542877808@qq.com。

TM715

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.003