一種基于主動管理與成本效益分析的配電網儲能系統配置方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于主動管理與成本效益分析的配電網儲能系統配置方法，具體包括以下步驟：步驟S1：建立用以主動管理配電網的主動管理系統，同時建立包括儲能容量配置模型的成本效益分析系統；步驟S2：所述配電系統模塊讀取年負荷及光伏出力的時序數據，記錄實時的SVR/OLTC運行狀態，并傳達到成本效益分析系統與EMS控制模塊；步驟S3：EMS模塊通過比較目前電壓水平數據與設定的電壓指標，給儲能系統模塊發送充放電功率信息來控制此時的電壓水平位于正常范圍內；步驟S4：所述成本效益分析系統進行儲能系統的成本?效益計算，優化儲能的容量配置。通過建立配電網主動管理系統發揮配電網的主動管理作用；通過儲能成本效益分析系統能準確描述儲能系統配置模型。
【專利說明】
一種基于主動管理與成本效益分析的配電網儲能系統配置 方法
技術領域
[0001] 本發明涉及主動配電網中儲能系統規劃領域，特別是涉及一種基于主動管理與成 本效益分析的配電網儲能系統配置方法。
【背景技術】
[0002] 分布式電源(DG)并網發電被認為是21世紀電力工業的重要研究方向之一。DG未來 將大規模接入配電網。然而DG滲透率的增加也將給配電網電壓、電能質量、調度運行帶來一 系列的影響。儲能系統憑借其快速功率調節以及兼具供蓄能力的特征，在平滑間歇式能源 功率波動、削峰填谷、改善電壓質量以及提供備用電源方面都發揮出了巨大的作用，是主動 配電網實現對廣泛接入的分布式能源靈活調節以及網絡優化運行的關鍵所在，其配置將直 接影響到主動配電網對于分布式能源主動管理的能力以及網絡運行的經濟性。
[0003] 目前，儲能的配置是基于儲能實現某一種或多種功能（如：降低網損、平抑分布式 電源功率波動、電源波動、削峰填谷等)優化儲能的容量。由于配電網、分布式電源、儲能、負 荷共同組成了主動配電系統，主動配電系統是一個統一的整體，所以在主動配電網儲能規 劃中僅僅考慮儲能自身的作用、忽略主動配電網的系統性，忽略主動配電網的主動管理功 能的傳統規劃方法，使模型的適應程度較差，計算結果不準確，所得的系統規劃配置方案不 合理。
【發明內容】
[0004] 有鑒于此，本發明的目的是提供一種基于主動管理與成本效益分析的配電網儲能 系統配置方法，通過建立配電網主動管理系統發揮配電網的主動管理作用；通過儲能成本 效益分析系統能準確描述儲能系統配置模型，給出儲能系統配置的合理方案。
[0005] 本發明采用以下方案實現:一種基于主動管理與成本效益分析的配電網儲能系統 配置方法，具體包括以下步驟：
[0006] 步驟S1:建立一用以主動管理配電網的主動管理系統，所述主動管理系統包括配 電系統模塊、儲能系統模塊以及EMS模塊，同時建立一用以配置儲能系統模型的成本效益分 析系統；
[0007] 步驟S2:所述配電系統模塊讀取年負荷及光伏出力在每一種場景下的時序數據， 記錄實時的SVR/0LTC運行狀態，并將SVR/0LTC的運行狀態、削峰填谷信息傳達到成本效益 分析系統，還將實時的母線電壓評估數據輸送給EMS控制模塊；
[0008] 步驟S3:EMS模塊通過比較目前電壓水平數據與設定的電壓指標，給儲能系統模塊 發送充放電功率信息來控制此時的電壓水平位于正常范圍內，若此時母線電壓越限，再通 過SVR及0LTC控制電壓位于正常范圍內；儲能系統模塊評估此時的儲能充放電功率以及充 放電深度，并動態調整儲能充放電功率；
[0009] 步驟S4:所述成本效益分析系統獲取儲能壽命周期、SVR\0LTC運行狀態、削峰填谷 信息后，進行儲能系統的成本-效益計算，不斷優化儲能的容量配置，至到最優配置容量。
[0010]進一步地，所述配電系統模塊包括分布式光伏電源、BESS、負荷、SVR/0LTC;
[0011]所述儲能系統模塊用以評估BESS的S0C以及S0H壽命指標;S0C指標評估后反饋到 EMS模塊，EMS模塊根據S0C狀態向BESS發送充放電需求指令;S0H指標指示儲能系統模塊的 剩余壽命周期；
[0012] 所述EMS模塊用以調整儲能、光伏、負荷以及網絡中的潮流達到削峰填谷和調整電 壓；當PV出力的不確定性引起電壓過高時，EMS模塊給儲能系統模塊發送充電需求指令；電 壓過低時，EMS模塊給儲能系統模塊發送放電需求指令。
[0013] 進一步地，所述成本效益分析系統的儲能容量配置模型為雙層模型：
[0014] 所述儲能容量配置模型的目標函數如下： 馬.
[0015] Foost-bmifit = S' ^MSSk ^WSS ^ ~ ^：Plk ~ ^OlTCMSmk SL-=ik：GnBESS
[0016] 內層優化：
[0017 ] f = CLOSS - Blc^ - BPh ~ ^OLTC&SM^
[0018] 式中：Q BESS為儲能安裝節點集合;NS為場景總數；
[0019] 由于儲能系統總投資成本包括電力電子變換PSC成本、儲能安裝容量成本及儲能 裝置運行維護成本，儲能系統總投資成本為：
[0021] 式中：Cbess為第k個節點儲能折算到每年的儲能總投資成本;Cpsc為儲能電力電子 變換器單位成本;Pbess為單個儲能裝置額定功率;Cw為儲能單位容量投資成本;W BESS為單個 儲能裝置額定容量;Cfinstaii為安裝成本系數;r為折現率;n為規劃周期，以年單位;n為儲能 裝置轉換效率;y為規劃年數;為第k個節點儲能的年運行成本;為第 k個節點儲能的 壽命周期成本；
[0022] 若儲能設備屬于電網公司，不為第三方所有則 J.
[0023] (二，
[0024]式中:m為年天數。T為規劃時段，分為24個時段；
[0025]若儲能設備屬于第三方儲能投資商，由于分布式儲能設備充放電效率不同，而且 充放電時價格和資金的流向不同，所以：
[0026]
[0027]式中：C"t，分別為儲能的放電與充電費用；，if*分別為放電功率與充電 功率;為儲能裝置壽命周期成本；
[0028]網絡損耗成本為：
[0029] C； ()ss = AP(l)At l-l
[0030]式中：AP(t)，A t分別為的網損功率與時間尺度;Clciss為單位網損成本；
[0031 ]低碳年收益為儲能系統在負荷高峰時放電，從而減少了調峰機組出力，為：
[0032] B,,, =C/(.mV/^(/) t-l.
[0033] 式中為儲能用于調峰時的出力;Clc為火電機組用于調峰的均化年發電成本； [0034]儲能用于低儲高發年化收益為：
[0035] BPLk = E[ (CJX,at~Caffpeak)
[0036] 式中為負荷高峰時刻與非高峰時刻的電價;為儲能用于負荷高峰 時刻的年放電量；
[0037] 減少0LTC/SVR運維收益為：
[0039] 式中：50irc&SfSi為第k個節點減少0LTC/SVR運行次數的節約年收益;CciLTasvR為0LTC 與SVR的運行維護費用；cf? 0LTC/SVR運維成本因數;TsavedJc^ie分別為0LTC/SVR的節約運 行次數與總周期次數，!^。16=150,000;7] :_為第1^個節點的儲能年運行次數；
[0040] 所述儲能容量配置模型的約束條件如下：
[0041 ]功率平衡的約束條件為：
[0042] C cos% + 盡,sin 4) ：j-&：
[0043] sin _ eos4) jGi
[0044] 式中:Pi4PQis分別為節點i的有功注入和無功注入;Ui為節點i的電壓幅值；
[0045] jG i表示節點j與節點i相連;Gij和Bij分別為節點導納矩陣的實部和虛部；0ij為節 點i，j之間的相角差。
[0046] 電壓約束條件為：
[0047] Umin^Ui^Umax
[0048] 式中：U_和Umax分別為節點i的電壓幅值上下限；
[0049] 儲能安裝個數約束條件為：
[0050] N^s<Nbess<NZs
[0051 ]儲能充放電功率約束條件為：
[0052] -Pkmax^s Pk (t ) ^; Pkmax
[0053] -Qkmax^s Qk (t ) ^; Qkmax
[0054] ^{nf+(o,(nf <simax
[0055] 式中：Pk (t)和Qk (t)分別為t時刻第k個換流器輸出的有功和無功;Skmax和Qkmax分別 為第k個換流器的額定容量和無功功率上限；
[0056]儲能充放電狀態約束條件為：
[0057]儲能的充放電狀態在時序上具有連續性，并且每個時間點的儲能能量應滿足S0C 狀態的上限要求，同時在一個固定周期內應該使得初始SOC和最終SOC狀態保持一致，則：
[0060] S；；c(0) = S；；C(T)
[0061] 式中：k = l，2, . . . .Nstjr(?)為t時刻第k個儲能的SOC值；
[0062]進一步地，所述步驟S4采用遺傳算法與序列二次規劃算法對雙層模型進行求解： 通過遺傳算法確定外層的儲能容量，內層通過序列二次規劃算法優化儲能的充放電功率， 優化目標為削峰填谷與電壓波動。
[0063]與現有技術相比，本發明通過建立配電網主動管理系統發揮配電網的主動管理作 用;通過儲能成本效益分析系統能準確描述儲能系統配置模型。
【附圖說明】
[0064]圖1是本發明的系統整體結構示意圖。
[0065]圖2是本發明中EMS控制部分儲能充電控制策略圖。
[0066] 圖3是本發明中EMS控制部分儲能放電控制策略圖。
[0067] 圖4是本發明的成本效益分析系統的算法流程圖。
【具體實施方式】
[0068] 下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
[0069]本實施例提供一種基于主動管理與成本效益分析的配電網儲能系統配置方法，如 圖1所示，具體包括以下步驟：
[0070] 步驟S1:建立一用以主動管理配電網的主動管理系統，所述主動管理系統包括配 電系統模塊、儲能系統模塊以及EMS模塊，同時建立一用以配置儲能系統模型的成本效益分 析系統；
[0071] 步驟S2:所述配電系統模塊讀取年負荷及光伏出力在每一種場景下的時序數據， 記錄實時的SVR/0LTC運行狀態，并將SVR/0LTC的運行狀態、削峰填谷信息傳達到成本效益 分析系統，還將實時的母線電壓評估數據輸送給EMS控制模塊；
[0072] 步驟S3:EMS模塊通過比較目前電壓水平數據與設定的電壓指標，給儲能系統模塊 發送充放電功率信息來控制此時的電壓水平位于正常范圍內，若此時母線電壓越限，再通 過SVR及0LTC控制電壓位于正常范圍內；儲能系統模塊評估此時的儲能充放電功率以及充 放電深度，并動態調整儲能充放電功率；
[0073]步驟S4:所述成本效益分析系統獲取儲能壽命周期、SVR\0LTC運行狀態、削峰填谷 信息后，進行儲能系統的成本-效益計算，不斷優化儲能的容量配置，至到最優配置容量。
[0074]在本實施例中，根據以上步驟的持續進行，所述儲能系統模塊將更新S0C狀態及運 行壽命狀態(S0H)，直到儲能的壽命狀態達到運行極限。
[0075]在本實施例中，所述配電系統模塊包括分布式光伏電源、BESS、負荷、SVR/0LTC;其 中分布式電源出力具有不確定性，分為多個出力場景。SVR/0LTC裝置用于電壓調節；
[0076] 所述儲能系統模塊用以評估BESS的S0C以及S0H壽命指標，通過S0C以及S0H的主動 管理可以主動調整儲能裝置的充放電功率以及充放電次數等參數，使得儲能能運行在正常 工作狀態；S0C指標評估后反饋到EMS模塊，EMS模塊根據S0C狀態向BESS發送充放電需求指 令;S0H指標指示儲能系統模塊的剩余壽命周期。
[0077]所述EMS模塊整個主動配電系統的控制中心，用以調整儲能、光伏、負荷以及網絡 中的潮流達到削峰填谷和調整電壓，將配電系統的電壓狀況以及儲能系統的充電功率、充 放電狀態與輸入的控制參數進行對比，通過對比結果實時協調儲能系統的充放電起始時間 以及充放電功率，實現了儲能對電壓以及削峰填谷的主動管理；當PV出力的不確定性引起 電壓過高時，EMS模塊給儲能系統模塊發送充電需求指令;電壓過低時，EMS模塊給儲能系統 模塊發送放電需求指令。
[0078] 在本實施例中，所述成本效益分析系統的儲能容量配置模型為雙層模型，在模型 中涉及了儲能的投資運行成本、壽命周期成本、網損成本、低碳收益、削峰填谷套利收益、減 少電網中其他電壓調整裝置的運行收益：
[0079] 所述儲能容量配置模型的目標函數如下：
[0080] F_-benifit =工 ^ ^BESSk+：^L0SS- ~ ^PLk ~^OLTCSiSVRk ^=1 ke.Q.BESS.
[0081] 內層優化：
[0082] j = (-.loss ~ - :Lct ~ -^PLf ~
[0083] 式中：Q BESS為儲能安裝節點集合;NS為場景總數；
[0084] 由于儲能系統總投資成本包括電力電子變換PSC成本、儲能安裝容量成本及儲能 裝置運行維護成本，儲能系統總投資成本為：
[0086] 式中：Cbess為第k個節點儲能折算到每年的儲能總投資成本;Cpsc為儲能電力電子 變換器單位成本;Pbess為單個儲能裝置額定功率;Cw為儲能單位容量投資成本;W BESS為單個 儲能裝置額定容量;Cfinstaii為安裝成本系數;r為折現率;n為規劃周期，以年單位;n為儲能 裝置轉換效率;y為規劃年數;為第k個節點儲能的年運行成本;為第 k個節點儲能的 壽命周期成本；
[0087] 若儲能設備屬于電網公司，不為第三方所有則
[0088] 川⑴） ^-1
[0089]式中:m為年天數。T為規劃時段，分為24個時段；
[0090]若儲能設備屬于第三方儲能投資商，由于分布式儲能設備充放電效率不同，而且 充放電時價格和資金的流向不同，所以：
[0091] cttW ="次(《.(〇-?(〇)
[0092] 式中：C，c,t分別為儲能的放電與充電費用；/f，/f分別為放電功率與充電 功率;為儲能裝置壽命周期成本；
[0093] 網絡損耗成本為：
[0094] CMV., =&、.，"次 A/)(〇A/ t-i
[0095] 式中：A P(t)，At分別為的網損功率與時間尺度;ci〇ss為單位網損成本；
[0096] 低碳年收益為儲能系統在負荷高峰時放電，從而減少了調峰機組出力，為：
[0097] = CLCm^PfG(t) t=l
[0098] 式中i/f7為儲能用于調峰時的出力;Clc為火電機組用于調峰的均化年發電成本； [00"]儲能用于低儲高發年化收益為：
[0100] = EJk (Cpmk -Coffpeai)
[0101] 式中為負荷高峰時刻與非高峰時刻的電價;為儲能用于負荷高峰 時刻的年放電量；
[0102] 減少0LTC/SVR運維收益為：
[0104] 式中：凡為第k個節點減少0LTC/SVR運行次數的節約年收益;CQLTC&SVR為0LTC 與SVR的運行維護費用；cf? 0LTC/SVR運維成本因數;TsavedJc^ie分別為0LTC/SVR的節約運 行次數與總周期次數，1^。16=150,000;7；_為第1^個節點的儲能年運行次數；
[0105] 所述儲能容量配置模型的約束條件如下：
[0106] 功率平衡的約束條件為：
[0107] 戽= 游 4+為礎 ％)
[0108] & = UfYiLJj(Gy sin4/ ^ CflS^) m-
[0109] 式中:Pi4PQis分別為節點i的有功注入和無功注入;Ui為節點i的電壓幅值；
[0110] jG i表示節點j與節點i相連;Gij和Bij分別為節點導納矩陣的實部和虛部；0ij為節 點i，j之間的相角差。
[0111] 電壓約束條件為：
[0112] Umin^Ui^Umax
[0113] 式中:Umin和Umax分別為節點i的電壓幅值上下限；
[0114] 儲能安裝個數約束條件為：
[0115]
[0116] 儲能充放電功率約束條件為：
[0117] -Pkmax^sPk(t ) ^;Pkmax
[0118] -Qkmax^sQk(t ) ^;Qkmax
[0119] ^Pi{t)f+(〇i{nf <S, _
[0120] 式中：Pk (t)和Qk (t)分別為t時刻第k個換流器輸出的有功和無功;Skmax和Qkmax分別 為第k個換流器的額定容量和無功功率上限；
[0121]儲能充放電狀態約束條件為：
[0122]儲能的充放電狀態在時序上具有連續性，并且每個時間點的儲能能量應滿足S0C 狀態的上限要求，同時在一個固定周期內應該使得初始S0C和最終S0C狀態保持一致，則：
[0124] S^<Sr(t)<S^
[0125] S；r(0) = Sr(T)
[0126] 式中：k = l，2，....Nst;X (/)為t時刻第k個儲能的S0C值。
[0127] 在本實施例中，如圖2所示，所述EMS模塊的儲能充電控制策略具體為：當電壓越上 限時，EMS模塊將充電信號傳遞給儲能系統，若此時充電功率小于或等于最大充電功率，則 以此時的功率進行充電；若大于最大充電功率則由0LTC/SVR調整電壓，并記錄0LTC/SVR的 運行次數。
[0128] 在本實施例中，如圖3所示，所述EMS模塊的儲能放電控制策略具體為：當電壓越下 限或者峰值負荷(peak load)達到預設值時，EMS將放電信號傳遞給儲能系統，若此時放電 功率小于或等于最大放電功率，則以此時的功率進行放電;若大于最大放電功率則由0LTC/ SVR調整電壓，并記錄0LTC/SVR的運行次數。
[0129] 在本實施例中，如圖4所示，所述步驟S4采用遺傳算法與序列二次規劃算法對雙層 模型進行求解:通過遺傳算法確定外層的儲能容量，產生儲能安裝容量的初始種群，適應度 函數為成本效益分析結果最優；內層通過序列二次規劃算法優化儲能的充放電功率，優化 目標為削峰填谷與電壓波動。其中，主動管理系統的功能通過內層優化實現。
[0130] 以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與 修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
【主權項】
1. 一種基于主動管理與成本效益分析的配電網儲能系統配置方法，其特征在于:具體 包括以下步驟： 步驟S1:建立一用以主動管理配電網的主動管理系統，所述主動管理系統包括配電系 統模塊、儲能系統模塊以及EMS模塊，同時建立一包括儲能容量配置模型的成本效益分析系 統； 步驟S2:所述配電系統模塊讀取年負荷及光伏出力在每一種場景下的時序數據，記錄 實時的SVR/OLTC運行狀態，并將SVR/OLTC的運行狀態、削峰填谷信息傳達到成本效益分析 系統，還將實時的母線電壓評估數據輸送給EMS控制模塊； 步驟S3:EMS模塊通過比較目前電壓水平數據與設定的電壓指標，給儲能系統模塊發送 充放電功率信息來控制此時的電壓水平位于正常范圍內，若此時母線電壓越限，再通過SVR 及OLTC控制電壓位于正常范圍內；儲能系統模塊評估此時的儲能充放電功率以及充放電深 度，并動態調整儲能充放電功率； 步驟S4:所述成本效益分析系統獲取儲能壽命周期、SVR\OLTC運行狀態、削峰填谷信息 后，進行儲能系統的成本-效益計算，不斷優化儲能的容量配置，至到最優配置容量。2. 根據權利要求1所述的一種基于主動管理與成本效益分析的配電網儲能系統配置方 法，其特征在于:所述配電系統模塊包括分布式光伏電源、BESS、負荷、SVR/OLTC; 所述儲能系統模塊用以評估BESS的S0C以及S0H壽命指標;S0C指標評估后反饋到EMS模 塊，EMS模塊根據S0C狀態向BESS發送充放電需求指令;S0H指標指示儲能系統模塊的剩余壽 命周期； 所述EMS模塊用以調整儲能、光伏、負荷以及網絡中的潮流達到削峰填谷和調整電壓； 當PV出力的不確定性引起電壓過高時，EMS模塊給儲能系統模塊發送充電需求指令;電壓過 低時，EMS模塊給儲能系統模塊發送放電需求指令。3. 根據權利要求1所述的一種基于主動管理與成本效益分析的配電網儲能系統配置方 法，其特征在于： 所述成本效益分析系統的儲能容量配置模型為雙層模型： 所述儲能容量配置模型的目標函數如下：式中：QBESS為儲能安裝節點集合;NS為場景總數； 由于儲能系統總投資成本包括電力電子變換PSC成本、儲能安裝容量成本及儲能裝置 運行維護成本，儲能系統總投資成本為：式中：Cbess為第k個節點儲能折算到每年的儲能總投資成本;Cpsc為儲能電力電子變換器 單位成本;Pbess為單個儲能裝置額定功率;Cw為儲能單位容量投資成本;WBESS為單個儲能裝 置額定容量;Cf install為安裝成本系數;r為折現率;η為規劃周期，以年單位;τι為儲能裝置轉 換效率;y為規劃年數;為第k個節點儲能的年運行成本;c￥<%為第 k個節點儲能的壽命周 期成本； 若儲能設備屬于電網公司，不為第三方所有則t-i 式中:m為年天數。T為規劃時段，分為24個時段； 若儲能設備屬于第三方儲能投資商，由于分布式儲能設備充放電效率不同，而且充放 電時價格和資金的流向不同，所以：式中：<t，At分別為儲能的放電與充電費用分別為放電功率與充電功率； 為儲能裝置壽命周期成本； 網絡損耗成本為：f=l 式中：AP(t)，At分別為的網損功率與時間尺度;ci〇ss為單位網損成本； 低碳年收益為儲能系統在負荷高峰時放電，從而減少了調峰機組出力，為：式中為儲能用于調峰時的出力;ac為火電機組用于調峰的均化年發電成本； 儲能用于低儲高發年化收益為：式中AuhCrffpMk為負荷高峰時刻與非高峰時刻的電價; <為儲能用于負荷高峰時刻 的年放電量； 減少OLTC/SVR運維收益為：^^BESS- 式中：Soiree%為第k個節點減少OLTC/SVR運行次數的節約年收益；CQLTC&SVR為OLTC與 SVR的運行維護費用；Cf? 0LTC/SVR運維成本因數;TsavedJcycde分別為0LTC/SVR的節約運行 次數與總周期次數，!^。1(3=150,000;7]^ 5'為第1^個節點的儲能年運行次數； 所述儲能容量配置模型的約束條件如下： 功率平衡的約束條件為：式中:Pis和1分別為節點i的有功注入和無功注入;Ui為節點i的電壓幅值； je i表示節點j與節點i相連;Gij和Bij分別為節點導納矩陣的實部和虛部;θ?」為節點i， j之間的相角差； 電壓約束條件為： Umin^Ui^Umax 式中:U_和Umax分別為節點i的電壓幅值上下限； 儲能安裝個數約束條件為： 儲能充放電功率約束條件為：式中:Pk( t)和Qk( t)分別為t時刻第k個換流器輸出的有功和無功;Skmax和Qk^x分別為第k 個換流器的額定容量和無功功率上限； 儲能充放電狀態約束條件為： 儲能的充放電狀態在時序上具有連續性，并且每個時間點的儲能能量應滿足SOC狀態 的上限要求，同時在一個固定周期內應該使得初始SOC和最終SOC狀態保持一致，則：式中:k=l，2,. . . .Nst;Sf的為t時刻第k個儲能的SOC值。4.根據權利要求1所述的一種基于主動管理與成本效益分析的配電網儲能系統配置方 法，其特征在于:所述步驟S4采用遺傳算法與序列二次規劃算法對雙層模型進行求解:通過 遺傳算法確定外層的儲能容量，內層通過序列二次規劃算法優化儲能的充放電功率，優化 目標為削峰填谷與電壓波動。
【文檔編號】H02J3/32GK105958519SQ201610272874
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】張逸, 吳文宣, 劉文亮, 陳金祥, 熊軍, 黃道姍, 林焱, 吳丹岳
【申請人】國網福建省電力有限公司, 國家電網公司, 國網福建省電力有限公司電力科學研究院, 國網福建省電力有限公司廈門供電公司