【精彩论文】考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化策略

考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化策略

徐晶¹, 赵亮², 张梁¹, 钱广超¹, 马驰远³, 宋关羽³, 李鹏³

（1. 国网天津经济技术研究院，天津 300171; 2. 国网天津市电力公司，天津 300010; 3. 智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津 300072）

摘要：分布式电源的高渗透率接入使得配电网运行波动性剧增，潮流流向多变，并可能带来电压越限、功率倒送、经济性差等问题。针对上述问题，挖掘智能软开关、移动储能等新型电力电子装置对柔性配电网的调控潜力，提出了一种考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化策略。首先，对柔性配电网中多类型设备进行建模，通过智能软开关直流环节接入移动储能，建立了含移动储能接入的智能软开关模型。其次，计及系统潮流约束、柔性设备运行约束、移动储能运行约束等多类型约束，以最小化电网运行成本为目标函数，提出了考虑移动储能接入的配电网运行优化策略。最后，利用改进的IEEE 33节点配电网进行算例测试，验证了所提方法的有效性并分析了所提方法对高比例分布式电源接入下配电网运行经济性的提升效果。

引文信息

徐晶, 赵亮, 张梁, 等. 考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化策略[J]. 中国电力, 2023, 56(9): 112-119.

XU Jing, ZHAO Liang, ZHANG Liang, et al. Operation optimization method for flexible distribution network considering the integration of mobile energy storage[J]. Electric Power, 2023, 56(9): 112-119.

引言截至2021年底，全国可再生能源发电累计装机容量达10.63亿kW，占全国发电总装机的44.8%。2021年全国可再生能源发电量达2.48万亿kW·h，占全社会用电量的29.7%^[1]。其中，配电网作为分布式电源高效利用的关键平台，是推动能源结构转型的重要支撑^[2]。然而，由于分布式电源（distributed generator，DG）空间分布不均，且受气候影响较大的特点，其大规模接入使得配电网运行波动性剧增，对配电网安全经济运行造成了严重冲击^[3]。随着电力电子器件的发展，智能软开关（soft open point，SOP）^[4]、移动储能（mobile energy storage，MES）^[5]等新型电力电子装置接入配电网中，形成了高度灵活可控的柔性配电网（flexible distribution network，FDN）。如何实现MES和SOP对FDN的协同优化以保证电能在时空尺度的合理分配，是当前亟待解决的重要问题。对SOP技术的研究已取得较为丰富的成果。文献[6]提出了SOP可采用升压变压器、模块化多电平变流器的结构并给出了部分衍生形式^[7]。文献[8]明确指出背靠背式电压源变流器型SOP在提高DG消纳水平、平衡馈线负荷等方面具有巨大潜力，为后续SOP在FDN中的应用指明方向。从运行控制来看，配电网正常运行状态下，SOP主要起到降低电压越限、减小系统损耗的作用。文献[9]提出了基于SOP的多电压等级混联配电网运行优化方法，解决了多电压混联场景下功率调节问题。文献[10]提出了基于区间优化的SOP与储能系统两阶段联合优化方法，从而降低了有源配电网损耗成本。文献[11]提出了运用SOP联合VSC优化的方法，解决了配电网电压越限的问题。文献[12]考虑光伏出力不确定性，通过生成SOP鲁棒运行策略，消除了光伏出力造成的电压越限。文献[13]提出了基于SOP的无功电压控制方法，消除了电压越限，降低了FDN的运行成本。以上文献为SOP在配电网中的应用奠定了重要的理论基础。利用MES优化配电网运行状态的研究已有一定成果。文献[14]分析了DG渗透率较高的情况下MES对配电网的优化效果。文献[15]提出了基于MES的配电网优化调度模型，解决了电压越限问题。文献[16]提出了基于配电系统多任务的规划和优化调度算法，实现了MES的多任务调度，为配电网中MES的优化应用提供理论依据。MES在重要设施短时间内保障供电、配电网弹性提升、供电恢复等方面具有良好的应用前景。文献[17]提出了改进的优化分配模型以解决可再生能源渗透率高的问题。文献[18]提出了考虑MES与网络重构交互优化的弹性配电网灾后恢复策略，减弱灾害对电力系统的影响。文献[19]通过配电网故障后维修班组和MES的协同优化，实现了配电网的重新配置，缩短了故障恢复时间。综上所述，SOP作为FDN的重要设备，能够实现有功功率与无功功率的联合调整，提高配电网的灵活性与响应速度^[20]。但SOP只能实现电能在空间尺度的转移，不能实现在时间尺度的存储。MES具有体积紧凑、响应迅速等特点，在保证配电网的安全稳定经济运行等方面有广阔的应用前景^[21]。但考虑到交通堵塞等，其在空间尺度上能量转移效率较低。将MES通过直流环节接入SOP中，可在配电网中实现SOP和MES的协同优化，有助于实现电网功率的合理分配，确保电网的安全经济运行，为解决DG高渗透率接入引起的电压越限、线路过载等问题提供新思路。

为充分挖掘SOP和MES的柔性潮流调控潜力，本文提出考虑MES接入的FDN运行优化方法实现对配电网的灵活运行控制，有效提升高比例DG接入下配电网的运行经济性。

1  移动储能建模

MES主要由储能设备和移动设备组成。储能设备一般由锂电池组构成，并通过DC/DC变流器接入SOP的直流环节。DC/DC变流器可由系统设定值调节充放电功率^[22]。与固定储能相比，MES可在各节点间灵活并网，提升运行的灵活性。

当前MES的设计大多为燃油车搭载锂电池的结构，但是考虑到燃油产生的尾气和噪声对环境造成的污染以及电力电子技术的不断发展，电动汽车搭载锂电池的结构将逐渐成为主流。因此，本章将按照电动汽车搭载锂电池的设计思路对MES进行物理建模和数学建模。

1.1  MES运行建模

在MES建模中，需要考虑储能时序特征以及空间可转移特性，具体如下。

1）荷电状态约束为

式中： α_i,t为MES接入配电网节点的标志位，若MESt时刻在节点i处并网，则α_i,t为1，反之为0；P_N为MES的额定功率；为MESt时刻对节点i的注入功率； Δt为时间步长； γ_t为MES移动的标志位； ε为MES移动单位距离消耗的电能；v为MES的移动速度；分别为MES荷电状态的最大允许值和最小允许值；为t时刻MES设备荷电状态；分别为MES荷电状态在运行周期起始时刻和结束时刻的荷电状态。2）MES移动状态约束^[23]为式中： Ω_M为可接入MES的交通节点的集合；h为MES移动时长；T为运行周期总时长； Γ_ij为MES从交通节点i移动到交通节点j所需最短移动时间，可由迪杰斯特拉算法^[24]求得。1.2  基于SOP直流环节的MES接入基于SOP直流环节的MES接入的功率传输约束如式（11）~（16）所示。

式中：为MES在t时刻对交通节点m处SOP直流端的放电功率，其中，交通节点m处SOP的两端分别连接的电网节点是节点i和节点j；分别为t时刻节点i和节点j的有功功率输出；为t时刻节点i的无功功率输出；分别为t时刻节点i和节点j的传输功率损耗；为t时刻MES放电的功率损失；分别为节点i和MES充放电的损耗系数；S_i,max 为节点i处的最大传输容量；P_i,max、P_i,min分别为节点i传输有功功率的最大值、最小值；Q_i,max、Q_i,min分别为节点i传输无功功率的最大值、最小值。

2  考虑MES接入的FDN优化模型考虑MES接入的FDN优化模型如下。2.1  目标函数

1）系统线路损耗成本 fL 为

式中：c_L为线路损耗的单位成本； Ω_T为1个运行周期内的时间集合； Ω_L为电网支路集合；r_ij为支路ij的支路电阻；I_ij,t为t时刻支路ij的支路电流。2）系统电压越限成本 f_V为式中：c_V为由于电压越限造成的电能损失成本； Ω_B为电网节点集合；g(U_i,t) 为t时刻节点i由于电压越限造成的电能损失^[25]；P_i,t为 t时刻节点i的负荷功率；U_i,t为 t时刻节点i的电压；为电压调节死区，当处于该区间时，不会产生电压惩罚成本；为系统电压允许最小值；  为系统电压允许最大值。3）柔性配电设备功率损耗成本 fE 为式中：c_E为柔性配电设备功率损耗的单位成本；为t时刻MES在节点m的损耗功率。4）运行周期内MES的用电成本f_M为式中：c_M表示MES的电能成本。综上，综合目标函数可表示为2.2 约束条件为保证配电网安全运行，需要考虑以下约束。1）配电网运行约束采用配电网支路潮流法对配电系统基本约束进行建模，数学表达式为式中：x_ij为支路ij的电抗；P_ji,t、P_ij,t分别为t时刻支路ij上从节点j流向节点i和从节点i流向节点j的有功功率；Q_ji,t、Q_ij,t分别为t时刻支路ij上从节点j流向节点i和从节点i流向节点j的无功功率；Q_i,t为注入节点i的无功功率之和；为t时刻DG注入节点i中的有功功率；为t时刻节点i中负荷的有功功率；为t时刻DG注入节点i中的无功功率；为t时刻节点i中负荷的无功功率；为最大允许支路电流值。2）DG约束可控型DG通常作为主动调节手段，调控配电网的运行状态。为充分体现MES和SOP对配电网的优化作用，本文考虑光伏系统等不可控型DG对配电网造成的影响，功率约束为式中：为t时刻DG有功出力的预测值；cosθ_DG为DG的功率因数。3）考虑MES接入的SOP运行约束

含MES接入SOP运行约束如式（1）~（16）所示。

3  算例分析3.1  改进的IEEE 33节点算例

本文以IEEE 33节点测试算例为例，分析MES对配电网成本的优化效果。该算例的电压等级为12.66 kV，有功负荷为3.715 MW，无功负荷为2.3 MV·A，系统结构如图1所示。

图1  考虑MES接入的IEEE 33节点算例

Fig.1  The modified IEEE 33-node distribution network with MES

为考虑DG的高渗透率接入对配电网的影响，本算例中接入4组光伏发电系统，功率因数均为0.9，单机容量600 kW，接入位置如图1所示。本算例中接入3组SOP，接入位置如图1所示。SOP的容量为300 kV·A，其两端的变流器损耗系数均为0.01。MES设定的参数为800 kW/800 kW·h，移动速度为50 km/h，移动消耗的电量为0.2 kW·h/km，单次并网时间不少于2 h，与MES相连接变流器的损耗系数为0.01。

负荷信息如表1和表2所示，出力曲线如图2所示。本算例将电网负荷分为3种类型，并优先保证一类负荷与二类负荷电能质量。对电压标幺值不属于区间 [0.98,1.02] 的节点进行惩罚，一、二类负荷的电压惩罚成本分别为正常电价的2倍、1.5倍，并同时考虑居民负荷和商业负荷用电需求对配电网的影响，分时电价如图3所示。交通网络信息见文献[26]。

表1  关键负荷节点

Table 1  Importance level of loads

表2  居民/商业负荷节点

Table 2  Information of resident/commerce load

图2  负荷与DG出力曲线

Fig.2  The operation curves of load and DG

图3  系统分时电价曲线

Fig.3  Time-of-use price curve

3.2  优化方案效果分析与验证为体现SOP与MES对FDN的协同运行优化效果，现给出如下3种方案进行测试。方案Ⅰ：不接入SOP与MES，获得配电网初始运行状态；方案Ⅱ：在原配电网中接入SOP，分析SOP对配电网的优化效果；方案Ⅲ：在方案II的基础上接入MES，分析MES接入后的优化效果。

上述3种方案的运行结果如表3所示。在原配电网中，电网线路损耗成本较大，当用电负荷达到高峰或光伏出力达到高峰时，电压越限严重，配电网运行的经济性较差。

表3  各方案下的优化运行结果

Table 3  Optimization results in the three schemes

图4给出各方案下节点电压最值水平。从图4可以看出，接入SOP以后，各个节点的电压水平得到明显改善，尤其缓解了用电负荷过高或DG出力过多引起的电压越限情况，线路损耗也有所下降，总成本大幅降低。MES接入后线损进一步降低，改善了各区域的电压分布。

图4  各方案下节点电压最值对比

Fig.4  Comparison of extreme voltage profiles

对比方案Ⅱ和方案Ⅲ可知，安装MES后，配电网运行成本下降25%，提升了运行经济性。

图5和图6分别为方案Ⅱ和方案Ⅲ中SOP的出力情况。方案Ⅱ中，当用电负荷或DG出力达到高峰期时，SOP在空间尺度上实现潮流的合理调度，以降低系统网络损耗和电压越限。方案Ⅲ中，当用电负荷过高时，MES的接入使得SOP两端换流器同时向系统提供有功功率；当DG出力高峰时，MES通过SOP两端换流器吸收系统多余的电能。例如由图6可知，在01:00—05:00，电网电价较低，MES通过SOP变流器在距离源节点较近的节点22处并网充电，为后续支撑电压存储充足的电能；在07:00—11:00和16:00—22:00，配电网边缘节点电压质量较差，MES通过SOP变流器向节点18和33放电，实现当地电压支撑；在13:00—14:00，光伏发电量充足，为减少弃光，MES移动到连接节点25和29的SOP变流器处并网充电，吸收多余电能，实现SOP和MES对配电网协同优化。

图5  方案Ⅱ中SOP有功出力

Fig.5  SOP active output in Scheme Ⅱ

图6  方案Ⅲ中SOP有功出力

Fig.6  SOP active output in Scheme Ⅲ

图7给出了方案Ⅲ中MES有功出力。在01:00—05:00，电价较低，MES在初始位置并网充电，以支撑中午负荷较重区域的电压。用电负荷达到高峰时，位于配电网边缘的节点18和节点33处电压质量较差，MES移动到连接节点18和节点33的SOP变流器处并网放电，改善当地电压水平；在13:00—14:00，光伏发电功率达到峰值，为减少弃光，同时改善光伏接入较密集的节点25和节点29所在区域的电压，MES移动到连接节点25和节点29的SOP变流器处并网充电；在24:00返回初始节点，并维持MES始末核电荷量不变，有效提升配电网的运行经济性。

图7  方案Ⅲ中MES有功出力

Fig.7  MES active output in Scheme Ⅲ

4  结语为应对DG高渗透率接入为配电网安全经济运行带来的挑战，本文提出考虑MES接入的FDN运行优化方法。算例结果表明，MES和SOP的深度结合可实现对配电网边缘区域的电压支撑。同时，二者的结合实现了电能在空间尺度的传输及时间尺度的存储，解决了SOP两端所连节点同时过负荷导致的电压越限等问题，提升了配电网的安全经济性。交通拥堵等不确定性会对MES的实际调度产生影响，因此，SOP和MES的协同优化效果具有一定局限性。未来可结合实际交通状况对该模型进行改进。同时，进一步探索MES在配电网供电恢复等方面的作用，提高配电网运行效率。

（责任编辑　杨彪　史一茹（实习））

作者介绍

徐晶（1982—），男，硕士，高级工程师，从事配电网和综合能源系统规划设计研究，E-mail：[e-mail];

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赵亮（1970—），男，高级工程师（教授级），从事配电网和综合能源系统规划设计研究，E-mail：[e-mail];

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张梁（1988—），男，工程师，从事配电网规划技术研究，E-mail：[e-mail].

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编辑：于静茹

校对：王文诗

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