储能系统在配电网中的优化配置研究

胡 荣，岳 美

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

储能系统在配电网中的优化配置研究

胡 荣，岳 美

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

从电网侧、新能源侧及用户侧3种不同的应用背景出发，对储能系统在配电网中的优化配置现状进行了研究.相比于单一储能而言，混合储能具有许多优越之处.结合现阶段主动配电网下储能技术的应用情况，分析了未来储能的推广应用所面临的问题.

配电网;储能优化;分布式能源;混合储能

随着电网负荷峰谷差的日益增大和分布式能源(Distributed Energy Resources，DER)的大规模并网，储能技术逐渐成为人们关注的焦点.储能系统在电网中占有重要的地位，其主要功能包括:削峰填谷降低发电成本，利用峰谷电价差获利;缓解电网阻塞;优化充放电控制策略，提高电能质量;事故停电时，为大中型工商业用户提供不间断电源或应急电源;电网故障孤岛运行时，提供稳定的电能.［1-2］

在智能电网、节能减排等理念逐渐深入人心的背景下，储能系统在电网中的合理规划将会影响其上述功能的有效发挥.电网侧、新能源侧以及用户侧由于其主要侧重方面不同，对储能的优化配置所提出的要求也会不同.同时，单一储能很难同时满足大容量储能和快速响应能力的要求，而混合储能有助于解决这一问题.近年来提出的主动配电网(Active Distribution Network，ADN)理念以有机整合先进信息通信、电力电子及智能控制等技术为背景，旨在实现分布式能源的大规模并网与高效利用，储能在ADN中所扮演的角色将更加多元.这些都对储能在配电网中的应用规划提出了新的要求.

本文从电网侧、新能源侧以及用户侧3种不同的应用背景出发，对储能在配电网中的优化配置现状进行研究，结合混合储能及ADN中储能的应用特点，重点围绕储能规划前期的相关问题进行分析.

1 储能系统在电网中的应用规划

1.1 在电网侧的应用规划

储能系统应用于电网中，可以延缓电网升级、减少输电阻塞、提高供电可靠性等.为了充分发挥储能对电网各方面的促进作用，在将储能系统接入配电网时需要进行合理的规划，一般以储能安装位置和容量为决策变量，不同的研究背景下侧重会有所不同.

储能电站接入配电网的一个重要功能是削峰填谷，文献［3］考虑了储能系统的充放电平衡约束、循环寿命等因素，研究了储能技术用于电网负荷削峰填谷的储能容量配置方法.储能系统还有助于降低网损，文献［4］和文献［5］都将降损情况作为储能规划的重要参考指标.文献［5］除了以网损最小化为目标建立储能容量优化模型外，还提出了在三相不平衡情况下进行储能优化选址的网损灵敏度分析方法.储能系统接入配电网中会带来巨大的经济效益，文献［6］和文献［7］综合考虑了电能价格套利、降低输电成本、延缓设备投资等效益，建立了配电网储能经济评价模型.将储能设备接入配电网不仅会影响电网的经济运行，同时也会影响其运行的稳定性.文献［8］提出了一种基于暂态稳定风险的储能位置与容量优化方法，根据暂态稳定风险指标来衡量储能装置的作用和效果.

综合国内外文献在配电网储能优化配置方面的研究成果可知，在目标函数方面，主要考虑削峰填谷、降损节能、经济效益等，在约束条件及求解算法方面也是大同小异.储能优化规划在以经济性为主要目标的基础上，应兼顾储能应用带来的综合效益.

1.2 在新能源侧的应用规划

随着世界能源危机和环境污染的日益严重，新能源发电已成为各国研究的重点.储能技术应用于新能源中，其最重要的功能在于平滑DER出力和提高系统稳定性.储能系统的优化配置与新能源本身的发电特性有着紧密的联系，其出力曲线是储能规划研究的重要依据.

文献［9］采用离散傅里叶变换对可再生能源出力进行了频谱分析，并基于频谱分析结果和储能系统的相关约束，确定了平滑可再生能源功率波动所需的储能系统的最小容量.文献［10］基于电网故障后潮流，通过分析电网的风险水平，确定了合理的风储系统配置容量.文献［11］和文献［12］都是以储能相关成本建立优化模型，除了求解算法不同，文献［11］还综合考虑了电容补偿对分布式储能优化配置的影响.文献［13］针对某微电网，建立了多目标优化分布式储能规划和运行模型，在3种不同的储能位置配置策略下(储能与光伏电站最近处、电压幅值波动最敏感节点处及负荷最大节点处)，分析了分布式储能的优化效果.

在含有新能源的电力系统中，储能系统的应用规划除了一般的降损分析，更多地侧重于储能接入后对DER的出力优化和对供电质量的影响.

1.3 在用户侧的应用规划

相比于电网侧的“储电于网”，储能系统应用于用户侧更能体现其“储电于民”的特性.用户侧的储能设备主要用于提供不间断电源，以及提高供电可靠性.储能应用在用户侧所带来的收益是多方面的，主要包括减少用户电费、降低用户停电损失费用等.文献［14］基于储能系统在紧急备用中的应用，以用户停电成本最小为目标函数，在停电期间优先考虑为小型无备用电源的工商业负荷供电.文献［15］基于各时段分时电价，以储能相关成本最小为目标函数，采用优化仿真得出了储能系统的充放电功率曲线.

在对用户侧储能优化配置的研究中，大部分文献都着重于储能应用于用户侧的价值评估方面.文献［16］提出了典型居民用户家庭储能系统的动态电价响应模型，并分析了用户在固定电价和动态电价两种情况下用电成本的差异.文献［17］分析了用户侧储能装置在减少电站容量和电费支出等方面的经济效益.另外，也有文献给出了用户侧电动汽车经济效益的评估方法.［18］

储能技术应用于用户侧有助于实现需求侧管理，在提高负荷可控性的同时缓解了电网的调度压力.由于电力用户的复杂性，不同利益相关者关注的方面有所不同，用户侧储能在与用户匹配的同时应注重与电网的协调.

2 混合储能在电网中的应用规划

近年来微网技术的发展对电力系统的储能提出了新的要求，储能技术要同时具有大容量和快响应的能力.现阶段对单一储能的应用较多，但其很难同时满足上述需求，故需要采用多种储能技术及多元储能设备(即混合储能)，通过彼此间协调控制来实现储能的特性优化.

混合储能在电网中的规划主要集中在容量优化及经济评估方面，文献［19］至文献［21］都是以成本最小化建立了评价混合储能经济性的目标函数，文献［21］还根据系统的能量缺失率及能量损失率指标提出了能量管理策略.文献［22］基于储能成本最小化建立了容量优化模型，并参考储能元件Ragone图提出了一种非线性求解方法.文献［23］在考虑了风电出力不确定性的基础上，基于机会约束规划建立了混合储能容量优化模型.文献［24］以跟踪微网联络线功率为出发点，以混合储能全寿命周期净现值最大为目标，验证了混合储能在提高储能经济性方面的优势.文献［25］以混合储能成本最小、DER出力波动最小、功率需求匹配最优建立了多目标优化模型，采用适应度离差排序法确定了聚合后多目标函数的权系数，使多目标问题得到了简化.

混合储能在配电网中的规划应用，多以储能成本最小化为目标函数，分析其比单一储能的优越之处，但前提是对功率型和能量型储能进行协调控制，不同类型的储能建模的精确性对其容量配置也有一定的影响.

3 储能在主动配电网中的应用

主动配电网(ADN)是在2008年CIGRE会议上首次被提出，其基本定义为:通过使用灵活的网络拓扑结构来管理潮流，以便对局部的DER进行主动控制和主动管理的配电系统.［26］目前，储能系统在ADN中的应用研究主要侧重于其在辅助ADN优化运行调度方面的作用.文献［27］综合考虑调峰容量、电压质量等因素，建立了ADN中储能选址定容的多目标优化模型，并提出了一种权重最小理想点法进行求解.文献［28］基于ADN中对电压质量的要求，以电压偏差最小为目标对分布式储能进行优化选址.文献［29］和文献30］基于最优潮流结果，分别对分布式储能的控制方法和经济效益进行了分析.文献［31］基于自治协同的ADN优化运行思想，以区域自治网供蓄电能力为指标，采用从区域自治网到ADN逐步优化的方法对配电网进行主动管理.文献［32］基于柔性交流输电线间控制器结构，提出了一种适用于ADN的新型储能结构，对实现配电网中不同馈线之间功率交换具有重要作用.

基于ADN主动管理理念，储能的应用规划与ADN的潮流优化情况息息相关.最优潮流不但有助于电网的优化调度，也有助于储能的优化控制.ADN是信息高度集成的配电网，储能系统与控制中心实现信息交互的费用将对储能的价值评估产生影响.此外，如何实现ADN中集中式储能和分布式储能的协调也是值得关注的问题.

4 结语

目前，对配电网中储能优化配置问题的研究相对成熟，在新能源侧和用户侧的储能规划研究发展较快，而在电网侧的应用研究相对较少，储能技术发挥的长远作用不只在配电网中，其对上游输电网也有重要影响.同时，储能技术在源、网、荷3方面的应用并不是完全独立的，如何从储能应用的全局出发进行规划研究也非常值得思考.在混合储能方面，混合储能应用的主要优势在于改善储能设备性能、缩减储能投资，其主要难点在于对功率型和能量型储能的有效控制及其与DER的有效配合.在ADN方面，由于其DER的高渗透率，这对储能的运行及其优化配置都将提出新的要求.

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(编辑 白林雪)

Optimal Allocation of Energy Storage System in Power Distribution Network

HU Rong，YUE Mei
(School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

The optimal allocation of energy storage system is plotted out to the three main application backgrounds with utility side，user side and renewable energy generation.Compared to a single energy storage，the main advantages of hybrid energy storage are analyzed.Combining the present study on energy storage applications in active distribution network with aforesaid materials，a brief analysis is made on further considerations needed in the energy storage application.

distribution network;storage optimization;distributed energy resources;hybrid energy storage

TM712

A

1006-4729(2015)02-0223-04

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.006

2014-09-24

岳美(1990-)，女，在读硕士，内蒙古赤峰人.主要研究方向为配电网优化规划及储能等.E-mail: 1048542472@qq.com.

上海绿色能源并网工程技术研究中心项目(13DZ2251900);上海市重点支撑攻关计划项目(13160500800).