含分布式电源与储能的配电网扩展规划方法研究

王优胤，曾辉明，商文颖，邓鑫阳，卢天琪

(1.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015；2. 国网辽宁省电力有限公司计量中心，辽宁 沈阳 110186)



应用研究

含分布式电源与储能的配电网扩展规划方法研究

王优胤1，曾辉明2，商文颖1，邓鑫阳1，卢天琪1

(1.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015；2. 国网辽宁省电力有限公司计量中心，辽宁 沈阳 110186)

随着配电网中分布式电源与储能的接入，给配电网的规划带来了新的问题。当前研究中较少涉及分布式电源、储能及配电网线路的联合规划方法，为此提出了一种配电网两层扩展规划方法。首先，建立了分布式电源与线路联合规划的混合整数线性模型，考虑了投资费用、运行费用、网损费用及负荷增长等因素。然后，根据储能在配电网中的运行特点和作用，基于傅立叶频谱分析理论，分别提出了配电网中储能的集中与分布式规划策略。以某18节点的配网结构为例，分析所提两层规划方法的有效性，算例结果表明：分布式电源的引入有利于降低配电网投资与运行总成本，频谱分析理论可以为储能规划问题提供有效的解决方法。

配电网；分布式电源；储能；扩展规划；傅立叶频谱分析

分布式电源发电有着显著的经济效益与环保效益，促进了其在配电网中的广泛应用。分布式电源的引入也给配电网的规划与运行问题带来了新的挑战[1-2]。国内外学者已对配电网的扩展规划问题开展了较多的研究[3-5]。文献[6]探索了分布式电源的规划决策方法。文献[7-8]在现有配电网结构下提出了分布式电源规划方法。然而，对配电网的扩展规划与分布式电源规划的联合规划问题的研究还相对较少。

为此，本文提出一种考虑分布式电源接入的配电网联合扩展规划研究方法，可以弥补两者独立进行规划带来的一系列缺点。

储能设备主要用于平衡分布式风电、光伏的波动功率，在配电网规划以及智能电网建设中受到越来越多的重视。然而其能量存储特性与分布式电源的运行特性差异较大，难以采用已有的分布式电源的规划建模方法进行研究。为此，本文基于傅立叶频谱分析技术，提出一种配电网中储能的规划方法。

综上，本文提出了一种考虑分布式电源与储能的配电网的扩展规划方法，采用了两层规划策略。首先建立分布式电源与配电网的联合扩展规划模型，然后在分布式电源规划结果的基础上，基于傅立叶频谱分析理论，建立储能的规划模型。

1 分布式电源特性分析

1.1 分布式风电

分布式风电的主要成本为一次投建费用，维护费用较小，运行费用几乎为零。风力发电机端输出的功率随着风速的变化而变化，风速的概率密度函数一般采用威布尔分布函数。

1.2 分布式光伏

目前太阳能的利用技术可分为光热发电技术与光伏发电技术。配电网中主要采用的是分布式光伏发电技术。其主要成本来自于一次投建费用，维护费用较小，一般不考虑其运行费用。分布式光伏出力由光照强度决定，光照强度的概率密度函数一般采用Beta函数。

2 含分布式电源的扩展规划建模

2.1 目标函数

本文建立的分布式电源及配电网线路的联合扩展规划模型以总费用的现值最小为目标，目标函数为

(1)

固定成本的计算需要根据设备的总投资成本与设备的使用年限，折算为规划年的投资成本。包括新增馈线的投资成本与新增分布式电源的投资成本：

(2)

配电网运行消耗一次能源费用包括分布式电源的发电成本与配电网从大电网购电的费用：

(3)

总维护费用主要包括各阶段馈线、分布式电源以及储能设备的维护费用：

(4)

线路损耗费用与负荷停电损失费用分别如式(5)、(6)所示：

(5)

(6)

线路损耗费用的非线性形式可采用分段线性化来近似处理。

2.2 约束条件

规模中需要考虑的约束条件包括元件容量约束、系统运行约束、辐射网络约束等。求解上述优化问题即可获得分布式电源与线路的逐年规划方案。

3 基于傅立叶频谱分析的储能规划

3.1 储能运行特性分析

由于分布式风电、光伏电源出力具有较大的随机性和波动性，叠加系统负荷曲线后，使得总净负荷曲线也具有较大的波动性。储能设备主要通过循环充放电方式吸收系统中的波动功率，降低风电、光伏及负荷功率的不确定性对系统运行的影响。

从频域角度分析，净负荷功率曲线中包含了不同频率的波动量，其中低频分量反映昼夜、工作日及季节等因素的变化特征，这部分负荷波动主要通过调整系统的运行方式进行应对；而高频分量则对应了新能源和负荷的随机波动性，这部分功率波动可由储能设备进行平衡，从而降低风电、光伏的波动性对配电网的影响，提高配电网的电能质量。因此，基于傅立叶频谱分析法建立配电网中的储能容量规划模型。

3.2 基于傅立叶变换的储能容量规划

傅立叶变换公式：

(7)

A(k)=|F(k)|

(8)

由于储能的作用是平抑净负荷功率波动中的高频部分，因此，为了提取净负荷曲线频域中的高频部分，令低频波动分量部分为零，即：

F[1]=F[2]=…=F[m]=0

(9)

通过离散傅立叶反变换得到需要由储能设备来平衡的净负荷高频分量曲线：

(10)

根据净负荷高频分量曲线可以获得储能的最大充放电功率、累积荷电状态，得到荷电状态曲线上的最大值与最小值之差即为储能的规划容量CES。

储能位置的选择可以采用集中式规划和分布式规划两种策略。集中式规划策略：安装在配电网馈线的首段，即变电站节点上。分布式规划策略：由于分布式风电、光伏是主要的波动功率来源，因此，将储能设备分别安装在各个风电和光伏电源的节点上，容量分配原则为按各分布式电源出力曲线中的高频分量含有率进行分配：

(11)

4 算例分析

4.1 算例分析

我国大部分地区的配电网结构以辐射型为主，本文以图1所示的配电网结构为例进行算例分析。

图1中节点1为变电站节点，节点5、8、13为可以规划分布式风电的节点；节点12、14、17、18为可以规划分布式光伏的节点；节点4、16为可以安装微型燃气轮机的节点。

规划模型中的相关参数设置如下：规划年限为10年；规划期内年利率的取值为0.08；负荷年增长率取4%；将年负荷曲线分解3个水平，负荷率分别为0.95、0.8、0.7，对应的小时数分别为2 000 h、5 760 h、1 000 h。各分布式电源的规划参数如表1所示；线路参数如表2所示。线路2的电阻与投资费用参数与线路1相同，线路5、6、16、17、18的电阻与投资费用参数与线路4相同，待选线路12、13、14、19、20、21、22的电阻与投资费用参数与线路11相同，待选线路以外的线路也可根据配网运行需求进行扩建。

表1 分布式电源规划参数

表2 线路规划参数

4.2 分布式电源与线路的规划结果

针对图1所示算例，采用本文提出规划模型求解得到的含分布式电源与线路的规划结果为：第1年投建了线路11、13、19和20，保证线路的节点12、13、17、18与配电网的联通性，并扩建了线路1，即在线路1旁增加了一条并联线路，提高了该支路的传输容量。由于考虑了负荷增长因素，第3年扩建了线路3；第5年扩建了线路2、7、15；第8年扩建了线路8。分布式电源规划情况如表3所示。

表3 分布式电源容量规划结果

从表3可以看出，分布式风电与光伏电源在前两年内均规划完成。由于微燃机运行过程中存在一定的燃料成本，因此，规划方案未选择投建微燃机。

4.3 储能规划结果

根据历史数据模拟一段时间内配网的净负荷数据，本文以一典型周为例，进行储能容量规划分析。典型周内的净负荷曲线与利用傅立叶变换获得的低频分量和高频分量如图2所示，其中低频分量为周期大于0.25天的频谱分量的集合；高频分量为周期小于0.25天的频谱分量的集合。

针对净负荷曲线频域中的高频部分，根据3.2节提出的储能容量规划策略，计算得到总储能规划容量为230 kWh，最大充放电功率分别为280 kW与248 kW。当采用集中式规划策略时，将总储能容量安装于节点1上即可。

图2 典型周净负荷功率分解示意图

当储能采用分布式规划策略时，各节点分布式电源出力的高频分量含有率和储能规划容量如表4所示。由于分布式风电出力的波动性一般大于分布式光伏，使得前者的高频分量含有率大于后者，因此，分布式风电电源所在节点处的储能规划容量一般大于光伏电源所在节点。

表4 分布式电源出力的高频分量含有率

5 结束语

本文根据分布式电源与储能运行特性的不同，提出了一种配电网两层扩展规划方法，能够获得配电网规划的最优方案。在分布式电源规划结果的基础上，根据储能的运行特点，提出了一种基于傅立叶频谱分析理论储能的规划模型，为配电网中储能规划问题提供了有效的解决方法。

[1] Willis H L. Power Distribution Planning Reference Book[B]. 2nd. New York, NY, USA: Marcel Dekker, 2004.

[2] 张婷婷, 刘 晨, 宫及峰,等. 配电网中分布式电源接入体系研究[J]. 东北电力技术, 2016, 37(6): 4-7.

[3] Carrano E G, Guimarães F G, Takahashi R H C, and et al. Electric distribution network expansion under load-evolution uncertainty using an immune system inspired algorithm[J]. IEEE Trans. Power Syst., vol. 22, no. 2, pp. 851-861, 2007.

[4] 王 硕，赵 杰，刘国平，等. 基于网格化的城市智能配电网规划研究[J]. 东北电力技术, 2016, 37(4): 56-59.

[5] Ganguly S, Sahoo N C, and Das D. Recent advances on power distribution system planning: A state-of-the-art survey[J] Energy Syst., vol. 4, no. 2, pp. 165-193, 2013.

[6] Akorede M F, Hizam H, Aris I, and et al. Effective method for optimal allocation of distributed generation units in meshed electric power systems[J] IET Gener. Transm. Distrib., vol. 5, no. 2, pp. 276-287, 2011.

[7] 叶承晋, 黄民翔. 基于改进粒子群算法的分布式电源经济性最优规划[J].电力系统保护与控制, 2012，40(19): 126-132.

[8] Wang D T-C, Ochoa L F, and Harrison G P. DG impact on investment deferral: Network planning and security of supply[J]. IEEE Trans. Power Syst., vol. 25, no. 2, pp. 1 134-1 141, 2010.

Expansion Planning Method of Distribution Network Considering Distributed Generators and Energy Storage

WANG Youyin1, ZENG Huiming2, SHANG Wenying1, DENG Xinyang1, LU Tianqi1

(1.State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute, Shenyang, Liaoning 110015, China;2. State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Metering Center, Shenyang, Liaoning 110186, China)

Integration of distributed generators (DG) and energy storage arises new challenges to the planning problem of the distribution network.Currently less study has involved the joint planning method of distributed generators,energy storage and distribution network.A two-layer expansion method for distribution network are proposed in this paper. Firstly,a joint planning model of distributed generators and distribution network lines are presented,which takes into account the investment cost,operating cost,network losses,as well as the load growth factor.Secondly,considering the operating characteristics of the energy storage in distribution network,we propose centralized and distributed planning strategies for energy storage based on the theory of the fourier spectrum analysis.Test is done on an 18-bus distribution network.The two-layer method is proved effective.Numerical results show that the introduction of distributed generation into the distribution network helps to reduce the total investment and operation cost.Spectrum analysis theory provides an effective solution to the planning issue of energy storage in distribution network.

distributed network; distributed generator; energy storage; expansion planning; fourier spectrum analysis

TM715

A

1004-7913(2017)05-0010-04

王优胤(1988)，男，硕士，工程师，现从事电网规划工作。

2017-03-01)