含用户侧分布式储能的配电网降损分析

杜 鹏， 彭咏龙， 黄江浩， 李亚斌

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，河北 保定 071003)

0 引言

随着储能技术进步和成本降低以及需求侧的演化发展，用户侧分布式储能的广泛接入是未来电网发展的必然趋势[1,2]。用户侧分布式储能的接入可有效解决高峰期的用电问题，提升配电网的电能质量和用电可靠性。但与此同时，大量的用户侧分布式储能接入将改变配电网潮流的方向和大小，进而对配电网的网络损耗产生影响。

文献[3]建立钠流电池储能系统的仿真模型，并考虑了电池的加热损耗,分析了储能电池接入对配电网网络损耗的影响。文献[4]以配电系统中有功损耗最小和1天中各时段负荷方差最小为目标函数，以储能电池的充放电功率为控制变量，分析了储能电池不同优化运行方案的优劣。文献[5～7]提出了分布式储能的优化调度算法，通过重构负载曲线来最小化配电网的网络损耗。但是在这些研究中均假定储能系统的功率因数为1，忽略了储能系统发出的无功功率的影响。文献[8]提出了电池储能电站中各储能机组的无功功率分配方法。然而，以上研究均没有同时考虑分布式储能发出的有功功率和无功功率。

本文首先从理论上较全面地推导分析用户侧分布式储能接入对配电网网络损耗的影响，建立用户侧分布式储能接入配电网的网络损耗模型，指出了用户侧分布式储能充放电功率优化的必要性。在此基础上，综合考虑用户侧分布式储能发出的有功功率和无功功率，提出用户侧分布式储能的优化运行方法，以削峰填谷和降损为优化目标，对用户侧分布式储能发出的有功功率和无功功率同时进行优化，通过IEEE33节点系统验证了所提方案的有效性，对未来配电网的运行规划具有一定的参考价值。

1 用户侧分布式储能模型的建立

分布式储能技术种类繁多，大致可分为物理储能和化学储能，但适用于用户侧的分布式储能技术并不多。电池储能技术由于具有建设周期短、运营成本低、对环境污染小等特点，已经成为用户侧分布式储能接入配电网的首选方案。本文基于电池储能系统建立用户侧分布式储能的模型。用户侧分布式储能主要由电池系统和PCS(功率转换系统)组成。PCS系统在放电时作为逆变器，在充电时作为整流器，可实现用户侧分布式储能的四象限运行，为系统提供双向的有功、无功功率。其具体原理如图1所示。

图1 用户侧分布式储能的原理图

在图1中，SBess为用户侧分布式储能的视在功率，QBess为用户侧分布式储能的无功功率，SBessmax为用户侧分布式储能的最大视在功率，Pch为用户侧分布式储能的充电功率，Pdis为用户侧分布式储能的放电功率。

由图1可以看出，用户侧分布式储能的运行存在4种情况：(1)在运行点1，用户侧分布式储能以滞后功率因数运行，向配电网发出有功功率和无功功率。(2)在运行点2，用户侧分布式储能以滞后功率因数运行，从配电网吸收有功功率同时向配电网发出无功功率。(3)在运行点3，用户侧分布式储能以超前功率因数运行，从配电网吸收有功功率和无功功率。(4)在运行点4，用户侧分布式储能以超前功率因数运行，向配电网发出有功功率，同时从配电网吸收无功功率。用户侧分布式储能接入配电网时的运行情况不同，配电网的潮流将产生不同程度的改变，进而对配电网的网络损耗产生不同程度的影响。

2 用户侧分布式储能接入对配电网网损影响的机理分析

传统配电网呈单一电源放射状，系统运行时，潮流总是从网络的首端流向末端。在用户侧接入分布式储能后，整个配电网的潮流流向与分布将发生变化，配电网的网络损耗也将随之变化。

如图2所示，当配电网没有接入用户侧分布式储能时，流入负荷的单向电流为

(1)

该支路上的网络损耗为

(2)

式中：Vi、Vj分别为节点i,j处的电压；Pij、Qij分别为支路ij上流过的有功功率和无功功率；Rij、Xij分别为节点i，j之间线路的电阻和电抗；Pj、Qj分别为系统中负荷的有功功率和无功功率。

图2 用户侧未接入分布式储能的模型图

如图3所示，在节点j接入分布式储能。当用户侧接入分布式储能后，根据分布式储能运行方式和接入功率容量的不同，配电网的网络损耗将产生不同程度的变化。

图3 用户侧接入分布式储能的模型图

(1)用户侧分布式储能进行充电时，可将其看作负荷，用户侧分布式储能运行在图1中的第二和第三象限，吸收的功率为Pch+jQBESS。此时支路上的网络损耗为

(3)

本文引入用户侧分布式储能的功率因数α来表示用户侧分布式储能的有功功率和无功功率的关系。

(4)

当用户侧分布式储能同时吸收有功功率和无功功率时，支路上的网络损耗是增大的，且用户侧分布式储能的功率容量越大，配电网网络损耗增加的越多；当用户侧分布式储能吸收有功功率且发出无功功率时，支路上网络损耗的变化要根据具体情况来确定。通过对式(2)和(3)对比分析可知，在用户侧分布式储能充电时存在配电网网损增加和减少的临界点。推导如下：

本文设定负荷为感性负荷，有功功率和无功功率的关系为Qj=βPj

(Pj+Pch)2+(Qj+QBESS)2=Pj2+Qj2

(5)

(Pj+Pch)2+(βPj+χPch)2=Pj2+(βPj)2

(6)

其中，χ

(7)

当用户侧分布式储能发出的无功功率小于Qch.cr时，配电网的网络损耗是减少的；当用户侧分布式储能发出的无功功率大于Qch.cr时，配电网的网络损耗是增加的。

(2)用户侧分布式储能放电时，可将其看作分布式电源，用户侧分布式储能运行在图1中的第一和第四象限，发出的功率为Pdis+jQBESS，此时线路上的网络损耗为

(8)

(9)

由式(8)可知，当用户侧分布式储能以滞后功率因数运行时，在用户侧分布式储能接入配电网的功率容量增大、配电网负荷短期内不变的情况下，ΔS3的数值会变得越来越小，配电网的网络损耗也随之减小。当配电网接入用户侧分布式储能的功率容量增加到一定程度时，ΔS3的数值会随之增大，配电网网损是逐渐增加的。当用户侧分布式储能以超前功率因数运行且用户侧分布式储能的功率容量逐渐增大的情况下，(Pj-Pdis)2的值先减小后增加，配电网的网络损耗也呈现先减后增的趋势。

配电网网络损耗不仅和用户侧分布式储能的运行方式和接入功率容量有关，也和用户侧分布式储能的接入位置有关，如图4所示。

图4 分布式储能接入配电网不同位置的示意图

(10)

其中，r为单位长度的电阻值。

2PLPBESS-2QBESSQL)

(11)

当分布式储能从配电网吸收有功功率和无功功率时，分布式储能的接入位置越靠近配电网的末端，配电网网损越大且增加的越快；当分布式储能同时向配电网发出有功功率和无功功率时，分以下2种情况进行讨论：当分布式储能的功率容量较小时，(ΔS4-ΔS1)<0，分布式储能的接入位置越靠近线路的末端，配电网网损越小；当分布式储能的功率容量较大时，(ΔS4-ΔS1)>0，随着分布式储能的接入位置靠近线路的末端，配电网网损逐渐增加且增加的越来越快。

3 用户侧分布式储能优化运行方法

由第2节的分析可知，配电网中的网络损耗与配电网中的功率流动息息相关。因此，对用户侧分布式储能的有功功率和无功功率进行优化是十分必要的。

本文以削峰填谷和降损为目标函数，运用改进的粒子群优化算法对分布式储能发出的有功功率和无功功率进行优化。

(1)用负荷的方差反映负荷曲线的平坦程度。

(12)

(13)

(2)根据前推回代法逐条计算配电网中的网络损耗。在T时间段内的总网络损耗为

(14)

式中：N为配电网的总支路数；Pl,t和Ql,t是t时刻线路l末端等效的有功负荷和无功负荷；QBESS,t是用户侧分布式储能在t时刻发出的无功功率；Rl和Xl是线路l的电阻和电抗；V是系统输电线上相电压。

(1)用户侧分布式储能的容量约束。各时刻用户侧分布式储能的容量不超过分布式储能容量的上下限。

Smin≤S(t)≤Smax，1≤t≤T

(15)

式中：Smin和Smax分别为用户侧分布式储能电量的上下限。

用SOC表示用户侧分布式储能的能量水平，对于Δt时间段内的能量变化可以表示为

(16)

式中：Se为用户侧分布式储能的额定容量。

St=St-1+ΔSOC(t)

(17)

当t=1时，S1=Sinitial+ΔSOC(1)；当t=T时，ST=Sfinal。Sinitial和Sfinal分别为用户侧分布式储能的初始电量和经一个优化周期后的剩余电量。

(2)用户侧分布式储能的充放电功率约束

(18)

式中：Pe为用户侧分布式储能的额定功率。

(3)电压约束

Umin≤U(t)≤Umax

(19)

式中：U(t)为t时段各节点的节点电压；Umax和Umin分别为节点电压的上下限，采用罚函数处理。

(4)用户侧分布式储能能量平衡约束。

Sinitial=Sfinal

(20)

4 算例分析

以如图5所示的IEEE33节点系统为算例进行分析。假定在节点6、18、28上分别接入等容量的分布式储能。用户侧分布式储能的额定有功功率Pe=200 kW，用户侧分布式储能的额定容量Se=600 kW·h，Umax=1.05 p.u.，Umin=0.95 p.u.，Smin=0.1Se，Smax=Se，Sinitial=Sfinal=0.2Se，ηch=0.9，ηdis=0.9，负荷方差的基准值为1×105kW。典型日负荷曲线如图6所示。

图5 IEEE33节点系统示意图

图6 负荷典型日特性曲线

为验证本文所提方法的有效性，选取以下3个场景进行比较分析，优化结果如表1所示。

表1 不同场景下的网络损耗

场景1：用户侧没有接入分布式储能

场景2：用户侧接入分布式储能，仅考虑分布式储能发出的有功功率。

场景3：用户侧接入分布式储能，同时考虑分布式储能发出的有功功率和无功功率。

通过表1可看出，在用户侧接入分布式储能可较大程度地减少配电网的网络损耗，同时考虑用户侧分布式储能发出的有功功率和无功功率比只考虑用户侧分布式储能发出的有功功率时的降损效果要好。这是因为无功功率流动是产生配电网网损的重要因素，同时对用户侧分布式储能发出的有功功率和无功功率进行优化，可以减少配电网中有功功率和无功功率的流动，进而较大程度地减少配电网的网络损耗。此外，与仅考虑用户侧分布式储能发出的有功功率相比，同时考虑用户侧分布式储能发出的有功功率和无功功率在配电网削峰填谷方面的效果稍差。

图7和图8给出了不同场景下的有功和无功负荷曲线。由图7可知，用户侧分布式储能的接入可有效平抑配电网负荷功率的波动。由图8可知，当考虑用户侧分布式储能发出的无功功率时，配电网中的无功负荷显著降低。此外，用户侧分布式储能发出的无功功率可降低无功补偿装置的投资，有利于配电网的经济运行。

图7 不同场景下的有功负荷曲线

图8 优化前后的无功负荷

图9显示了3种场景下节点18的电压变化情况。选取了配电网末端，最有可能发生节点电压越限的节点18作为研究对象。从图中可看出，用户侧分布式储能的接入可有效改善配电网的电压水平。与仅考虑用户侧分布式储能发出有功功率的情况相比，同时考虑用户侧分布式储能发出的有功功率和无功功率对配电网电压水平的改善效果更为显著。

图9 不同场景下节点18的电压对比

5 结论

用户侧分布式储能的广泛接入是未来配电网发展的必然趋势。本文从用户侧角度出发，研究了分布式储能接入对配电网网络损耗的影响，建立了综合考虑用户侧分布式储能发出的有功功率和无功功率的网络损耗模型，并提出用户侧分布式储能的优化运行方法，同时对用户侧分布式储能发出的有功功率和无功功率进行优化，结果表明综合考虑用户侧分布式储能发出的有功功率和无功功率，可显著降低配电网网损、平抑负荷变化和提高配电网电压水平。