双碳目标下的电网共享储能技术研究

冼钟业，左 婧，万中田，马文琳，邓奕星

(1.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528200；2.广东南海电力设计院工程有限公司，广东 佛山 528200；3.国电华研电力科技有限公司，广东 广州 510030)

1 引 言

我国在2020年联合国大会上提出中国将于2030年将碳排放量[1]达到峰值并于2060年实现碳中和。2020年12月在气候雄心峰会上就双碳目标[2]做出进一步规划，作为全球最大的发展中国家，实现双碳目标未来挑战严峻。随着我国国民经济的不断提升，电力设备逐年增多。配电网[3]作为输电网与用电侧的连接设备，在电力系统中起到的作用巨大。电力负荷[4]增长迅速，峰谷落差大等问题的出现，更是给配电网带来“低电压”“标准低”以及“联系弱”问题。针对传统配电网储能技术中成本高技术落后的问题，提出高效简洁的配电网共享储能方法，成为整个电力行业都迫切需要解决的问题之一。

文献[5]方法通过对配电网储能运行状态的分析，确定了配电网节点的储能优先级；依据配电网电压波动以及网损节点建立目标函数；使用粒子群算法优化配电网充放电功率，获取储能的最佳配置容量，实现储能共享。该方法由于未能对配电网电力信号进行去噪处理，导致该方法无法处理的储能充放电功率低。文献[6]方法首先确定购电、网损、投资等成本指标，并建立配电网运行模型，依据时间尺度对模型进行计算；通过运行结果构建储能选址定容模型，设定配电网节点电压约束范围，根据二阶规划算法实现储能优化，完成储能共享。该方法进行二阶规划时存在问题，所以该方法的共享效果差。文献[7]方法依据条件的风险价值改进置信区间，通过供需平衡角度建立风险成本模型；使用定量评估法评价边界的潜在损失；综合配电网架构。建立安全与经济性并存的储能优化配置模型，实现对储能的优化配置，完成储能共享。该方法在进行潜在损失评估时存在误差，因此，该方法的电网储能共享性能差。

为解决上述配电网储能共享过程中存在的问题，提出双碳目标下的电网共享储能技术研究。

2 配电网信号去噪

在对配电网储能[8]资源进行储能共享前，需要使用高斯滤波器对配电网中的噪声信号进行去噪处理。

2.1 滤波器原理

高斯滤波器[9]在进行信号去噪时，通过高斯核函数对原始噪声信号进行卷积，从而实现信号去噪。首先设定一维的高斯函数为g(t,σ)，表达如式(1)所示：

(1)

式中:σ为高斯函数的标准方差；t为卷积时间标记；exp为指数函数。利用上述高斯函数[10]对配电网噪声信号进行卷积，结果如式(2)所示：

S(t,σ)=f(t)×g(t,σ)

(2)

式中；×为卷积运算符号；g(t,σ)为高斯滤波器；f(t)为一维函数；S(t,σ)为滤波结果。高斯滤波器能够通过对标准方差的控制来调整噪声信号[11]的平滑程度，实现配电网噪声信号的去噪。

2.2 去噪算法

设定配电网的电力信号为f(m)，其中信号的采样时间标记m，滤波权值用w(m,σ)，原始电力信号标记f0(m)，平滑去噪后的滤波器输出标记fk+1(m)，窗口内权值标记wk(m+i,σ)，窗口长度用(2M+1)表示，通过计算可获取信号在k+1次迭代后的滤波器输出，过程如式(3)所示：

(3)

式中：i为常数；M为信号数量。当滤波器的窗口内权值为1时，通过滤波器对配电网电力信号进行平滑处理，保留未发生变异的电力信号[12]。通常情况下，由于配电网电力信号的位置与幅度是未知的，所以不能随意更改信号权值，这时就需要利用导数运算方法修正滤波器权重系数，过程如式(4)所示：

(4)

2.3 信号标准差性能分析

由于电力信号在平滑去噪时，滤波器权重系数wk(m,σ)的高低，是通过电力信号一阶导数与信号标准差σ之间的占比来决定的。因此需要通过恒定参数σ控制信号的迭代变异信息以及信号的平滑程度，过程中需要对滤波器各项参数进行数学推导，结果如下：

(2)当wk(m,σ)较小时，信号标准差小于信号一阶导数，迭代后的信号以及迭代突变数据发生融合，增强电力信号噪声。

(3)当wk(m,σ)为0时，信号[13]导数与标准方差大致相同，迭代突变信息留存较完整。

基于上述可知，信号标准方差取值的大小，能够决定信号的去噪效果。

2.4 去噪流程

配电网电力信号去噪具体流程如下：

(1)对电力原始信号进行采样处理。

(2)设定迭代次数。

(4)选取不同的信号标准方差对导数平均值进行计算，获取信号滤波的权重系数。

(5)选取不同的信号标准方差对配电网电力信号进行平滑去噪，使用窗口模板计算信号关联程度，过程如式(5)所示：

(5)

式中：fk+1(m)为信号的窗口关联程度；i为常数。

(6)对迭代次数进行辨别，当k=K时，迭代结束，至滤波器[14]中输出平滑后电力信号，完成配电网电力信号的去噪处理。

3 配电网储能共享技术

3.1 确定等效集中储能参数

由于配电网中各项储能资源储存位置分散利用率低，所以需要整合配电网各项储能[15]资源。基于上述去噪信号获取配电网的等效集中参数。

首先设定配电网储能为SOC，初始储能标记SOC0，储能最大充电功率标记Pchmax、最大放电功率标记Pdismax，对配电网的充放电功率进行获取，过程如式(6)所示：

(6)

式中：Pirate为第i种储能的额定功率，kW；Pich为充电功率，kW;Pidis为放电功率，kW;Pallch为配电网总充电功率，kW;Palldis为总放电功率，kW;N为储能总数量；fch、fdis分别为储能函数。基于上述计算结果实现储能的聚合，由于配电网中各项储能的额定功率[16]充放电时长不同，所以需要对相对应的储能参数进行表示，结果如式(7)所示：

(7)

式中：Pallrate为等效集中的储能额定功率，kW;Sallrate为额定容量，kW·h;ηallch为集中充电功率，kW;ηalldis为等效风电功率；Pirate、Sirate、ηich分别为储能i的额定功率、额定容量以及充放电功率。

在双碳目标下，碳排放量[17]作为衡量共享储能效果的关键指标，获取过程如式(8)所示：

Q(t)=λPallrate

(8)

式中：λ为电网储能的等效碳排放量系数；Q(t)为碳排放量，kg。

3.2 建立储能共享模型

3.2.1 建立目标函数

由于配电网中各项储能受电网削峰填谷以及电网压力影响，所以需要基于电网的负荷波动以及电压差建立共享储能模型的目标函数，其中电网负荷波动[18]获取过程如式(9)所示：

(9)

式中：K为电网负荷功率区间数量；Mj为功率区间j的负荷数量；Pjavrload为功率平均值；Pjess为储能的总有功出力；Pavrload为配电网全时段功率平均值；fΔP为获取的配电网全时段负荷波动。而配电网的电压偏差则如式(10)所示：

(10)

式中：fΔU为配电网电压偏差；R为配电网节点数量；Uji为负荷功率区间j的电压幅值；Uexp为期望电压。基于上述计算结果完成目标函数的建立，描述成minF=[fΔP,fΔU]形式。

3.2.2 约束条件

为规避储能共享对配电网产生的影响，需要提出电压范围、储能充放电功率以及二氧化碳排放量[19]范围等相关约束条件。具体约束范围如式(11)所示：

(11)

式中：Umin、Umax为配电网节点电压上下限；-Pallrate、Pallrate分别为额定功率上下限；Qmin(t)、Qmax(t)分别为配电网二氧化碳排放量上下限。

3.3 储能共享

3.3.1 建立模型

基于上述获取的配电网[20]等效集中参数、建立的目标函数以及制定的约束条件，建立配电网的储能共享模型，过程如式(12)所示：

(12)

式中：SOCgx为建立的配电网储能共享模型。

3.3.2 模型求解

采用粒子群算法对配电网储能共享模型进行求解，从而实现配电网的储能共享。过程如下：

(1)采集配电网各项参数以及储能参数并对其进行初始化。

(2)计算配电网储能等效集中参数。

(3)预测配电网负荷数据、计算负荷功率并对比各时段配电网负荷功率占比。

(4)依据构建的共享模型，使用粒子群算法进行模型求解，输出共享结果。

4 实验结果及分析

为了验证上述配电网储能共享方法的整体有效性，需要对此方法进行测试。

分别采用双碳目标下的电网共享储能技术研究(本文所提方法)、基于网损灵敏度方差的配电网分布式储能位置与容量优化配置方法(文献[5]方法)、主动配电网中计及灵活性不足风险的储能优化配置(文献[7]方法)进行测试。

配电网储能在共享过程中，充放电功率的高低、目标函数的大小以及共享性能的优劣都会给配电网储能共享效果带来巨大影响。将上述三项指标设定为测试指标，采用本文所提方法、文献[5]方法以及文献[7]方法进行储能共享时，完成三项指标的测试。

1)充放电功率测试

配电网进行储能共享过程中，充放电功率的高低会直接给共享效果带来影响，采用本文所提方法、文献[5]方法以及文献[7]方法进行储能共享，对过程中产生的储能充放电功率进行测试，测试结果如图1所示。

分析图1(a)可知，本文所提方法测试出的配电网储能充电功率高于其他两种方法，文献[5]方法测试结果略低于本文所提方法，文献[7]方法测试结果较不理想。而在图1(b)中，本文所提方法测试出的配电网储能放电功率测试结果也高于文献[5]方法与文献[7]方法。在测试初期，文献[5]方法以及文献[7]方法测试出的储能放电功率相差较小，但是随着配电网节点的不断增加，两种方法的测试结果逐渐拉开距离。这主要是因为本文所提方法在进行储能共享时，利用了高斯滤波器对配电网噪声信号进行了去噪处理。所以本文所提方法在进行配电点储能共享时，储能的充放电功率高。

图1 不同方法的配电网储能充放电功率测试结果

2)去噪前后上级电网总注入有功曲线对比测试

上级电网在进行有功功率注入时，注入的总有功功率方差值大小可以影响功率波动，波动越大共享效果越差，反之则越好。利用本文所提方法进行储能共享时，对去噪前后的配电网上级总有功功率注入时的功率波动进行测试，测试结果如图2所示。

图2 去噪前后上级电网总注入有功功率波动曲线测试结果

分析图2可知，本文所提方法在去噪前测试出的上级电网总注入有功功率曲线波动幅度远高于去噪后的功率波动幅度测试结果。这主要是因为本文所提方法在进行配电网信号去噪过程中，对配电网信号的标准差性能进行了具体分析，降低了功率的方差值，所以本文所提方法在储能共享过程中，上级电网总注入有功功率波动幅度小。

3)共享性能对比

基于上述测试结果，采用上述三种储能共享方法进行配电网的储能共享，测试三种方法的共享性能。结果如表1所示。

表1 不同共享方法的共享性能测试结果

分析表1可知，本文所提方法测试出的配电网储能共享节点、储能额定功率以及额定容量均高于文献[5]方法以及文献[7]方法。证明本文所提方法在进行配电网储能共享时的共享性能优异。

综上所述，本文所提方法在进行配电网储能共享时，储能的充放电功率高、上级电网总注入有功功率波动幅度小、共享性能好。

5 结 语

随着双碳目标的提出，国家积极重视配电网储能削峰填谷、电压差大等弊端。基于该项问题提出双碳目标下的电网共享储能技术研究。该方法首先对配电网信号噪声进行平滑去噪处理，确定等效集中储能参数；建立相应的目标函数以及约束条件建立配电网储能共享模型；使用该模型完成配电网的储能共享，该方法由于在确定等效储能参数时存在问题，今后会针对该项问题继续优化该储能共享方法。