新能源接入下电力储能系统容量均衡分配方法

摘 要：目前，新能源接入下的电力系统存在发电不稳定问题，为提高电力系统的可靠性和稳定性，本文提出新能源接入下电力储能系统容量均衡分配方法。首先，设计新能源接入下电力储能系统的结构，以其抑制风电发电的波动，提高电能质量。其次，构建储能系统容量优化模型，实现电力储能系统的最佳容量平衡分配。最后，对该方法进行测试，试验结果表明，新能源接入下电力储能系统容量均衡分配方法与设定的试验分配储能容量趋于一致，因此本文方法能够均衡分配电力储能系统的容量。

关键词：新能源；电力系统；容量；均衡分配

中图分类号：TM 72" " " 文献标志码：A

随着新能源的大规模接入，电力系统的运行和控制面临很多挑战。其中，作为调节新能源电力输出波动的重要手段，电力储能系统容量均衡分配问题尤为关键。但是新能源的间歇性和不稳定性给电力储能系统的容量均衡分配带来了一定困难。电力储能系统是一种将不易储存的电能转化为机械能、化学能等形式储存起来，以便需要时使用的系统，通常由电力储能电池、电力电子转换装置、控制系统和辅助电源等组成。电力储能系统在电力系统中具有广泛应用，可以提高电力系统的供电质量和用电效率，平滑电力负荷，提供电力系统的运行性能等。此外，电力储能系统还可以作为可再生能源并网运行的关键技术之一，提高新能源发电的电能质量和消纳水平。因此，研究新能源接入下电力储能系统容量均衡分配方法具有重要的理论和实践意义[1]。

1 新能源接入下电力储能系统容量均衡分配方法的设计

1.1 设计新能源接入下电力储能系统的结构

目前，国内、外对储能系统进行了大量研究，并已将新能源接入电力系统，以其抑制风电发电波动，提高电能质量，达到削峰填谷的目的。对具有高渗透率的独立电网储能系统的容量进行合理分配并保证其正常运营，是制约我国风电消纳发展的重要因素。研究以电力为主、新能源接入电网中存储容量的均衡分配问题，对电力市场的竞价和经济运行具有十分重要的意义[2]。

考虑储能系统分散安装占地规划困难、协调控制复杂其安装成本较高，本文研究的新能源电力储能电网结构采取了集中安装的方式，包括发电机和储能系统。集中安装的电网结构不仅可以减少储能系统的占地面积，还可以简化协调控制，降低安装和维护成本。此外，集中安装的储能系统可以更方便地进行统一管理和调度，提高整个电网的运行效率和稳定性。该结构如图1所示[3]。

在一个新能源接入的电网中，为了更好地利用资源和提高效率，发电机组被集中布设在一个区域。这种集中布局不仅便于管理和维护，还能提高能源利用率。在该布局中，多个风机被整合在一起，通过升压变压器与输电线相连。升压变压器的作用是将风电产生的较低电压升至适合长距离传输的高度，以减少传输过程中的能量损失。高压输电线再将电能传输到用户端，该过程称为“高压输电”。这种输电方式能够大幅减少线路损耗，提高输电效率。到达用户端后，电能经过降压变，将高压电降至适合家庭或工业使用的电压。这样，电能就可以安全、稳定地供应给用户。

此外，为了进一步提高电网的稳定性和可靠性，储能系统被设置在用户侧。储能系统的作用是储存多余的电能，并在电力需求高峰或线路故障时释放这些储存的电能。该设置方式可有效避免由线路故障等原因造成的电源完全关闭问题。同时，储能系统还可以在用电高峰期提供额外的电力支持，缓解电力供应压力，即储能系统可以平抑可再生能源发电的波动性，提高电网的稳定性。当风力发电或其他新能源发电形式的产出不稳定时，储能系统可以迅速响应，补充或替代发电不足的部分，保证电力供应的连续性和稳定性。

1.2 构建储能系统容量优化模型

根据国家规定可知，根据接入的新能源与电网的电压等级不同，发电站被划分为大、中、小3个类型，分别对应66kV、10kV、380V这3个电压等级。为保障电力系统的安全运行，电力储能系统的有功功率变化的限制主要为1min与10min共2个尺度，其有功功率的最大限制见表1[4]。

接入新能源的功率波动率限制应在最大限制数α1imit内，波动率的计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：pnet（t-1）、pnet（t）代表在t-1时刻、t时刻的储能系统的功率；α表示t时刻的波动率。

根据该波动率结果可以得出电力储能系统的有功功率的平衡约束函数。有功功率平衡约束指的是电力系统内的发电机组和储能系统在满足负荷的功率需求后，剩余功率应等于与电网的交互功率，如公式（2）所示。

（2）

式中：L表示电网中含有L个发电机；Pε代表发电机的的实时功率；m代表储能系统中含有m个储能元件；pϕ代表储能元件j的额定功率；pload表示储能系统的运行损耗成本[5]。

储能系统的容量约束主要用作额定容量的循环判据，其约束函数如公式（3）所示。

（3）

式中：b代表储能元件j的容量变化范围；eγj表示储能元件j的额定容量。

以满足以上约束要求的电力储能系统的优化模型如公式（4）所示。

（4）

式中：T代表采样时间间隔；EN代表储能系统的额定容量，kW·h；S[t1]代表发电站当t1时刻的负荷状态；S0代表初始荷电状态。

储能系统容量优化模型考虑了经济性、技术性和环境因素，进而实现了电力储能系统的最佳容量平衡分配[6]。

1.3 均衡分配电力储能系统的容量

电网的可调度性置信率水平是电力储能系统出力达到调度目标的概率值[7]，如公式（5）所示。

（5）

式中：gi代表i时刻电力储能系统处理是否达成调度目标；ED代表电力储能系统的额定功率；w1代表电力储能系统充放电状态的下限数值；zi代表i时刻的电网实际出力和调度目标间的功率差值；wi代表i时刻的电网实际出力与调度目标间的容量差值；wh代表电力储能系统充、放电状态的上限数值。

因此，基于电网实际出力与调度目标可以得出全年电网出力可调度概率的计算公式，如公式（6）所示。

（6）

式中：V代表全年电网出力的采样间隔；β代表储能系统可调度性的置信度的水平。

电力储能系统的均衡分配涉及功率和容量值的确定，这些值被用作评估储能分配经济性的指标。因为在每个平衡分配调节周期内，电力储能装置的充、放电能力都受额定功率的影响，所以电力储能系统的输出功率必须先于容量设定。功率可调节性是指储能系统可以填补风电场实际输出功率和调节目标间输出功率差距的可能性。为了避免大量的迭代操作，在输出功率差额概率密度函数不明的情况下，可通过非参数估计方式来拟合由功率差额计算得出的概率密度函数。本文使用非参数核密度的估计方法，如公式（7）所示。

（7）

式中：K代表核函数，积分数值为1；V代表电网功率采样数；u代表带宽；x代表功率的差额。

虽然电力储能系统功率取下限值时能够满足功率可调度性的要求，但是为了得到满足目标函数的储能系统最优分配结果，需要对该功率下的储能容量值进行调整。因此，还需要在确定电力储能系统的额定功率与容量限制的条件下，以储能系统投入费用为目标函数，对具有经济意义的储能系统的容量进行均衡分配[8]。

为了更科学地评价储能系统容量的分配效果，本文综合考虑蓄电池充电次数、充电深度等参数对储能系统使用寿命的影响，以储能系统等年的计算公式为目标函数，综合考虑蓄能充/放电次数、充/放电深度等参数并对其进行修正，如公式（8）所示。

（8）

式中：ηbess代表储能额定功率分配数值；κbess代表储能容量的分配值；Tlife代表储能系统使用寿命；μ代表电力储能系统容量的投资成本；代表储能系统功率投资与容量投资费用。

综上所述，均衡分配电力储能系统的容量需要综合考虑多种因素，包括电力系统的需求、电力储能系统的位置和规模、技术限制以及经济性等。通过合理规划和分配来确保电力储能系统的高效运行和电力系统的稳定供应。

2 试验测试与分析

进行测试前需要做一些准备工作，以保证本次试验的准确性。

2.1 试验准备

为了验证本文提出的新能源接入下电力储能系统容量均衡分配方法的可行性，进行试验测试。在试验中，采用容量均衡分配方法将储能系统的总容量分配给各站点，该方法基于站点负荷需求预测和各储能系统的健康状况和充电状态。在每个调度周期中，中央控制器会根据这些信息计算每个站点所需功率，并将总功率需求分配给各储能系统。

此次试验使用10个电池储能系统（BESS），每个系统的额定容量为100kW·h。这些储能系统被部署在5个不同的站点中，每个站点包括2个BESS。所有储能系统都通过一个中央控制器进行管理和调度。此次试验设定的储能系统参数见表2。

2.2 试验结果与分析

本次试验在不同储能额定功率下，检验与试验对应的储能容量的分配是否相同，测试结果见表3。

由上述测试结果可以看出，本文方法与设定的试验分配储能容量趋于一致，因此，本文的新能源接入下电力储能系统容量均衡分配方法能够均衡分配电力储能系统的容量，同时采用容量均衡分配方法可有效地提高电力储能系统利用率，降低系统运营成本，并提高系统的可靠性和稳定性。该方法适用于新能源接入下的电力系统，有助于解决新能源发电的不稳定问题，提高电力系统的运行效率。

进一步验证本文分配储能容量方案下电力系统运行成本的变化，结果如图2所示。

分析图2可知，采用本文方法对储能容量进行均衡分配前，得到的系统年运行综合成本为22.34万元，应用本文方法对储能容量进行均衡分配后的年运行成本为16.64万元。由此可知，在本文方法均衡分配后的储能容量下，电力系统的年运行成本降低，证明本文提出的储能容量均衡分配方案能够输出优化的分配方案，可进一步降低电力系统的年运行成本。

3 结语

在新能源接入的背景下，电力储能系统的容量均衡分配方法对保证电力系统的稳定性和可靠性具有重要意义。本文提出了一种基于优化算法的容量均衡分配方法。该方法以最小化电力系统的总运行成本为目标，同时考虑电力储能系统的荷电状态限制和运行效率限制。试验结果表明，该方法能够在保证电力系统稳定运行的前提下，均衡分配电力储能系统的容量。在未来的研究中，可以进一步探索电力储能系统与其他能源系统（如氢能、热能等）的集成与优化运行，以更好地适应新能源接入带来的挑战。此外，还可以考虑在容量均衡分配中引入市场机制和博弈理论，以实现更公平、高效的能源分配。综上所述，电力储能系统的容量均衡分配是新能源接入下电力系统优化运行的重要研究方向。本文提出的容量均衡分配方法为该研究领域提供了一种有效思路和方法，具有一定的理论和实践价值。

参考文献

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