黎靜華，梁浚杰

（廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點實驗室（廣西大學電氣工程學院），南寧530004）

在以可再生能源電力為主的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，可再生能源電力的間歇性與不確定性對配電網(wǎng)的運行調(diào)度有著較大的影響[1-2]。在配電網(wǎng)中安裝儲能裝置和靈活調(diào)節(jié)電源，可有效降低可再生能源接入對配電網(wǎng)影響[3-5]。以可再生能源電力為主、含儲能、靈活性調(diào)節(jié)電源的配電網(wǎng)將是未來配電網(wǎng)（以下稱為新型配電網(wǎng)）的主要形式之一。

與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相比，新型配電網(wǎng)的潮流調(diào)節(jié)手段更為豐富。其潮流分布方案不僅與常規(guī)電源的出力相關(guān)，還與儲能、靈活電源的出力等可調(diào)節(jié)手段有關(guān)。如何確定儲能、靈活電源等調(diào)節(jié)手段的出力，直接影響潮流的收斂性以及最終潮流分布方案的質(zhì)量。當前，對確定儲能出力的研究較多，主要從技術(shù)性和經(jīng)濟性兩個方面來考慮。

在技術(shù)性方面，由于儲能可以抑制配電網(wǎng)中支路功率的波動，調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中節(jié)點電壓水平[6-9]，因此通常以技術(shù)性指標作為目標函數(shù)，建立優(yōu)化模型，確定儲能的出力。例如，文獻[10]建立了以配電網(wǎng)功率、電壓波動為優(yōu)化目標的優(yōu)化模型，通過遺傳算法得到了分布式儲能的出力方案；文獻[11]以抑制電壓波動為目標，建立了包含配電網(wǎng)層與儲能層的雙層優(yōu)化模型來設(shè)計儲能的出力方案；文獻[12]提出了一種能夠兼具PQ控制與V/f控制的儲能出力方案，同時改善電壓與功率波動；文獻[13]提出一種考慮備用容量的微電網(wǎng)儲能充放電策略，在使用儲能設(shè)備平抑功率、電壓波動的同時，將儲能設(shè)備作為備用提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；文獻[12-14]依據(jù)儲能設(shè)備的荷電狀態(tài)，對儲能抑制電壓和功率波動的策略進行研究。

在經(jīng)濟性方面，主要是為了降低系統(tǒng)運行成本和提高可再生能源電力的接納能力[15-19]。通常的做法是以經(jīng)濟性作為目標，建立優(yōu)化模型，計算出儲能的出力。例如，文獻[20]考慮分時電價與銷售電價的差異，建立了以配電網(wǎng)運行成本最小為目標的儲能設(shè)備充放電優(yōu)化模型；文獻[21]提出了以風電削減量最小為目標，最大限度接納配電網(wǎng)風電的優(yōu)化模型；文獻[22]以提高風電功率消納能力為目標設(shè)置了儲能設(shè)備的充放電方案。

上述研究主要是以滿足技術(shù)性或經(jīng)濟性要求為目標，建立優(yōu)化模型，對儲能的運行策略進行研究，為配網(wǎng)運行中確定儲能出力提供了參考和借鑒。然而，上述儲能出力確定方法存在以下問題：①所建立的優(yōu)化模型，往往不考慮節(jié)點功率平衡方程，使得計算結(jié)果可能不滿足節(jié)點功率平衡方程，潮流不收斂；②如果在優(yōu)化模型中，考慮了節(jié)點的功率平衡方程，那么，隨著電網(wǎng)規(guī)模的增加，節(jié)點數(shù)量增大，優(yōu)化計算的規(guī)模將急劇增加，且模型中涉及到儲能充電、放電這一類0-1變量，求解難度比較大，限制了其在工程中的應(yīng)用；③目前的優(yōu)化模型中，對如何協(xié)調(diào)儲能、靈活電源以及其他可調(diào)節(jié)手段出力的研究仍比較少，仍需要進一步研究。

為此，針對是否能、如何能滿足節(jié)點功率方程，從而制定出高質(zhì)量的潮流分布方案，本文研究了一種協(xié)調(diào)確定儲能與其他靈活調(diào)節(jié)電源出力的實用策略，為潮流計算之前以及潮流越限之后，調(diào)節(jié)儲能與其他靈活調(diào)節(jié)電源出力提供了方法和手段，在保證潮流收斂的同時，有效提高了可再生能源的接納能力。

1 新型配電網(wǎng)潮流數(shù)學模型與問題分析

1.1 新型配電網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

以可再生能源電源為主的配電網(wǎng)系統(tǒng)典型拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型配電網(wǎng)典型拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical topological structure of a novel distribution network

圖1中，配電網(wǎng)系統(tǒng)包括可再生能源電源、儲能設(shè)備、其他靈活調(diào)節(jié)機組（本文采用柴油機組），系統(tǒng)的功率平衡主要依靠可再生能源電源發(fā)電、儲能設(shè)備充放電、柴油機組發(fā)電、棄風/棄光等多種手段相互協(xié)調(diào)配合。該類配電網(wǎng)絡(luò)的潮流問題是確定可再生能源電源、儲能設(shè)備、柴油機組的發(fā)電量、棄風/棄光量的大小，從而獲得滿足功率平衡、節(jié)點電壓、支路潮流限制等約束的電壓、支路功率的分布。

1.2 新型配電網(wǎng)潮流的數(shù)學模型

針對圖1所示的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建立配電網(wǎng)潮流問題的數(shù)學模型。以可再生能源電源為主新型配電網(wǎng)潮流計算的數(shù)學模型主要包括節(jié)點功率平衡等式方程和節(jié)點電壓約束、支路功率約束、聯(lián)絡(luò)線交互功率約束、儲能充放電約束等不等式約束。設(shè)i、j表示節(jié)點編號，N為總節(jié)點數(shù)；t表示時刻編號，T為總時刻數(shù)；m為儲能設(shè)備編號，M為系統(tǒng)中儲能設(shè)備數(shù)量。具體表達式如下。

（1）節(jié)點功率平衡方程為

式中：PGi（t）、QGi（t）為 t時刻節(jié)點 i柴油機組的有功、無功出力；PDGi（t）、QDGi（t）為 t時刻節(jié)點 i點可再生能源電源的有功、無功出力；PLi（t）、QLi（t）為 t時刻節(jié)點 i的有功、無功負荷；Pl,i（t）、Ql,i（t）為 t時刻節(jié)點i通過聯(lián)絡(luò)線交互的有功、無功功率；PE,m,i（t）為t時刻節(jié)點i連接的第m個儲能設(shè)備的有功功率；ΔPi（t）、ΔQi（t）為 t時刻節(jié)點 i從與其所連接線路獲得的有功、無功功率，計算公式為

式中：Vi（t）和 θi（t）為 t時刻節(jié)點 i的電壓幅值與相角；θij，t=θi（t）-θj（t）；Gij和 Bij為支路 i-j的電導與電納。

（2）節(jié)點電壓約束為

式中：Vi（t）為 t時刻節(jié)點 i的電壓；Vi為節(jié)點 i的電壓允許值下限；為節(jié)點i的電壓允許值上限。

（3）支路功率約束為

式中：Pi,j（t）為t時刻節(jié)點 i和節(jié)點 j之間線路流過的有功功率；為節(jié)點i和節(jié)點j之間線路允許流過有功功率的上限。

（4）聯(lián)絡(luò)線交互功率約束為

（5）儲能充放電功率約束為

1.3 新型配網(wǎng)潮流計算的問題分析

在上述新型配網(wǎng)潮流計算模型中，為了計算潮流模型，需要在潮流計算前確定儲能、聯(lián)絡(luò)線和靈活機組等調(diào)節(jié)手段的出力，以及確定當潮流越限時，如何改變上述調(diào)節(jié)手段以及可再生能源電源的出力。

（1）潮流計算之前，儲能、靈活機組出力的確定問題分析

從上述模型中可見，為了計算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓幅值、相位以及支路功率的分布，首先需要已知系統(tǒng)中各個節(jié)點的系統(tǒng)負荷、可再生能源發(fā)電出力、儲能設(shè)備出力、柴油機組出力與聯(lián)絡(luò)線出力。系統(tǒng)負荷、可再生能源發(fā)電出力可以由預(yù)測得到，而儲能設(shè)備出力、柴油機組出力與聯(lián)絡(luò)線出力是未知量，對一定的功率平衡問題，不同調(diào)節(jié)手段的出力組合非常多，其出力的組合直接影響到潮流分布的結(jié)果，影響到系統(tǒng)棄光、棄風量。所以，在潮流計算之前，需要確定儲能、柴油機組、聯(lián)絡(luò)線等調(diào)節(jié)手段的出力次序與出力大小。

（2）潮流越限之后，可再生能源發(fā)電、儲能、靈活電源的出力調(diào)節(jié)問題分析

潮流計算主要是解算系統(tǒng)的功率平衡方程，求解過程中往往不考慮節(jié)點電壓、支路功率等運行約束，導致潮流越限。對于可再生能源并網(wǎng)后的配電網(wǎng)系統(tǒng)來說，造成潮流越限的主要原因是系統(tǒng)中接入的可再生能源功率過高，使得可再生能源并網(wǎng)點附近發(fā)生節(jié)點電壓越限或是支路功率越限現(xiàn)象。此時，需要通過棄風/棄光來降低可再生電源的出力，從而消除潮流越限現(xiàn)象。同時，為了保證系統(tǒng)同功率的平衡，儲能設(shè)備、靈活電源的出力也需要進行相應(yīng)調(diào)整。因此，如何協(xié)調(diào)各種調(diào)節(jié)手段，保證潮流收斂，也是需要解決的關(guān)鍵問題之一。

針對上述兩個問題，本文提出了潮流計算前和潮流越限之后各類調(diào)節(jié)手段出力的協(xié)調(diào)確定方法，分別對這兩個階段的調(diào)節(jié)策略進行介紹。

2 潮流計算前靈活電源協(xié)調(diào)運行策略

2.1 靈活電源出力次序的確定策略

本文中各靈活電源的出力次序如下：首先，為了提升系統(tǒng)對可再生能源的接納能力，使用儲能設(shè)備充放電進行調(diào)節(jié)；其次，為了減少可再生能源電源出力對外網(wǎng)的影響，應(yīng)盡量減少此類配網(wǎng)與外網(wǎng)的交互，將使用聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)作為第二優(yōu)先；然后，再使用靈活機組發(fā)電；最后，通過棄光/棄風等措施維持系統(tǒng)功率平衡。

基于上述原則，設(shè)計如圖2所示的各類調(diào)節(jié)手段的出力優(yōu)先順序。

圖2中可見，當系統(tǒng)負荷與可再生能源發(fā)電功率不平衡時，具體的調(diào)節(jié)策略如下：

（1）當系統(tǒng)負荷功率大于可再生能源發(fā)電功率時，各調(diào)節(jié)手段的優(yōu)先級為：儲能設(shè)備放電→聯(lián)絡(luò)線購電→柴油機組發(fā)電。

（2）當系統(tǒng)負荷功率小于可再生能源發(fā)電功率時，各調(diào)節(jié)手段的優(yōu)先級為：儲能設(shè)備充電→聯(lián)絡(luò)線送出多余電能→棄風/棄光。

圖2 各類調(diào)節(jié)手段的出力優(yōu)先順序Fig.2 Priority order of output by various means of regulation

2.2 儲能設(shè)備出力的確定

設(shè)配電網(wǎng)系統(tǒng)中共有M個儲能設(shè)備，m為儲能設(shè)備編號，每個儲能設(shè)備與km個節(jié)點相連 （m=1，2，…，M）。圖3為儲能設(shè)備m與節(jié)點相連的情況，當km=0時，表明沒有儲能設(shè)備與節(jié)點相連接；km=1時，表明該儲能設(shè)備與1個節(jié)點相連接；km≥1時，表示該儲能設(shè)備與多個節(jié)點相連接。

對于儲能設(shè)備與多個節(jié)點相連接的情況，本文采用平均控制儲能充放電的方法，即當儲能進行充放電操作時，以相同的功率對其所連接的節(jié)點充放電能。以圖3為例，具體說明平均控制的方法。

圖3 儲能設(shè)備與配電網(wǎng)連接方式Fig.3 Mode of connection between energy storage devices and distribution network

（1）當系統(tǒng)中可再生能源功率小于系統(tǒng)負荷時，系統(tǒng)功率不平衡量為系統(tǒng)負荷減去可再生能源出力，儲能設(shè)備m向與其相連的km個節(jié)點放出相同功率的電能。此時，比較儲能設(shè)備m可放電功率上限與功率不平衡量的大?。喝绻麅δ芸煞烹姽β噬舷薮笥诠β什黄胶饬?，則向每個節(jié)點的放電功率等于系統(tǒng)功率不平衡量的1/km；如果儲能可放電功率小于系統(tǒng)功率不平衡量，則放電功率為儲能功率的1/km。

（2）當系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電功率大于系統(tǒng)負荷時，系統(tǒng)功率不平衡量為可再生能源出力減去系統(tǒng)負荷，儲能設(shè)備m從其相連的km個節(jié)點吸收相同功率的電能。此時，比較儲能設(shè)備m可充電功率上限與功率不平衡量的大?。喝绻麅δ芸沙潆姽β噬舷薮笥诠β什黄胶饬?，則儲能向每個節(jié)點的充電功率等于功率不平衡量的1/km；如果儲能可充電功率上限小于功率不平衡量，則充電功率為儲能可充電功率的1/km。

例如，儲能設(shè)備m連接了4個節(jié)點，即km=4。假設(shè)在某個時刻系統(tǒng)負荷為8 kW，可再生能源發(fā)電功率為16 kW，儲能可充電功率上限為4 kW，則系統(tǒng)功率過剩8 kW，需要利用儲能進行充電。由于儲能可充電功率為4 kW，小于8 kW，按照上述規(guī)則可得：與儲能相連的4個節(jié)點分別向儲能設(shè)備充電，充電功率為1 kW。

2.3 聯(lián)絡(luò)線出力的確定

根據(jù)圖2給出的各類調(diào)控手段的出力優(yōu)先順序，當儲能設(shè)備動作無法使得系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡時，需要聯(lián)絡(luò)線輸入或送出電能。要確定聯(lián)絡(luò)線的出力，首先需計算經(jīng)過儲能設(shè)備調(diào)節(jié)后系統(tǒng)的功率不平衡量。在經(jīng)過儲能設(shè)備調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)新的功率不平衡量為初始系統(tǒng)功率不平衡量減去儲能充電功率（可再生能源發(fā)電過剩時），或減去儲能放電功率（可再生能源發(fā)電不足時）。之后比較新的系統(tǒng)功率不平衡量與聯(lián)絡(luò)線交互功率上限的大小：如果聯(lián)絡(luò)線傳輸功率上限大于系統(tǒng)功率不平衡量，那么此時聯(lián)絡(luò)線的功率等于新的系統(tǒng)功率不平衡量；如果聯(lián)絡(luò)線傳輸功率上限小于系統(tǒng)功率不平衡量，則此時聯(lián)絡(luò)線的功率等于聯(lián)絡(luò)線傳輸功率上限。

2.4 靈活機組出力的確定

若系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電功率小于系統(tǒng)負荷功率，且系統(tǒng)的功率不平衡量通過儲能設(shè)備調(diào)節(jié)、聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)后仍不為零，此時靈活機組發(fā)電作為平衡系統(tǒng)功率的最終調(diào)節(jié)手段來維持系統(tǒng)的功率平衡。靈活機組發(fā)電功率等于初始系統(tǒng)功率不平衡量減去儲能放電功率與聯(lián)絡(luò)線傳輸功率上限之和。

2.5 棄風/棄光量的調(diào)整

若系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電功率大于系統(tǒng)負荷功率，且系統(tǒng)的功率不平衡量通過儲能設(shè)備調(diào)節(jié)、聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)后仍不為零，此時需要調(diào)節(jié)可再生能源出力，棄風/棄光來維持系統(tǒng)的功率平衡。棄風/棄光功率等于初始系統(tǒng)功率不平衡量減去儲能充電功率與聯(lián)絡(luò)線傳輸功率上限之和。

3 潮流越限后靈活電源協(xié)調(diào)調(diào)整策略

根據(jù)第2節(jié)的策略，可以確定各類調(diào)節(jié)手段出力順序優(yōu)先級以及出力大小并進行潮流計算。然而，在對潮流模型進行解算時，并未考慮節(jié)點電壓約束或支路功率約束，導致計算結(jié)果可能會發(fā)生節(jié)點電壓越限或支路功率越限。此時，需要對各類調(diào)節(jié)手段的出力再次進行調(diào)整，保證系統(tǒng)的潮流解算結(jié)果滿足節(jié)點電壓約束和支路功率約束。

通過第1.3節(jié)分析可知，對于可再生能源并網(wǎng)后的配電網(wǎng)系統(tǒng)來說，造成潮流越限的主要原因是系統(tǒng)中可再生能源功率過高。因此在潮流越限之后，需要降低可再生能源發(fā)電出力以消除潮流越限現(xiàn)象。具體調(diào)整過程如下。

（1）首先根據(jù)原始可再生能源出力數(shù)據(jù)與負荷數(shù)據(jù)計算得到各類調(diào)節(jié)手段的出力，解算潮流方程獲得潮流計算結(jié)果，作為初始潮流分布結(jié)果。

（2）根據(jù)初始的潮流分布結(jié)果判斷是否會發(fā)生潮流越限現(xiàn)象，若沒有發(fā)生潮流越限則按此結(jié)果輸出潮流計算結(jié)果，否則執(zhí)行第（3）步。

（3）降低可再生能源發(fā)電的出力，本文設(shè)置每次降低量為可再生能源總出力的10%，并根據(jù)新的可再生能源出力與負荷計算得到系統(tǒng)功率不平衡量，再根據(jù)新的功率不平衡量，按照第2節(jié)所述的方法確定各類調(diào)節(jié)手段的出力大小。

（4）根據(jù)更新后的各類調(diào)節(jié)手段出力重新進行潮流計算，獲得潮流結(jié)果后跳回第（2）步。

循環(huán)步驟（2）～（4），直至滿足節(jié)點電壓約束和支路功率約束為止。

根據(jù)上述策略對潮流越限之后的儲能、靈活機組、聯(lián)絡(luò)線以及可再生能源發(fā)電出力進行調(diào)節(jié)，可獲得滿足節(jié)點電壓和支路功率約束的潮流方案。

4 基于前推回代法的配電網(wǎng)潮流計算

在確定好各節(jié)點的儲能設(shè)備出力PE,m,i（t），可再生能源出力 PDGi（t）、QDGi（t），聯(lián)絡(luò)線交互功率 PLi（t）、QLi（t），柴油機組出力 PGi（t）、QGi（t）之后，本文采用前推迭代法對所提的潮流模型進行解算。前推回代法的[23]基本思想為：先假設(shè)最初全網(wǎng)節(jié)點電壓都為額定電壓，根據(jù)已知的各節(jié)點負荷功率從線路末端向始端逐段推算，求出各支路上的電流和功率損耗，并獲得始端功率。再根據(jù)給定的始端注入電流和始端功率，從始端向末端逐段推算電壓降落，求得各節(jié)點電壓。通過重復上述的過程，直到兩次計算間的偏差滿足允許條件為止。

圖4 前推回代法流程Fig.4 Flow chart of forward and backward substitution method

綜上，基于前推回代法的配電網(wǎng)潮流計算流程如圖4所示。主要步驟如下。

步驟1輸入線路、負荷、可再生能源發(fā)電出力等數(shù)據(jù)。

根據(jù)收集數(shù)據(jù)讀入配電網(wǎng)系統(tǒng)各個節(jié)點的負荷PLi（t）、QLi（t）以及可再生能源發(fā)電出力數(shù)據(jù) PDGi（t）和QGi（t），并根據(jù)線路數(shù)據(jù)計算各支路阻抗。

步驟2根據(jù)功率不平衡情況判斷儲能設(shè)備、柴油機組、聯(lián)絡(luò)線等調(diào)節(jié)手段的動作次序和出力。

根據(jù)步驟1中讀入的系統(tǒng)負荷與可再生能源發(fā)電出力數(shù)據(jù)，計算得到此時系統(tǒng)負荷與可再生能源發(fā)電出力之差。再通過前述各類調(diào)節(jié)手段的出力順序優(yōu)先級與出力大小確定方法，得到儲能設(shè)備出力、柴油機組出力、聯(lián)絡(luò)線出力等參數(shù)。

步驟3計算各個節(jié)點的注入功率Si，即

步驟4計算末端節(jié)點注入電流。

根據(jù)各節(jié)點的功率Si與設(shè)定的各節(jié)點初始電壓，計算末端節(jié)點注入電流I˙i，即

步驟5回代各支路電流。

根據(jù)計算得到的末端節(jié)點電流，回代得到各條支路流過的電流，即

步驟6前推各節(jié)點電壓。

通過式（9）推算得到始端節(jié)點注入電流與各段線路上流過的電流，據(jù)此可從始端開始推算系統(tǒng)中各節(jié)點電壓，即

步驟7收斂性判斷。

對于潮流收斂性的判斷，根據(jù)為

步驟8計算支路流過的功率，即

式中，Sij為連接節(jié)點i、j的支路所流過的功率。

步驟9判斷計算結(jié)果是否符合約束條件并輸出結(jié)果。

根據(jù)步驟4～8已求得的節(jié)點電壓與支路功率，判斷計算結(jié)果是否符合節(jié)點電壓約束和支路功率約束條件。如果滿足條件，則輸出計算得到的潮流結(jié)果，即各節(jié)點電壓i與各支路功率Sij。如果計算結(jié)果不滿足配電網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點電壓約束、支路功率約束，則根據(jù)第3節(jié)策略對可再生能源發(fā)電出力進行處理，返回步驟2。

5 算例分析

5.1 仿真方案設(shè)置

仿真算例采用改造后的IEEE-33節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)包含2個儲能設(shè)備，其中儲能設(shè)備1與系統(tǒng)節(jié)點16相連，儲能設(shè)備2與節(jié)點23～25相連；節(jié)點9～33上連接了光伏電力；在節(jié)點2上連接了1個柴油發(fā)電機組。其網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖5所示。

算例中，光伏出力采用Homer軟件所提供的紐約2012年每天24個時刻的采樣點，共8 760個光伏發(fā)電出力數(shù)據(jù)，設(shè)置全年光伏發(fā)電總發(fā)電量等于全年系統(tǒng)總用電量（即光伏滲透率為100%）。IEEE-33節(jié)點系統(tǒng)線路參數(shù)詳見文獻[24]，儲能、柴油機組、聯(lián)絡(luò)線的參數(shù)如表1所示。

圖5 改造后的IEEE-33節(jié)點配電網(wǎng)拓撲Fig.5 Topology of modified IEEE 33-node distribution network

表1 儲能、柴油機組和聯(lián)絡(luò)線參數(shù)Tab.1 Parameters of energy storage,diesel engine unit and tie-line

5.2 潮流計算結(jié)果分析

為了說明可再生能源接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)潮流產(chǎn)生的影響以及本文所提方法的有效性，本節(jié)對以下3種情景的潮流計算結(jié)果進行對比。

情景1：配電網(wǎng)系統(tǒng)不含光伏發(fā)電、儲能，即將圖5系統(tǒng)中的儲能與光伏發(fā)電去掉，系統(tǒng)負荷由柴油機組和聯(lián)絡(luò)線供電提供。

情景2：配電網(wǎng)系統(tǒng)包含光伏發(fā)電、不含儲能，即將圖5系統(tǒng)中的儲能去掉，系統(tǒng)負荷由柴油機組、聯(lián)絡(luò)線、光伏發(fā)電提供。

情景3：配電網(wǎng)系統(tǒng)包含光伏發(fā)電與儲能，即圖5所示系統(tǒng)。

3種情景下，節(jié)點電壓和支路功率的分布情況的對比分析如下。

5.2.1 節(jié)點電壓的分布

1月1日不同情景下的節(jié)點電壓分布如圖6所示。圖6（a）為12:00系統(tǒng)各節(jié)點的電壓幅值；圖6（b）以節(jié)點18為例，給出了該節(jié)點在一天內(nèi)的電壓分布曲線。

由圖6（a）可見，在情景1中，系統(tǒng)各節(jié)點電壓均在1.02～1.05之間，符合電壓運行要求；在情景2中，當接入光伏發(fā)電后，系統(tǒng)中各節(jié)點電壓明顯上升，絕大多數(shù)節(jié)點的電壓超過電壓上限（1.05），不滿足電壓運行要求；在情景3中，由于儲能設(shè)備的加入，系統(tǒng)中各節(jié)點電壓幅值基本回落到1.02～1.05區(qū)間內(nèi)。可見在系統(tǒng)中增加儲能設(shè)備之后，可以明顯改善電壓的越限現(xiàn)象。究其原因主要是：儲能設(shè)備吸收了系統(tǒng)中過剩的光伏發(fā)電功率，降低了節(jié)點的注入功率，進而降低了電壓。

圖6 1月1日不同情景下的節(jié)點電壓分布Fig.6 Voltage distribution of nodes in different scenarios on January 1st

為了進一步分析儲能對電壓的影響，對圖6（b）進行分析。觀察圖6（b）中的情景2曲線可見，在10:00-16:00時段電壓急劇上升，超過了運行允許的上限1.05，主要原因是在該時段內(nèi)光伏發(fā)電功率急劇增大造成節(jié)點的注入功率增大，使得電壓升高；而在情景3中，所有時段的節(jié)點電壓均在允許的范圍內(nèi)，這是由于儲能裝置吸收了光伏發(fā)電的功率，降低了10:00-16:00時段內(nèi)節(jié)點的注入功率。

5.2.2 支路功率的分布

表2為1月1日12:00不同情景下系統(tǒng)中4條支路，即：配網(wǎng)始端線路（線路1→2）、配網(wǎng)中段支路（4→5）、輻射支路（3→23）與配網(wǎng)末端支路（17→18）的功率計算情況。從表1計算結(jié)果可見，對情景1來說，由于系統(tǒng)中不包含光伏發(fā)電，因而系統(tǒng)功率主要由外網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線向配電網(wǎng)提供；在情景2中，部分支路的潮流功率由編號較大的節(jié)點流向編號較小的節(jié)點，配網(wǎng)功率由配網(wǎng)末端流向始端，發(fā)生潮流反向現(xiàn)象；而在情景3中，由于接入了儲能裝置，儲能吸收了過剩的光伏發(fā)電功率，系統(tǒng)沒有發(fā)生潮流反向現(xiàn)象。

表2只選取了部分線路的功率，為全面說明系統(tǒng)中潮流功率分布情況，圖7對比了3種情景下系統(tǒng)支路功率分布情況。本文對各條支路的命名規(guī)則如下：定義一條支路所連接的兩個節(jié)點中編號較大的節(jié)點為末端節(jié)點，由于算例中網(wǎng)絡(luò)拓撲成輻射型，節(jié)點2～33作為末端節(jié)點時正好一一對應(yīng)32條支路。

表2 不同情景下的線路功率Tab.2 Line power in different scenarios MW

1月1日不同情景下的線路功率分布如圖7所示。圖7（a）以12:00為例，展示該時刻流向各個節(jié)點的功率分布情況。從圖7（a）中可見，在情景1中，系統(tǒng)功率主要由根節(jié)點流向配網(wǎng)末端，并且逐漸減少；而在情景2，系統(tǒng)加入光伏發(fā)電后，系統(tǒng)中除了少量支路（末端節(jié)點為23～25的支路）外，其余支路上的功率是由編號較大的節(jié)點流向編號較小的節(jié)點，即系統(tǒng)中功率流向根節(jié)點，發(fā)生潮流反向現(xiàn)象；在情景3中，系統(tǒng)包含儲能設(shè)備后，潮流反向流動現(xiàn)象消失，且節(jié)點1從電網(wǎng)吸收的功率減少了。此現(xiàn)象與表2中分析結(jié)果一致，說明了儲能配置對改善以可再生能源為主的配電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流分布具有重要作用。

圖7（b）為24個時刻系統(tǒng)中線路1→2流過功率的情況。從圖可見，情景2中，在07:00-17:00時段內(nèi)該線路發(fā)生嚴重的潮流反向，對外網(wǎng)造成很大的沖擊，這對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行不利；而在情景3中，系統(tǒng)中配置儲能設(shè)備后可以使得07:00-17:00時段內(nèi)的潮流反向現(xiàn)象消失，降低了配網(wǎng)系統(tǒng)對外網(wǎng)的沖擊，證明了儲能設(shè)備配置及所提控制方法的有效性。

圖7 1月1日不同情景下的線路功率分布Fig.7 Line power distribution in different scenarios on January 1st

5.3 不同情景下儲能、聯(lián)絡(luò)線、柴油機組的出力分析

5.3.1 儲能出力的分析

圖8繪制了情景3中1月1日的儲能功率曲線，其中儲能功率是系統(tǒng)中兩個儲能設(shè)備的功率之和，正值表示儲能充電，負值表示儲能放電。由于只有情景3中包含儲能設(shè)備，故只繪制情景3中的曲線。

圖8 儲能功率曲線Fig.8 Power curve of energy storage

從圖中可見，儲能在10:00-16:00時段中進行充電，且在16:00-20:00時段內(nèi)對系統(tǒng)放電。可見其是在光伏發(fā)電出力大于系統(tǒng)負荷時進行充電，并在光伏出力小于系統(tǒng)負荷時進行放電?？梢娡ㄟ^儲能的充放電，光伏發(fā)電功率得以在時間上進行轉(zhuǎn)移，有助于接納更多的光伏發(fā)電。

5.3.2 聯(lián)絡(luò)線出力的分析

圖9為1月1日3種情景中的儲能功率曲線，其中正值表示聯(lián)絡(luò)線向系統(tǒng)供電。

由圖9可見：由于情景1中不含光伏發(fā)電，系統(tǒng)功率由聯(lián)絡(luò)線與柴油機組承擔，因而聯(lián)絡(luò)線全天都在以最大功率向系統(tǒng)供電；情景2在情景1的基礎(chǔ)上加入了光伏發(fā)電，光伏發(fā)電出力承擔了部分系統(tǒng)負荷，因而在有光伏發(fā)電出力的時間段8:00-17:00內(nèi)，聯(lián)絡(luò)線功率都有不同程度地降低；情景3是在情景2的基礎(chǔ)上增加了儲能，由圖8分析可知，儲能可以在光伏發(fā)電較大的時段儲存多余的光伏發(fā)電功率，在沒有光伏發(fā)電出力時提供功率，因而相對于情景2來說，聯(lián)絡(luò)線在15:00-18:00時間段出力有所降低。

圖9 聯(lián)絡(luò)線功率曲線Fig.9 Power curve of tie-line

5.3.3 柴油機組出力的分析

圖10為1月1日3種情景中的柴油機組功率曲線。圖中可見，柴油機組在情景1中的出力是3個情景中出力最高的，因為此時沒有光伏發(fā)電接入，系統(tǒng)功率全部由聯(lián)絡(luò)線與柴油機組提供；在情景2中，光伏發(fā)電設(shè)備接入后，在有光伏發(fā)電的08:00-17:00內(nèi)柴油機組出力有一定的降低；在情景3中，由于儲能設(shè)備可以在光伏發(fā)電較大的時段儲存多余的光伏發(fā)電功率，在沒有光伏發(fā)電出力時提供功率，因此相對于情景2來說，柴油機組在15:00-18:00時間段出力有所降低。

圖10 柴油機組功率曲線Fig.10 Power curve of diesel engine unit

5.4 棄光量與儲能容量的對比分析

為了說明所提策略可以有效地提高對光伏發(fā)電的接納能力，本節(jié)對加入儲能前后系統(tǒng)的棄光量、儲能容量變化與棄光量的關(guān)系進行了分析。

5.4.1 不同情景下棄光量的對比分析

為了研究加入儲能設(shè)備后系統(tǒng)棄光量變化情況，圖11中繪制了情景2（包含光伏、不包含儲能）與情景3（包含光伏與儲能設(shè)備）下仿真得到的1月份數(shù)據(jù)。從圖11中可見，在加入了儲能設(shè)備之后，1月份系統(tǒng)中的棄光功率均降至0，說明儲能設(shè)備能夠幫助配電網(wǎng)系統(tǒng)充分接納光伏發(fā)電，大大降低了棄光量。

圖11 1月份不同情景下的棄光量Fig.11 Abandoned photovoltaic power in different scenarios in January

5.4.2 棄光量與儲能容量的關(guān)系分析

根據(jù)設(shè)定的儲能充放電策略，儲能設(shè)備會在光伏發(fā)電出力過高時進行充電，盡量消納可再生能源。然而儲能設(shè)備的充放電受其儲存電量的限制，因此，下面進一步的分析較長時間段下儲能儲存電量的變化情況與儲能接入后對系統(tǒng)棄光量的改善情況。圖12為情景3中3月份的仿真結(jié)果。由圖12（a）與圖12（b）可見，在3月1日至3月28日這段時間內(nèi)，儲能系統(tǒng)中有足夠的容量來接納光伏發(fā)電，因而在這段時間內(nèi)系統(tǒng)沒有發(fā)生棄光現(xiàn)象。但是在3月20日之后的時段內(nèi)，儲能中儲存的電量不斷增大，當儲能電量達到上限時，儲能設(shè)備將無法消納可再生能電力，因而在3月29日之后出現(xiàn)棄光現(xiàn)象。由此可見，在系統(tǒng)長期供需不平衡的情況下，儲能設(shè)備的調(diào)節(jié)能力受其容量限制。

圖12 3月份情景3下儲能的運行結(jié)果Fig.12 Operation result of energy storage in Scenario 3 in March

6 結(jié)論

（1）可再生能源電力接入對配電網(wǎng)潮流分布的影響主要體現(xiàn)在節(jié)點電壓升高與潮流反向等現(xiàn)象上。在系統(tǒng)中配置一定的儲能設(shè)備可有效降低可再生能源發(fā)電對配網(wǎng)潮流帶來的影響。

（2）所提各類調(diào)節(jié)手段控制策略可以保證系統(tǒng)的功率平衡，根據(jù)給定的動作優(yōu)先順序可充分發(fā)揮儲能設(shè)備幫助系統(tǒng)接納可再生能源的作用。

（3）儲能設(shè)備的接入可以幫助系統(tǒng)進一步消納可再生能源出力，但儲能設(shè)備對改善配電網(wǎng)系統(tǒng)可再生能源接納水平的能力是有限的，當儲能存儲電量已接近上限時，其調(diào)節(jié)能力受限。