班國邦，馬曉紅，歐陽澤宇，余云雯，袁旭峰，劉麗

(1.貴州電網(wǎng)有限公司電力科學(xué)研究院，貴陽 550002；2.南方電網(wǎng)公司防冰減災(zāi)重點實驗室，貴陽 550002；3.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽 550025；4.貴州電網(wǎng)有限公司畢節(jié)供電局，貴州，畢節(jié) 551700)

隨著我國在能源消費結(jié)構(gòu)升級和整治環(huán)境污染方面雙管齊下，可再生能源(Renewable Energy Source, RES)的應(yīng)用得到長足發(fā)展，數(shù)據(jù)表明，2019年全球可再生能源總裝機容量達到2536.853 GW，同比增長175.792 GW；中國可再生能源總裝機容量達到 758.626 GW，其中風(fēng)電和光伏裝機容量均超過 200 GW[1-2]。由此可見，高比例可再生能源并網(wǎng)已是大勢所趨。儲能系統(tǒng)(Energy Storage System，ESS)在配電網(wǎng)削峰填谷方面的優(yōu)化已有很多研究。文獻[3]開展了儲能式充電樁和電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究。文獻[4]提出規(guī)?；植际焦夥⒕W(wǎng)條件下含儲能電站的優(yōu)化調(diào)度方案，兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟性和風(fēng)電優(yōu)先調(diào)度的情況下，利用儲能電站實現(xiàn)了削峰填谷。文獻[5]創(chuàng)建了一種基于移動式儲能削峰填谷的雙層優(yōu)化調(diào)度模型，以改進增強煙花算法進行求解，最終實現(xiàn)可靠性與經(jīng)濟性的移動式儲能最優(yōu)調(diào)度策略。文獻[6]為提升用戶端儲能投資和儲能運行的經(jīng)濟效益，通過運行調(diào)度滾動優(yōu)化方法在用戶側(cè)配置儲能裝置，進而實現(xiàn)對系統(tǒng)負荷的優(yōu)化，降低了用戶用電成本。文獻[7]提出一種針對含高滲透率分布式能源的不平衡配網(wǎng)的儲能系統(tǒng)優(yōu)化方法，把投資運維成本和降損及削峰填谷收益作為目標函數(shù)，采用混合算法求解證明了該模型有助于提升配電網(wǎng)優(yōu)化運行的經(jīng)濟性。以上文獻都是傳統(tǒng)固定式儲能系統(tǒng)對于配電網(wǎng)在削峰填谷方面的應(yīng)用，而移動式儲能系統(tǒng)對于削峰填谷的應(yīng)用也有一些研究[8-11]。

本文首先分析了儲能系統(tǒng)應(yīng)用于配電網(wǎng)削峰填谷方面的優(yōu)缺點，接著闡述了智能軟開關(guān)(Soft open point，SOP)能如何彌補儲能系統(tǒng)的缺點。因此，本文考慮一種儲能系統(tǒng)柔性接入的配電網(wǎng)削峰填谷策略研究，為更佳地應(yīng)對分布式電源出力和負荷需求的不確定性，把儲能系統(tǒng)直接方便地接在智能軟開關(guān)中的直流電路上。最后對含柔性接入儲能系統(tǒng)的改進IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)進行了仿真。

1 ESS柔性接入SOP的原理及其建模

1.1 ESS柔性接入SOP的原理

可再生能源接入網(wǎng)絡(luò)將會改變系統(tǒng)的潮流分布，且風(fēng)電和光伏依賴風(fēng)速和光照等天氣因數(shù)，具有較強的間歇性和可變性，其間歇性和可變性將會給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來巨大挑戰(zhàn)，譬如引起配電網(wǎng)的電壓越限和網(wǎng)損增加等問題。然而傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是有限的，面對間歇式分布式能源所帶來的相關(guān)難題，僅僅依靠傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)設(shè)備顯然已經(jīng)無法滿足配電系統(tǒng)精細化潮流控制的要求[12-14]。

儲能系統(tǒng)正深刻改變著電力與能源結(jié)構(gòu)[15]。它能夠在充放電兩種運行模式之間進行靈活的轉(zhuǎn)換，因其時序能量調(diào)節(jié)作用，更能滿足配電網(wǎng)有功功率調(diào)節(jié)的需求。所以它有改善可再生能源可變性、間歇性的能力。因此，儲能系統(tǒng)常常用于配電網(wǎng)削峰填谷的優(yōu)化運行，其靈活的充放電功率能平抑負荷曲線、提高可靠性、優(yōu)化電能質(zhì)量[16-17]。

但是儲能系統(tǒng)應(yīng)用于削峰填谷優(yōu)化，通常都是根據(jù)事先給定的調(diào)度方案進行充放電模式的控制，不能根據(jù)配電系統(tǒng)運行的實時狀態(tài)進行靈活調(diào)整。 然而智能軟開關(guān)(soft open point，SOP)的出現(xiàn)極大地改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。智能軟開關(guān)是一種安裝在傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)(TS)處的電力電子設(shè)備[18-21]，它具有很高的靈活性、可靠性特征，能精確控制其所連接兩側(cè)饋線的有功功率與無功功率，因此能有效應(yīng)對可再生能源可變性出力等問題[22]。文獻[23]建立了含有智能軟開關(guān)的配電網(wǎng)運行優(yōu)化模型，該模型從降損能力、改善電壓能力、應(yīng)對高滲透率分布式電源變化的能力等方面驗證了智能軟開關(guān)的優(yōu)點; 文獻[24]提出了基于多端智能軟開關(guān)的饋線負載平衡優(yōu)化方法，以解決接入分布式電源所引發(fā)的饋線功率波動問題。智能軟開關(guān)有響應(yīng)快、功率控制平滑的優(yōu)點，最重要的是它能夠進行實時的功率控制，在某種程度上，有彌補儲能系統(tǒng)的優(yōu)化作用。因此，本文考慮一種儲能系統(tǒng)柔性接入的配電網(wǎng)削峰填谷策略研究，為更佳地應(yīng)對分布式電源出力和負荷需求的不確定性，把儲能系統(tǒng)直接方便地接入智能軟開關(guān)中的直流電路部分中。

鑒于此，文章建立ESS柔性接入SOP的有源配電網(wǎng)運行優(yōu)化模型。SOP的基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，是背靠背電壓源型換流器(Back to Back Voltage Source Converter，B2B VSC)。

圖1 基于B2B VSC的SOP拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of SOP based on B2B VSC

1.2 建模

在配電網(wǎng)中，將聯(lián)絡(luò)開關(guān)替換成SOP，將儲能系統(tǒng)接入SOP的直流部分，如圖2所示。

圖2 ESS接入SOP直流部分Fig.2 ESS connected to DC part of SOP

與傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)相比，SOP不僅僅響應(yīng)速度更快、可改變功率傳輸?shù)穆窂剑€能實時調(diào)節(jié)所連饋線的有功功率和無功功率的大小，避免了由于頻繁切換操作造成的潛在風(fēng)險。SOP的控制信號是基于快速通信進行傳輸?shù)?，比如光纖或者無線網(wǎng)。由于本文研究的配電系統(tǒng)都是運行在正常的狀態(tài)下，選擇PQ-VdcQ作為SOP的控制方式[25]。

本文考慮到負荷曲線平滑度和電壓改善能力兩類指標，即以進行削峰填谷后配電網(wǎng)側(cè)負荷曲線方差值最小和電壓偏差最小為目標函數(shù)，采用專家打分法確定多目標評價體系的各目標權(quán)重，將DG中的儲能系統(tǒng)在一日內(nèi)不同時間段的充放電功率和SOP的有功、無功功率作為求解的優(yōu)化變量，并采用智能算法中的改進的粒子群算法求解，最終在改進的IEEE-33算例系統(tǒng)上檢驗該方法。

1.3 SOP約束方程

(1)SOP有功功率約束為

(1)

(2)

(2)SOP無功功率約束為

(3)

(3)SOP容量約束為

(4)

2 ESS柔性接入SOP的有源配電網(wǎng)模型

2.1 目標函數(shù)

以降低系統(tǒng)負荷曲線方差和改善電壓水平為綜合目標函數(shù)，保證系統(tǒng)電壓在期望水平的同時系統(tǒng)負荷曲線方差最小，以保證配網(wǎng)運行狀態(tài)的安全穩(wěn)定。即規(guī)劃目標函數(shù)為

minf=αf1+βf2

(5)

式中：f1為配電網(wǎng)側(cè)日負荷曲線削峰填谷后的方差值；f2為電壓偏差值。α、β為各目標所占的權(quán)重大小值，且α+β=1。

(1)配電網(wǎng)側(cè)日負荷曲線削峰填谷后方差值最小

(6)

式(6)中n為日負荷采樣數(shù)，取值為24；t為采樣時間點，取1……24；PL(t)是t時配網(wǎng)側(cè)考慮可再生能源出力的負荷值；PES(t)是t時儲能系統(tǒng)的功率，為正則表示充電，為負則表示放電。

(2)電壓偏差最小

(7)

(Vi(t)≥Vmax,i‖Vi(t)≤Vmin,i)

式(7)中，N為配電網(wǎng)的節(jié)點總數(shù);T為時間段總數(shù);Vi(t)為t時段節(jié)點i電壓幅值；Vmax,i、Vmin,i分別為節(jié)點i電壓幅值上、下限。

2.2 約束條件

(1)儲能系統(tǒng)的功率約束

(8)

(9)

式中PD(t)為t時刻儲能出力值，Pmax_ch(t)，Pmax_dch(t)為儲能充電或者放電的功率最大值，ηc，ηd為充放電效率。

(2)儲能系統(tǒng)的容量約束

本文假設(shè)儲能調(diào)度周期內(nèi)充放電容量平衡，即充電量等于放電量。

(10)

式中Sbat(t)代表t時刻的儲能系統(tǒng)容量，Sbat_max，Sbat_min分別為儲能系統(tǒng)容量上、下限。

(3)功率平衡約束:

(11)

(12)

式中：Pi、Qi分別為注入節(jié)點i的有功、無功功率;Ui、Uj分別為節(jié)點i、j的電壓幅值;Gij、Bij分別為導(dǎo)納矩陣的實部和虛部;θij為節(jié)點i、j的電壓相角差值;N為節(jié)點總數(shù)。

除此之外，還要滿足系統(tǒng)的潮流約束，本文采用改進的交直流潮流算法進行潮流計算[26-27]。

3 改進的粒子群算法

標準的粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization, PSO)算法具有簡單、適應(yīng)性強等特點。PSO中所有粒子都是所優(yōu)化函數(shù)的可行解，所有粒子都會分享信息，從而使得每個粒子都可以優(yōu)化自身的運動方式，找到全局最優(yōu)解。其粒子迭代更新函數(shù)如下：

(13)

但是標準的粒子群算法中慣性權(quán)重w不變，為了提高算法的收斂速度，要選擇一個合適的慣性權(quán)重w。分析式(13)可知，若w比較大便于跳出局部最優(yōu)，有助于搜索全局最優(yōu)；相反，若w比較小便于開展局部搜索，可搜索局部最優(yōu)。本文采用線性下降的方式進行處理，如式(14)所示：

(14)

式中：wmax、wmin為權(quán)重最大、最小值；kmax為最大迭代數(shù)，kt為當前迭代數(shù)。

算法流程圖如下所示。

(1)輸入配電網(wǎng)系統(tǒng)模型參數(shù)，包括風(fēng)電機組、光伏電源的配置參數(shù)，儲能系統(tǒng)的配置參數(shù)，智能軟開關(guān)的配置參數(shù)，日負荷預(yù)測出力曲線，可再生能源預(yù)測出力曲線；

(2)設(shè)定PSO參數(shù)，包括最大迭代次數(shù)imax，種群數(shù)N，變量個數(shù)V，變量上下限popmax、popmin，慣性權(quán)重的最大值與最小值等；

(3)選取第i個粒子，進行交直流潮流計算，得到目標函數(shù)值；

(4)把目標函數(shù)值作為第i個粒子的適應(yīng)度值；

(5)更新粒子的速度和位置，生成新的種群，以進行下一次迭代計算；

(6)直到目標函數(shù)值收斂，得到最優(yōu)粒子，即得到儲能系統(tǒng)一日內(nèi)的充放電功率方案。

圖3 算法流程圖Fig.3 Algorithm flowchart

4 算例分析

為檢驗本文所提方法，用IEEE-33配電系統(tǒng)進行驗證。根據(jù)我國電能質(zhì)量國家標準[28]，節(jié)點電壓的最大取值、最小取值分別為 1.05UN、0.95 UN(UN為電網(wǎng)基準電壓)。考慮到接入分布式電源后的影響，在該系統(tǒng)的節(jié)點7接500kW的光伏電源以及在節(jié)點32接750kW的風(fēng)電機組，且它們均在單位功率因數(shù)下運行，其配置參數(shù)如表1所示。將SOP替代原來聯(lián)絡(luò)開關(guān)TS1的位置，在SOP的直流部分接入儲能系統(tǒng)，修改后的IEEE-33配電系統(tǒng)如圖4所示。

表1 分布式能源配置參數(shù)Tab. 1 Installation parameters of DG

圖4 33節(jié)點柔性配電網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Diagram of 33-node flexible distribution network

本文以小時為單位，通過負荷預(yù)測方法得到系統(tǒng)負荷日運行曲線，如圖5所示。同理可得圖6，即可再生能源日預(yù)測出力曲線。儲能系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。SOP的投建容量為 750 kVA ，且無功功率的上限為500kvar。權(quán)重系數(shù) α、β由專家打分法確定。

圖5 日負荷預(yù)測曲線Fig.5 Predicted curve of Daily load

圖6 可再生能源預(yù)測出力曲線Fig.6 Predicted output curve of renewable energy

表2 儲能系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Energy storage device parameter

為證明考慮ESS柔性接入SOP的方法的作用，選取以下三種情況進行對比分析，在 MATLAB R2016b平臺上通過編程，利用改進的粒子群算法進行求解。

情況一: 不接入智能軟開關(guān)與儲能系統(tǒng)；

情況二: 只接入智能軟開關(guān)；

情況三: 接入智能軟開關(guān)，并把儲能系統(tǒng)接入智能軟開關(guān)直流部分。

三種情況下的全天優(yōu)化結(jié)果如圖 7、圖 8、表3所示，儲能優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。

圖7 節(jié)點18在不同情況下的電壓分布Fig.7 Voltage profile of node-18 under different cases

圖8 儲能系統(tǒng)接入前后負荷特性曲線Fig.8 The load characteristic curves of energy storage system before and after access

表3 電壓偏差值Tab. 3 Voltage deviation value

由于在IEEE-33節(jié)點正常工況下，在可再生能源和儲能系統(tǒng)均未配置時，配電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點電壓偏差比較大，節(jié)點 18 位于系統(tǒng)的最末端，電壓值最低，為 11.56 kV，已超出國家標準要求(電壓偏差不得超過額定電壓的±5%)。因此在考察儲能系統(tǒng)柔性接入智能軟開關(guān)對于改善電壓質(zhì)量能力時，以18節(jié)點為觀察點進行分析討論。

首先由圖7的18節(jié)點電壓分布圖可知，情況一的電壓最不穩(wěn)定、波動最大，甚至出現(xiàn)電壓越限情況，某幾個時刻電壓標幺值已低于國家標準0.95UN。原因是情況一沒有接入智能軟開關(guān)和儲能系統(tǒng)，只接入了風(fēng)能機組和光伏電源，而風(fēng)能機組和光伏電源具有較強的間歇性和可變性，極易引起配電網(wǎng)的電壓越限和網(wǎng)損增加等問題。情況二的電壓波動得到了微微減緩，但在個別時段電壓也出現(xiàn)了越限。原因是情況二只接入了智能軟開關(guān)，雖然智能軟開關(guān)能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)所連饋線的有功功率和無功功率，一定程度上能夠減緩風(fēng)電和光伏間歇性與可變性所帶來的電壓越限問題，但是由于沒有接入儲能系統(tǒng)，改善電壓水平的能力依舊有限。相比于情況一、情況二，情況三的電壓全部滿足要求，均在我國電能質(zhì)量國家標準內(nèi)，并沒有出現(xiàn)越限情況。所以就以節(jié)點18的電壓分布來說，不論在何種時段，本文所提方式，即把儲能系統(tǒng)柔性接入智能軟開關(guān)直流部分的方法均能有效改善該節(jié)點的電壓分布，有效提高系統(tǒng)的電壓水平。

其次由表3，電壓偏差值表可知，情況一，即在不接入智能軟開關(guān)與儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)中只配置光伏電源和風(fēng)能機組時，節(jié)點電壓偏差值為1.1519；情況二，即接入智能軟開關(guān)，只配置光伏電源和風(fēng)能機組時，節(jié)點電壓偏差值為0.6281；情況三，即儲能系統(tǒng)柔性接入智能軟開關(guān)時，節(jié)點電壓偏差值為0。顯然本文所提方法，不論從單個節(jié)點觀察，還是所有節(jié)點電壓偏差值觀察，都能有效提高電壓質(zhì)量，具有很強的改善電壓水平的能力。

儲能系統(tǒng)接入前后配電網(wǎng)系統(tǒng)負荷特性曲線如圖8所示。由圖8可知：儲能系統(tǒng)柔性接入智能軟開關(guān)直流部分后，在配電網(wǎng)負荷較低時，儲能充電以增加負荷，在配電網(wǎng)負荷較高時，儲能放電以減小負荷。原始負荷曲線峰值是3639.4 kW，儲能系統(tǒng)柔性接入智能軟開關(guān)直流部分后的負荷峰值是2734 kW，減小了24.88%；原始負荷曲線負荷最小值是704.83kW，儲能系統(tǒng)柔性接入智能軟開關(guān)直流部分后的負荷最小值是463.54kW，減小了34.23%；原始負荷曲線峰谷差2934.5kW，儲能系統(tǒng)柔性接入智能軟開關(guān)直流部分后的負荷曲線峰谷差是2270.5kW，減小了22.63%，由此可見，本文所提的方法，即儲能系統(tǒng)柔性接入智能軟開關(guān)的方法可以起到削峰填谷的效果，不僅僅提高了可再生能源的消納能力，還有效抑制了負荷曲線的波動，整體上提高了供電可靠性并對電能質(zhì)量進行了有效的優(yōu)化。

圖9是儲能系統(tǒng)的SOC曲線、充放電功率曲線。可見，負荷低谷時段，儲能系統(tǒng)充電使得SOC逐漸上升；負荷高峰時段，儲能系統(tǒng)放電使得SOC逐漸降低；且SOC的值一直保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為更好地保障儲能裝置的使用壽命，防止其發(fā)生過充、過放，SOC變化范圍應(yīng)保持在10%～90%。為保證第二天儲能系統(tǒng)能正常運行，儲能裝置在每天的初始時間與末尾時間電量都保持在初始值，即500kWh。

圖9 儲能系統(tǒng)出力與SOC曲線Fig.9 Energy storage system output and SOC curve

5 結(jié)論

本文同時考慮儲能系統(tǒng)柔性接入智能軟開關(guān)作用于削峰填谷在平滑負荷曲線和電壓改善能力兩方面的性能，提出了一種有源配電網(wǎng)運行的多目標優(yōu)化模型，并采用智能算法中的改進的粒子群算法進行求解。利用IEEE-33配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對不接入SOP與ESS、僅接入 SOP、ESS柔性接入SOP三種方式進行了對比研究，算例說明了ESS柔性接入SOP的方式可以有效實現(xiàn)配網(wǎng)系統(tǒng)的削峰填谷，并能提升配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和經(jīng)濟效益。如何應(yīng)對可再生能源隨機性出力，解決其間歇性和可變性給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來的巨大挑戰(zhàn)；如何在接入大容量儲能裝置的基礎(chǔ)上，利用柔性互聯(lián)電力電子開關(guān)，提升配電系統(tǒng)的可控水平和可再生能源的消納能力，是當前配電網(wǎng)研究的熱點。目前本文研究的系統(tǒng)是單電源系統(tǒng)，下一步研究可以對多電源點系統(tǒng)進行開展，考慮儲能系統(tǒng)柔性接入多電源點系統(tǒng)的削峰填谷優(yōu)化。