一种储能系统参与主动配电网运行调节计算方法
【专利摘要】本发明提供一种储能系统参与主动配电网运行调节计算方法，针对蓄电池组成的储能系统，以配电网系统有功损耗最小为目标函数，考虑系统自身的运行约束，包括系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束以及储能系统运行约束，采用粒子群算法对算例进行求解，最终输出在满足系统可靠性前提下储能系统各时段的充放电功率作为最优解。本发明相较于传统方法，可有效降低配电网系统的有功网损，减小电网运行成本，增加了光伏能源的利用效率。
【专利说明】
-种储能系统参与主动配电网运行调节计算方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种储能系统参与主动配电网运行调节技术，具体设及一种蓄电池储 能系统参与主动配电网运行调节计算方法。
【背景技术】
[0002] 受能源与环境的双重压力，W可再生能源利用为核屯、的分布式发电技术在世界范 围内广泛兴起，极大地促进了储能技术在电力系统中的应用和发展。一方面，借助于储能系 统可W有效地减少分布式电源出力间歇性和随机性所带来的影响，形成W微电网为核屯、的 独立自治系统；另一方面，大容量的储能系统也给配电网的运行调节提供了新的手段和方 法。从配电系统角度看，储能技术的应用不仅能够提高分布式能源的消纳能力，还能够积极 参与系统潮流的有效调节和优化，可W大大地提高配电系统运行的经济性和可靠性。
[0003] 如何充分利用储能系统，实现配电系统的高效可靠运行时目前关注的重点，国内 外的相关学着对其进行了研究，并取得了一些理论和实践方面的成果，如分析了蓄电池位 置分布和容量大小的影响，W及对调峰所发挥的积极作用;研究了含分布式电源和蓄电池 的配电网/微电网运行优化问题，给出了蓄电池有功和无功功率同时进行优化的数学模型； W及根据蓄电池的可调度特性W及电荷量信息，提出了一种基于恒电流一恒电压控制策略 的蓄电池充放电数学模型。
[0004] 与分布式电源不同，储能系统的运行具有明显的时序特性，其运行优化不再局限 于单个时间断面，而是扩展到更长的时间尺度上，存在了时序运行优化问题，进而导致其决 策变量维数随时间断面数的增多而迅速增长。
【发明内容】
[0005] 本发明的发明目的是为解决上述问题，针对蓄电池储能系统参与主动配电网运行 调节的优化调度模型，提供一种储能系统参与主动配电网运行调节计算方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种储能系统参与主动配电网运行调 节计算方法，包括如下步骤：
[0007] (1)综合考虑储能系统的有功和无功特性，建立储能系统运行模型；
[0008] (2)确定储能系统参与主动配电网运行调节的目标函数为:配电网系统的有功损 耗最小；
[0009] (3)计算过程中兼顾配电网系统自身的运行约束，包括系统潮流约束、运行电压约 束、支路电流约束和储能系统运行约束；
[0010] (4)利用粒子群算法求解储能系统参与配电网运行调节的优化模型；
[0011] (5)输出最优解:在满足配电网系统可靠性前提下，储能系统各时段的充放电功率 即为最优解。
[0012] W典型的蓄电池储能系统为例，它主要由蓄电池和换流器构成，换流器主要负责 监测电网运行状况、发出控制信号等工作。换流器作为蓄电池与电网相连的电气接口，是蓄 电池储能系统与配电网进行能量交换的枢纽，能够实现有功功率的充放电控制，并且，换流 器具有一定的无功辅助功能，在执行充电和放电功能的同时，通过无功控制能够为配电网 提供电压支持。
[0013] 其中，步骤（1)中建立蓄电池储能系统运行模型时，假定蓄电池储能系统W向配电 网输出功率为正方向，综合考虑其有功和无功特性，运行边界约束如下：
[0014]
[0015]
[0016]
[0017]式中：k=l，2,…，Ness,其中Ness为蓄电池储能系统数;ZfSSw和结分别为t时 刻第k个换流器输出的有功功率和无功功率；巧,置^和巧證分别为第k个换流器的额定容量和 有功功率上限；if的和巧dk的分别为蓄电池储能系统的充放电功率。
[0018] 步骤(1)，假定蓄电池储能系统W向配电网输出功率为正方向，则蓄电池储能系统 输入功率为负方向，当然也可W假定蓄电池储能系统W向配电网输出功率为负方向，则蓄 电池储能系统输入功率为正方向，都适用于本优化调节计算方法。
[0019] 所述蓄电池储能系统的荷电状态在时序上具有绝对的连续性，其严格按照时间顺 序根据充放由巧率大小进行积累计算，计算公式如下：
[0020]
式（4)，
[0021] 式中：k=l，2,…，Ness; A巧仿真步长;巧款W为t时刻第k个蓄电池储能系统的荷 电状态；
[0022] 所述蓄电池储能系统每个时间点的储能量应满足荷电状态上下限的要求，表达式 如下：
[002引 式（5)，
[0024] 式中，巧患 > 巧!：^> 分别为第k个蓄电池储能系统的容量W及荷电状态 的上下限值。
[0025] 含储能系统的配电网运行优化问题通常W发电成本、全网有功损耗、变电站出力 最小、新能源接纳能力最大W及多种目标函数的组合等为优化目标，所述配电网系统的有 功损耗为整个配电网系统所注入的有功功率减去负荷所消耗的有功功率，即配电网系统各 个节点注入的有功功率之和，上述的步骤(2)中W配电网系统有功损耗最小为目标函数，其 数学表达式为：
[0026]
式（6)，
[0027] 式中，N为系统节点数;Nt为时间断面数;Pi(t)为t时刻节点i处注入的有功功率； A t为步长。
[0028] 其中，步骤(3)中，所述配电网系统自身的运行约束包括系统潮流约束、运行电压 约束、支路电流约束和蓄电池储能系统运行约束，具体如下：
[0029] (3-1)系统潮流约束
[0030]
[(
式（8)，
[0032] 式中：i = 2,3,…，N; Q (i)为节点i的相邻节点的集合;Ui(t)，Uj(t)，0ij(t)分别为 t时刻节点巧日j的电压幅值和相角差;Gii,Bii,Gij,Bu分别为节点导纳矩阵中的自电导、自电 纳、互电导和互电纳;PlPV(t)，PlESS(t)，PlL(t)，C^(0，终、、(0，纽(/)分别为t时刻节点i 上PV、蓄电池、负荷注入的有功功率和无功功率；
[0033] (3-2)运行电压约束
[0034] Uimin《Ui(t)《Uimax 式（9 )，i = 1，2，...，N，
[00对式中，Uimin和Uimax分别为节点i电压幅值的上下限；
[0036] (3-3)支路电流约束
[0037]
式（10)，
[003引式中，Iij(t)为t时刻流过节点巧P节点j之间支路的电流幅值;Ui(t)，Uj(t)，目ij(t) 分别为t时刻节点i和j的电压幅值和相角差;611，811，6。龙汾别为节点导纳矩阵中的自电 导、自电纳、互电导和互电纳；Ii胃为支路。的电流幅值上限；
[0039] (3-4)蓄电池储能系统运行约束
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 式中，k=l，2,…，Ness,其中Ness为蓄电池储能系统数;ifss的和巧分别为t时 刻第k个换流器输出的有功功率和无功功率;SfSx和巧置置分别为第k个换流器的额定容量和 有功功率上限；巧h的和Zfs的分别为蓄电池的充放电功率；At为仿真步长；巧贵的为t时 刻第k个蓄电池储能系统的荷电状态;与置e，分别为第k个蓄电池储能系统 的容量W及荷电状态的上下限值。
[0045] 其中，步骤(4)中，借助matlab计算软件，利用粒子群算法求解储能系统参与配电 网运行调节的优化模型。所述的粒子群算法中每个粒子在迭代过程中按下式对粒子的速度 和位置进行更新：
[0046] vt+i= ? vt+cirand() (Pt-xt)+c 化 and() (Gt-Xt)式（11)，
[0047] xt+i = xi+vt 式（12)，
[004引式中，i为进化代数；O为惯性权重；ci、C2为加速因子;randO为[(U]之间的随机 数。
[0049] 本发明的上述技术方案的有益效果如下:本发明提供的一种储能系统参与主动配 电网运行调节计算方法，相较于传统方法，可有效降低配电网系统的有功网损，减小电网运 行成本，增加了光伏能源的利用效率。
【附图说明】
[0050] 图1为本发明实施例一的计算流程图；
[0051 ]图2为实施例一中IE邸33节点配电网结构图；
[0052] 图3为实施例一中光储系统结构示意图；
[0053] 图4为实施例一中光伏和负荷日运行曲线；
[0054] 图5为实施例一中蓄电池储能系统充放电功率曲线；
[0055] 图6为实施例一中蓄电池储能系统无功功率曲线；
[0056] 图7为实施例一中蓄电池储能系统荷电状态变化曲线。
【具体实施方式】
[0057] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。
[005引本发明W蓄电池储能系统为例，提供一种储能系统参与主动配电网运行调节计算 方法，包括如下步骤：
[0059] (1)综合考虑储能系统的有功和无功特性，建立蓄电池储能系统运行模型；
[0060] (2)确定蓄电池储能系统参与主动配电网运行调节的目标函数为:配电网系统的 有功损耗最小；
[0061] (3)计算过程中兼顾配电网系统自身的运行约束，包括系统潮流约束、运行电压约 束、支路电流约束和蓄电池储能系统运行约束；
[0062] (4)利用粒子群算法求解储能系统参与配电网运行调节的优化模型；
[0063] (5)输出最优解:在满足配电网系统可靠性前提下，蓄电池储能系统各时段的充放 电功率即为最优解。
[0064] 储能系统参与主动配电网运行调节计算方法的计算流程如图1所示，具体实施过 程如下：
[0065] 与分布式电源不同，储能系统的运行具有明显的时序特性，其运行优化不再局限 于单个时间断面，而是扩展到更长的时间尺度上，形成了时序运行优化问题，进而导致其决 策变量维数随时间断面数的增多而迅速增长。为此，本发明针对蓄电池储能系统参与主动 配电网运行调节的优化调度模型，提出了一种储能系统参与主动配电网运行调节计算方 法。
[0066] 下文WIEEE33节点算例（结构如图2)的求解对含储能系统的配电网运行优化算法 的有效性和快速性进行验证。在算例中接入8组光储系统，其系统结构和基本配置参数如图 3和表1所示。考虑进行一天的储能优化，负荷日运行曲线利用负荷预测方法获得，取30min 一个点，光伏的处理方式相同。整个系统的光伏出力和负荷变化情况如图4所示。
[0067] 表1光储系统配置参数 [006引
[0069] 1、建立蓄电池储能系统运行模型
[0070] 假定蓄电池储能系统W向电网输出功率为正方向，综合考虑其有功和无功特性， 运行边界约束如下：
[0071]
[0072]
[0073]
[0074] 式中：k=l，2,…，Ness,其中Ness为蓄电池储能系统数;ZfS巧和续S&的分别为t时 刻第k个换流器输出的有功功率和无功功率；巧盖<和片分别为第k个换流器的额定容量和 有功功率上限；和/严的分别为蓄电池储能系统的充放电功率。
[0075] 另一方面，蓄电池储能系统的荷电状态在时序上具有绝对的连续性，它严格按照 时间顺序根据充放电功率大小进行累积计算，并且每个时间点的储能量应满足荷电状态上 下限的要求，
[0076]
[0077]
[007引式中：k = l，2,…，Ness; A t为仿真步长；巧款(0为t时刻第k个蓄电池储能系统的荷 电状态;鱗墙m.巧S胃分别为第k个蓄电池储能系统的容量W及荷电状态的上下 限值。
[0079] 2、W配电网系统有功损耗最小为目标函数
[0080] 所述配电网系统的有功损耗为整个配电网系统所注入的有功功率减去负荷所消 耗的有功功率，即配电网系统各个节点注入的有功功率之和，其数学表达式为：
[0081 ]
式（6)，
[0082] 式中，N为系统节点数;Nt为时间断面数;Pi (t)为t时刻节点i处注入的有功功率； A t为步长。
[0083] 3、考虑配电网系统自身的运行约束，包括系统潮流约束、运行电压约束、支路电流 约束W及蓄电池储能系统运行约束，具体如下：
[0084] (3-1)系统潮流约束
[0085]
[
式化>，
[0087] 式中：i = 2,3,…，N; Q (i)为节点i的相邻节点的集合;Ui(t)，Uj(t)，0ij(t)分别为 t时刻节点巧日j的电压幅值和相角差;Gii,Bii,Gij,Bu分别为节点导纳矩阵中的自电导、自电 纳、互电导和互电纳;P^(t)，PlEss(t)，PlL(t)，贫'、(0，终ss(0，终-(0分别为t时刻节点i 上PV、蓄电池、负荷注入的有功功率和无功功率；
[0088] (3-2)运行电压约束
[0089] Uimin《Ui(t)《Uimax 式（9 )，i = 1，2，...，N，
[0090] 式中，Uimin和Uimax分别为节点i电压幅值的上下限；
[0091] (3-3)支路电流约束
[0092]
式（10)，
[009引式中，Iu(t)为t时刻流过节点巧日节点j之间支路的电流幅值;Ui(t)，h(t)，0u(t) 分别为t时刻节点i和j的电压幅值和相角差;611，811，6。，8^分别为节点导纳矩阵中的自电 导、自电纳、互电导和互电纳；Iijmax为支路U的电流幅值上限；
[0094] (3-4)蓄电池储能系统运行约束
式（1)，
[0095] 巧（2)，
[0096] (3)，
[0097] 式（4)，
[009引
[0099] 式中，k=l，2，...，化SS，其中化SS为蓄电池储能系统数;巧SS的和贫ESS价分别为t时 刻第k个换流器输出的有功功率和无功功率；和巧置分别为第k个换流器的额定容量和 有功功率上限；皆的和皆S巧分别为蓄电池的充放电功率；A t为仿真步长；巧品的为t时 刻第k个蓄电池储能系统的荷电状态；与：互> 巧。S1。> 分别为第k个蓄电池储能系统 的容量W及荷电状态的上下限值。
[0100] 4、W式(6)为目标函数，式（1)-式(5)、式(7)-(10)为约束条件，利用按式（11)和式 (12)改进的粒子群算法，借助matlab计算软件并代入具体数值，利用粒子群算法求解储能 系统参与配电网运行调节的优化模型，其中，所述的粒子群算法中每个粒子在迭代过程中 按下式对粒子的速度和位置进行更新：
[0101] vt+i= ? vt+cirand() (Pt-xt)+c 化 and() (Gt-Xt)式（11)，
[0102] xt+i = xi+vt 式（12)，
[010引式中，i为进化代数；W为惯性权重；ci、C2为加速因子;randO为[(U]之间的随机 数。
[0104] 5、输出最优解，即为在满足系统可靠性前提下储能系统各时段的充放电功率。
[0105] 本实施例中，根据图4所示的光伏与负荷日运行曲线，利用上述的储能系统参与主 动配电网运行调节计算方法对配电网系统进行优化，结果如图5~图7所示。
[0106] 在MATLAB中采用粒子群算法求解优化模型，在蓄电池储能系统参与配电网优化之 前，系统损耗为1316.05kW ? h。蓄电池储能系统通过统筹各时段光伏出力情况W及负荷的 用电需求，来实现削峰填谷，并提供一定的无功支撑，最终可W将系统损耗降低至 390.64kW ? ho
[0107] W上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可W作出若干改进和润饰，运些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种储能系统参与主动配电网运行调节计算方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 综合考虑储能系统的有功和无功特性，建立储能系统运行模型； (2) 确定储能系统参与主动配电网运行调节的目标函数为:配电网系统的有功损耗最 小； (3) 计算过程中兼顾配电网系统自身的运行约束，包括系统潮流约束、运行电压约束、 支路电流约束和储能系统运行约束； (4) 利用粒子群算法求解储能系统参与配电网运行调节的优化模型； (5) 输出最优解:在满足配电网系统可靠性前提下，储能系统各时段的充放电功率即为 最优解。2. 根据权利要求1所述的储能系统参与主动配电网运行调节计算方法，其特征在于，步 骤（1)中，建立储能系统运行模型时，假定储能系统向配电网输出功率为正方向，综合考虑 其有功和无功特性，运行边界约束如下：式中：k=l，2，···，Ness，其中化SS为储能系统数;巧SS W和谷f S的分别为t时刻第k个换流 器输出的有功功率和无功功率;巧盖、和f芯三分别为第k个换流器的额定容量和有功功率上 限;/f的和巧"的分别为储能系统的充放电功率. 所述储能系统的荷电状态在时序上具有绝对的连续性，其严格按照时间顺序根据充放 电功率大小进行积累计算，计算公式如下：式中:k=l，2，···，Ness; Δ t为仿真步长;巧器;_(〇为t时刻第k个储能系统的荷电状态； 所述储能系统每个时间点的储能量介于荷电状态的上下限之间，表达式如下：式中，均置。，分别为第k个储能系统的容量W及荷电状态的上下限值。3. 根据权利要求1所述的储能系统参与主动配电网运行调节计算方法，其特征在于，步 骤(2)中，所述配电网系统的有功损耗为整个配电网系统所注入的有功功率减去负荷所消 耗的有功功率，即配电网系统各个节点注入的有功功率之和，其数学表达式为：式中，N为系统节点数;化为时间断面数;Pi(t)为t时刻节点i处注入的有功功率；At为 步长。4.根据权利要求1所述的储能系统参与主动配电网运行调节计算方法，其特征在于，步 骤(3)中，所述配电网系统自身的运行约束包括系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约 束和储能系统运行约束，具体如下： (3-1)系统潮流约束式中：i = 2,3,…，N; Ωα)为节点i的相邻节点的集合;Ui(t)，Uj(t)，θij(t)分别为t时刻 节点巧日j的电压幅值和相角差;611，811，6^瓜汾别为节点导纳矩阵中的自电导、自电纳、互 电导和互电纳;/Γ鮮，ifss:衍:，：皆稱，揉v汾，终SS紛，纺说分别为t时刻节点让光 伏电站、蓄电池、负荷注入的有功功率和无功功率； (3-2)运行电压约束 Uimin《Ui(t)《Uimax 式（9 )，i = 1，2，…，N， 式中，Uimin和Uimax分别为节点i电压幅值的上下限； (3-3)支路电流约束式中，Iij (t)为t时刻流过节点i和节点j之间支路的电流幅值;Ui (t)，Uj (t)，θ?j (t)分别 为t时刻节点巧日j的电压幅值和相角差;6。，8。，6。瓜汾别为节点导纳矩阵中的自电导、自 电纳、互电导和互电纳；lumax为支路ij的电流幅值上限； (3-4)储能系统运行约束式中，k= 1，2，…，Ness，其中化SS为储能系统数；巧33片)和0fS的分别为t时刻第k个换流 器输出的有功功率和无功功率;巧置，和/還1分别为第k个换流器的额定容量和有功功率上 限;if的和巧分别为蓄电池的充放电功率；At为仿真步长；靖己(0为t时刻第k个储能 系统的荷电状态；辟岂。，<^ΞΙ,。。、，分别为第k个储能系统的容量W及荷电状态的上 下限值。5. 根据权利要求1所述的储能系统参与主动配电网运行调节计算方法，其特征在于，步 骤(4)中所述的粒子群算法中每个粒子在迭代过程中按下式对粒子的速度和位置进行更 新： vt+i= ω vt+cirand()(Pt-xt)+c化andO(Gt-xt)式（11)， xt+i = xi+vt 式（12)， 式中，i为进化代数；ω为惯性权重;ci、c劝加速因子;rancK)为[(U]之间的随机数。6. 根据权利要求1所述的储能系统参与主动配电网运行调节计算方法，其特征在于，步 骤(4)中，借助matlab计算软件，利用粒子群算法求解储能系统参与配电网运行调节的优化 模型。
【文档编号】H02J3/32GK106099964SQ201610430803
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】杨志超, 陆文伟, 葛乐, 马寿虎, 陆文涛, 顾佳易, 王蒙
【申请人】南京工程学院