一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善方法与流程

技术特征：

1.一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善方法，其特征在于，包括：

S1：对配网结构和稳态电压的分布建立配网等效模型，确定参考基础数据，包括负荷参数、线路参数、分布式储能系统造价、费用单价，所述配网等效模型包含负荷均匀分布和负荷非均匀分布两种情况；

S2：根据所述配网等效模型，以储能投资、运行成本和线损成本最小为目标，以含分布式储能系统的潮流方程、功率方程、节点电压为约束，建立分布式储能系统的选址定容优化模型；

S3：通过层次分析法进行多目标权重系数的确定，通过基于分支定界法和外逼近算法的BONMIN求解器求解所述储能系统的选址定容模型，得到储能装置在系统中的最佳接入位置和最佳功率容量；

S4：根据所述最佳接入位置和所述最佳功率容量进行含储能系统的配电网潮流计算，求得含储能系统的节点电压Unn，全网功率损耗Plossnn；

S5：判断接入储能系统后的各节点电压Unn是否大于接入储能系统前的各节点电压Un，且满足电压上下限约束条件，若否，则返回执行步骤S3；

S6：判断接入储能系统后的全网损耗Plossnn是否低于接入储能系统前的全网损耗Plossn，若否，则返回执行步骤S3；

S7：以负荷波动的标准差最小为目标，以储能系统的功率、容量、荷电状态等为约束条件，建立分布式储能系统运行策略规划模型；

S8：根据所述最佳接入位置和所述最佳功率容量进行储能系统的日前优化运行策略的规划计算，通过序列二次规划法的SNOPT求解器求解所述分布式储能系统运行策略规划模型，得到分布式储能系统最优运行策略；

所述布式储能系统最优运行策略包括所述最佳接入位置、所述最佳功率容量、储能系统的最优充电时间和储能系统的最优放电时间。

2.根据权利要求1所述的一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

根据配电网馈线分布、相邻等效节点间的线路阻抗Z_m及等效节点的负荷P_Lm生成具有离散负荷线路的配网等效模型，设定均匀分布负荷下相邻等效节点间线路段长度为L，设定不均匀分布负荷下相邻节点间线路段长度为anL，其中an为长度系数，第m个节点接入了额定功率为P_ess的储能装置；

3.根据权利要求2所述的一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善方法，其特征在于，所述配网等效模型在无分布式储能装置接入时，各节点的电压表示为：

$\begin{array}{c}{U}_0-U_n=\frac{1}{U_0}(PR+QX)\\ =\frac{1}{U_0}R\left[\begin{array}{c}\underset{m\∈G_1}{\mathrm{\Σ}}{P}_m\\ ...\\ \underset{m\∈G_i}{\mathrm{\Σ}}{P}_m\\ ...\\ P_n\end{array}\right]+\frac{1}{U_0}X\left[\begin{array}{c}\underset{m\∈G_1}{\mathrm{\Σ}}{Q}_m\\ ...\\ \underset{m\∈G_i}{\mathrm{\Σ}}{Q}_m\\ ...\\ Q_n\end{array}\right]\end{array}$

所述配网等效模型在第m个节点接入分布式储能装置后，线路各节点的电压表示为：

$\begin{array}{c}{U}_0-U_n=\frac{1}{U_0}\left(PR+QX\right)\\ =\frac{1}{U_0}R\left[\begin{array}{c}\underset{m\∈G_1}{\mathrm{\Σ}}{P}_m-\underset{m\∈G_1}{\mathrm{\Σ}}{P}_{essm}\\ ...\\ \underset{m\∈G_i}{\mathrm{\Σ}}{P}_m-\underset{j\∈G_i}{\mathrm{\Σ}}{P}_{essm}\\ ...\\ P_n-P_{essn}\end{array}\right]+\frac{1}{U_0}X\left[\begin{array}{c}\underset{m\∈G_1}{\mathrm{\Σ}}{Q}_m-\underset{j\∈G_1}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{essm}\\ ...\\ \underset{m\∈G_i}{\mathrm{\Σ}}{Q}_m-\underset{m\∈G_i}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{essm}\\ ...\\ Q_n-Q_{essn}\end{array}\right]\end{array}$

其中，U₀为馈线配变出线端母线节点电压幅值；U₀＝[U₀,…,U₀]T为配变出线端母线节点电压幅值U₀构成的n阶列向量；Un＝[U₁，…，U_i，…，U_n]T为各节点的节点电压幅值列向量；R为电阻矩阵；X为电抗矩阵；P＝[P₁，P₂，…，P_n]T为支路末端有功功率列向量；Q＝[Q₁，Q₂，…，Q_n]T为支路末端无功功率列向量；P_m和Q_m分别为等效节点m的有功负荷和无功负荷；P_essm和Q_essm分别为接入m节点上的分布式储能装置的有功和无功出力，当储能装置充电时，P_essm、Q_essm为正，当储能装置放电时，P_essm、Q_essm为负；

所述配网等效模型在接入分布式储能装置后由于负荷的突然投切引起的电压波动值为：

$dU=\frac{\mathrm{\Δ}U}{U_N}\×100\%$

其中，dU为电压波动值；△U表示电压变化过程中两极值电压之差；U_N为系统额定电压。dU绝对值越大，表明储能系统对电压波动情况改善不佳，系统实际运行情况越差；dU绝对值越小，表明储能系统对电压波动情况改善良好，系统实际运行情况越好。

4.根据权利要求1所述的一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

建立与分布式储能系统的容量及位置相关的整体费用的费用目标函数：

minf＝χG₁+γG₂+τG₃

其中，G₁，G₂，G₃分别是规划年限内储能投资成本、线路损耗成本和购电成本；χ，γ，τ为权重系数，满足χ+γ+τ＝1；

建立选址定容约束条件方程组，并结合所述费用目标函数，根据所述配网等效模型建立分布式储能系统的优化运行策略模型。

5.根据权利要求4所述的一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善方法，其特征在于，所述储能投资成本G₁的表达式为：

$\begin{array}{c}{G}_1=TIC+TOC\\ =\underset{1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{ess,k}{C}_{ess,k}+\mathrm{\β}\underset{1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{mc}+P_{ess,k}{C}_{op,k}\right)\\ =\underset{1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{ess,k}{C}_{ess,k}+\frac{rr{\left(1+rr\right)}^{ne}}{{\left(1+rr\right)}^{ne}-1}\underset{1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{mc,k}+P_{ess,k}{C}_{op,k}\right)\end{array}$

其中，TIC和TOC分别为分布式储能系统安装费用及运行维护费用；k为接入配电网的分布式储能装置个数；P_ess,k为第k个储能装置的充/放电功率容量，kW；C_ess,k为第k个储能装置的单位安装成本，元/kW；rr为年利率；ne为规划年限；β＝rr(1+rr)ne/(1+rr)ne-1为将规划年限内年费用转换为现值的因子；C_mc,k为第k个储能装置的固定维护成本，C_op,k为第k个储能装置单位运行成本，单位是元/kW；

所述线路损耗成本G2的计算公式为：

$\begin{array}{c}{G}_2=C_{ebuy}\underset{1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{j\max }{R}_j{\mathrm{\ΔP}}_{Lj}\\ =C_{ebuy}\underset{1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{j\max }{R}_j\frac{{\left(P_j-x_m{P}_{ess,k}\right)}^2}{U_j^2}\end{array}$

其中，x_m为0-1变量，取值为1时，节点m接入ESS；取值为0时，节点m不接入ESS；C_ebuy为单位电价，元/kWh；T_jmax为第j条等效支路的年最大负荷损耗小时数，h；R_j为等效支路j的电阻，Ω；ΔP_Lj为支路j的支路损耗；P_j为流过支路j的有功功率，U_j支路j的额定电压；

所述购电成本G3的表达式为：

$\begin{array}{c}{G}_3=G_{buy}-G_{sell}-G_{\mathrm{\Δ}loss}\\ =C_{ebuy}{T}_{\max }{P}_{line}-C_{esell}{T}_{\max }\underset{1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{bess,k}-C_{ebuy}{T}_{\max }deploss\\ deploss=\underset{1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\frac{P_j^2-{\left(P_j-x_m{P}_{bess,k}\right)}^2}{U_j^2}\end{array}$

其中，G_buy为线路不接入储能装置时电力用户通过传统途径的购电费用；G_sell为线路接入分布式储能系统后电力用户从储能装置处购电的费用，即储能系统作为电源时的卖电收益，其中储能装置放电时G_sell部分为卖电收益，储能装置充电时，G_sell部分为额外的购电费用，为方便处理，卖电单位电价C_esell与购电单位电价C_ebuy取相等；T_max为最大负荷年利用小时数，h；P_line为配变向线路输入总功率；deploss为储能系统接入配电线路前后线路损耗之差。

6.根据权利要求4所述的一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善方法，其特征在于，所述选址定容约束条件方程组包括潮流约束方程、节点电压约束方程、待选节点安装约束方程、储能系统功率约束方程和接入后系统功率平衡约束方程；

所述潮流约束方程为：

P_m＝P_m-1-R_m-1(P_m-1²+Q_m-1²)/U_m-1²-PL_m-P_ess,k,m

Q_m＝Q_m-1-X_m-1(P_m-1²+Q_m-1²)/U_m-1²-QL_m-Q_ess,k,m

其中，P_m，Q_m分别表示注入节点m的有功与无功功率；R_m，Q_m分别为节点m-1与节点m间的电阻与电抗；P_Lm，Q_Lm分别为节点m的有功与无功负荷；P_ess,k,m，Q_ess,k,m分别为第k个储能装置往节点m注入的有功与无功功率，当ESS充电时，功率为正；当ESS放电时，功率为负；

所述节点电压约束方程为：

U_min≤U_m≤U_max

其中U_min、U_max分别为节点电压U_m的下限和上限；

所述待选节点安装约束方程为：

$\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_m=N_{bess}$

其中，N表示系统待选安装节点的个数；x_m为0-1决策变量；N_bess表示接入系统的分布式储能装置的个数；

所述储能系统功率约束方程为：

P_{bess_min}≤P_bess,k≤P_{bess_max}

其中P_{bess_min}、P_{bess_max}分别为储能系统功率的下限和上限；

所述接入后系统功率平衡约束方程为：

$P_{line}=\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{PL}}_m-\underset{k=1}{\overset{N_{bess}}{\Σ}}{P}_{bess,k}$

其中，P_line为系统输入总功率；N表示系统节点个数；N_bess表示接入系统的分布式储能装置个数。

7.根据权利要求1所述的一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

选取决策变量，采用0-1决策变量来决定储能系统的位置，即：

其中，x_m为二进制决策变量，决定着在节点m处接入或者不接入储能系统；

采用层次分析法，处理多目标权重。通过各目标之间成对比较，组建维数为n×n的比较矩阵，成对比较矩阵表达式为：

其中，H表示一个两两相关矩阵，H_i(i＝1，2，…，n)表示比较的第i个指标，n表示指标个数；h_ii＝1(i＝1，2，…，n)表示指标H_i与其自身重要性的比较结果；h_ij＝1/(h_ji)＝(h_ik/h_jk)表示指标H_i与H_j重要性的比较结果；

每个目标权重系数表达式为：

$w_i=\frac{\sqrt[n]{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{h}_{ij}}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt[n]{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{h}_{ij}}},(i=1,2,\mathrm{....},n)$

其中w_i为第i个权重系数，其向量可表示为W＝[w₁,w₂,…,w_i,…,w_n]T。两两相关矩阵H的一致性比率检验表达式为：

$F_{CR}=\frac{F_{CI}}{F_{RI}}=\frac{({\mathrm{\λ}}_{max}-n)}{(n-1)*F_{RI}}\<0.1$

HW＝λ_maxW

其中，F_CR为一致性比率，如果FCR＜0.1则表示由所述成对比较矩阵表达式计算出的每个指标的权重系数合理；F_CI＝(λmax-n)/(n-1)为一致性指标；F_RI为随机指标，对于不同的目标数n，随机指标值为预设的值；λ_max为矩阵H的最大特征值，由矩阵H的公式求得；

利用GAMS仿真平台，基于分支定界法和外逼近算法的BONMIN求解器，优化迭代；

输出最优解，即迭代终止的决策量节点位置和容量大小，即得到储能装置在系统中的最佳接入位置和最佳功率容量。

8.根据权利要求1所述的一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善方法，其特征在于，所述步骤S7包括：

建立日前负荷波动的标准差目标函数方程，为：

$\min f\left(a\right)=\sqrt{\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}{(P_t-P_{average})}^2/T}$

其中，

$P_{average}=\frac{1}{T}\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}{P}_t$

P_t＝P_load,t+P_esss,t

其中，T表示一天时长，24h；t为一天中的采样时刻；P_t为第t时刻配电系统接入分布式储能系统后的有功负荷；P_average为T时间长度内平均有功负荷；P_load,t为第t时刻系统未接入储能系统时的有功负荷；P_ess,t为t时刻储能系统的输出功率，当储能装置充电时，功率为正；当储能装置放电时，功率为负；

建立储能系统约束方程组，包括功率和容量约束方程组、ESS荷电状态约束方程组；

以所述日前负荷波动的标准差目标函数方程的标准差最小为目标，以所述储能系统约束方程组为约束条件，建立分布式储能系统运行策略规划模型。

9.根据权利要求8所述的一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善方法，其特征在于，

所述功率和容量约束方程组为：

P_bess,tΔt＝(SOC(t-1)-SOC(t))E_m

-P_ess≤P_ess,t≤P_ess

其中，SOC(t)为第t时刻ESS的荷电状态；E_m表示储能系统的额定电量容量；P_ess为配置的BESS额定功率容量；

所述ESS荷电状态约束方程组为：

SOC_min≤SOC(t)≤SOC_max

SOC_min≤SOC(1)≤SOC_average≤SOC_max

${\mathrm{SOC}}_{average}=\frac{1}{T}\underset{t=0}{\overset{t}{\Σ}}SOC\left(t\right)$

SOC(1)＝60％SOC_max

其中，SOC_min，SOC_max分别为ESS荷电状态的下限和上限；SOC(1)为ESS荷电状态的初值；SOC_average为储能系统的平均荷电状态。

10.一种低压配电网分布式储能系统的电能质量改善装置，其特征在于，包括：

配网等效模型建立模块，用于对配网结构和稳态电压的分布建立配网等效模型，确定参考基础数据，包括负荷参数、线路参数、分布式储能系统造价、费用单价，所述配网等效模型包含负荷均匀分布和非均匀分布两种情况下的所述配网等效模型；

选址定容优化模型建立模块，用于根据所述配网等效模型，以储能投资、运行成本和线损成本最小为目标，以含分布式储能系统的潮流、功率方程、节点电压为约束，建立分布式储能系统的选址定容优化模型；

最佳接入位置和最佳功率容量计算模块，用于通过层次分析法进行多目标权重系数的确定，通过基于分支定界法和外逼近算法的BONMIN求解器求解所述储能系统的选址定容模型，得到储能装置在系统中的最佳接入位置和最佳功率容量；

节点电压和拳王功率损耗计算模块，用于根据所述最佳接入位置和所述最佳功率容量进行含储能系统的配电网潮流计算，求得含储能系统的节点电压Unn，全网功率损耗Plossnn；

节点电压判断模块，用于判断接入储能系统后的各节点电压Unn是否大于接入储能系统前的各节点电压Un，且满足电压上下限约束条件，若否，则返回执行步骤S3；

全网损耗判断模块，用于判断接入储能系统后的全网损耗Plossnn是否低于接入储能系统前的全网损耗Plossn，若否，则返回执行步骤S3；

分布式储能系统运行策略规划模型建立模块，用于以负荷波动的标准差最小为目标，储能系统的功率、容量、荷电状态等为约束条件，建立分布式储能系统运行策略规划模型；

最优运行策略计算模块，用于根据所述最佳接入位置和所述最佳功率容量进行储能系统的日前优化运行策略的规划计算，通过序列二次规划法的SNOPT求解器求解所述分布式储能系统运行策略规划模型，得到分布式储能系统最优运行策略；

所述布式储能系统最优运行策略包括所述最佳接入位置、所述最佳功率容量、储能系统的最优充电时间和储能系统的最优放电时间。