辅助配电网运行的储能研究综述

2018-10-20王登科

新型工业化 2018年8期

王登科

（贵州大学电气工程学院，贵州贵阳 550025）

0 引言

近年来，由于DG大量接入电网，其接入点的随机性及出力的不确定性，给电网的规划运营带来了诸多问题。由于各种负荷的快速增加，对能源的需求逐渐增大，负荷的峰谷差，波动性也随之扩大，对电网的稳定性要求不断提高[1]。同时，由于各种小区域建筑物、住宅区等负荷的聚集，形成一个负荷整体，从而在一定程度上具有可调度性。电动汽车（electric vehicle, EV）大量灵活的接入，也使得储能配置及能量管理显得尤为重要。但原有电网的惯性较弱，对各种辅助服务的需求也同样在扩大。储能因其同时具有DG和负荷的特性，并且安装地点灵活，调度方便，能够大大减小DG对电网的冲击性，更好的满足负荷的要求。在电网中合理的规划储能，并调控其与其他的DG相互协调配合，更能够对整个电网的未来发展产生深远的影响。在此背景下，本文对储能的扩展规划，需求响应及各方的经济性，参与辅助服务的应用方式等进行整理与分析，并在此基础上进行更深层的探讨。

1 储能及电网的扩展规划

目前，储能主要安装于电网侧、负荷侧和分布式电源侧3个方面，用以延迟电网升级[2]，减少因高比例分布式新能源的接入引起的电网改造成本和由于可再生能源（renewable energy resource,RES）的波动性而导致的限电损失。参与需求侧管理可以降低因RES的随机性对DR策略带来的风险成本[3]。以及跟踪调度计划出力，减少弃风，增加风电场的收益[4]，提高系统的稳定性，灵活性。

由于风电的能量密度较低，若在进行输电网络的扩展规划时按照其最大发电功率计算，则会导致储能的过度配置，加大建设成本，而如果配置容量过低，则会导致弃风而影响其收益[5]。文献[6-7]均为针对输电网和储能的扩展规划，其中文献[6]提出一种集中式的输电规划，运用两阶段随机混合整数线性规划模型计算得出一个最佳的传输扩展计划，结果表明，最有价值的投资为加强主干输电线路的输电能力，提高区域间功率输送，降低因各区域能量输送限制而导致的损耗。然而，在不确定的情况下，能量存储与扩展决策之间的权衡并不那么容易衡量，储能在提高扩展决策效率的基础上，其容量配置的经济性有待提高。因此，在文献[7]中，作者提出在由投资者投资储能的时候，需要考虑到输电网的扩展规划对利益相关方的影响，提出一种三层模型用以优化在集中输电扩展规划的条件下，最大限度的提高储能的长久利益，并在240母线的系统中得到论证。

目前，对于DG和储能在配电网中的规划可以看作两类：一类是考虑自身因素进行储能或配电网的单一规划，另一类是储能和配电网的联合扩展规划。

对于第一类，文献[8]从配电网的角度利用二阶锥规划模型构建了计及分布式电源和储能装置接入的主动配电网规划模型,但其仅从考虑了配电网企业的投资和运营成本，并未考虑用户的经济性成本。文献[9]利用凸最优潮流模型优化含DG的配电网中的分布式储能的选址定容，确定最佳季节的网络配置和全局ESS的选址定容来达到减少节点电压幅度偏差，线路阻塞，能源供应成本以及ESS投资费用，最大化储能的配置效益。此外，还可通过添加用户的响应程度及用电需求[10]，用户满意度等约束条件，优化储能配置对源网荷的影响，从而优化配电网的运行调度。

以上多是从配电网或储能的单一角度进行规划，而对于两者的联合规划较少。在此基础上，文献[11-12]进行储能和配电网的联合规划。可从配电网的稳定可靠运行转入储能经济配置的角度进行联合扩展规划，或从经济性的角度考虑联合规划中各投资方的经济效益以及储能配置。文献[11]从规划-运行联合优化的角度规划了配电网的线路改造和新建以及DG和ESS的选址定容，并由区域能源供应商承担DG和ESS的投资费用，在供应商不损失的情况下最大化配电网的利益。文献[12]利用基于领导者-跟随者策略的启发式算法解决三层规划问题，配电系统运营商基于最小化成本决策配网结构，分布式发电商最大化ESS和RES的年净现值配置ESS和RES，最后基于运行策略优化配置。储能配合电网规划，其产生的效益一般不全属于投资主体，以投资主体的利益优化储能的配置具有实际意义，但运行中的隐性价值有待发掘，减少规划过程中因配置成本过高而影响配置的可行性。

文献[13]利用混合整数线性规划解决两阶段含储能的配电网扩展规划。两阶段协同优化配置成本，交易成本以及运行的可靠性。上层最小化ESS的投资成本决策线路的添加和变更以及ESS的配置成本，下层以配电网的拓扑结构，ESS的运行策略及交易策略优化上层配置。目标函数如下：

式中：t为规划周期，i为收益折扣比，CI为投资成本，CM为维修成本，CP为电力交易成本，CO为停电成本，VL为失负荷的数目，rex,t为极限日场景下的断电负荷，rsc,t典型日场景下的断电负荷。

约束条件包括配电网中KCL和KVL，潮流约束，结构约束，储能的运行约束。

其中：系统性约束条件包括KCV，KVL和潮流约束等。例如，KCL如下：

储能的运行约束条件如下：

综合以上规划研究可发现，目前储能用于拓展规划的，大多用于以经济性或以经济加技术性为目标，构建多目标优化模型或随机规划模型，利用遗传算法，启发式算法等求解得到。此外，在利用储能延迟网络升级的过程中，多出现各方利益主体，由于投资方的不同而出现不同的规划运营模式，这一运营模式也可深入探讨。

2 储能用于需求响应

由于RES的大量接入以及负荷响应的不确定性，电路的稳定运行受到极大的挑战，而储能作为能够快速响应的资源，在电网的稳定运行中起到越来越重要的作用。储能参与DSR不但能够有效的实现电网的削峰填谷, 进行差价套利，能够降低电网运行风险, 减少断电成本；而且能够降低用户用电成本,提高用户侧效益,提高响应程度，减少负荷侧因用户响应而产生的不确定性。此外，由于EV具有充放电一体的特性，随着接入量逐渐增多，优化其运行状态及能量管理显得至关重要[14]。

目前，储能参与DSR的研究受到广泛的关注。文献[15]以微电网收益最大化和最优可靠性为目标，考虑储能对于需求侧的影响，利用迭代算法求解转移负荷的用户、分时电价下进行负荷响应的用户和储能系统之间的合作博弈，提高了配置光储的效率。

由于市场的逐渐开放，多种利益主体的出现，发电商也可负责投资储能，光伏(photovoltaic,PV)，并负责其运营以达到净收益现值最大。由于参与需求响应的用户很难作为一个整体，通过负荷聚合商(Load aggregators,LAs)将居民用户和工商业用户一起考虑[16]，并由LAs安装储能解决因用户响应的不确定性而导致LAs违约所报电量，在储能配置经济效益最大化的条件下增加供电可靠性。用户侧配置储能不仅能够对于负荷侧参与DSR产生影响，提高负荷侧的效益，也能够借此优化配合配电网的运行。通过对负荷侧多种负荷的划分，细化各种负荷在参与DSR的作用，考虑各种包含基于数据驱动的负荷，如空调，冰箱等，利用温控的方式将其转化为虚拟储能进行需求响应，降低光伏的间歇性,从而提高供电可靠性及提高用电效率[17]。在此基础上配置储能能够更大程度的开发负荷侧资源，优化资源结构也值得深入研究。

以上主要是以用户为导向进行储能配置,而需求侧响应可分为系统导向型和用户导向型,系统导向型主要是站在系统运营者的角度,研究含需求响应资源的发电经济调度[18],文献[19]则是以最小化年发电成本建立了混合整数线性规划模型调度需求响应和控制反弹效应，使其反弹效应与高风力发电和低负荷时间相适应，以减少弃风。研究了能量存储和DSR调度对减少风能的影响，并比较了不同储能组合的有效性。这些多是考虑储能对于需求响应自身的影响，没有从两者组合的角度来考虑其整体的经济性。由于市场开放，用户的类型逐渐增多，更多种类的利益相关主体将会出现，如DSR聚合商，及与之相配合的各种联营等会对负荷侧的资源进行划分,储能配置成本的逐渐降低及其快速反应的特性使其更广泛的参与需求侧响应。

储能参与DSR，LAs，DSR聚合商等利益主体的出现，使得不仅可以用来辅助套利，也可以更多的参与到市场中，如负荷与负荷之间在调节好公平性的情况下自行交易[20]。或者由于辅助服务市场的逐渐展开，改变其投资模式，更加契合实时电价及提高经济性和可靠性。由于负荷种类的增加，更多可参与需求响应的资源的出现，如电动汽车充电站等在一定程度上具有储能的效果，也可延迟电网的扩展，对于储能的配置也产生了一定的影响。

3 储能参与辅助服务

由于诸如风电，光伏等新能源的不断并网以及负荷种类的不断增多，使得电网对于调峰调频,调压等辅助服务的要求越来越高。而原有电网因为惯性不足，不足以跟踪新能源的强波动性，储能因其灵活性及技术的改进，使得储能应用于辅助服务快速发展。目前，储能多以集中式的形式参与辅助服务，多用于风电场，将其作为风电场的一部分，该种运行方式大多利用储能来优化电网的结构，而并没有利用电网自身的资源来从宏观的角度提高自身的效益。

国内外学者从不同的角度考虑储能配置参与辅助服务市场。文献[21-22]从电压管理和经济优化配置的角度出发，利用储能解决应用无功补偿时无法填补有功缺额的问题，同时改善电压偏移，提高配网的供电能力。文献[21]提出由储能结合能源管理系统(energy management system, EMS)在满足光伏并网的要求及相应的经济收益的条件下，考虑储能的荷电状态，利用EMS进行削峰，跟踪发电以及减少线损，并比较了不同电池对于电网的影响及其经济性。文献[22]考虑影响储能生命周期的四个因素进行双层目标优化，上层以最小化能量损失为目标，下层最小化DG和ESS的投资成本，得到符合电压调整的储能的选址定容，利用精英非劣排序遗传算法Ⅱ进行求解。储能的接入不仅对电网的电压质量产生较大的影响，同样对影响电网运行调度的频率也有较大的改善空间。文献[23]则是从调频和旋转备用的角度，考虑多种ESS的容量和功率及其各自的荷电状态统一操作，提出一种最优的能量分配策略进行分配，并提出两个指标用以评价频率偏移其指标的次数和时长：频率概率损失和持续概率损失。但是当前仍然存在一些问题，一方面由于储能的分配大多是依据调频信号来分配常规机组和储能的出力差异，需要大幅度的调整机组的出力以配合辅助服务，对机组的运行产生较大的影响，同样，对于储能的频繁调度会影响储能的寿命，进而影响储能的经济性。

当前，我国电力市场还未开放辅助市场，辅助服务的综合配置仍是一个难题。由于市场对于辅助服务的需求量与储能所配置的容量的差异较大，导致储能单一的参与辅助服务的经济性不足，因而需要在结合自身参与辅助服务市场的同时，尽可能的利用其他时刻的应用来提高配置储能的经济性。而储能参与辅助服务的容量与其自身配置的成本，影响了储能放电上网时的竞争力。

然而，由于负荷种类的增多及需求侧的快速发展，使得ESS配合负荷用于辅助服务的方式得以发展，并且由于市场的放开，多利益主体的出现，在参与辅助服务的同时，会涉及到多个主体的参与方式及经济性的协调。文献[24]提出一种多可再生分布式发电与储能联合选址定容的经济效益方法。考虑可再生发电机组所有者利益的同时，降低了配电公司成本。可再生的分布式发电满足电网需求使储能主要用于调峰。公司通过减少能量损失获取经济效益。此外，储能还能辅助风电场参与黑启动[25]等，用户可在辅助服务市场合理的选择自己所配备的资源以及参加的辅助服务来提高自身的收益以及有利于网络的可靠运行。