面向综合能源配电网的储能系统优化配置方法

沈阳工程学院 宁珂甲 关焕新

智能配电网中引进储能系统，能够促进配电网需求高效管理的落地执行，对高峰负荷进行降低，对低谷负荷进行提高，对负荷曲线进行平衡，确保核心设备的实际利用效率，以最大限度地降低供电成本的投入[1]；还能够对光伏出力波动进行平抑，减少电网被冲击的几率，对配电网光伏消纳能力进行提高，极大地提升了供电的安全性和可靠性，以此实现综合能源系统的安全性和可靠性，也是新能源发电优势最为明显的一种表现。储能系统未来的发展及应用会对我国电力系统传统模式产生颠覆性的影响，储能系统再综合能源配电网中的应用也势必会成为我国未来新能源发展的关键产业模式[2]。

随着经济的发展和社会的进步，储能系统俨然已经成为智能电网行业中最为不可或缺的组成部分，其所发挥的作用越来越不可替代。为了尽可能地减少电网被波动性和随机性，以及风光等可再生资源的规模化投产并网对于电网的影响程度，储能系统对于可再生能源消纳的提高效果显著。与此同时，我国还存在电力能源紧缺以及负荷分配不均匀的情况，为了解决此类问题，必须要对电力能源进行大规模的长远距离输送，并且电网的储能系统也能够减缓输配电线路的更新换代和资金投入，有效提升电网运行效率。

1 研究背景

目前能源紧缺已成为全球化的问题，世界各国都在对新能源渠道进行积极拓展，对于清洁、绿色且可再生资源太阳能的高效利用主要是以分布式光伏发电技术，以实现对配电网中分布式电源渗透率进一步提高。目前，分布式电源综合能源系统之所以成为建设低碳社会战略的重点，主要是由于其社会效益和能源效率均比较高。但由于外部多方面因素的干扰，尤其是因为随机以及高密度光伏的波动性均会影响到电压波形质量，导致电压控制装置的保护作用被干扰，很难进行调节和控制，从而影响用户优质的电能服务，网损也会随之增加，严重地危害到综合能源配电网的安全稳定发展。除此之外，用户所需要的电量也会成不确定性进而影响到能源系统的进一步优化升级[3]。所以，智能配电网中引进储能系统，并结合光伏的出力以及负荷的需要，进而准确地预测功率以及调度，不仅可对分布式光伏进行有效地消纳，还能够减小由于人为用电需求对于综合能源系统优化升级造成的不利影响。

智能配电网中引进储能系统，能够促进配电网需求高效管理的落地执行，对高峰负荷进行降低，对低谷负荷进行提高，对负荷曲线进行平衡，确保核心设备的实际利用效率，以最大限度地降低供电成本的投入；还能够对光伏出力波动进行平抑，减少电网被冲击的几率，对配电网消纳光伏的能力进行提高，极大地提升了供电的安全性和可靠性，确保综合能源系统的安全与稳定，也是新能源发电优势最为明显的一种表现。

通过储能系统的构建，势必会打破传统的电力模式，并且有效推动我国相关电力产业的长久发展。综合国内外众多的研究成果和相关资料，本文主要对目前应用的储能系统的优化配置方法等方面进行了探讨，利用模型预测控制技术，对热负荷用户需求和热电设备出力所出现的不确定性的问题进行分析和处理；通过结合相关数学模型以及数据所形成的函数关系对综合能源系统的各个部分进行了建模，并计算出目标函数[4]。

本文的创新点主要有：以综合能源配电网为背景，有机地结合储能系统技术运行优化，从而提出相应的储能系统优化配置的模型。光伏的发电系统和上级电网组成了供电单元，内燃机、余热和燃气锅炉共同组成供热单元，科学合理地将热电进行有机结合，从而搭建出每个单元的数学模型，将储能系统降低高峰负荷和提高低谷负荷的作用最大化，以确保综合能源系统供电的安全可靠性及可再生资源的利用效率；以模型预测控制思想为基础，优化热系统的运营，滚动优化和反馈纠正，对供热设备的处理和热负荷不确定性进行有效地降低，进而最大限度地降低供热系统运行成本；目标函数为储能系统使用寿命总成本最低值，最大限度地减小开支，计算得出最佳容量，并对比无储能系统的综合能源系统，对该项计划的科学性和合理性进行论证。

2 系统数学模型

图1是本文所提能源配电网模型。此综合能源系统可同时为客户提供电力和热力等多种形式的能源；配电网系统当中主要设置了储能装置、内燃机装置、燃气和余热锅炉以及客户端的光伏发电装置，储能装置削峰填谷的依据主要是分时电能价格，最终获得相应的经济效益。当客户端的负荷小于光伏设备和内燃机设备的电功率时，储能装置处于充电状态；反之储能装置处于放电状态。如电能存储量出现短缺，向上级电网进行交易采购。各个装置在长期运行的过程中需承担一定的维修成本，另外热负荷的供应主要是依靠内燃机的余热经由余热锅炉处理实现的，当出现短缺则由燃气锅炉进行补充。

图1 综合能源系统

核心设备：储能。充电、放电及停运等三种工况是配电网台区侧的主要运行工况。从网络当中将储能设备断开就是配电网台区侧的停运工况。储能设备连接网络并向其吸收或者释放功率，则是放电工况和充电工况；供热设备。作为重中之重的关键核心热电机组设备，内燃机的主要工作原理是通过相关设备燃烧燃料将热能转化为动能，以动能的形式进行发电。内燃机所生成的烟气等尾料余热经由余热锅炉处理之后用以供热，燃气锅炉提供热量也是通过燃烧燃料的方式。

约束条件：功率平衡约束。储能装置充放电周期的设定必须要兼具科学性和合理性，且要保证在一定周期内的电能吸收和释放要维持平衡的状态，以防止由于储能时间过长而出现损失所存储能量的情况，还能避免由于存储容量过大而出现的成本增加的情况。设备运行约束。全部的设备都要限制电压和功率，以确保电力设施运行的安全性、稳定性及延长使用周期。同时还要尽可能地避免储能设备过充电或过放电情况，并限制储能装置的荷电情况，以最大限度地延长储能装置的使用周期；潮流约束。

3 优化模型

面向综合能源配电网的储能系统优化配置方法主要划分为如图2所示的两个任务：对系统内部各个供热系统的出力情况根据热负荷的要求进行调整和控制，供热系统运行成本最低的情况设定为目标函数，以确保供热系统运行的经济性；构建储能系统优化配置模型，储能系统容量的确定要以出入的设备参数指标和分时电能价格为基础，全部使用寿命的总体成本最低设定为目标函数。

图2 综合能源配电网的储能优化

3.1 热系统运行优化

在综合能源配电网系统当中，用户所使用的电能很大程度上受到热负荷和燃料价格等多种不确定因素的影响，特别是导致负荷大幅度波动的电制热技术，严重地影响了储能系统的配置。所以，有效地结合热能调度方案和储能系统综合制定的方案是摆在综合能源配电网系统面前亟待解决的问题。作为一种对诸多不确定因素优化处理的有效方法，模型预测控制不仅是解决问题的得力方法，而且还兼具抗干扰能力和鲁棒性较强的优点。

模型预测控制的主要理论是以机组的特性方程建立模型，初始状态为当前时间值，进行预测、优化和反馈纠正。本文所述模型调度时长为1小时，短时间预测系统内部内燃机、余热和燃气锅炉的出力情况，反馈量为由于热负荷需求而导致的扰动偏差值，对其进行滚动优化，以获得当下和未来时间内的状态量，保证机组的出力按照预设方向发展，进而获取最佳变量，优化热系统的运行状态。

对于内燃机设备、余热和燃气锅炉设备在内的热负荷网络系统为采样对象，在规定的采样时间内，初设状态设定为内燃机设备、余热和燃气锅炉设备及热负荷t0时间初始测量值，以此建立功率状态向量；按照热功率平衡的要求，目标设定为机组设备最少成本下的运行状态。再对于当前时间众多不确定因素进行综合考虑和分析，反馈量设定为实际状态和预测状态的偏差，初始数值设定为当前时间内的实际状态，对其进行在线滚动纠正，最大限度地降低偏差量；对于内燃机设备、余热和燃气锅炉设备在24小时内的功率输出进行确认，以保证热系统调度的最佳状态和优化运行。同时对内燃机设备的电功率进行确认，再综合考虑其他设备对综合能源配电网储能系统进行优化配置[5]。

3.2 储能配置优化

综合能源配电网系统模型当中引进分布式光伏发电系统，结合储能系统对于配电网的节点电压等进行综合考虑和分析，以获得继续预测出力的数据信息。目标函数C 设定为全部使用寿命时间内的总成本投入，包含建造、运行和维护成本总投入。储能系统工作收费标准按照功率执行；若用户负荷需求小于光伏发电系统和内燃机系统发电量，储能系统负责储存过剩电能，此时收取费用为租赁费用；若电能余量不充分，储能系统负责和电网按照分时电价交易获取电量，储能系统设置为购电为正，送电为负。

利用CPLEX 技术建模，对计算方法和结果进行优化，可得没有储能系统的使用寿命周期内的最低成本投入为3.4988×107＝374.3716元，综合考虑和分析辖区内光电互补、储能平衡的综合能源配电网设计容量，确保资源利用率和经济效益的最大化，最大限度地降低运行成本投入。有储能系统的建造成本投入和维护成本较无储能系统的要高，主要是由于储能系统成本的投入。但有储能系统的运行成本较低，主要是由于是资源利用率较高，对分布式光伏和内燃机设备电能充分存储，而且光能和电能能够实现互补，无需支出购买大量电能的费用。以长期的运行利益综合考虑，储能系统的综合能源配电网的经济效益更优，不仅大量使用了清洁能源，实现资源高利用率和环境友好，而且对于落实可持续发展和能源的梯级利用走着促进作用。

对于电能源的储存和转移，储能系统有着明显的优势，不仅解决了诸多的传统问题，而且大大提升了配电网运行的安全性、灵活性和稳定性。将光伏储能系统引入综合能源配电网，除能对光伏出力进行平抑之外，还能够削峰填谷，对配电装置的升级改造进行最大程度的延缓甚至是取消，以确保供电的安全稳定性。经过合理设计配置的储能系统，可有效地保障综合能源配电网实现多能源互补。

综上，本文所述基础为模型预测控制思想，进而有效的提升配网热系统中的经济性能，再将目标函数设定为使用寿命全周期内的总成本投入，通过优化计算从而得出最佳的系统容量，同时通过建立该模型并对其的经济效益有效分析，进而得出该系统研究的重要价值以及意义。随着经济的发展和科技的进步，光伏发电和储能系统都在快速发展，国家对于光伏和电网电价进行持续性的调整，逐渐降低了储能系统的费用，进而严重的冲击了传统单一的电力模式，并且还有效地降低了无储能系统建造以及电力系统的相关维护成本，总之，该储能系统必将会成为为我国未来分布式能源发展过程中的重要力量。