新型电力系统背景下交直流储能系统在配电网规划中的应用研究

曾 琴 樊宇航 周 玲

（1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司 2.南方电网能源发展研究院有限责任公司 3.国网四川成都供电公司）

0 引言

新型储能是一种非常重要的技术，能够为智能电网和再生能源系统打下重要的基础，将在"互联网+"智慧能源中发挥不可或缺的作用。2022年，国家发展改革委和国家能源局联合印发了《“十四五”新型储能发展实施方案》，其中新型纯能主要包括电化学储能、抽汽蓄能［1］、压缩空气储能［2］、飞轮储能［3］、氢储能［4］、热（冷）储能［5］等。在城市电力系统领域，先进的能源储存技术显示出显著的潜力，可有效进行负荷管理、降低电网昼夜波动、调节电能需求。这不仅有助于提高电力设备的运转效能，降低供电成本，同时也作为推动可再生能源整合、加强电力系统运行的关键手段，对于构建卓越的环保电网具有重要意义。

随着直流用电设备的普及，直流负荷在负荷侧不断增加，而交流电网面临着电能质量问题和无功功率损耗的挑战，需要配置相应的无功补偿设备，这进一步导致了额外的投资成本。与交流电相比，直流电的储存更为便捷，而新型的混合交直流储能系统以储能设备为核心单元，有助于提高系统响应速度［6-9］。分布式新能源作为直流设备可以直接接入直流配电网，从而避免了逆变型电力电子设备的需求，降低了系统的复杂度，提升了整体系统的稳定性。电力电子变压器和直流断路器的创新进一步提升了能源变换效率和可靠性，为新型基于储能模块的混合交直流配电网的进一步发展奠定了坚实基础。新型混合交直流储能配电网系统采用大数据平台进行全方位的管理，以实现多种能源的有机互补。基于储能模块构建的新型混合交直流配电网物理结构，为分布式能源和电动汽车的灵活接入提供了坚实基础，并可以提供高质量、高可靠的能源供应服务。

1 新型交直流储能系统构架模型

1.1 新型交直流储能系统物理架构层

构筑新一代新型交直流配电网能源互联网系统，以创新的能量存储组件为核心构建单元，实现风力、太阳能等再生能源的灵活、有序引入，充分挖掘分布式能源资源，以优化整体能源使用效能为目标。在电力需求高峰时段，通过智能地将地下热能和废热有效转化为制冷效能，巧妙地减轻空调系统负荷，取得了明显的节能减排效益［10-11］。新交直流储能系统的物理基础层，作为保障地区能源高效运行的核心，是进行多能源高效转化和优化调度的实际执行平台。其具体的物理基础架构如图1所示。

图1 物理架构层

1.2 数学模型目标函数

搭建一体化的能源智能网络，实现分散式能源的弹性接纳和能源的高效利用。引入新颖的储存单元在交直流电配送网络技术上的创新解决方法，显著提高区域电压水平，确保可再生能源得到完全融入，增强电力供应的稳定性，减缓输电线路能耗和用电费用。基于资源的自然属性构建数学模型，其优化目标是综合考虑园区能源资源的建设和运行成本。决策因素主要包括起始建设支出和后续运行成本。具体而言，数学模型的函数形式如下（见式（1））。目标函数的最优判据是使数学模型目标函数F达到最小值。在式（1）中，F表示园区能源资源建设和运行成本最优，因此目标经调整决策因素，即初始建设和运维投资，使得F的值最小化。这意味着通过优化投资和维护成本，使系统在建设和运行方面达到最经济和高效的状态，实现能源互联网多能互补信息系统的最佳性能。

式中，FGird为交直流电网的投资维护成本；FEV为充电设施的投资维护成本；FES为新型储能设施的投资维护成本；Fchр为分布式能源系统的投资维护成本。

具体计算如式（2）。

式中，ψ为交直流配电网园区能源站合集；为单元i的交直流配电网的总容量；为单元i的充电设施的总容量；为单元i的新型储能设施的总容量；为单元i的分布式能源系统的总容量；δ1、δ2、δ3、δ4为各系统投资年化的系数；vGird、vEV、vES、vchр为各系统单位容量的建设成本；τGind、τEV、τES、τchр为各系统单位维护运维成本。

1.3 约束条件

在园区电网系统的设计和运行中，除需满足传统电网对电压、电流、有功和无功功率的限制外，还需满足交直流电网平衡要求。约束条件包括：

式中，Pci为注入交流侧的有功功率；Pcdci为注入直流侧有功功率；Plossi为有功损耗。

假设存在ndc直流节点，第i个直流节点的直流电网注入功率模型可以用式（4）表示。

式中，Gdci为节点i和j之间的直流线路电导；Idci为第i个直流节点电流；Udci为第i个直流节点电压；Udcj为第j个直流节点电压，

1.4 新型交直流储能系统协调发展技术构架分析

在规划方面，基于园区资源特性，目标是高效吸纳新能源，提升整体能源利用效率。充分发掘微型能源系统与地域能源协同合作的潜能，通过智能融合多元能源协同系统，实现能源的协同补充和多层次利用，有效缓解能源波动［12］。先进的直流分布式电力网络技术框架构建在高度可信的基础上，采纳新颖混合式分布式电力系统，成功解决了电压波动和能源双向流动的平稳性问题。与传统电力网络相比，提升了系统的可靠性，支持多元用户主体参，进一步提高了运营效率和服务水平。引入10kV/±0.4kV两级主回路拓扑结构，搭建电能双向流动装置和分布式能源接入处理技术，以应对用户端分布式能源、电动汽车和电力电子设备的时间随机性和空间波动性特点。这一系统成功应对了分布式电源接入电网引发的电压波动问题，并在保持系统稳定性的同时，有效抑制了能源双向流动所带来的不平稳性问题。

2 实际算例分析

2.1 园区概况

在该地区，气候条件使得供暖期定于每年11月至2月，而供冷期则从5月一直延续至11月。该区域涵盖的产业领域广泛，包括高新技术制造、医疗设备生产、数据中心运营、金融服务以及教育科研等多个领域。总规划面积达到36km3，而初步地质探测显示，这片区域具备丰富的风能、光能，以及地热的资源，特别是在新能源方面有着独特的优势。目前，该地区正经历着开发的初期阶段，尽管开发强度相对较低，但新能源电动汽车和直流数据中心对直流电的需求逐渐攀升。未来，随着这一趋势的不断增长，能源耦合高效利用的前景显得异常广阔。负荷预测显示，未来的供热需求预计将达到300MW，而供冷需求则约为95MW。

2.2 高渗透率新能源系统协调规划方案

（1）新能源综合开发利用

在深入研究地区内新能源潜力的基础上，首选利用丰富的地热能资源，以满足当地在供冷和供热方面的日益增长的需求。此外，还计划引入电制冷技术，作为地热和传统燃气锅炉的有力补充，以更好地满足潜在的剩余供冷和供热需求。为了提高能源的利用效率，设计了一个创新的夜间低谷电储能机制。通过在夜间低电价时段进行电能储存，能够在白天高峰时段释放冷能，从而实现更为灵活和高效的能源利用。为了进一步提升系统的性能，还考虑配置先进的新型储能设备，以确保能源在供冷供热过程中的持续可靠供应。这一全面的供能方案不仅在技术上领先，而且非常适用于宾馆、医院等对供冷供热有着高要求的公共建筑。同时，强调了园区自身需求的重要性，特别是在决定采用浅层地热能供热方案时。这一方案的容量达到33.6MW，总供热比例达到11.3%。对于浅层地热能供冷，的装机容量将达到35.59MW，总供冷比例高达37.9%。通过这一多层次、多能源的综合供能系统，有信心为该地区提供可持续、高效且环保的能源解决方案。

（2）分布式能源系统配置

考虑园区能源需求和分布式能源机组特性，针对烟气型溴化锂制冷机组的应用优势显著，其制冷效能出众，具有低污染、高效节能的特点，并可有效利用余热。该机组不仅能够提供可靠的能源，而且在能源调控方面具备一定的灵活性，是一种高效且广泛使用的设备。为进一步提高能源利用效率，初步方案建议整合电制冷和水蓄冷机组，总装机53.42MW，占供能56.8%。采取电制冷和水蓄冷机组的优势主要体现在多个方面。首先，电制冷机组具有较高的能效比（2.6～3.8%），表现出能效较高的特点，这意味着在提供制冷效能的同时，能够更有效地利用能源，降低用电成本。其次，电制冷机组在调节能力方面表现出色，能够在负荷高峰期和负荷低谷期进行灵活的调节，从而更好地适应园区内用户的能源需求变化，提高能源的利用效率。另外，与其他制冷机组相比，电制冷和水蓄冷机组的经济性较好，能够在满足制冷需求的同时实现较低的运行成本。综合而言，电制冷和水蓄冷机组在能效、灵活性和经济性方面的综合优势使其成为园区能源规划中的合理选择。各类型制冷机组性能参数对比如下：热水型制冷+储能，能效比0.6～0.8%，此特点是能效较低、具备一定调节能力；蒸汽型制冷+储能，能效比0.8～1.4%，此特点转换简单、能效比一般；电制冷机+储能，能效比2.6～3.8%，此特点能效较高、经济性较差；溴化锂制+储能，能效比1.4～1.9%，此特点污染小、节能效率高。

（3）系统技术方案

考虑到高密度直流源负荷接入的实际情况，交直流混合配电网结合新型储能模块显示出较强的适用性，为新型配电系统的多层面状态监控提供了有效手段。在园区发展需求的考虑下，我们提出了一套系统配置方案。其中包括高压交流用户接入点4个，总容量20MW；中压直流电网接入点1个，总容量15MW；低压交流电压分布式配置容量10MW，可接入约1500户；储能容量2MWh，共12台设备；汽车充电桩20个。详细的系统框架图可参考图2。

图2 新型交直流储能系统框架图

2.3 高供电可靠性、经济、社会效益分析

新型混合电力系统结构多样，提升了交流系统可靠性，解决了功率不平衡问题。在电网侧，深度挖掘信息系统数据，关注提高实际转供电率，解决环网瓶颈；用户侧采用先进直流配电技术，可以提高供电可靠性。年均停电时间不超过0.5min，确保国际领先水平的供电可靠性。

园区供能技术方案如表1所示。园区能源供给策略为配置两台2.85MW大温差离行式机组通过优化运行参数降低能耗，搭配3500m³储能设备，夜间蓄冷满足夏季高峰负荷25%，降低总装机容量和运行费用。地热供热成本最优，为传统燃气锅炉的70~80%。经济效益方面，如表2所示，新方案比传统方案节省约4000万元。而在社会效益方面，新方安的颗粒固体排放几乎为零，二氧化碳减少约40%。

表1 供能技术方案

表2 两种方案费用对比

3 结束语

新型交直流储能系统技术方案以新型储能模块为核心，通过提高供电可靠性、降低线路损耗和用电成本等多方面的优势，取得了显著的经济和社会效益。通过实际示范项目的运用，成功提升了园区电压质量，满足了清洁能源充分消纳的需求，降低了系统整体能耗。在经济方面，相较于传统方案，新方案经济性更高。社会效益方面，采用清洁能源及地热供能方案显著降低了排放物，减少了用地需求，提高了供电可靠性，有效降低了企业和用户用能成本，提高了园区能源互联网的利用效率。因此，新型交直流储能系统技术方案在电力系统中的广泛应用具有可行性，有望成为推动清洁、低碳电力行业发展的关键引擎。