儲(chǔ)能系統(tǒng)研究的課題背景和研究意義

1、主動(dòng)配電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)研究的意義1.1課題背景和研究意義 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，以及人民生活水平的不斷提高，負(fù)荷曲線呈現(xiàn)的峰谷差越來(lái)越大，這也造成了電力系統(tǒng)供需不平衡現(xiàn)象。由于電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電和用電是連續(xù)進(jìn)行的，電能時(shí)刻都保持著平衡。高峰電力短缺給當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ詈彤?dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成了嚴(yán)重的影響，制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。相反，低谷負(fù)荷一方面給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制帶來(lái)了困難，另一方面也造就了資源的浪費(fèi)，系統(tǒng)中有大批的電力設(shè)備等閑置，沒(méi)有對(duì)這些設(shè)備的容量進(jìn)行充分的利用，導(dǎo)致了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性下降。當(dāng)然，系統(tǒng)中的也建有一些大型的調(diào)峰電廠和抽水蓄能電站，但此類調(diào)峰成本都比較高，設(shè)

2、備利用率低，資源浪費(fèi)，同樣也造成了發(fā)電成本的進(jìn)一步提高。 此外，隨著全球能源供應(yīng)的緊張和全球氣候的變化以及環(huán)境的污染，越來(lái)越多的國(guó)家認(rèn)識(shí)到新能源的重要性，都在大力發(fā)展新能源發(fā)電，尤其是風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等。由于太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等清潔能源發(fā)電由于其在開(kāi)發(fā)利用中對(duì)環(huán)境污染小和取之不竭的優(yōu)勢(shì)，受到了極大的關(guān)注。但是，可再生能源發(fā)電的功率輸出具有波動(dòng)性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，風(fēng)能和太陽(yáng)能受天氣條件和地理環(huán)境影響比較大，因此風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)也帶來(lái)不少缺陷。大規(guī)模的分布式發(fā)電并網(wǎng)，其過(guò)來(lái)輸出功率的波動(dòng)性嚴(yán)重威脅到了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，隨著風(fēng)電比重的增大，給電力調(diào)度部門加重工作，增加調(diào)頻調(diào)峰壓力，同時(shí)由于功

3、率和頻率的波動(dòng)性，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓質(zhì)量下降。另外，風(fēng)力發(fā)電的地區(qū)都相當(dāng)集中，我國(guó)的風(fēng)能資源主要分布在東部沿海和西部高原地區(qū)，由此也造成了因長(zhǎng)距離輸電帶來(lái)的運(yùn)行成本的增加。隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展和新能源發(fā)電規(guī)模的增加，為了改善風(fēng)電場(chǎng)的輸出特性，很多研究者在配網(wǎng)中配置儲(chǔ)能系統(tǒng)用于提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的能力。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以做到削峰填谷，即儲(chǔ)能系統(tǒng)在負(fù)荷低谷時(shí)吸收系統(tǒng)中多余的電能進(jìn)行儲(chǔ)存，在高峰負(fù)荷時(shí)把存儲(chǔ)的電能釋放供給系統(tǒng)負(fù)荷，有效的消除了晝夜間的峰谷差值，一方面保證了供電的可靠性和運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證了良好的電壓質(zhì)量，另外也解決了因高峰負(fù)荷需要的輸電線路投資大的問(wèn)題。 儲(chǔ)能方式按照工作原理的差異可分為機(jī)械

4、儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能以及化學(xué)儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能包括壓縮空氣儲(chǔ)能和抽水蓄能等，運(yùn)用最廣和技術(shù)最成熟的是抽水蓄能。抽水蓄能電站利用系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)的電能將水抽至上水庫(kù)，在系統(tǒng)電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)進(jìn)行發(fā)電。它將電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)的多余電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時(shí)期的高價(jià)值電能，不但能調(diào)峰填谷，還有較大的經(jīng)濟(jì)加重還適于調(diào)頻、調(diào)相，穩(wěn)定電力系統(tǒng)的周波和電壓，且常作為事故備用來(lái)使用。但是抽水蓄能受地形等天然條件的限制，而且建設(shè)周期也比較常，投資成本和運(yùn)行成本比較高，遠(yuǎn)距離也造成了輸電線路的網(wǎng)損比較高。傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。用電低谷，將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲(chǔ)起來(lái)，在用電

5、高峰，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒，內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電。但基于我國(guó)目前的能源和發(fā)電概況，不適合大規(guī)模的燃?xì)獍l(fā)電。 電磁儲(chǔ)能常見(jiàn)的儲(chǔ)能方式有超導(dǎo)線圈和超級(jí)電容器兩種。超導(dǎo)儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)體的電阻為零特性制成的儲(chǔ)存電能的裝置。但由于超導(dǎo)材料技術(shù)還不成熟，目前超導(dǎo)儲(chǔ)能還處于研究階段。電容儲(chǔ)能用電荷的方式將電能直接儲(chǔ)存在電容器的極板上， 充放電快，儲(chǔ)存的能量密度高?；瘜W(xué)儲(chǔ)能主要指蓄電池儲(chǔ)能，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）是用的范圍最廣的儲(chǔ)能系統(tǒng)，相比而言，BESS的優(yōu)勢(shì)在于一是成本較低，技術(shù)成熟，充放電倍數(shù)高，二是模塊性好，可作為分布式能量?jī)?chǔ)存裝置。電池電磁儲(chǔ)能系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)

6、電大規(guī)模并網(wǎng)儲(chǔ)能和調(diào)節(jié)的首要選擇技術(shù)之一。一般用于變電站的負(fù)荷平定（即削峰填谷）、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（穩(wěn)定電網(wǎng)）以及系統(tǒng)備用（起到旋轉(zhuǎn)備用和事故應(yīng)急備用），因此蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在主動(dòng)配網(wǎng)中有良好的應(yīng)用前景。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電等分布式發(fā)電接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外對(duì)此已經(jīng)有了廣泛的研究與應(yīng)用，采用機(jī)械儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)控制分布式發(fā)電并網(wǎng)穩(wěn)定性、電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量以到達(dá)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。風(fēng)能的隨機(jī)性和不確定性導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率波動(dòng)性很大，這給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制帶來(lái)了極大的壓力。因此，國(guó)內(nèi)外通常通過(guò)在系統(tǒng)中配置儲(chǔ)能系

7、統(tǒng)以抑制因天氣地形因素引起的波動(dòng)功率，從而到達(dá)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性安全性的目的。但是由于大規(guī)模儲(chǔ)能的成本比較高，因此通常優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略來(lái)到達(dá)儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)8基于白天放電夜晚充電而且一天只進(jìn)行一次充放電切換的運(yùn)行方式，對(duì)微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略進(jìn)行了研究和優(yōu)化，并給出了算法分析和優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)如何調(diào)度可獲得較大的經(jīng)濟(jì)收益。文獻(xiàn)9基于分時(shí)電價(jià)以系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)損耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，提出了含分布式電源和配置電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的主動(dòng)配網(wǎng)的最優(yōu)潮流模型。該儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型是建立在一天只進(jìn)行一次固定時(shí)刻的充放電切換，建立了儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)配合運(yùn)行損耗最小化模型。文獻(xiàn)10應(yīng)用電池荷電狀態(tài)（SOC）來(lái)表示電

8、池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量變化，對(duì)多并網(wǎng)點(diǎn)配網(wǎng)，基于SOC方式以最小配電網(wǎng)購(gòu)電成本為目標(biāo)，建立了含有包含可控和不可控分布式電源、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、需求側(cè)響應(yīng)等元素的主動(dòng)配網(wǎng)動(dòng)態(tài)最優(yōu)潮流模型。文獻(xiàn)11中考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電次數(shù)對(duì)電池壽命的影響，基于電池放電深度與使用壽命得出電池的等效運(yùn)行成本以年均最小成本為目標(biāo)函數(shù)對(duì)充放電策略進(jìn)行研究。本文主要研究?jī)?nèi)容本文的主要研究?jī)?nèi)容是中低壓配電網(wǎng)層次的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充/放電優(yōu)化問(wèn)題，以配置分布式電源和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的配電網(wǎng)為研究對(duì)象。本課題首先建立電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電模型，以配電網(wǎng)的潮流計(jì)算為研究工具，評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)隨機(jī)充放電對(duì)配電網(wǎng)的影響；進(jìn)而建立充放電優(yōu)化問(wèn)題模型，以線路

9、有功損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，計(jì)及節(jié)點(diǎn)功率平衡、節(jié)點(diǎn)電壓、線路視在功率、分布式電源的出力和儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電時(shí)段耦合約束，優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電行為，研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)充放電策略；最后，采用人工智能算法的改進(jìn)粒子群算法以及結(jié)合動(dòng)態(tài)調(diào)整罰函數(shù)求解多時(shí)段的大規(guī)模非線性規(guī)化問(wèn)題，并且以IEEE-33以及實(shí)際的主動(dòng)配網(wǎng)系統(tǒng)為算例，進(jìn)而驗(yàn)證所提的儲(chǔ)能系統(tǒng)模型和最優(yōu)充放電模型的合理性。本文一共分為 章，各章的主要內(nèi)容如下：第1章 ：主要介紹了所研究課題的選題背景和研究意義，綜述了儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及國(guó)內(nèi)外的充放電優(yōu)化模型研究現(xiàn)狀。最后，提出了本課題的主要研究工作。第2章 ：闡述了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，介紹了儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本原理和所提模型的各種等式和不等式關(guān)系。另外，介紹了基于粒子群算法的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題求解過(guò)程，綜述了基本粒子群算法的原理和一些因多時(shí)間斷面帶來(lái)的粒子群算法的調(diào)整和改進(jìn)。最后簡(jiǎn)單介紹了用罰函數(shù)求解有等式以及不等式約束條件的優(yōu)化問(wèn)題求解。第3章 ：本章提出了主動(dòng)配網(wǎng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型，以配電網(wǎng)系統(tǒng)有功功率損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，并且計(jì)及潮流約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、風(fēng)力發(fā)電機(jī)約束以及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)約束，進(jìn)而研究最優(yōu)充放電