2023分布式光伏儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置方法

分布式光伏儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置方法引言經(jīng)過多年建設，我國農村電網(wǎng)已覆蓋絕大部分鄉(xiāng)村。但隨著我國城鄉(xiāng)社會經(jīng)濟的發(fā)展，農村電氣化水平不斷提升，農電負荷不斷增加，現(xiàn)有農村電網(wǎng)電能質量常常不能滿足用戶需求，其中的低電壓問題亟待解決。目前國內已針對配電網(wǎng)的低電壓問題開展了較多研究。廣泛采用的方法是采用無功補償?shù)姆椒ń档拓摵傻臒o功消耗以此來抬升電壓[1]，但對于重負荷和饋線較長的情況，無功補償調節(jié)能力有限，不能從根本上解決低電壓問題；此外，還有在低壓側饋線末端加裝調壓器的方法，其本質是增加了一臺小變比變壓器。當負荷變化較大時，其調壓范圍也難以滿足需求。近年來，分布式光伏和儲能已開始大規(guī)模應用。在配電變壓器低壓側加裝分布式光伏和儲能將是調節(jié)配電網(wǎng)電能質量的一個好的方法。基于儲能提升配電網(wǎng)電能質量的研究方面，文獻[2]在考慮電能質量的同時，建立了配電網(wǎng)風–儲雙層配置模型，選擇考慮風電機組運行狀況的電能質量評估指標及計算方法，結果顯示風–儲的接入降低了總的運行成本，且提升了電網(wǎng)的電能質量。文獻[3]引入了模糊綜合評價法，在削峰填谷的同時，改善了配電網(wǎng)電壓質量和經(jīng)濟收益，從而建立了雙層優(yōu)化模型。文獻[4]針對低壓配電網(wǎng)絡中的電壓控制問題，提出了一種多電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調控制方法。結果表明，所提出的協(xié)調控制方案能夠更均勻地使用儲能，從而在電池更換次數(shù)和維護次數(shù)兩方面降低了存儲運營商的電池更換成本。[6]比較了在多[7]以居民用戶和企業(yè)用戶為研究對象，探討用戶不同用電模式、有無儲能系統(tǒng)對使用光伏的用戶產生的影響。文獻[8]以制定光伏–儲能系統(tǒng)策略為目標，建立了整個系統(tǒng)的成本收益模型、全生命周期模型。盡管電壓調節(jié)可以通過無功補償來完成，然而對于低壓農網(wǎng)來說，有功損耗是導致這一低電壓的主要原因，采用無功補償方式效果不佳，并且實際生產使用的分布式光伏通常只提供有功的輸出[9][10]。我國農村幅員遼闊，用電負荷具有小型、分散的特點。典型農村自然村落的住戶分布如圖1所示。可把所有住戶分成AB1000500m以上[11][12]。對于這類農村村落，供電公司采用的供電方案是：采用10kV線路給全村供電，配電變壓器旋轉在村落的負荷中心，即A類住戶的中心，然后降壓為220V，進而輻射給各用戶供電。Figure1.Thehouseholddistributiondiagramofatypicalruralnaturalvillage圖1.典型農村自然村落的住戶分布示意圖由上可見，國內外對配電網(wǎng)采用光伏和儲能具有不同的目標。城市電網(wǎng)中，利用風光、儲能構建主動配電網(wǎng)，是新型電力系統(tǒng)的重要手段。但在農村電網(wǎng)中，以低電壓治理為目標的應用，尚缺乏深入研究。農村電網(wǎng)的低電壓治理其核心在于其技術經(jīng)濟指標如何設計以使得電能質量的投資成本能夠快速收回，從而使其具有可行性[13]。基于此，本文以光伏–儲能系統(tǒng)建設整個周期的經(jīng)濟收益最大化為目標函數(shù)，通過蟻群算法優(yōu)化在光伏接入配電網(wǎng)不同位置時的儲能容量，在保持原有配電網(wǎng)結構和補償設備不變的情況下，實現(xiàn)改善低壓農網(wǎng)質量的目的?；诠夥C儲能的低電壓治理模型基于光伏–儲能的低電壓治理方案485通信總線組成，整個系統(tǒng)的原理圖如圖2所示[14]。面向低電壓治理的光伏–儲能配置目標函數(shù)安裝儲能系統(tǒng)能最大程度實現(xiàn)光伏電力就地消納，余電并網(wǎng)可增加農戶經(jīng)濟收益，構建光伏–儲能系統(tǒng)建設安裝–運行維護–退役整個周期的經(jīng)濟收益模型[15]。目標函數(shù)為：Figure2.Schematicdiagramofphotovoltaicenergystoragesystem圖2.光伏儲能系統(tǒng)原理圖其中，RT為發(fā)電收益：其中：

maxfYYn1RenSanPun

(1)(2)(3)nSan為自用電為多余電量并網(wǎng)收益費用。其中，系統(tǒng)投資總成本CTCICOMCR式中：CI為初始投資成本；COM為維護更換成本；CR為退役成本，單位均為元。CICPVCBSSCPVCBSS是儲能系統(tǒng)初始投資成本，單位均為元。88CVaii1

(4)(5)(6)式中：Pa是光伏峰值時的功率，W；C1~C8表示輔件、組件、支架、系統(tǒng)逆變器、系統(tǒng)匯流箱、計量裝置、安裝和并網(wǎng)的單位成本，元/W。CBSSCstorE式中：Cstor是儲能單位容量的成本，元/(kW?h)，E是電池容量，kW?h。M20VSSEC

(7)(8)式中：OPV為光伏全年維護所需成本；OBSS為儲能全年維護所需成本；ERC為整個系統(tǒng)更換一次所需成本。為退役成本系數(shù)。約束條件

CRC1

(9)[16]潮流平衡約束ΔP Pess

P

Pcal

(10)bus bus,m G bus busΔQ Qess

Q

Qcal

(11)bus bus,m G bus bus

為節(jié)點的有功、無功不平衡量；Pess

、essbus,、

為儲能裝置的有功、無功容量；PG、bus,mQPlood、QloadPcal、Qcalbus,mG功率。網(wǎng)絡功率平衡約束

bus

bus

bus

bus

(12)

為節(jié)點注入有功，kW

為總的有功，kW

為整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡損耗，kW。儲能系統(tǒng)運行平衡約束

essbus,m

sΔt0

(13)essbus,m

ss為相應階段s的充放電功率，對于整個階段，儲能充、放電量保持平衡。s節(jié)點電壓約束

UminUiUmaxminimax

(14)(15)式中：Umin、Umax為節(jié)點電壓Ui的下限與上限；min、max為節(jié)點電壓i的相角下限與上限。基于改進蟻群算法的模型求解路上，迭代到一定程度時，最優(yōu)覓食路徑被找到[17]。本文對傳統(tǒng)蟻群算法中的期望因子改進，即：a,0nn0

(16)b,n0nnmax式中：a<b，nmax為最大迭代次數(shù)，采用改進蟻群算法求解分布式儲能系統(tǒng)的最優(yōu)選址與定容的流程如下：設定網(wǎng)絡結構參數(shù)、儲能參數(shù)，確定目標函數(shù)，調節(jié)因子等參數(shù)。初始化信息素濃度。由信息素濃度，確定下一個路徑轉移的概率。更新信息素，重新計算每一條路徑上的目標函數(shù)。最優(yōu)解即為所有目標函數(shù)值中的最短路徑。圖3所示。Figure3.Operationflowchart圖3.操作流程圖算例IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)作為算例413-333個，儲能電池選擇低成本、長壽命、高安全、高能量密度10kW~10kWh2為EPV為光伏單位容量成本，VEBSS為儲能單位容量成本，元/kWh。20220V7%DG后儲能的選址定容情況以及對農村電網(wǎng)低電壓問題的改善情況。對當?shù)貙嶋H歷史光伏數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，選取可用的樣本數(shù)據(jù)，選取原則是波動頻率高、波動范圍大，最終選取的光伏日出力曲線如圖5所示[19]。DG0.9634的接入位置如表3有代表性的配電線路的前端、中部、中后部和末端[20]，仿真結果見圖6、圖7和表4所示。19 20 19 20 21 223 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 16 171 226 27 28 2930 31 32 3323 24 25Figure4.PowerdistributionsystemofIEEE33nodes圖4.IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)Table1.BranchparametersofthedistributionnetworkofIEEE33nodes表1.IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)支路參數(shù)節(jié)點i節(jié)點j節(jié)點j負荷/kW支路ij阻抗/Ω129+j40.4930+j0.25112312+j80.3660+j0.1864346+j30.3811+j0.1941456+j20.8190+j0.70705620+j100.1872+j0.61886720+j100.7114+j0.2351786+j21.0300+j0.7400896+j21.0440+j0.74009104.5+j30.1966+j0.065010116+j3.50.3744+j0.123811126+j3.51.4680+j1.1550121312+j80.5416+j0.712913146+j10.5910+j0.526014156+j20.7463+j0.545015166+j21.2890+j1.721016179+j40.3720+j0.57401189+j40.1640+j0.156518199+j41.5042+j1.355419209+j40.4095+j0.478420219+j40.7089+j0.93732229+j50.4512+j0.3083222342+j200.8980+j0.7091232442+j200.8960+j0.70115256+j2.50.2030+j0.103425266+j2.50.2842+j0.144726276+j21.0590+j0.9337272812+j70.8042+j0.7006282920+j600.5075+j0.2585293015+j70.9744+j0.9630303121+j70.3105+j0.361931326+j40.3410+j0.5362323310+j60.0922+j0.047Table2.ParametersofPV-energystoragesystem表2.光伏–儲能系統(tǒng)參數(shù)要素 數(shù)值單塊組件容量 365W總裝機容量 10kW光伏單位成本 3.5元/W年均維護成本 1%PaEpv充放電深度(x) 90%~100%放電效率(D) 90%儲能單位成本 400元/kWh年均維護成本 1.5%VEBSSFigure5.PVsunriseforcecurve圖5.光伏日出力曲線Table3.ChangeofaccesspositionofDG表3.DG接入位置的變化case12345DG接入節(jié)點無381318接入位置無前端中部中后部末端DG3DG3813181.061.041.02電壓標幺值1電壓標幺值0.980.960.940.920.90 5 10 15 20 25 30 35節(jié)點編號Figure6.Voltagedistribution圖6.電壓分布情況系統(tǒng)平均電壓偏差0.06系統(tǒng)平均電壓偏差0.040.020

無DG3

13 18DG接入位置Figure7.Averagevoltagedeviation7.平均電壓偏差情況Table4.Energystorageconfigurationresults表4.儲能配置結果節(jié)點(容量)節(jié)點(容量)節(jié)點(容量)Case12(20)8(37)12(10)Case23(14)11(30)16(7)Case34(12)7(26)17(5)Case45(8)12(20)16(4)Case55(7)12(18)16(3)注：()內為該接入該節(jié)點的儲能容量(單位：kW)。的接入位置對電壓的改善情況以及儲能的選址DG由7DGDG配置在配電線路的中后部，有利于改善末端的低電壓問題以及減小平均電壓偏差。在系統(tǒng)整個生命周期內，光伏系統(tǒng)的逆變器更換2次，匯流箱更換1次，計量裝置更換1次，儲能電池更換2次[21]。光伏組件回收價格為初始價格的40%。規(guī)劃周期為20年的總收益對比如表5所示。Table5.Economiccomparison(Unit:Yuan)