含分布式電源與儲能的配電網擴展規劃方法研究

王優胤，曾輝明，商文穎，鄧鑫陽，盧天琪

(1.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015；2. 國網遼寧省電力有限公司計量中心，遼寧 沈陽 110186)

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應用研究

含分布式電源與儲能的配電網擴展規劃方法研究

王優胤1，曾輝明2，商文穎1，鄧鑫陽1，盧天琪1

(1.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015；2. 國網遼寧省電力有限公司計量中心，遼寧 沈陽 110186)

隨著配電網中分布式電源與儲能的接入，給配電網的規劃帶來了新的問題。當前研究中較少涉及分布式電源、儲能及配電網線路的聯合規劃方法，為此提出了一種配電網兩層擴展規劃方法。首先，建立了分布式電源與線路聯合規劃的混合整數線性模型，考慮了投資費用、運行費用、網損費用及負荷增長等因素。然后，根據儲能在配電網中的運行特點和作用，基于傅立葉頻譜分析理論，分別提出了配電網中儲能的集中與分布式規劃策略。以某18節點的配網結構為例，分析所提兩層規劃方法的有效性，算例結果表明：分布式電源的引入有利于降低配電網投資與運行總成本，頻譜分析理論可以為儲能規劃問題提供有效的解決方法。

配電網；分布式電源；儲能；擴展規劃；傅立葉頻譜分析

分布式電源發電有著顯著的經濟效益與環保效益，促進了其在配電網中的廣泛應用。分布式電源的引入也給配電網的規劃與運行問題帶來了新的挑戰[1-2]。國內外學者已對配電網的擴展規劃問題開展了較多的研究[3-5]。文獻[6]探索了分布式電源的規劃決策方法。文獻[7-8]在現有配電網結構下提出了分布式電源規劃方法。然而，對配電網的擴展規劃與分布式電源規劃的聯合規劃問題的研究還相對較少。

為此，本文提出一種考慮分布式電源接入的配電網聯合擴展規劃研究方法，可以彌補兩者獨立進行規劃帶來的一系列缺點。

儲能設備主要用于平衡分布式風電、光伏的波動功率，在配電網規劃以及智能電網建設中受到越來越多的重視。然而其能量存儲特性與分布式電源的運行特性差異較大，難以采用已有的分布式電源的規劃建模方法進行研究。為此，本文基于傅立葉頻譜分析技術，提出一種配電網中儲能的規劃方法。

綜上，本文提出了一種考慮分布式電源與儲能的配電網的擴展規劃方法，采用了兩層規劃策略。首先建立分布式電源與配電網的聯合擴展規劃模型，然后在分布式電源規劃結果的基礎上，基于傅立葉頻譜分析理論，建立儲能的規劃模型。

1 分布式電源特性分析

1.1 分布式風電

分布式風電的主要成本為一次投建費用，維護費用較小，運行費用幾乎為零。風力發電機端輸出的功率隨著風速的變化而變化，風速的概率密度函數一般采用威布爾分布函數。

1.2 分布式光伏

目前太陽能的利用技術可分為光熱發電技術與光伏發電技術。配電網中主要采用的是分布式光伏發電技術。其主要成本來自于一次投建費用，維護費用較小，一般不考慮其運行費用。分布式光伏出力由光照強度決定，光照強度的概率密度函數一般采用Beta函數。

2 含分布式電源的擴展規劃建模

2.1 目標函數

本文建立的分布式電源及配電網線路的聯合擴展規劃模型以總費用的現值最小為目標，目標函數為

(1)

固定成本的計算需要根據設備的總投資成本與設備的使用年限，折算為規劃年的投資成本。包括新增饋線的投資成本與新增分布式電源的投資成本：

(2)

配電網運行消耗一次能源費用包括分布式電源的發電成本與配電網從大電網購電的費用：

(3)

總維護費用主要包括各階段饋線、分布式電源以及儲能設備的維護費用：

(4)

線路損耗費用與負荷停電損失費用分別如式(5)、(6)所示：

(5)

(6)

線路損耗費用的非線性形式可采用分段線性化來近似處理。

2.2 約束條件

規模中需要考慮的約束條件包括元件容量約束、系統運行約束、輻射網絡約束等。求解上述優化問題即可獲得分布式電源與線路的逐年規劃方案。

3 基于傅立葉頻譜分析的儲能規劃

3.1 儲能運行特性分析

由于分布式風電、光伏電源出力具有較大的隨機性和波動性，疊加系統負荷曲線后，使得總凈負荷曲線也具有較大的波動性。儲能設備主要通過循環充放電方式吸收系統中的波動功率，降低風電、光伏及負荷功率的不確定性對系統運行的影響。

從頻域角度分析，凈負荷功率曲線中包含了不同頻率的波動量，其中低頻分量反映晝夜、工作日及季節等因素的變化特征，這部分負荷波動主要通過調整系統的運行方式進行應對；而高頻分量則對應了新能源和負荷的隨機波動性，這部分功率波動可由儲能設備進行平衡，從而降低風電、光伏的波動性對配電網的影響，提高配電網的電能質量。因此，基于傅立葉頻譜分析法建立配電網中的儲能容量規劃模型。

3.2 基于傅立葉變換的儲能容量規劃

傅立葉變換公式：

(7)

A(k)=|F(k)|

(8)

由于儲能的作用是平抑凈負荷功率波動中的高頻部分，因此，為了提取凈負荷曲線頻域中的高頻部分，令低頻波動分量部分為零，即：

F[1]=F[2]=…=F[m]=0

(9)

通過離散傅立葉反變換得到需要由儲能設備來平衡的凈負荷高頻分量曲線：

(10)

根據凈負荷高頻分量曲線可以獲得儲能的最大充放電功率、累積荷電狀態，得到荷電狀態曲線上的最大值與最小值之差即為儲能的規劃容量CES。

儲能位置的選擇可以采用集中式規劃和分布式規劃兩種策略。集中式規劃策略：安裝在配電網饋線的首段，即變電站節點上。分布式規劃策略：由于分布式風電、光伏是主要的波動功率來源，因此，將儲能設備分別安裝在各個風電和光伏電源的節點上，容量分配原則為按各分布式電源出力曲線中的高頻分量含有率進行分配：

(11)

4 算例分析

4.1 算例分析

我國大部分地區的配電網結構以輻射型為主，本文以圖1所示的配電網結構為例進行算例分析。

圖1中節點1為變電站節點，節點5、8、13為可以規劃分布式風電的節點；節點12、14、17、18為可以規劃分布式光伏的節點；節點4、16為可以安裝微型燃氣輪機的節點。

規劃模型中的相關參數設置如下：規劃年限為10年；規劃期內年利率的取值為0.08；負荷年增長率取4%；將年負荷曲線分解3個水平，負荷率分別為0.95、0.8、0.7，對應的小時數分別為2 000 h、5 760 h、1 000 h。各分布式電源的規劃參數如表1所示；線路參數如表2所示。線路2的電阻與投資費用參數與線路1相同，線路5、6、16、17、18的電阻與投資費用參數與線路4相同，待選線路12、13、14、19、20、21、22的電阻與投資費用參數與線路11相同，待選線路以外的線路也可根據配網運行需求進行擴建。

表1 分布式電源規劃參數

表2 線路規劃參數

4.2 分布式電源與線路的規劃結果

針對圖1所示算例，采用本文提出規劃模型求解得到的含分布式電源與線路的規劃結果為：第1年投建了線路11、13、19和20，保證線路的節點12、13、17、18與配電網的聯通性，并擴建了線路1，即在線路1旁增加了一條并聯線路，提高了該支路的傳輸容量。由于考慮了負荷增長因素，第3年擴建了線路3；第5年擴建了線路2、7、15；第8年擴建了線路8。分布式電源規劃情況如表3所示。

表3 分布式電源容量規劃結果

從表3可以看出，分布式風電與光伏電源在前兩年內均規劃完成。由于微燃機運行過程中存在一定的燃料成本，因此，規劃方案未選擇投建微燃機。

4.3 儲能規劃結果

根據歷史數據模擬一段時間內配網的凈負荷數據，本文以一典型周為例，進行儲能容量規劃分析。典型周內的凈負荷曲線與利用傅立葉變換獲得的低頻分量和高頻分量如圖2所示，其中低頻分量為周期大于0.25天的頻譜分量的集合；高頻分量為周期小于0.25天的頻譜分量的集合。

針對凈負荷曲線頻域中的高頻部分，根據3.2節提出的儲能容量規劃策略，計算得到總儲能規劃容量為230 kWh，最大充放電功率分別為280 kW與248 kW。當采用集中式規劃策略時，將總儲能容量安裝于節點1上即可。

圖2 典型周凈負荷功率分解示意圖

當儲能采用分布式規劃策略時，各節點分布式電源出力的高頻分量含有率和儲能規劃容量如表4所示。由于分布式風電出力的波動性一般大于分布式光伏，使得前者的高頻分量含有率大于后者，因此，分布式風電電源所在節點處的儲能規劃容量一般大于光伏電源所在節點。

表4 分布式電源出力的高頻分量含有率

5 結束語

本文根據分布式電源與儲能運行特性的不同，提出了一種配電網兩層擴展規劃方法，能夠獲得配電網規劃的最優方案。在分布式電源規劃結果的基礎上，根據儲能的運行特點，提出了一種基于傅立葉頻譜分析理論儲能的規劃模型，為配電網中儲能規劃問題提供了有效的解決方法。

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Expansion Planning Method of Distribution Network Considering Distributed Generators and Energy Storage

WANG Youyin1, ZENG Huiming2, SHANG Wenying1, DENG Xinyang1, LU Tianqi1

(1.State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute, Shenyang, Liaoning 110015, China;2. State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Metering Center, Shenyang, Liaoning 110186, China)

Integration of distributed generators (DG) and energy storage arises new challenges to the planning problem of the distribution network.Currently less study has involved the joint planning method of distributed generators,energy storage and distribution network.A two-layer expansion method for distribution network are proposed in this paper. Firstly,a joint planning model of distributed generators and distribution network lines are presented,which takes into account the investment cost,operating cost,network losses,as well as the load growth factor.Secondly,considering the operating characteristics of the energy storage in distribution network,we propose centralized and distributed planning strategies for energy storage based on the theory of the fourier spectrum analysis.Test is done on an 18-bus distribution network.The two-layer method is proved effective.Numerical results show that the introduction of distributed generation into the distribution network helps to reduce the total investment and operation cost.Spectrum analysis theory provides an effective solution to the planning issue of energy storage in distribution network.

distributed network; distributed generator; energy storage; expansion planning; fourier spectrum analysis

TM715

A

1004-7913(2017)05-0010-04

王優胤(1988)，男，碩士，工程師，現從事電網規劃工作。

2017-03-01)