雙碳目標下的電網共享儲能技術研究

冼鐘業，左 婧，萬中田，馬文琳，鄧奕星

(1.廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528200；2.廣東南海電力設計院工程有限公司，廣東 佛山 528200；3.國電華研電力科技有限公司，廣東 廣州 510030)

1 引 言

我國在2020年聯合國大會上提出中國將于2030年將碳排放量[1]達到峰值并于2060年實現碳中和。2020年12月在氣候雄心峰會上就雙碳目標[2]做出進一步規劃，作為全球最大的發展中國家，實現雙碳目標未來挑戰嚴峻。隨著我國國民經濟的不斷提升，電力設備逐年增多。配電網[3]作為輸電網與用電側的連接設備，在電力系統中起到的作用巨大。電力負荷[4]增長迅速，峰谷落差大等問題的出現，更是給配電網帶來“低電壓”“標準低”以及“聯系弱”問題。針對傳統配電網儲能技術中成本高技術落后的問題，提出高效簡潔的配電網共享儲能方法，成為整個電力行業都迫切需要解決的問題之一。

文獻[5]方法通過對配電網儲能運行狀態的分析，確定了配電網節點的儲能優先級；依據配電網電壓波動以及網損節點建立目標函數；使用粒子群算法優化配電網充放電功率，獲取儲能的最佳配置容量，實現儲能共享。該方法由于未能對配電網電力信號進行去噪處理，導致該方法無法處理的儲能充放電功率低。文獻[6]方法首先確定購電、網損、投資等成本指標，并建立配電網運行模型，依據時間尺度對模型進行計算；通過運行結果構建儲能選址定容模型，設定配電網節點電壓約束范圍，根據二階規劃算法實現儲能優化，完成儲能共享。該方法進行二階規劃時存在問題，所以該方法的共享效果差。文獻[7]方法依據條件的風險價值改進置信區間，通過供需平衡角度建立風險成本模型；使用定量評估法評價邊界的潛在損失；綜合配電網架構。建立安全與經濟性并存的儲能優化配置模型，實現對儲能的優化配置，完成儲能共享。該方法在進行潛在損失評估時存在誤差，因此，該方法的電網儲能共享性能差。

為解決上述配電網儲能共享過程中存在的問題，提出雙碳目標下的電網共享儲能技術研究。

2 配電網信號去噪

在對配電網儲能[8]資源進行儲能共享前，需要使用高斯濾波器對配電網中的噪聲信號進行去噪處理。

2.1 濾波器原理

高斯濾波器[9]在進行信號去噪時，通過高斯核函數對原始噪聲信號進行卷積，從而實現信號去噪。首先設定一維的高斯函數為g(t,σ)，表達如式(1)所示：

(1)

式中:σ為高斯函數的標準方差；t為卷積時間標記；exp為指數函數。利用上述高斯函數[10]對配電網噪聲信號進行卷積，結果如式(2)所示：

S(t,σ)=f(t)×g(t,σ)

(2)

式中；×為卷積運算符號；g(t,σ)為高斯濾波器；f(t)為一維函數；S(t,σ)為濾波結果。高斯濾波器能夠通過對標準方差的控制來調整噪聲信號[11]的平滑程度，實現配電網噪聲信號的去噪。

2.2 去噪算法

設定配電網的電力信號為f(m)，其中信號的采樣時間標記m，濾波權值用w(m,σ)，原始電力信號標記f0(m)，平滑去噪后的濾波器輸出標記fk+1(m)，窗口內權值標記wk(m+i,σ)，窗口長度用(2M+1)表示，通過計算可獲取信號在k+1次迭代后的濾波器輸出，過程如式(3)所示：

(3)

式中：i為常數；M為信號數量。當濾波器的窗口內權值為1時，通過濾波器對配電網電力信號進行平滑處理，保留未發生變異的電力信號[12]。通常情況下，由于配電網電力信號的位置與幅度是未知的，所以不能隨意更改信號權值，這時就需要利用導數運算方法修正濾波器權重系數，過程如式(4)所示：

(4)

2.3 信號標準差性能分析

由于電力信號在平滑去噪時，濾波器權重系數wk(m,σ)的高低，是通過電力信號一階導數與信號標準差σ之間的占比來決定的。因此需要通過恒定參數σ控制信號的迭代變異信息以及信號的平滑程度，過程中需要對濾波器各項參數進行數學推導，結果如下：

(2)當wk(m,σ)較小時，信號標準差小于信號一階導數，迭代后的信號以及迭代突變數據發生融合，增強電力信號噪聲。

(3)當wk(m,σ)為0時，信號[13]導數與標準方差大致相同，迭代突變信息留存較完整。

基于上述可知，信號標準方差取值的大小，能夠決定信號的去噪效果。

2.4 去噪流程

配電網電力信號去噪具體流程如下：

(1)對電力原始信號進行采樣處理。

(2)設定迭代次數。

(4)選取不同的信號標準方差對導數平均值進行計算，獲取信號濾波的權重系數。

(5)選取不同的信號標準方差對配電網電力信號進行平滑去噪，使用窗口模板計算信號關聯程度，過程如式(5)所示：

(5)

式中：fk+1(m)為信號的窗口關聯程度；i為常數。

(6)對迭代次數進行辨別，當k=K時，迭代結束，至濾波器[14]中輸出平滑后電力信號，完成配電網電力信號的去噪處理。

3 配電網儲能共享技術

3.1 確定等效集中儲能參數

由于配電網中各項儲能資源儲存位置分散利用率低，所以需要整合配電網各項儲能[15]資源。基于上述去噪信號獲取配電網的等效集中參數。

首先設定配電網儲能為SOC，初始儲能標記SOC0，儲能最大充電功率標記Pchmax、最大放電功率標記Pdismax，對配電網的充放電功率進行獲取，過程如式(6)所示：

(6)

式中：Pirate為第i種儲能的額定功率，kW；Pich為充電功率，kW;Pidis為放電功率，kW;Pallch為配電網總充電功率，kW;Palldis為總放電功率，kW;N為儲能總數量；fch、fdis分別為儲能函數。基于上述計算結果實現儲能的聚合，由于配電網中各項儲能的額定功率[16]充放電時長不同，所以需要對相對應的儲能參數進行表示，結果如式(7)所示：

(7)

式中：Pallrate為等效集中的儲能額定功率，kW;Sallrate為額定容量，kW·h;ηallch為集中充電功率，kW;ηalldis為等效風電功率；Pirate、Sirate、ηich分別為儲能i的額定功率、額定容量以及充放電功率。

在雙碳目標下，碳排放量[17]作為衡量共享儲能效果的關鍵指標，獲取過程如式(8)所示：

Q(t)=λPallrate

(8)

式中：λ為電網儲能的等效碳排放量系數；Q(t)為碳排放量，kg。

3.2 建立儲能共享模型

3.2.1 建立目標函數

由于配電網中各項儲能受電網削峰填谷以及電網壓力影響，所以需要基于電網的負荷波動以及電壓差建立共享儲能模型的目標函數，其中電網負荷波動[18]獲取過程如式(9)所示：

(9)

式中：K為電網負荷功率區間數量；Mj為功率區間j的負荷數量；Pjavrload為功率平均值；Pjess為儲能的總有功出力；Pavrload為配電網全時段功率平均值；fΔP為獲取的配電網全時段負荷波動。而配電網的電壓偏差則如式(10)所示：

(10)

式中：fΔU為配電網電壓偏差；R為配電網節點數量；Uji為負荷功率區間j的電壓幅值；Uexp為期望電壓。基于上述計算結果完成目標函數的建立，描述成minF=[fΔP,fΔU]形式。

3.2.2 約束條件

為規避儲能共享對配電網產生的影響，需要提出電壓范圍、儲能充放電功率以及二氧化碳排放量[19]范圍等相關約束條件。具體約束范圍如式(11)所示：

(11)

式中：Umin、Umax為配電網節點電壓上下限；-Pallrate、Pallrate分別為額定功率上下限；Qmin(t)、Qmax(t)分別為配電網二氧化碳排放量上下限。

3.3 儲能共享

3.3.1 建立模型

基于上述獲取的配電網[20]等效集中參數、建立的目標函數以及制定的約束條件，建立配電網的儲能共享模型，過程如式(12)所示：

(12)

式中：SOCgx為建立的配電網儲能共享模型。

3.3.2 模型求解

采用粒子群算法對配電網儲能共享模型進行求解，從而實現配電網的儲能共享。過程如下：

(1)采集配電網各項參數以及儲能參數并對其進行初始化。

(2)計算配電網儲能等效集中參數。

(3)預測配電網負荷數據、計算負荷功率并對比各時段配電網負荷功率占比。

(4)依據構建的共享模型，使用粒子群算法進行模型求解，輸出共享結果。

4 實驗結果及分析

為了驗證上述配電網儲能共享方法的整體有效性，需要對此方法進行測試。

分別采用雙碳目標下的電網共享儲能技術研究(本文所提方法)、基于網損靈敏度方差的配電網分布式儲能位置與容量優化配置方法(文獻[5]方法)、主動配電網中計及靈活性不足風險的儲能優化配置(文獻[7]方法)進行測試。

配電網儲能在共享過程中，充放電功率的高低、目標函數的大小以及共享性能的優劣都會給配電網儲能共享效果帶來巨大影響。將上述三項指標設定為測試指標，采用本文所提方法、文獻[5]方法以及文獻[7]方法進行儲能共享時，完成三項指標的測試。

1)充放電功率測試

配電網進行儲能共享過程中，充放電功率的高低會直接給共享效果帶來影響，采用本文所提方法、文獻[5]方法以及文獻[7]方法進行儲能共享，對過程中產生的儲能充放電功率進行測試，測試結果如圖1所示。

分析圖1(a)可知，本文所提方法測試出的配電網儲能充電功率高于其他兩種方法，文獻[5]方法測試結果略低于本文所提方法，文獻[7]方法測試結果較不理想。而在圖1(b)中，本文所提方法測試出的配電網儲能放電功率測試結果也高于文獻[5]方法與文獻[7]方法。在測試初期，文獻[5]方法以及文獻[7]方法測試出的儲能放電功率相差較小，但是隨著配電網節點的不斷增加，兩種方法的測試結果逐漸拉開距離。這主要是因為本文所提方法在進行儲能共享時，利用了高斯濾波器對配電網噪聲信號進行了去噪處理。所以本文所提方法在進行配電點儲能共享時，儲能的充放電功率高。

圖1 不同方法的配電網儲能充放電功率測試結果

2)去噪前后上級電網總注入有功曲線對比測試

上級電網在進行有功功率注入時，注入的總有功功率方差值大小可以影響功率波動，波動越大共享效果越差，反之則越好。利用本文所提方法進行儲能共享時，對去噪前后的配電網上級總有功功率注入時的功率波動進行測試，測試結果如圖2所示。

圖2 去噪前后上級電網總注入有功功率波動曲線測試結果

分析圖2可知，本文所提方法在去噪前測試出的上級電網總注入有功功率曲線波動幅度遠高于去噪后的功率波動幅度測試結果。這主要是因為本文所提方法在進行配電網信號去噪過程中，對配電網信號的標準差性能進行了具體分析，降低了功率的方差值，所以本文所提方法在儲能共享過程中，上級電網總注入有功功率波動幅度小。

3)共享性能對比

基于上述測試結果，采用上述三種儲能共享方法進行配電網的儲能共享，測試三種方法的共享性能。結果如表1所示。

表1 不同共享方法的共享性能測試結果

分析表1可知，本文所提方法測試出的配電網儲能共享節點、儲能額定功率以及額定容量均高于文獻[5]方法以及文獻[7]方法。證明本文所提方法在進行配電網儲能共享時的共享性能優異。

綜上所述，本文所提方法在進行配電網儲能共享時，儲能的充放電功率高、上級電網總注入有功功率波動幅度小、共享性能好。

5 結 語

隨著雙碳目標的提出，國家積極重視配電網儲能削峰填谷、電壓差大等弊端。基于該項問題提出雙碳目標下的電網共享儲能技術研究。該方法首先對配電網信號噪聲進行平滑去噪處理，確定等效集中儲能參數；建立相應的目標函數以及約束條件建立配電網儲能共享模型；使用該模型完成配電網的儲能共享，該方法由于在確定等效儲能參數時存在問題，今后會針對該項問題繼續優化該儲能共享方法。