基于電池儲能和柔性直流的城市配電網經濟調度策略

張 偉，朱 釗，許浩偉，付守賽

（1.國網鄭州供電公司，河南 鄭州 450000；2.國網河南能源互聯網電力設計院有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

配電網改造可以在不增加其他投入的情況下，僅調整聯絡開關或分段切換組合狀態來降低電網運行負載，提高輸送電能的質量[1]。為了深化配電網的建設與生產工作，可以使用柔性直流輸電技術，其具有雙向功率、有功控制、無功補償以及易于擴展成多端直流系統等優勢。我國傳統的大中型城市配電網建設工程中，一般都是采用交流母線作為中壓配電線路。在傳輸直流負載電能時，通常采用變壓器將前端反饋電壓降為較低的交流電源，經過交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）轉換，即可將其轉換成低電壓直流。在柔性輸電技術迅速發展的當下，中壓配電網也可以使用母線傳輸電能，母線電壓可以通過AC/DC轉換為高壓交流電或者通過直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）轉換為城市居民用戶供電。隨著配網用戶端負荷的不斷增大，電力系統的峰值負荷將會顯著提高，配電網絡的安全運行受到極大影響[2]。在高峰負荷期間，電力系統的供電可靠性不能滿足電力系統的運行需求。因此，需要根據實際需求合理設計電網運行經濟調度方法，通過需求側響應提升電力系統的調度與運營水平。

1 建立城市配電網需求響應模型

為了滿足城市配電網在運行中的經濟調度需求，需要根據相關工作的具體需求建立城市配電網需求響應模型。將電價波動值作為參照，根據電價的需求響應，劃分電價在不同時段下的峰值與谷值，從而引導用戶合理、安全用電[3]。通過此種方式，在一定程度上改善電網負荷現象，提高供電服務過程的安全性。在電價峰值與谷值階段，將電負荷中的電價彈性系數作為基礎，通過建立電價彈性矩陣，初步調整電力調度過程[4]。電價的彈性系數計算公式為

式中：ε表示電價彈性系數；ΔD表示供電服務過程中的電能改變量；D表示城市配電網供電需求量；c表示電價；Δc表示城市配電網供電服務中的電價改變量。在掌握電價峰值與谷值后，可以根據電力需求變化情況，求出各用戶在峰谷分時電價下的用電負荷變化曲線。在此基礎上，考慮到用戶需求反映模式能大致反映出終端配電網運行的實際狀況，但未考慮到城市配電網在一定時間內無法隨意調節用戶負載，因此可以認為在這一時段內城市配電網的負荷是固定的，也是最大的。以此為依據，建立城市配電網需求響應模型，根據響應側需求調整響應模型參數，即

式中：L(t)*表示需求響應t時刻后，城市配電網的供電服務電能修正數值；L(t)b表示配電網運行t時刻后，對應時段的用戶用電固定負荷值；L(t)表示城市配電網運行額定容量；L(t)max表示城市配電網運行最大負荷值。按照上述方式，完成城市配電網需求響應模型構建。

2 基于電池儲能和柔性直流設計的經濟調度目標函數

根據配電網運行中電池儲能的充電與放電方式，結合柔性直流配電網的作業模式，設計對應的經濟調度目標函數。明確在輸電、配電分開的電力市場中，電力企業要從輸電網購買電能，而輸電網和輸配電公司的交易價格是實時變動的，因此要將安排存儲裝置作為前提條件，降低供電企業從電網購買電能的成本[5]。為滿足以安全為基礎的變流器與儲能系統的協同優化設計需求，將可調度的分布式電源和負載控制納入研究范圍，將其作為電力系統的主要運營成本。在設計電力系統中經濟調度目標函數時，采用峰谷電價差法和柔性直流系統優化電力系統供電服務模式，使配電網的電力采購成本達到最低。經濟調度目標函數為

式中：p表示電力企業在配電公司購買電能時需要支出的單價成本；Pt,g表示對應時段g中配電網的供電功率值；t表示用時；i表示時段，將24 h劃分為96個時段，每個時段為15 min。為了確保設計的目標函數滿足需求，提出3個約束條件：一是交直流電力系統的潮流限制條件，即配電網絡中的直流輸電功率不應超出限制；二是交直流電力系統的安全限制條件，即節點電壓不能越界，柔性直流設備的轉換功率不能超出限制，無功補償容量不能超出限制；三是能量儲存系統的操作限制條件，即電池儲能設備的充放電次數等不能超過限制。

3 調度過程中的PI控制

在上述設計內容的基礎上，設計配電網運行經濟調度過程中的PI控制。柔性直流配電系統中，能夠調整有功功率的主要有分布式發電系統、儲能系統以及連接不同網絡的換流器?？刂七^程中，根據PI理論，通過調節全網的調度功率，根據經濟系數和反應速率系數對各目標執行分配，從而降低調度指標經濟支出，保證電力企業經濟收益的穩定性。調度控制的積分增益值K為

式中：G表示調度控制的比例增益值；U表示部分積分電壓值。在此基礎上，為實現調度過程的優化，需要提高總功率分配的合理性，保證各個節點之間的有功調度。根據可調節的有功節點數量設計PI控制函數，實現配電網經濟調度過程中的PI控制，完成配電網經濟調度過程的全面優化設計。

4 對比實驗

完成上述設計后，以某城市大型居民配電服務中心為例設計對比實驗，以檢驗所提方法的可靠性。實驗前，建立針對該地區的柔性直流配電網對外供電服務拓撲，如圖1所示。

圖1 柔性直流配電網對外供電服務拓撲

圖1中，節點1～節點30為30個配電網輸電節點。掌握配電網基本結構后，設計配電網運行參數，如表1所示。

表1 配電網運行參數

完成上述內容的設計后，制定配電網在運行中的經濟調度策略。建立城市配電網需求響應模型，將電池儲能性能作為參照，利用電力市場電價的波動設計電池儲能與充電過程。例如，在常規供電條件下，每天的00:00—06:00為購電價最低的時段，在此時段內對電池進行儲能與充電；用電高峰時段也是購電價最高的時段，在此時段設計儲能電池的放電與供電服務過程。利用峰谷電價差，實現電力企業在市場運營中的盈利。通過此種方式，建立配電網經濟調度目標函數，根據地區經濟條件設計調度目標函數的約束條件。通過對經濟調度過程中的IP控制，發揮經濟調度的最高價值，從而降低電力企業在供電服務中的支出與成本。

在此基礎上，引進基于新能源消納的經濟調度方法與基于需求響應不確定性的經濟調度方法，作為傳統方法1與傳統方法2。通過調度城市配電網運行，將某時段下3種方法調度后的企業供電服務支出作為評價指標，檢驗3種調度方法的經濟效益。不同調度方法的經濟效益對比結果如圖2所示。

圖2 調度方法的經濟效益對比

從圖2可以看出，在相同的供電條件下，本文設計的方法可以有效降低供電支出成本，從而提高電力企業的經濟運營水平，保證電力企業公司在市場內具有較高的經濟收益。

5 結 論

配電網絡是連接電能生產到使用的紐帶，其安全性和運行水平對于電力企業發展而言十分重要。為了在城市建設與發展中發揮配電網的價值，根據配電網運行中的電池儲能方式，結合柔性直流配電網在運行中響應側的需求，設計針對城市配電網的經濟調度方法。從建立城市配電網需求響應模型、設計經濟調度目標函數、調度過程中的PI控制3個方面展開研究，優化城市供電服務結構與綜合模式。