新能源接入下電力儲能系統容量均衡分配方法

摘 要：目前，新能源接入下的電力系統存在發電不穩定問題，為提高電力系統的可靠性和穩定性，本文提出新能源接入下電力儲能系統容量均衡分配方法。首先，設計新能源接入下電力儲能系統的結構，以其抑制風電發電的波動，提高電能質量。其次，構建儲能系統容量優化模型，實現電力儲能系統的最佳容量平衡分配。最后，對該方法進行測試，試驗結果表明，新能源接入下電力儲能系統容量均衡分配方法與設定的試驗分配儲能容量趨于一致，因此本文方法能夠均衡分配電力儲能系統的容量。

關鍵詞：新能源；電力系統；容量；均衡分配

中圖分類號：TM 72" " " 文獻標志碼：A

隨著新能源的大規模接入，電力系統的運行和控制面臨很多挑戰。其中，作為調節新能源電力輸出波動的重要手段，電力儲能系統容量均衡分配問題尤為關鍵。但是新能源的間歇性和不穩定性給電力儲能系統的容量均衡分配帶來了一定困難。電力儲能系統是一種將不易儲存的電能轉化為機械能、化學能等形式儲存起來，以便需要時使用的系統，通常由電力儲能電池、電力電子轉換裝置、控制系統和輔助電源等組成。電力儲能系統在電力系統中具有廣泛應用，可以提高電力系統的供電質量和用電效率，平滑電力負荷，提供電力系統的運行性能等。此外，電力儲能系統還可以作為可再生能源并網運行的關鍵技術之一，提高新能源發電的電能質量和消納水平。因此，研究新能源接入下電力儲能系統容量均衡分配方法具有重要的理論和實踐意義[1]。

1 新能源接入下電力儲能系統容量均衡分配方法的設計

1.1 設計新能源接入下電力儲能系統的結構

目前，國內、外對儲能系統進行了大量研究，并已將新能源接入電力系統，以其抑制風電發電波動，提高電能質量，達到削峰填谷的目的。對具有高滲透率的獨立電網儲能系統的容量進行合理分配并保證其正常運營，是制約我國風電消納發展的重要因素。研究以電力為主、新能源接入電網中存儲容量的均衡分配問題，對電力市場的競價和經濟運行具有十分重要的意義[2]。

考慮儲能系統分散安裝占地規劃困難、協調控制復雜其安裝成本較高，本文研究的新能源電力儲能電網結構采取了集中安裝的方式，包括發電機和儲能系統。集中安裝的電網結構不僅可以減少儲能系統的占地面積，還可以簡化協調控制，降低安裝和維護成本。此外，集中安裝的儲能系統可以更方便地進行統一管理和調度，提高整個電網的運行效率和穩定性。該結構如圖1所示[3]。

在一個新能源接入的電網中，為了更好地利用資源和提高效率，發電機組被集中布設在一個區域。這種集中布局不僅便于管理和維護，還能提高能源利用率。在該布局中，多個風機被整合在一起，通過升壓變壓器與輸電線相連。升壓變壓器的作用是將風電產生的較低電壓升至適合長距離傳輸的高度，以減少傳輸過程中的能量損失。高壓輸電線再將電能傳輸到用戶端，該過程稱為“高壓輸電”。這種輸電方式能夠大幅減少線路損耗，提高輸電效率。到達用戶端后，電能經過降壓變，將高壓電降至適合家庭或工業使用的電壓。這樣，電能就可以安全、穩定地供應給用戶。

此外，為了進一步提高電網的穩定性和可靠性，儲能系統被設置在用戶側。儲能系統的作用是儲存多余的電能，并在電力需求高峰或線路故障時釋放這些儲存的電能。該設置方式可有效避免由線路故障等原因造成的電源完全關閉問題。同時，儲能系統還可以在用電高峰期提供額外的電力支持，緩解電力供應壓力，即儲能系統可以平抑可再生能源發電的波動性，提高電網的穩定性。當風力發電或其他新能源發電形式的產出不穩定時，儲能系統可以迅速響應，補充或替代發電不足的部分，保證電力供應的連續性和穩定性。

1.2 構建儲能系統容量優化模型

根據國家規定可知，根據接入的新能源與電網的電壓等級不同，發電站被劃分為大、中、小3個類型，分別對應66kV、10kV、380V這3個電壓等級。為保障電力系統的安全運行，電力儲能系統的有功功率變化的限制主要為1min與10min共2個尺度，其有功功率的最大限制見表1[4]。

接入新能源的功率波動率限制應在最大限制數α1imit內，波動率的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：pnet（t-1）、pnet（t）代表在t-1時刻、t時刻的儲能系統的功率；α表示t時刻的波動率。

根據該波動率結果可以得出電力儲能系統的有功功率的平衡約束函數。有功功率平衡約束指的是電力系統內的發電機組和儲能系統在滿足負荷的功率需求后，剩余功率應等于與電網的交互功率，如公式（2）所示。

（2）

式中：L表示電網中含有L個發電機；Pε代表發電機的的實時功率；m代表儲能系統中含有m個儲能元件；p?代表儲能元件j的額定功率；pload表示儲能系統的運行損耗成本[5]。

儲能系統的容量約束主要用作額定容量的循環判據，其約束函數如公式（3）所示。

（3）

式中：b代表儲能元件j的容量變化范圍；eγj表示儲能元件j的額定容量。

以滿足以上約束要求的電力儲能系統的優化模型如公式（4）所示。

（4）

式中：T代表采樣時間間隔；EN代表儲能系統的額定容量，kW·h；S[t1]代表發電站當t1時刻的負荷狀態；S0代表初始荷電狀態。

儲能系統容量優化模型考慮了經濟性、技術性和環境因素，進而實現了電力儲能系統的最佳容量平衡分配[6]。

1.3 均衡分配電力儲能系統的容量

電網的可調度性置信率水平是電力儲能系統出力達到調度目標的概率值[7]，如公式（5）所示。

（5）

式中：gi代表i時刻電力儲能系統處理是否達成調度目標；ED代表電力儲能系統的額定功率；w1代表電力儲能系統充放電狀態的下限數值；zi代表i時刻的電網實際出力和調度目標間的功率差值；wi代表i時刻的電網實際出力與調度目標間的容量差值；wh代表電力儲能系統充、放電狀態的上限數值。

因此，基于電網實際出力與調度目標可以得出全年電網出力可調度概率的計算公式，如公式（6）所示。

（6）

式中：V代表全年電網出力的采樣間隔；β代表儲能系統可調度性的置信度的水平。

電力儲能系統的均衡分配涉及功率和容量值的確定，這些值被用作評估儲能分配經濟性的指標。因為在每個平衡分配調節周期內，電力儲能裝置的充、放電能力都受額定功率的影響，所以電力儲能系統的輸出功率必須先于容量設定。功率可調節性是指儲能系統可以填補風電場實際輸出功率和調節目標間輸出功率差距的可能性。為了避免大量的迭代操作，在輸出功率差額概率密度函數不明的情況下，可通過非參數估計方式來擬合由功率差額計算得出的概率密度函數。本文使用非參數核密度的估計方法，如公式（7）所示。

（7）

式中：K代表核函數，積分數值為1；V代表電網功率采樣數；u代表帶寬；x代表功率的差額。

雖然電力儲能系統功率取下限值時能夠滿足功率可調度性的要求，但是為了得到滿足目標函數的儲能系統最優分配結果，需要對該功率下的儲能容量值進行調整。因此，還需要在確定電力儲能系統的額定功率與容量限制的條件下，以儲能系統投入費用為目標函數，對具有經濟意義的儲能系統的容量進行均衡分配[8]。

為了更科學地評價儲能系統容量的分配效果，本文綜合考慮蓄電池充電次數、充電深度等參數對儲能系統使用壽命的影響，以儲能系統等年的計算公式為目標函數，綜合考慮蓄能充/放電次數、充/放電深度等參數并對其進行修正，如公式（8）所示。

（8）

式中：ηbess代表儲能額定功率分配數值；κbess代表儲能容量的分配值；Tlife代表儲能系統使用壽命；μ代表電力儲能系統容量的投資成本；代表儲能系統功率投資與容量投資費用。

綜上所述，均衡分配電力儲能系統的容量需要綜合考慮多種因素，包括電力系統的需求、電力儲能系統的位置和規模、技術限制以及經濟性等。通過合理規劃和分配來確保電力儲能系統的高效運行和電力系統的穩定供應。

2 試驗測試與分析

進行測試前需要做一些準備工作，以保證本次試驗的準確性。

2.1 試驗準備

為了驗證本文提出的新能源接入下電力儲能系統容量均衡分配方法的可行性，進行試驗測試。在試驗中，采用容量均衡分配方法將儲能系統的總容量分配給各站點，該方法基于站點負荷需求預測和各儲能系統的健康狀況和充電狀態。在每個調度周期中，中央控制器會根據這些信息計算每個站點所需功率，并將總功率需求分配給各儲能系統。

此次試驗使用10個電池儲能系統（BESS），每個系統的額定容量為100kW·h。這些儲能系統被部署在5個不同的站點中，每個站點包括2個BESS。所有儲能系統都通過一個中央控制器進行管理和調度。此次試驗設定的儲能系統參數見表2。

2.2 試驗結果與分析

本次試驗在不同儲能額定功率下，檢驗與試驗對應的儲能容量的分配是否相同，測試結果見表3。

由上述測試結果可以看出，本文方法與設定的試驗分配儲能容量趨于一致，因此，本文的新能源接入下電力儲能系統容量均衡分配方法能夠均衡分配電力儲能系統的容量，同時采用容量均衡分配方法可有效地提高電力儲能系統利用率，降低系統運營成本，并提高系統的可靠性和穩定性。該方法適用于新能源接入下的電力系統，有助于解決新能源發電的不穩定問題，提高電力系統的運行效率。

進一步驗證本文分配儲能容量方案下電力系統運行成本的變化，結果如圖2所示。

分析圖2可知，采用本文方法對儲能容量進行均衡分配前，得到的系統年運行綜合成本為22.34萬元，應用本文方法對儲能容量進行均衡分配后的年運行成本為16.64萬元。由此可知，在本文方法均衡分配后的儲能容量下，電力系統的年運行成本降低，證明本文提出的儲能容量均衡分配方案能夠輸出優化的分配方案，可進一步降低電力系統的年運行成本。

3 結語

在新能源接入的背景下，電力儲能系統的容量均衡分配方法對保證電力系統的穩定性和可靠性具有重要意義。本文提出了一種基于優化算法的容量均衡分配方法。該方法以最小化電力系統的總運行成本為目標，同時考慮電力儲能系統的荷電狀態限制和運行效率限制。試驗結果表明，該方法能夠在保證電力系統穩定運行的前提下，均衡分配電力儲能系統的容量。在未來的研究中，可以進一步探索電力儲能系統與其他能源系統（如氫能、熱能等）的集成與優化運行，以更好地適應新能源接入帶來的挑戰。此外，還可以考慮在容量均衡分配中引入市場機制和博弈理論，以實現更公平、高效的能源分配。綜上所述，電力儲能系統的容量均衡分配是新能源接入下電力系統優化運行的重要研究方向。本文提出的容量均衡分配方法為該研究領域提供了一種有效思路和方法，具有一定的理論和實踐價值。

參考文獻

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