考虑柔性负荷的光伏发电网储能灵活规划模型.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023文章编号：10 0 7-7 57 X（2 0 2 3)0 8-0 0 6 8-0 4基金项目考虑柔性负荷的光伏发电网储能灵活规划模型微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期吴继岩，张怀垠，马鑫，妥平（国网固原供电公司，宁夏，固原7 56 0 0 0）摘要：为了提高光伏发电网储能利用率，设计一种考虑柔性负荷的光伏发电网储能灵活规划模型。模型根据光伏发电网的特点建立。分析超级电容器的存储能量与电压数值的关系，求解光伏发电网中电荷状态；根据光伏发电转换电路计算光伏电网调频备用容量；在考虑用户柔性负荷情况下建立光伏发电规划的目标函数和约束条件并求解，完成储能灵活规划模型的设计。算例分析结果表明，考虑柔性负荷的规划方法联络线的功率曲线更加平滑，缩小了用电负荷峰谷差，减小了电网储能和投入成本。关键词：柔性负荷；光伏发电；储能灵活规划；粒子群算法；调频容量中图分类号：TM732文献标志码：AFlexible Planning Model for Energy Storagein Photovoltaic Power Grid Considering Flexible LoadWU Jiyan,ZHANG Huaiyin,MA Xin,TUO Ping(State Grid Guyuan Power Supply Company,Guyuan 756000,China)Abstract:In order to improve the utilization rate of energy storage in photovoltaic power generation network,a flexible planningmodel of energy storage is designed by considering flexible load.According to the characteristics of photovoltaic power genera-tion network,a mathematical model is established,the relationship between the stored energy of supercapacitors and voltagevalues is analyzed,the charge state in photovoltaic power generation network is solved,the frequency modulation reserve capac-ity of photovoltaic power generation network is calculated according to the photovoltaic power generation conversion circuit,and the objective function and constraint conditions of photovoltaic power generation planning are established and solved consid-ering the flexible load of users,so as to complete the design of the flexible energy storage planning model.The example analy-sis results show that the power curve of tie-line is smoother,the peak-valley difference of power load is reduced,and the energystorage and input cost of power grid are reduced.Key words:flexible load;photovoltaic power generation;flexible planning of energy storage;particle swarm optimization;fre-quency modulation capacity不断推进，传统的一体化输配垄断经营模式正在逐渐被双边0引言交易体系所打破，供电商与用户之间的交易市场能够更好地光伏发电以其清洁、绿色等优点，为能源结构的优化发配置电力资源4。在传统的光伏发电网储能规划中，电力用展提供了可持续发展的便利。由于光伏发电网自身的发户的用电存在明显的峰值和低谷，储能电池的容量规划方面电机理是依靠太阳辐照实现能源转换2 ，因此在光伏电网的存在很多现实问题5。为了满足用户的用电需求储能，容量正常供电过程中，任何细微的太阳能板受到阳光辐照面积和配置一般较大，这样不仅会造成光伏发电网的储能设备投资强度的因素改变都会引发光伏电网产生一定的间歇性和波成本增加，而且在供电低谷时会造成能源浪费。动性3。在实际生活中，如果将大面积的光伏发电网作为某柔性负荷可以在一定时间段内灵活变化，改变原本负荷个地区的供电主力，对于整个电力系统而言，存在一定稳定单向、被动接受调节的历史，也使负荷参数的刚性、不确定性性和波动性的威胁，在此发电网工作状态下，传统的发电网等特征发生变化。因此，本文在考虑柔性负荷的基础上，提储能容量配置会增加光伏发电网的经济成本，对于电力企业出光伏发电网储能灵活规划模型，以期降低光伏发电网的调而言无法实现效益最大化。度成本，提高电力企业光伏发电网储能利用的合理性，并保但是目前随着电力市场的改革和光伏发电网智能化的证发电网的平稳供电。基金项目：国网宁夏电力有限公司科技攻关项目（NX202101001）作者简介：吴继岩（198 6 一），男，硕士，高级工程师，研究方向为继电保护、电网规划；张怀垠（197 6 一），男，本科，高级工程师，研究方向为电网规划；马鑫（198 5一），男，回族，本科，高级工程师，研究方向为电网运行、电网规划；妥平（198 2 一），男，回族，本科，高级工程师，研究方向为继电保护、电网规划。68Microcomputer Applications Vol.39,No.8,20231考虑柔性负荷的光伏发电网储能灵活规划模型1.1建立光伏发电网数学模型在光伏发电网中，发电渗透率的变化对电网的输出功率和波动性的影响越来越明显。目前光伏发电网的电池储能技术比较成熟，因此在充放电的过程中容量更大6 。但是其充电响应时间长，导致充电的功率限制在一定范围内，针对光伏发电网的高频输出波动的抑制性较差。为了实现光伏发电网的储能灵活规划，首先要构建光伏发电网的数学模型，获取其储能设备的工作特点。在光伏发电网中，一般将超级电容与储能电池混合使用，以提升光伏发电网的性能，弥补不同储能单元之间的缺点7。对于光伏发电网的超级电容而言，能够将电能转换为电能场，在此过程中具有极高的单位功率密度，密度范围在30050 0 0 单位，与电池储能相比，性能提高了510 倍。超级电容器的存储能量大小受到电压数值的影响，公式8 为Ee=FeXU(1)2式（1)中,Fc表示超级电容器的自身容量,Uc表示超级电容器的电压数值，此时超级电容的电荷状态Sc利用公式8 I表示为(2)式（2)中,Uc_rated表示超级电容器在实际应用过程中的额定电压。根据式（2)得知超级电容器的端电压可以求解出电荷状态。对于光伏发电网而言，能够准确地描述出其中电容器电荷在转换过程中的参数，通过求取状态能够描述光伏发电网的特征，从而建立数学模型。1.2计算光伏电网调频备用容量光伏发电网在实际运行过程中的输出功率相比一次能源而言稳定性较差，受到太阳辐射、温湿度影响等外界环境干扰，导致输出功率的波动性较强，在这种状态下直接将光伏发电接入供电网中会影响有功功率的平衡，造成供电系统的频率扰乱9。目前使用的二进制光伏电网调频的储能成本较高，广泛地用于调整光伏发电网输出功率波动是不现实的，因此在发电网的储能灵活规划中，利用备用容量进行调频是经济可行的。对于渗透率较高的光伏电网而言，需要确定调频的备用容量，该容量与储能容量之间存在一个相互制约的关系，因此调频的备用容量的配置会影响储能灵活规划的结果10 1。光伏发电网实际上是一种半导体所产生的光电效应，这种效应能够将太阳所产生的辐射能量转换为电能，在这个过程中涉及的光伏发电电路10 1如图1所示。RoU！1图1光伏发电转换电路示意图图1中，Iph表示太阳能辐照所生成的电流，Ia表示电路基金项目在无光照条件下外电压所产生的单项暗电流，Is表示光伏电池泄漏所产生的电流。根据图1的结构，可以推断以上的电流关系111为式(3)：I=Iph+Ia+Ish式（3)中，I表示光伏发电网电池中的总输出电流值。暗电流的具体数值可以通过理想光伏电池的参数、电子电荷以及一些常数综合求解得到，将以上参数代入到式（3）中，可以得到：1=Imh-1./expg(Ut IR式（4)中，q表示电子电荷数，U表示在单位光源辐照下的光伏电池开路电压，R。与Rsh分别表示电池中的内联电阻和外接电阻，A表示电路中PN结的曲线常数，K表示玻尔兹曼常数，T表示光伏电池中的热力学温度。光伏发电网在实际的运行过程中，系统的负荷变化需要被实时监控，才能保证电网的发电功率能够弥补产生的波动。通过对光伏发电网的研究，一般在光照强度较大的夏季，光伏发电的输出功率曲线波动较大，能够明显看出昼夜交替和天气变化的特点。详细分析光伏输出功率不同时间段的波动曲线可知，单纯的光伏发电网的最大输出功率的变化幅值可以达到52%，与标准要求相比波动过大，需要利用调频备用容量平衡产生波动。因此为了保证成本最低，不造成浪费，需要计算调频容量12。Se=Uec.riedUR！RL微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期(3)_U+IR.(4)AKTRsh在调频控制过程中，需要保证功率和频率的稳定，为此，分析AGC容量需求。在一次能源发电网中，AGC容量的调节参数分布相对比较均匀，并且影响着电网负荷的大小。根据运行过程中的经验，针对光伏发电网的特性，利用滚动平均法对以分钟为单位的电网功率波动进行划分，统计出变化的幅值和目标的平抑输出。根据统计学知识分析得到AGC应有的调节容量以及调节速率。由于光伏发电网在输出功率方面的波动与天气有着直接关系，因此在储能灵活规划方面可以参考电网所在地的历史气象光照数据记录，以这种实体数据作为储能规划的指标,具有一定的借鉴意义。至此完成光伏电网调频备用容量的计算。1.3建立考虑柔性负荷的储能灵活规划模型对于电网用户的用电需求而言，通过调整用电器的使用时段和功率，可以有效避开用电高峰时段，这样的负荷称为柔性负荷13。在光伏发电网中，处于用电高峰期下，光伏发电网的供电负荷无法覆盖用户的负荷需求。为了保证用户体验，需要供电公司购电来满足用户用电量的需求；在用电低谷时，光伏发电所产生的电力资源由于没有及时使用，造成了电能的浪费。针对这一情况，为了大幅度地提升企业的经济效益，需要设计一个充分考虑柔性负载的储能灵活规划模型。对于柔性的负荷而言，可以大致区分为一种可平移负荷与一种可削减负荷。可平移负荷主要指功率不能改变，但是用电时段可稍微变化的用电器所产生的负荷；可削减负荷指功率不变，用电时段保持一定范围内功率完成的削减。在充分考虑以上两种柔性负载的前提下，建立储能容量的灵活规划模型。在模型中,最终目的是将光伏电池储能系统中的投入降低，将投入光伏电池储能系统前后的最大成本差值作为规划的目标函数13，表示为max J=FAGC-(FAGc+Fbess)式（5)中，FAGc表示储能系统在规划之前的总成本，即AGC69.(5)Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023的调频成本,FAGc表示经过储能规划后的AGC的调频成本，Fbes表示光伏电池储能系统经过规划后的投资成本。在上述目标函数建立完成之后，还需要设置相应的约束条件13：Pd.max-Ppss Pe.max(6)式（6)中，Pd.max表示储能介质最大充放电功率，PpEss表示光伏电池储能系统的配置功率容量，Pc.max表示电池内介质对应的最大充放电功率。1.4模型求解在上述条件下求解目标函数，采用全局搜索能力较强的粒子群算法对建立的规划模型进行求解。具体优化步骤14-15 如下。（1）初始化。根据待规划区域负荷和光伏出力历史数据分析，获取不同季节光伏、负荷信息。（2）输入待规划的原始数据。（3）初始化粒子群算法仿真参数：种群规模取10 0 0，迭代次数取2 0 0，惯性权重系数取0.8 5，送代起始值为0。（4）对每个粒子进行适应度计算，得到目标函数值，并计算出光伏发电网的功率输出爬坡速度。当出现爬坡情况时，根据配电网的不同形态确定具体电池储能充放电策略，确定电池不同开关的调整状态。根据光伏电网计算目标函数中的各个成本，开始迭代适应度值。（5）当粒子群中的最优粒子适应度与粒子群的群体适应度达到平衡状态时，说明此时的粒子群算法送代过程完毕，实现收敛。（6）若适应度值仍有上升趋势，则需要根据目标函数的约束条件选择最优的粒子父辈，再经过繁殖、变异、遗传、交叉、筛选等过程,形成下一代的粒子群，重新进行爬坡判断和参数计算。（7）直到满足最小误差或者达到最大迭代次数，停止搜索，输出最优解，完成模型的求解。2算例分析2.1算例描述为了验证本文设计的考虑柔性负荷的光伏发电网储能灵活规划模型的有效性，需要选择一个算例进行实际的分析。由于在含有光伏的发电网中，不同的电荷、能源条件都会影响发电网的运行状态和参数，因此特性也会随之变化。选择的分析算例为辐射状的光伏发电网，结构如图2 所示。S1250QQQQQQ315$315图2算例光伏发电网结构基金项目图2 中，平衡节点1的电压标么值为1.0 2 V,其中各段的线路信息如表1所示。表1算例中电网各段线路信息线路标号总长度/km输电线路型号安全载流大小/A1-22.72-31.83-42.34-50.55-60.76-71.17-80.98-91.39-101.410-111.011-120.9将以上结构的光伏发电网植入仿真软件，并以该电网所在的城市实际用电与阳光辐照数据作为算例分析中的过程数据，选取一周内每个小时的日平均值作为对应的研究数值，并且该周内的天气均为晴天，风速较小，未出现过下雨或超过连续持续1h阴天的情况。通过所得到的该周内日平均负荷建立模型，选择日平均功率为2 7 3.51kW，日最大负荷为58 7 kW，平均日照辐射为0.2 9kW/m，光照与温度情况如图3所示。35温度变化30F曲线2520150图3当日的温度与光照辐射强度1从图3可以看出，该地区的光照辐射主要在9：0 0 17:0 0之间，温度较高的时间段也集中在白天。光伏发电网的装机2容量设置在2 0 0 kW，储能系统中采用磷酸铁锂电池。在本3文设计的储能灵活规划方法中，需要考虑该地区的柔性负4荷，根据当地居民的正常生活状态，统计柔性负荷的原始运5行情况如表2 所示。6从表2 可以看出，柔性负荷可以分为可平移负荷与可削7减负荷。对于可平移负荷而言，既可以小范围调整其使用时8段，又不会对用户产生较大的影响。例如，将洗衣机的运行时段调节至15：0 0 一2 4：0 0，热水器的使用时段调整为21:0024:00，充电汽车的充电时间调整为2 2:0 0 次日8:0 0，10以这样的方式避开用电高峰期，且不影响用户的正常使用。在以上条件下，将本文设计的光伏发电网储能灵活规划模型12方法应用在该光伏发电网中，并对比柔性负荷响应前后的总负荷曲线。70微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期LGJ-185LGJ-300LGJ-300LGJ-240LGJ-185LGJ-300LGJ-240LGJ-185LGJ-300LGJ-300LGJ-240光照强度变化曲线5101520时间/h5157707706105157706105157707706101.00.5024Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023运行数据额定功率/kW使用时间段日电量消耗/kWh2.2结果分析在上述实验环境下，使用本文的储能灵活规划模型对该算例电网进行分析，并对比联络线功率的变化情况，如图4所示。300r考虑柔性负荷200F前功率曲线一100M/率0-100规划后的功率曲线-200-3000图4联络线功率曲线对比从图4可以看出，在考虑柔性负荷之后，联络曲线的功率与之前的曲线相比更加平滑，分析其中的主要原因是当地用户调整了用电器的功率，并避免在高峰时段大规模用电，使得联络线的功率曲线峰谷差减少。本文方法相比文献5方法，功率曲线更平滑，主要由于本文方法采用了粒子群算法，可有效输出最优解，使得结果更为可靠。因此，在考虑用户柔性负荷的情况下，光伏发电网可以配置更小的储能容量，对于电力企业而言，能够提高清洁能源的存储和利用率，降低供电公司在用电高峰的购电费用，为企业降低成本提供了有效的支持。3总结本文以光伏发电网为对象，为了提高光伏发电的消纳率和供电企业的效益，降低一天之中用电负荷的峰谷差，在储能灵活规划的过程中考虑用户日常用电中的柔性负荷响应。通过实际的算例分析结果，验证了本文设计的考虑柔性负荷的光伏发电网储能灵活规划模型的有效性。本文设计的规划方法对于电力企业而言，能够提高清洁能源的存储率和利用率，降低供电公司在用电高峰的购电费用，为企业降低成本提供了有效的支持。但是由于一些限制，储能灵活规划方法还有很多延伸内容需要继续完善，在规划方法日后真正投人使用时，需要将用户逐年增加的负荷与置信区间考虑进去，以保证储能规划更加精细。参考文献1车泉辉，吴耀武，祝志刚，等.基于碳交易的含大规模光伏发电系统复合储能优化调度J.电力系统自动化，2 0 19,43(3)：7 6-8 2.基金项目表2 算例地区平均每户居民用电柔性负荷原始运行情况可平移负荷洗衣机热水器0.71.318:0023:0018:0023:000.52.82 片肖安南，张蔚翔，张超，等.含光伏发电与储能的配电网基于源一网一荷互动模式下电压安全最优控制策略J.电力科学与技术学报，2 0 2 0,35（2)：12 0-12 7.3林俐，费宏运.规模化分布式光伏并网条件下储能电站削峰填谷的优化调度方法J.现代电力，2 0 19，36文献5 方法规划一后功率曲线经过本文方法510152024时间/h微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期可削减负荷空调充电汽车3.518:007:0021.4(5):54-61.4李建林，牛萌，周喜超，等.能源互联网中微能源系统储能容量规划及投资效益分析J.电工技术学报，2020,35(4):874-884.5罗淑湘，赵鹏，牛彦涛，等.基于GIS的区域可再生能源电网规划计算模型研究J.建筑技术，2 0 18，49(4):352-355.6王晶，黄越辉，李驰，等.考虑空间相关性和天气类型划分的多光伏电站时间序列建模方法J.电网技术，2020,44(4)1376-1383.7 王世杰，胡威，高鑫，等.新能源并网发电对配电网电能质量的影响研究J.计算技术与自动化，2 0 2 1，40(2):47-52.8 齐宁，程林，田立亭，等.考虑柔性负荷接入的配电网规划研究综述与展望J.电力系统自动化，2 0 2 0，44(10):193-207.9 胡平.基于三端口双向DC/DC储能变流器的电流内环控制策略研究J.计算技术与自动化，2 0 17，36(4):46-50.10刘松，李啸骋，陈登义.大型光伏储能电站与同步发电机励磁的非线性协调控制策略.电力自动化设备，2020,40(5):92-98.11袁晓冬，费骏韬，胡波，等.资源聚合商模式下的分布式电源、储能与柔性负荷联合调度模型J.电力系统保护与控制，2 0 19（2 2）：17-2 6.12刘蓉晖，李子林，杨秀，等.考虑用户侧柔性负荷的社区综合能源系统日前优化调度J.太阳能学报，2019,40(10):2842-2850.13李丝雨，张彼德，彭丽维，等.考虑柔性负荷调节能力的主动配电网动态孤岛划分策略J.高电压技术，2019,45(6):1835-1842.14蒙璟，李训丰，丁霞燕.基于改进自适应权重多目标粒子群算法的分布式电源优化配置J.电力科学与技术学报，2 0 2 0,35(2)：55-6 0.15东苗.基于粒子群与蚁群混合算法的AOI路径规划J.微型电脑应用，2 0 2 1,37（6）：12 5-12 8.（收稿日期：2 0 2 1-12-0 2）2.310:0024:0013.571.