劉  舒1，劉  斌2，王承民3，李宏仲2，劉  涌4，衣  濤3

　　（1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海200437；2.上海電力學院 電氣工程學院，上海200090；

　　3.上海交通大學，上海200240；4.上海博英信息科技有限公司，上海200240）

　　摘  要： 儲能技術應用在電力系統(tǒng)中能夠有效解決可再生能源并網(wǎng)產(chǎn)生的波動性和間歇性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)需求側(cè)管理，進行調(diào)峰填谷。抽水蓄能和電池儲能是目前比較成熟的兩種儲能技術。本文忽略儲能電站的動態(tài)特性，分析儲能電站接入對配電網(wǎng)運行狀態(tài)的影響，即對系統(tǒng)電壓和網(wǎng)損的影響。以某區(qū)域一條配電線路進行分析，在同一個節(jié)點接入不同容量的儲能裝置，分析接入不同容量的儲能裝置對節(jié)點電壓和網(wǎng)損的影響。仿真結果表明：在重負荷區(qū)域接入合適容量的儲能裝置，能夠有效地提高系統(tǒng)電壓水平并降低網(wǎng)絡損耗。

　　關鍵詞： 儲能電站；抽水蓄能；電池儲能；配電網(wǎng)；運行狀態(tài)

0 引言

　　可再生能源發(fā)電作為一種清潔、綠色、無污染的發(fā)電技術，被廣泛應用在各種電力系統(tǒng)中。然而，由于受氣候、環(huán)境和地理位置等因素的影響，可再生能源發(fā)電輸出電能具有波動性和間歇性，大規(guī)模并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全性和可靠性帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。同時，隨著用電負荷需求的不斷增長，電網(wǎng)負荷峰谷差也日益增大，給電網(wǎng)的調(diào)度和經(jīng)濟運行帶來嚴重影響。儲能技術[1-3]的應用能夠在很大程度上解決可再生能源并網(wǎng)產(chǎn)生的波動性和間歇性問題，并且可以有效實現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差，提高電力設備利用率。

　　抽水蓄能和電池儲能是目前比較成熟的兩種儲能技術，在理論和實踐中得到廣泛的研究和應用。文獻[4]提出風電-抽水蓄能聯(lián)合運行申報次日出力計劃的新模式，考慮抽水蓄能機組啟停和運行工況的限制等因素，建立了風電-抽水蓄能聯(lián)合運行的優(yōu)化調(diào)度模型，測試系統(tǒng)表明抽水蓄能電站與風電場配合可大大降低風電出力隨機性對電網(wǎng)運行的負面影響，經(jīng)濟和社會效益顯著。文獻[5]研究了抽水蓄能電站與風電的聯(lián)合優(yōu)化運行，通過抽水蓄能電站和風電的聯(lián)合運行的時序模擬，驗證了抽水蓄能電站和風電聯(lián)合運行的可行性及帶來的顯著效益。文獻[6]研究了風蓄聯(lián)合系統(tǒng)中抽水蓄能電站對風電移峰填谷的影響，結果表明：在峰谷電價政策下，風蓄聯(lián)合系統(tǒng)可將低谷時段的廉價電能轉(zhuǎn)化為高峰時段的珍貴電能，取得良好的經(jīng)濟效益；同時還能有效地平滑風電場的輸出功率，降低并網(wǎng)風電的波動性。

　　電池儲能電站相比于傳統(tǒng)的抽水蓄能電站，具有能量密度高、充放電速度快、安裝場地靈活、體積小、響應時間短等特點。電池儲能技術主要有鋰電池、鈉硫電池和液流電池。文獻[7]比較了不同類型電池為儲能介質(zhì)的電池儲能電站的性能和對可再生能源出力波動平抑效果。文獻[8]分析了電池-超級電容器混合儲能系統(tǒng)對風電功率波動的平抑效果。文獻[9]針對電力系統(tǒng)中帶有可再生能源的地區(qū)負荷的兩種構成，即混合組網(wǎng)和獨立組網(wǎng)，分別提出了負荷側(cè)電池儲能電站優(yōu)化調(diào)度策略——協(xié)調(diào)調(diào)度和自主運行模式。文獻[10]建立了包含發(fā)電商、供電商、大規(guī)模電池儲能電站、電力用戶的電價動態(tài)博弈模型，分析了電池儲能電站對各參與方利益的影響，并對實時電價下的大規(guī)模儲能電站進行了效益評估。文獻[11]以全壽命周期中一次投資和運行費用最小為目標函數(shù)，以電能利用率和可靠性為約束條件，建立了電池-超級電容器混合儲能電站的數(shù)學優(yōu)化模型。

　　儲能電站接入配電網(wǎng)可以有效實現(xiàn)配電網(wǎng)側(cè)的調(diào)峰填谷，是實現(xiàn)需求側(cè)管理的一種有效手段。文獻[12]運用狀態(tài)空間法建立了電池儲能系統(tǒng)的可靠性模型，并分析了其在充電和放電模式下對配電系統(tǒng)可靠性的影響。文獻[13]針對儲能電站的運行特性，從阻抗的角度分析儲能電站接入配電網(wǎng)后對原有距離保護所產(chǎn)生的影響，并提出優(yōu)化策略。

　　本文忽略儲能電站的動態(tài)特性，分析儲能電站接入配電網(wǎng)對電網(wǎng)運行狀態(tài)的影響，即對系統(tǒng)電壓和網(wǎng)損的影響。以某區(qū)域一條配電線路進行分析，在同一個節(jié)點接入不同容量的儲能裝置，分析接入不同容量的儲能裝置對節(jié)點電壓和網(wǎng)損的影響。

1 儲能電站接入對系統(tǒng)電壓的影響分析

　　為了能夠分析儲能技術接入系統(tǒng)后對系統(tǒng)運行電壓的影響，分別對儲能系統(tǒng)接入系統(tǒng)前后的節(jié)點電壓展開計算。

　　1.1 未接入儲能電站時系統(tǒng)節(jié)點電壓計算

　　系統(tǒng)接線圖1所示。

　　系統(tǒng)的等值電路如圖2所示，其中R和X分別為一相的電阻和等值電抗，V和I表示相電壓和相電流。

　　網(wǎng)絡元件的電壓降落是指元件首末兩點電壓的相量差，由等值電路可知：

　　以相量2為參考軸，如果cos2已知，可作相量圖如圖3所示。

　　圖中AB就是電壓降相量(R+jX)。把電壓降分量分解為與電壓相量同方向和相垂直的兩個分量AD及DB，記這兩個分量的絕對值為：

　　則網(wǎng)絡元件的電壓降落可以表示為：

　　式中，?駐V和?啄V2分別為電壓降落的縱分量和橫分量。

　　用功率代替電流，可將上式改寫為：

　　而元件首端的電壓為：

　　式中元件首末端電壓相量的相位差。

　　1.2 接入儲能電站時系統(tǒng)節(jié)點電壓計算

　　當在負荷側(cè)加裝儲能裝置后，系統(tǒng)網(wǎng)路為圖4所示。

　　加裝儲能裝置后系統(tǒng)的等值電路圖如圖5所示，其中R和X分別為一相的電阻和等值電抗，V和I表示相電壓和相電流。

　　對比圖2及圖4 ，式（4）將改變?yōu)椋?/p>

　　對比式（4）和式（8）可以發(fā)現(xiàn)，在負荷側(cè)加裝儲能系統(tǒng)后，能有效地降低線路、變壓器等網(wǎng)絡元件上的電壓降。

2 儲能電站接入對網(wǎng)損的影響分析

　　網(wǎng)絡元件的功率損耗包括電流通過元件的電阻和等值電抗時產(chǎn)生的功率損耗和電壓施加與元件的對地等值導納時產(chǎn)生的損耗。考慮到儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)的電壓等級較低，故并聯(lián)導納上的損耗可忽略不計。

　　2.1 未接入儲能電站時網(wǎng)損計算

　　網(wǎng)絡元件主要指輸電線路和變壓器，假設系統(tǒng)向網(wǎng)絡輸送S=P+jQ的功率，則電流在線路的電阻和電抗上產(chǎn)生的損耗為；

　　2.2 接入儲能電站時網(wǎng)損計算

　　當在負荷側(cè)加裝儲能系統(tǒng)后，儲能系統(tǒng)向系統(tǒng)輸送S′=P′+jQ′的功率，電流在線路的電阻和電抗上產(chǎn)生的功率損耗為:

　　各公式的有關參數(shù)單位為：阻抗為，導納為S，電壓為kV，功率為MVA。

　　對比式（9）和式（11）可以得出S′要小于S，可以得到在負荷側(cè)加裝儲能裝置后，能夠降低網(wǎng)損。

3 算例

　　以某城市配電線路進行分析。該條線路有62個配變，負荷較重，10 kV線路采用電纜與架空混合接線，其中母線出線端多以電纜為主；10 kV架空線主干線的截面積為鋁芯240 mm2、185 mm2、150 mm2；10 kV電纜線路主干線的截面積為400 mm2、240 mm2。供電面積較大，節(jié)點較多，有兩塊重負荷區(qū)域，方便對不同儲能裝置接入方案對配電網(wǎng)運行狀態(tài)的影響分析。具體接線圖見圖6。

　　在同一個節(jié)點接入不同容量的儲能裝置，分別選擇靠近電源點的2節(jié)點、中間區(qū)域的6節(jié)點和重負荷區(qū)域的25節(jié)點，分析接入不同容量的儲能裝置對節(jié)點電壓和網(wǎng)損的影響。首先分析接入不同容量的儲能裝置對節(jié)點電壓的影響，結果如表1和圖7所示。

　　根據(jù)上面2、6、25節(jié)點在接入不同容量后的節(jié)點電壓指標和曲線圖可以得出：在各節(jié)點安裝儲能裝置均可有效提升節(jié)點電壓指標，且節(jié)點電壓指標隨安裝的儲能裝置容量呈近似單調(diào)上升趨勢。同時，在接入儲能裝置容量相同的情況下，選擇在電源附近和重負荷區(qū)域接入時，對節(jié)點電壓的指標提升較大。故系統(tǒng)在加入儲能裝置作為電源后，系統(tǒng)電壓得到了提升，電壓水平得到了顯著改善。

　　下面分析接入不同容量的儲能裝置對節(jié)點電壓的影響，結果如表2和圖8所示。

　　由表2和圖8可以看出，在節(jié)點2、6和25處接入儲能裝置后，系統(tǒng)網(wǎng)損隨著儲能裝置的容量增加，呈現(xiàn)先下降后上升的凹形拋物線趨勢。節(jié)點2處接入時，網(wǎng)損最小值出現(xiàn)在接入容量約為14 MW時，此時網(wǎng)損為0.507 MW；節(jié)點6處接入時，網(wǎng)損最小值出現(xiàn)在接入容量約為12.5 MW時，此時網(wǎng)損為0.521 MW；節(jié)點25處接入時，網(wǎng)損最小值出現(xiàn)在接入容量約為11 MW時，此時網(wǎng)損為0.628 MW。

　　由上面三個節(jié)點接入不同容量得到的網(wǎng)損指標數(shù)據(jù)和曲線圖得出：各個節(jié)點安裝儲能裝置都可以降低網(wǎng)損指標，但隨著容量的進一步增大，網(wǎng)損會達到一個最小值，然后出現(xiàn)網(wǎng)損增大，形成凹的拋物線趨勢；每個節(jié)點的最小值都不相同，由上面曲線可以看出重負荷區(qū)域達到最小值時的接入儲能裝置容量最小，在靠近電源點區(qū)域達到最小值的接入儲能裝置容量最大。

4 結論

　　各個節(jié)點安裝不同容量儲能裝置都可以提升節(jié)點電壓指標，但隨著容量的進一步增大，節(jié)點電壓會達到一個峰值，然后出現(xiàn)節(jié)點電壓下降，形成拋物線趨勢；每個節(jié)點的峰值都不相同，重負荷區(qū)域達到峰值時的接入儲能裝置容量最小，靠近電源點區(qū)域達到峰值的接入儲能裝置容量最大。

　　各個節(jié)點安裝不同容量儲能裝置都可以降低網(wǎng)損指標，但隨著容量的進一步增大，網(wǎng)損會達到一個最小值，然后出現(xiàn)網(wǎng)損增大，形成凹的拋物線趨勢；每個節(jié)點的最小值都不相同，重負荷區(qū)域達到最小值時的接入儲能裝置容量最小，靠近電源點區(qū)域達到最小值的接入儲能裝置容量最大。

　　綜合上述研究，儲能技術大規(guī)模或者分布式地接入電網(wǎng)是未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，在重負荷區(qū)域安裝合適容量的儲能裝置，可以更好地提升節(jié)點電壓、降低網(wǎng)損，以及對電力系統(tǒng)中的應用及優(yōu)化配置研究具有重大的意義。

參考文獻

　　[1] 程時杰.大規(guī)模儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用前景分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(1)：3-8.

　　[2] 劉世林，文勁宇，孫海順，等.風電并網(wǎng)中的儲能技術研究進展[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41(23)：145-153.

　　[3] 王承民，孫偉卿，衣濤，等.智能電網(wǎng)中儲能技術應用規(guī)劃及其效益評估方法綜述[J].中國電機工程學報，2013，33(7)：33-41.

　　[4] 胡澤春，丁華杰，孔濤.風電-抽水蓄能聯(lián)合日運行優(yōu)化調(diào)度模型[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(2)：36-41.

　　[5] 徐飛，陳磊，金和平，等.抽水蓄能電站與風電的聯(lián)合優(yōu)化運行建模及應用分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(1)：149-154.

　　[6] 李強，袁越，李振杰，等.考慮峰谷電價的風電-抽水蓄能聯(lián)合系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效益研究[J].電網(wǎng)技術，2009，33(6)：13-18.

　　[7] 丁明，徐寧舟，畢銳，等.基于綜合建模的3類電池儲能電站性能對比分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(15)：34-39.

　　[8] 馬速良，蔣小平，馬會萌，等.平抑風電波動的混合儲能系統(tǒng)的容量配置[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42(8)：108-114.

　　[9] 丁明，徐寧舟，畢銳.負荷側(cè)新型電池儲能電站動態(tài)功能的研究[J].電力自動化設備，2011，31(5)：1-7.

　　[10] 崔強，王秀麗，劉祖永.市場環(huán)境下計及儲能電站運行的聯(lián)動電價研究及其效益分析[J].中國電機工程學報，2013，33(13)：62-68.

　　[11] ZHOU T，SUN W.Optimization of battery-supercapacitor hybrid energy storage station in wind/solar generation system[J].IEEE Transaction on Sustainable Energy，2014，5(2)：408-415.

　　[12] 鐘宇峰，黃民翔，羌丁建.電池儲能系統(tǒng)可靠性建模及其對配電系統(tǒng)可靠性的影響[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41(19)：95-102.

　　[13] 楊煉，范春菊，邰能靈.考慮儲能電站運行特性的配電網(wǎng)距離保護的整定優(yōu)化策略[J].中國電機工程學報，2014，34(19)：3123-3131.