劉  舒1，劉  斌2，王承民3，李宏仲2，劉  涌4，衣  濤3

　　（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437；2.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海200090；

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

　　摘  要： 儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)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(dòng)性和間歇性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)需求側(cè)管理，進(jìn)行調(diào)峰填谷。抽水蓄能和電池儲(chǔ)能是目前比較成熟的兩種儲(chǔ)能技術(shù)。本文忽略儲(chǔ)能電站的動(dòng)態(tài)特性，分析儲(chǔ)能電站接入對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，即對(duì)系統(tǒng)電壓和網(wǎng)損的影響。以某區(qū)域一條配電線(xiàn)路進(jìn)行分析，在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入不同容量的儲(chǔ)能裝置，分析接入不同容量的儲(chǔ)能裝置對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓和網(wǎng)損的影響。仿真結(jié)果表明：在重負(fù)荷區(qū)域接入合適容量的儲(chǔ)能裝置，能夠有效地提高系統(tǒng)電壓水平并降低網(wǎng)絡(luò)損耗。

　　關(guān)鍵詞： 儲(chǔ)能電站；抽水蓄能；電池儲(chǔ)能；配電網(wǎng)；運(yùn)行狀態(tài)

0 引言

　　可再生能源發(fā)電作為一種清潔、綠色、無(wú)污染的發(fā)電技術(shù)，被廣泛應(yīng)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(dòng)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(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)，隨著用電負(fù)荷需求的不斷增長(zhǎng)，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差也日益增大，給電網(wǎng)的調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響。儲(chǔ)能技術(shù)[1-3]的應(yīng)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(dòng)性和間歇性問(wèn)題，并且可以有效實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差，提高電力設(shè)備利用率。

　　抽水蓄能和電池儲(chǔ)能是目前比較成熟的兩種儲(chǔ)能技術(shù)，在理論和實(shí)踐中得到廣泛的研究和應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]提出風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行申報(bào)次日出力計(jì)劃的新模式，考慮抽水蓄能機(jī)組啟停和運(yùn)行工況的限制等因素，建立了風(fēng)電-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度模型，測(cè)試系統(tǒng)表明抽水蓄能電站與風(fēng)電場(chǎng)配合可大大降低風(fēng)電出力隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)面影響，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。文獻(xiàn)[5]研究了抽水蓄能電站與風(fēng)電的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行，通過(guò)抽水蓄能電站和風(fēng)電的聯(lián)合運(yùn)行的時(shí)序模擬，驗(yàn)證了抽水蓄能電站和風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行的可行性及帶來(lái)的顯著效益。文獻(xiàn)[6]研究了風(fēng)蓄聯(lián)合系統(tǒng)中抽水蓄能電站對(duì)風(fēng)電移峰填谷的影響，結(jié)果表明：在峰谷電價(jià)政策下，風(fēng)蓄聯(lián)合系統(tǒng)可將低谷時(shí)段的廉價(jià)電能轉(zhuǎn)化為高峰時(shí)段的珍貴電能，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)還能有效地平滑風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率，降低并網(wǎng)風(fēng)電的波動(dòng)性。

　　電池儲(chǔ)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(chǎng)地靈活、體積小、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)。電池儲(chǔ)能技術(shù)主要有鋰電池、鈉硫電池和液流電池。文獻(xiàn)[7]比較了不同類(lèi)型電池為儲(chǔ)能介質(zhì)的電池儲(chǔ)能電站的性能和對(duì)可再生能源出力波動(dòng)平抑效果。文獻(xiàn)[8]分析了電池-超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)的平抑效果。文獻(xiàn)[9]針對(duì)電力系統(tǒng)中帶有可再生能源的地區(qū)負(fù)荷的兩種構(gòu)成，即混合組網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)，分別提出了負(fù)荷側(cè)電池儲(chǔ)能電站優(yōu)化調(diào)度策略——協(xié)調(diào)調(diào)度和自主運(yùn)行模式。文獻(xiàn)[10]建立了包含發(fā)電商、供電商、大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站、電力用戶(hù)的電價(jià)動(dòng)態(tài)博弈模型，分析了電池儲(chǔ)能電站對(duì)各參與方利益的影響，并對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)下的大規(guī)模儲(chǔ)能電站進(jìn)行了效益評(píng)估。文獻(xiàn)[11]以全壽命周期中一次投資和運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)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(jí)電容器混合儲(chǔ)能電站的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。

　　儲(chǔ)能電站接入配電網(wǎng)可以有效實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)側(cè)的調(diào)峰填谷，是實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理的一種有效手段。文獻(xiàn)[12]運(yùn)用狀態(tài)空間法建立了電池儲(chǔ)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(duì)配電系統(tǒng)可靠性的影響。文獻(xiàn)[13]針對(duì)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行特性，從阻抗的角度分析儲(chǔ)能電站接入配電網(wǎng)后對(duì)原有距離保護(hù)所產(chǎn)生的影響，并提出優(yōu)化策略。

　　本文忽略?xún)?chǔ)能電站的動(dòng)態(tài)特性，分析儲(chǔ)能電站接入配電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，即對(duì)系統(tǒng)電壓和網(wǎng)損的影響。以某區(qū)域一條配電線(xiàn)路進(jìn)行分析，在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入不同容量的儲(chǔ)能裝置，分析接入不同容量的儲(chǔ)能裝置對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓和網(wǎng)損的影響。

1 儲(chǔ)能電站接入對(duì)系統(tǒng)電壓的影響分析

　　為了能夠分析儲(chǔ)能技術(shù)接入系統(tǒng)后對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行電壓的影響，分別對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入系統(tǒng)前后的節(jié)點(diǎn)電壓展開(kāi)計(jì)算。

　　1.1 未接入儲(chǔ)能電站時(shí)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算

　　系統(tǒng)接線(xiàn)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(luò)元件的電壓降落是指元件首末兩點(diǎn)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(gè)分量AD及DB，記這兩個(gè)分量的絕對(duì)值為：

　　則網(wǎng)絡(luò)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(xiě)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(chǔ)能電站時(shí)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算

　　當(dāng)在負(fù)荷側(cè)加裝儲(chǔ)能裝置后，系統(tǒng)網(wǎng)路為圖4所示。

　　加裝儲(chǔ)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(duì)比圖2及圖4 ，式（4）將改變?yōu)椋?/p>

　　對(duì)比式（4）和式（8）可以發(fā)現(xiàn)，在負(fù)荷側(cè)加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)后，能有效地降低線(xiàn)路、變壓器等網(wǎng)絡(luò)元件上的電壓降。

2 儲(chǔ)能電站接入對(duì)網(wǎng)損的影響分析

　　網(wǎng)絡(luò)元件的功率損耗包括電流通過(guò)元件的電阻和等值電抗時(shí)產(chǎn)生的功率損耗和電壓施加與元件的對(duì)地等值導(dǎo)納時(shí)產(chǎn)生的損耗。考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)的電壓等級(jí)較低，故并聯(lián)導(dǎo)納上的損耗可忽略不計(jì)。

　　2.1 未接入儲(chǔ)能電站時(shí)網(wǎng)損計(jì)算

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

　　2.2 接入儲(chǔ)能電站時(shí)網(wǎng)損計(jì)算

　　當(dāng)在負(fù)荷側(cè)加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)后，儲(chǔ)能系統(tǒng)向系統(tǒng)輸送S′=P′+jQ′的功率，電流在線(xiàn)路的電阻和電抗上產(chǎn)生的功率損耗為:

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

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

3 算例

　　以某城市配電線(xiàn)路進(jìn)行分析。該條線(xiàn)路有62個(gè)配變，負(fù)荷較重，10 kV線(xiàn)路采用電纜與架空混合接線(xiàn)，其中母線(xiàn)出線(xiàn)端多以電纜為主；10 kV架空線(xiàn)主干線(xiàn)的截面積為鋁芯240 mm2、185 mm2、150 mm2；10 kV電纜線(xiàn)路主干線(xiàn)的截面積為400 mm2、240 mm2。供電面積較大，節(jié)點(diǎn)較多，有兩塊重負(fù)荷區(qū)域，方便對(duì)不同儲(chǔ)能裝置接入方案對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響分析。具體接線(xiàn)圖見(jiàn)圖6。

　　在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入不同容量的儲(chǔ)能裝置，分別選擇靠近電源點(diǎn)的2節(jié)點(diǎn)、中間區(qū)域的6節(jié)點(diǎn)和重負(fù)荷區(qū)域的25節(jié)點(diǎn)，分析接入不同容量的儲(chǔ)能裝置對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓和網(wǎng)損的影響。首先分析接入不同容量的儲(chǔ)能裝置對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響，結(jié)果如表1和圖7所示。

　　根據(jù)上面2、6、25節(jié)點(diǎn)在接入不同容量后的節(jié)點(diǎn)電壓指標(biāo)和曲線(xiàn)圖可以得出：在各節(jié)點(diǎn)安裝儲(chǔ)能裝置均可有效提升節(jié)點(diǎn)電壓指標(biāo)，且節(jié)點(diǎn)電壓指標(biāo)隨安裝的儲(chǔ)能裝置容量呈近似單調(diào)上升趨勢(shì)。同時(shí)，在接入儲(chǔ)能裝置容量相同的情況下，選擇在電源附近和重負(fù)荷區(qū)域接入時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的指標(biāo)提升較大。故系統(tǒng)在加入儲(chǔ)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(chǔ)能裝置對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響，結(jié)果如表2和圖8所示。

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

　　由上面三個(gè)節(jié)點(diǎn)接入不同容量得到的網(wǎng)損指標(biāo)數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)圖得出：各個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝儲(chǔ)能裝置都可以降低網(wǎng)損指標(biāo)，但隨著容量的進(jìn)一步增大，網(wǎng)損會(huì)達(dá)到一個(gè)最小值，然后出現(xiàn)網(wǎng)損增大，形成凹的拋物線(xiàn)趨勢(shì)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小值都不相同，由上面曲線(xiàn)可以看出重負(fù)荷區(qū)域達(dá)到最小值時(shí)的接入儲(chǔ)能裝置容量最小，在靠近電源點(diǎn)區(qū)域達(dá)到最小值的接入儲(chǔ)能裝置容量最大。

4 結(jié)論

　　各個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝不同容量?jī)?chǔ)能裝置都可以提升節(jié)點(diǎn)電壓指標(biāo)，但隨著容量的進(jìn)一步增大，節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值，然后出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓下降，形成拋物線(xiàn)趨勢(shì)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的峰值都不相同，重負(fù)荷區(qū)域達(dá)到峰值時(shí)的接入儲(chǔ)能裝置容量最小，靠近電源點(diǎn)區(qū)域達(dá)到峰值的接入儲(chǔ)能裝置容量最大。

　　各個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝不同容量?jī)?chǔ)能裝置都可以降低網(wǎng)損指標(biāo)，但隨著容量的進(jìn)一步增大，網(wǎng)損會(huì)達(dá)到一個(gè)最小值，然后出現(xiàn)網(wǎng)損增大，形成凹的拋物線(xiàn)趨勢(shì)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小值都不相同，重負(fù)荷區(qū)域達(dá)到最小值時(shí)的接入儲(chǔ)能裝置容量最小，靠近電源點(diǎn)區(qū)域達(dá)到最小值的接入儲(chǔ)能裝置容量最大。

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

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