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基于线性模型的配电网储能容量配置与电力工程运行优化

时间:2018-09-20 22:45来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,电力不足严重阻碍着国民经济的发展。世界各国的经验表明,电力生产的发展速度应高于其他部门的发展速度,才能促进国民经济的协调发展。
本文是一篇电力工程论文,电力不足严重阻碍着国民经济的发展。世界各国的经验表明,电力生产的发展速度应高于其他部门的发展速度,才能促进国民经济的协调发展,所以电力工业又被称为国民经济的“先行官”。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
1.绪论
 
1.1 研究背景与意义
在环境压力与能源危机双重背景下,可再生能源发电在世界范围内引发了极大关注,如何高效、绿色、合理地利用新能源发电受到了各界专家的高度重视。现阶段,分布式发电(distributed generation,DG)已经被证明是整合风力和光伏发电的有效形式。与集中式发电相比,分布式发电有紧靠用户,可以减少输电成本和网络损耗、规划和建设周期短、占地少、运行灵活等诸多优势。同时随着技术进步,DG 发电成本逐年降低,加上各国政府对新能源发电均有鼓励政策,近年来 DG 装机容量稳步上升。目前,发展最成熟也最具应用前景的可再生能源发电形式为风力发电和光伏发电,风电和光伏以自然能量为能量来源,而这些能源不受人为控制,且易受环境、气候的影响,因此风光发电的功率具有低可控性、不确定性和波动性。大规模可再生能源并网后可能对配电网产生负面影响,如可能会引起频率偏差、电压波动、电压闪变、谐波污染和直流注入等问题【1】。风力与光伏发电并入电网时可以直接接入配电网也可以经由微电网接入。当风电与光伏直接接入配电网时,如果注入过率过高,则可能造成潮流反向对电网造成功率冲击,引起过电压;如果呼入功率波动过大,则会引起接入节点的电压较大波动,严重影响电能质量。当功率较小的风光发电经过微电网并入时,其出力的不确定性将使得微网内部能量管理更加困难,其出力间歇性又会影响微网内部供电可靠性,严重时甚至无法保证系统的正常供电。综上各种不利因素制约风电与功率的接入容量,造成了大量弃风、弃光的局面,限制风电与光伏并网规模的进一步扩大。上述问题很大程度上由风力发电的波动性与不确定性造成【2】,在当前政策鼓励的背景下,可以预见未来配电网中风电接入容量会持续提高,其带来的电压越限、弃风问题也越来越严峻。国内外学者对风光出力波动性的管理措施做了多方面研究,如网架结构改造、提高风光预测精度及配置储能设备等。其中电池储能系统(battery energy storage system,BESS)作为一种快速响应的灵活电源,在一定程度上转变了电能不能大量存储的特定,有望有效应对风光出力低可控性、波动性带来的问题【3】。随着储能技术近年来的技术成熟与工程实践经验积累,在智能电网概念提出的背景下,再加上政府的政策鼓励与市场化的需求,规模化储能技术应用到新能源并网领域的可能性逐渐明朗【4】。在电网中装设储能设备有利于减少新能源发电弃风、弃光率,提高电网接入新能源发电的能力,实现发电端绿色节能减排;减小负荷峰谷差,方便电网内部能量管理;延缓电网线路升级。目前世界各电力大国都制定了储能发展的相关政策、指导意见,从资金上对储能的发展及示范工程予以支持。现阶段尤其是储能技术的进步使得储能寿命与成本逐年下降,是储能应用前景越来越明朗。
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1.2 研究现状
 
1.2.1 分布式发电给配电网带来的影响
在节能减排的大背景下,随着分布式发电技术日趋成熟以及国家政策的支持鼓励,可以预见风电光伏以分布式电源形式接入的规模将进一步扩大。分布式电源接入位置灵活、本身出力随外界环境变化而具有不确定性和波动性,一般认为其接入配电网后,会对潮流流向、规划设计、继电保护和电能质量等多方面产生影响【5】。(1)增加不确定性因素。过去电力系统预测主要是负荷预测,风电和光伏出现会使电力预测增加新的内容、系统运行状态与过去相比有更多的的不确定性因素。由于风力发电和光伏发电以风能和太阳能等自然能源为能量来源,而这些自然能源会随着外界环境变化而变化,使得风力发电和光伏发电具有不确定性和波动性。另外,虽然接入 DG 对于减少电能损耗有益处,推迟电网升级改造,减少其投资费用,但不适当的 DG 规模与接入位置也可能会造成相反的效果,增大线路电能损耗,导致网络中某些节点电压的下降或出现过电压。(2)对配网潮流的影响。我国配电网一般采取闭环设计开环运行的策略,由于配电网一般为辐射状,所以系统运行时潮流从变电站流向各负荷节点,节点电压沿线路依次降低。当 DG 接入后,为配电网提供了新的电源,电网呈现多电源结构,潮流不再单一由根节点流向各负荷,使得线路可能出现逆向潮流,系统潮流分布和电压分布规律均发生改变。由于电压配电网多采用阶段式电流保护,潮流的改变将影响继电保护整定工作,造成保护灵敏度下降甚至失去选择性。如果 DG 注入功率达到一定水平并改变短路水平,还会引起熔断器和断路器的不匹配,影响电力系统的可靠性和安全性【6】。
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2.配电网中储能技术及线性潮流建模
 
2.1 储能在配电网中的应用
电化学储能可以快速充放电,能量转换效率高,使用灵活方便。随着储能技术的日趋成熟,其在配电网中的角色越来越重要。本节列举了储能接入配电网的两种形式,并分析了各自的功能。储能系统接入配网的形式主要可分为下两类:(1)配网关键节点;(2)微网系统。分布式电源接入配网后能减少功率在线路上的流动,从而减少线路损耗,同时其注入的功率也可以提高接入节点的电压水平,但是风电与光伏出力不稳定,出力曲线常与负荷曲线不一致,导致电网负荷峰谷差加大,而其不确定性还可能降低供电质量。电池储能可以快速存储能量,以公共储能形式接入配电网后可以辅助电网调节,抑制新能源波动性带来的不利影响,提高系统运行稳定性。电池储能接入配网关键节点后的益处如下:(1)平抑波动。电池储能的能量响应速度快,可以综合新能源出力变化与负荷波动情况进行快速充放电,从而防止过剩功率注入引起的过电压和过负荷引起的低电压,还起到了平滑负荷曲线的效果。(2)削峰填谷。配电网安装的公共储能一般具有较大的容量,可以实现较大能量的存储,能在负荷低谷时吸收能量,负荷峰值时释放能量,达到负荷功率转移的目的。(3)提高电能质量。电池储能充放电速度快,配置大功率电池储能可以根据电网需要快速存储、释放电能,为系统提供调频等辅助服务,不仅可以提高电网电能质量,还可以在系统停电时作为电源使用,提高电网供电可靠性。(4)延缓电网升级改造。电池储能通过充放电可以实现功率在时间上的转移,从而降低了负荷峰值时线路的功率流动,从而延缓线路升级改造,而且储能通过电能调节可以提高其他设备使用效率,延长设备使用寿命,减少系统维护费用。
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2.2 储能的建模
在研究储能接入配电网的模型时,不考虑储能装置的电路过程,仅考虑储能的充放电特性、剩余电量和经济特性。为此建立如下数学模型。综上建立了储能的数学模型,主要包括功率与电量的数学表示与约束、计及 BESS 寿命的经济性模型。计及储能系统寿命的经济性模型可以更贴合实际地衡量储能投资的经济成本,由于配电网规划模型中一般将经济性作为规划模型的目标函数,本小节的经济性模型将为后续提出储能系统规划方法提供支撑。
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3. 基于线性潮流的配电网公共储能配置方法.............23
3.1 概述............23
3.2 含风电场的配电网储能规划模型....23
3.2.1 双层决策模型.............24
3.2.2 上层问题:储能选址与定容......24
3.3.3 下层问题:储能优化运行..........25
3.3 储能配置模型的线性化..........27
3.4 算例分析.............29
3.5 小结...........34
4. 基于灵敏度分析的用户光伏储能充放电策略.........35
4.1 概述............35
4.2 灵敏度分析..........35
4.2 高光伏渗透率引起的过电压治理措施......36
4.3 所提方法....37
4.4 算例分析....40
4.5 小结............42
5.结论与展望.......43
5.1 结论...........43
5.2 展望...........43
 
4.基于灵敏度分析的用户光伏储能充放电策略
 
4.1 概述
当高渗透率的分布式光伏接入配电网时,由于光伏的出力高峰往往又是负荷低谷时段,有可能会造成电压越限问题。分布式光伏电源接入配电网后引发的电压越限问题成为限制其容量和渗透率的主要因素之一【60-61】。如第 2 章所述,储能应用于微电网有利于保证其内部功率平衡,减小电压波动。而用户安装的小型储能设备可以很好地解决上述问题。为提高储能利用效率,让其更好的服务电网,需要考虑储能的优化运行问题。本章着眼于用户安装的小型储能设备,给出其优化运行方案,即何时以多大功率充/放电,从而达到防止由于过量光伏功率注入引起的配电网电压越限问题。由 1.3.2 节可知中央控制方式较之本地控制具有更好的控制效果,在中央控制方式下,中央处理器对包括储能在内的可控单元下达指令,指令的下达一般依据测量装置的量测数据以及可控单元的反馈,所以中央控制一般为双向通信【59】。但如果将为数众多的用户储能单元一一纳入调度范围,中央控制器的所要承担的计算量就非常巨大了。为了提高储能单元控制效率同时减轻中央控制器的计算量,本章提出一种中央控制方式下以防止电压越限为目标的用户储能优化运行方案。该方案首先通过负荷预测和光伏出力预测估计用户节点的注入功率,然后通过求解线性优化模型得出储能单元动态充电阈值,该充电阈值指光伏出力高于该阈值时储能单元开始充电。上述方案基于灵敏度分析,计算量小,同时可以提高储能单元利用效率。本章首先介绍了灵敏度法的原理,接着建立调度所需优化模型,最后通过算例验证本文所提方法的有效性。
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结论
 
随着储能技术的迅猛发展,在配电网中安装储能装置有望解决新能源发电波动性带来的挑战。电化学储能作为一种灵活电源,其快速充放电的特性可以起到辅助协调新能源出力的作用。但是现阶段储能投资费用仍然较高,而且在配电网中配置储能的位置会影响到储能参与电网运行调节的效果,因此研究配电网中储能单元的选址以及容量配置问题具有现实意义。本文将储能在配电网中的应用归为应用于配电网关键节点和微电网两大类,并分别就其优化配置与优化运行问题作了讨论。针对储能应用于配电网关键节点,首先建立了以储能投资周期收益最大化为目标函数,以储能安装位置、容量为优化变量的储能配置模型。然后针对加入储能后优化模型变量维数大,模型非线性非凸导致的求解难问题,提出了线性优化模型,该模型以线性潮流为基础,该线性潮流计算速度快,计算误差小,且适用于配电网线路电阻高的情况。将储能配置模型的潮流约束部分与目标函数中线路网损部分线性化后,得到了线性优化模型。最后算例分析表明所提模型计算效率大大提高,同时计算误差在可接受范围。此外,在配电网中加入储能装置后,有力应对风电出力波动性与不确定性的问题,起到了调节电网电压的作用。针对储能应用于微电网,提出能一种中央控制方式下用户储能单元充放电策略。该充放电策略以防止过剩光伏功率注入导致的电压越限为目标,同时尽可能提高储能的利用效率。该控制策略基于电压灵敏度,综合考虑了用户负荷的波动,光伏逆变器的无功控制能力,建立了用户储能最优充放电策略的优化模型。该模型为线性模型,求解速度快,适应中央控制方式对模型计算量小的要求。与固定阈值的充电策略相比,可以提高储能的利用效率,减少用户所需安装的储能容量。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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