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考慮高滲透率光伏接入的分布式儲能優(yōu)化配置

作者:金 迪 等 來源:曉說浙電論文 發(fā)布時間:2020-05-02 瀏覽:

考慮高滲透率光伏接入的分布式儲能優(yōu)化配置

金 迪1,潘 郁1,周家華1,王元凱1,操瑞發(fā)1,張 興2,杜士平2

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司,浙江 寧波 315000;2.浙江優(yōu)能電力設(shè)計有限公司,浙江 寧波 315100)

本文引文信息:金迪,潘郁,周家華,王元凱,操瑞發(fā),張興,杜士平.考慮高滲透率光伏接入的分布式儲能優(yōu)化配置[J].浙江電力,2020,39(03):68-74.

0 引言

據(jù)相關(guān)研究,過去10 年間,可再生能源發(fā)電成本處于持續(xù)下降態(tài)勢。2018 年,中國LCOE(太陽能光伏加權(quán)平均電力成本)為0.067 美元/kWh,已低于國內(nèi)燃?xì)獬杀?,并將?026 年實現(xiàn)與煤電成本的競爭優(yōu)勢。

由于光伏接入點和接入容量具有很大的隨機性,且出力受光照強度和溫度影響而具有較大的波動性,因此分布式光伏規(guī)?;尤雽﹄娋W(wǎng)的安全運行帶來了很大挑戰(zhàn)[1-4]。安裝適量的ESS(儲能系統(tǒng)),利用儲能、分布式光伏和負(fù)荷需求之間的時序互補特性,能顯著抑制光伏出力的波動性,從而提高規(guī)劃方案的經(jīng)濟性[5]。

國內(nèi)外對分布式儲能在配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置進(jìn)行了大量深入研究,部分研究成果側(cè)重于分布式電源與儲能的聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃。文獻(xiàn)[5]提出了一種主動配電網(wǎng)規(guī)劃運行聯(lián)合優(yōu)化模型,實現(xiàn)ESS及DG(分布式電源)的選址定容的經(jīng)濟調(diào)度。文獻(xiàn)[6]基于DG 和負(fù)荷的時序特性,建立了DG 和儲能選址定容的規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[7]從經(jīng)濟成本、電壓質(zhì)量以及局部自治區(qū)域功率波動等3 個方面建立了分布式電源和儲能系統(tǒng)的多目標(biāo)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[8]首先建立分布式電源與配電網(wǎng)的聯(lián)合擴展規(guī)劃模型,其次在分布式電源規(guī)劃結(jié)果的基礎(chǔ)上,基于傅立葉頻譜分析理論,建立儲能規(guī)劃模型。

部分研究成果從降低網(wǎng)損、改善電壓質(zhì)量、減緩配電網(wǎng)增容投資方面進(jìn)行了儲能的優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[10]建立了以電壓偏差、線路有功損耗及儲能容量最小為目標(biāo)的分布式儲能系統(tǒng)選址定容優(yōu)化配置模型,用來解決農(nóng)村低壓配電網(wǎng)季節(jié)性電壓偏低與線路損耗等嚴(yán)重問題。文獻(xiàn)[11-13]從改善電壓的角度研究儲能系統(tǒng)最佳選址及配置,其中文獻(xiàn)[12-13]還考慮了光伏出力的影響,但都是給定光伏接入容量及接入點,沒有考慮光伏接入的隨機性。文獻(xiàn)[14-15]從減小網(wǎng)損、節(jié)省投資角度研究了儲能的優(yōu)化配置,沒有考慮光伏接入的影響。

以上研究成果或是未考慮光伏接入的影響;或是考慮了光伏接入,但接入容量及接入點是事先給定的;或是將光伏出力看作恒定值,導(dǎo)致分布式儲能的優(yōu)化配置研究結(jié)果帶有一定的主觀性。隨著光伏發(fā)電成本的逐漸降低、國家能源轉(zhuǎn)型改革力度的不斷加大,分布式光伏并網(wǎng)規(guī)模、并網(wǎng)點隨機性會越來越大,未來負(fù)荷面臨很大的不確定性,儲能的優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果不能適應(yīng)大規(guī)模光伏接入的場景。

本文基于光伏歷史出力數(shù)據(jù),分析了規(guī)?;植际焦夥某隽μ匦?;采用蒙特卡洛模擬法隨機模擬不同光伏接入場景,從而得到配電網(wǎng)允許接入的分布式光伏最大裝機容量;基于相關(guān)土地規(guī)劃,通過屋頂面積、屋頂光伏可利用面積、光伏系統(tǒng)表面積估算分布式光伏潛在裝機容量;利用負(fù)荷曲線和光伏出力曲線,進(jìn)行潮流計算,根據(jù)越限程度確定分布式儲能總功率及總電量。以一個低壓臺區(qū)為例進(jìn)行了分析、驗證。

1 規(guī)?;植际焦夥隽μ匦?/strong>

光伏實際出力受到氣象條件如云層遮蔽、空氣散射等隨機性因素影響,在不同季節(jié)和不同時刻具有波動性。

實驗表明,在眾多影響因素中,太陽輻照度、溫度對光伏電源出力的影響程度較大:在其他因素不變的情況下,一定范圍內(nèi),光伏組件的輸出功率隨光照強度的增加而呈線性增加,隨組件表面溫度的增加而呈線性減少。

1.1 月出力特性

對這8個指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)較小,用因子分析方法嘗試降維,結(jié)果KMO檢驗值為0.041,不宜降維,說明這8個指標(biāo)的設(shè)定較好。8個指標(biāo)排序結(jié)果如下:

圖1 寧波某區(qū)域分布式光伏月出力特性

由圖1 可知,該區(qū)域分布式光伏在11 月至來年2 月平均出力最低,在6—8 月平均出力較高,表現(xiàn)出光伏發(fā)電受季節(jié)氣候、天氣變化和日照小時數(shù)等因素約束的特點。2—11 月,最大出力差不多都在裝機容量的80%以上。

1.2 日出力特性

圖2 為該區(qū)域分布式光伏1 年中24 個整點時刻最大出力、平均出力的統(tǒng)計平均值。

圖2 寧波某區(qū)域分布式光伏出力時序統(tǒng)計

由圖2 可知,分布式光伏規(guī)模較大時,出力變化較為平滑,由于夜間無光照,在19:00 至次日6:00 出力接近0;而正午陽光充足,在10:00—14:00 光伏出力最大,最大出力和平均出力的統(tǒng)計平均值占裝機容量的91%和47%以上。

2 分布式儲能優(yōu)化配置方法

2.1 總體思路

寧波某區(qū)域分布式光伏月出力特性見圖1。

(1)基于歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)測該區(qū)域未來最小負(fù)荷曲線,結(jié)合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和分布式光伏出力特性,分析該區(qū)域最小負(fù)荷下滿足潮流、電壓約束的分布式光伏最大裝機容量。

(2)基于相關(guān)土地規(guī)劃,評估該區(qū)域分布式光伏潛在的最大裝機容量及可能并網(wǎng)的裝機容量,判斷區(qū)域電網(wǎng)能否全部消納可能并網(wǎng)的光伏裝機容量,若不能全部消納,則可考慮配置分布式儲能。

(3)基于該區(qū)域凈負(fù)荷曲線,對各整點時刻進(jìn)行潮流計算,得出1 天24 h 中存在節(jié)點電壓或線路潮流越上限的所有時刻,減小光伏出力,直至所有節(jié)點或支路不發(fā)生越限,越限時刻對應(yīng)的光伏出力減小量的最大值為應(yīng)安裝的儲能總功率,求出所有越限時刻光伏出力減小量之和,可得到儲能總電量??紤]光伏消納的分布式儲能優(yōu)化配置原理見圖3。

圖3 分布式儲能優(yōu)化配置原理

2.2 區(qū)域電網(wǎng)允許接入的光伏最大裝機容量

采用蒙特卡洛模擬法隨機模擬不同光伏接入場景,從而得到配電網(wǎng)的光伏消納能力:針對某一時刻負(fù)荷數(shù)據(jù),在系統(tǒng)中隨機選取光伏接入點和接入容量,通過潮流計算得到該場景下系統(tǒng)各節(jié)點電壓、各支路潮流的變化情況。對于不同光伏裝機的情況,隨機模擬多次上述場景來評估配電系統(tǒng)光伏消納的能力。

對于一個有N 個負(fù)荷節(jié)點的配電網(wǎng),模擬具體步驟如下:

(1)給定區(qū)域配電網(wǎng)年最大負(fù)荷PLmax及年最小負(fù)荷曲線,設(shè)定初始光伏容量滲透率λ=λ0=0,則光伏年最大發(fā)電功率為Pmax0=PLmax×λ0,依據(jù)本區(qū)域分布式光伏最大出力時序統(tǒng)計數(shù)據(jù),給定光伏系統(tǒng)年最大出力曲線(考慮到實際中配電網(wǎng)區(qū)域面積相對較小,假定各節(jié)點相同裝機的光伏出力相同)。

(2)在N 個負(fù)荷節(jié)點集合中,隨機選取m0個節(jié)點用于接入光伏系統(tǒng),各節(jié)點裝機容量為Pi(i=1,2,…,m0),則,其中η 為光伏系統(tǒng)平均發(fā)電效率,參考圖2 分析結(jié)果,可取η=0.91。

(3)計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)潮流,記錄系統(tǒng)節(jié)點電壓、支路潮流,判斷是否越限。若不存在節(jié)點電壓或支路潮流越限,則將容量滲透率增加一個固定值Δλ(Δλ>0),即λ1=λ0+Δλ,重新計算光伏年最大發(fā)電功率Pmax1=PLmax×λ1,滿足pagenumber_ebook=74,pagenumber_book=70。

(4)對于每一光伏滲透率λk,重復(fù)步驟(1)—(3),直到系統(tǒng)電壓或支路潮流越限,得到最大光伏滲透率λmax,從而得到電網(wǎng)允許接入的光伏最大裝機容量:

2.3 區(qū)域分布式光伏最大裝機潛力評估

通過估算屋頂面積、屋頂光伏可利用面積、光伏系統(tǒng)表面積來估算分布式光伏裝機容量。估算時,一般只考慮居住、公共管理與公共服務(wù)設(shè)施、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施、工業(yè)及物流倉儲等用地性質(zhì)的地塊,具體方法如下。

2.3.1 屋頂總面積計算

在通常的建筑形體中,屋頂投影面積與建筑基底面積都是二維平面,假設(shè)建筑屋頂投影總面積與建筑的基底面積相等,則:

式中:Ahy·roof為建筑屋頂投影總面積;Acover為建筑基底面積;BD 為建筑密度;Aland為用地面積。

利用Ahy·roof計算真正的屋頂總面積Aroof,引入屋頂總面積利用系數(shù)ft,則:

2.3.2 屋頂光伏可利用面積計算

從屋頂?shù)目偯娣e得到屋頂光伏可利用面積,引入?yún)?shù)屋頂光伏可利用系數(shù),其含義是指屋頂光伏可利用面積與屋頂總面積之比:

式中:Ar·pv為屋頂光伏可利用面積;fr·pv為屋頂光伏可利用系數(shù);Aroof為屋頂總面積。

屋頂光伏可利用系數(shù)取值見表1[16]。

表1 屋頂光伏可利用系數(shù)建議值

2.3.3 光伏系統(tǒng)組件表面積計算

當(dāng)屋頂光伏可安裝面積確定后,不同傾斜角和遮陽角的選擇、可以安裝的光伏組件表面積也不同,只要估算出光伏板安裝面積,即可估算光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率。

光伏系統(tǒng)組件表面積計算公式為:

式中:Apv為光伏系統(tǒng)組件表面積;GCR 為光伏系統(tǒng)組件的地面占用率,即光伏系統(tǒng)組件的表面積與其所占用的屋頂面積之間的比例;SA 為安全通道所占面積折減系數(shù);a 為光伏板安裝后的高度;b 為光伏板之間的水平空隙間距;c 為光伏板的寬度;d 為光伏板之間的間距;α 為遮陽角;β 為傾斜角。

為了滿足日常檢修和防止火災(zāi)的要求,在屋頂上安裝光伏需要與構(gòu)件之間以及光伏組件之間保持一定的安全通道,當(dāng)光伏安裝傾角達(dá)到一定的角度時,可以利用光伏板之間的距離做安全通道,不用額外的占用空間;當(dāng)安裝角度較低時,就需要有額外的空間。相關(guān)研究根據(jù)這一導(dǎo)則估算了安裝通道的面積比例,如表2 所示。

表2 全通道占用屋頂面積比例值[16]

得到分布式光伏最大裝機潛力后,考慮經(jīng)濟性等多種因素的影響,乘以比例系數(shù)k,得到目標(biāo)年可能并網(wǎng)的光伏裝機容量PPVec。

相關(guān)計算公式為:

式中:PPVmax為光伏最大裝機潛力;PPVa為單個光伏組件額定功率;PPVec為可能并網(wǎng)的光伏裝機容量。

2.4 分布式儲能總功率及總電量確定

計算得到區(qū)域電網(wǎng)允許接入的光伏最大裝機容量、可能并網(wǎng)的光伏裝機容量,依據(jù)最小負(fù)荷日負(fù)荷曲線和可能并網(wǎng)的光伏裝機下最大出力曲線,計算最小負(fù)荷日1 天24 h 中存在節(jié)點電壓或線路潮流越上限的所有時刻,減小光伏出力,直至所有節(jié)點或支路不發(fā)生越限,得到各個越限時刻光伏出力減小量的最大值,即為需配置的分布式儲能總功率PCtotal。

求所有越限時刻光伏出力減小量之和,再綜合考慮充電效率和充放電深度,可得出儲能系統(tǒng)總電量:

式中:N 為1 天24 個整點時刻中發(fā)生電壓或支路潮流越限的數(shù)量;Pi為某越限時刻充電功率;ηc為儲能系統(tǒng)充電效率,假定充電效率為90%,放電深度為80%。

由以上分析可知,各個越限時刻儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電以抵消部分光伏出力,光伏出力減小量即為該時刻儲能系統(tǒng)的充電功率。假定儲能系統(tǒng)采用恒功率放電策略,放電功率為額定功率PCtotal,則放電時長為:

式中:Td為儲能系統(tǒng)每天放電時長;ηd為儲能系統(tǒng)放電效率,假定也為90%。

放電區(qū)域的選擇如下:在負(fù)荷高峰值處做直線L,并以步長ΔM 向下移動,因負(fù)荷存在多個高峰期,因此水平直線L 會與負(fù)荷曲線交于2N個交點,統(tǒng)計N 個區(qū)域交點間距離之和,判斷是否等于放電時間Td,直到找到合理放電區(qū)域為止。

當(dāng)前應(yīng)用較多的磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)一般由磷酸鐵鋰電池單元、PCS(儲能變流器)、并網(wǎng)柜、BMS(電池管理系統(tǒng))、電池監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)裝式集裝箱和線纜組成,初始投資成本折算到單位容量為2 000~3 000 元/kWh。由于中國電力市場尚未完全建立,目前電網(wǎng)側(cè)儲能尚無成熟的商業(yè)模式,還未形成對儲能功能價值認(rèn)可的付費機制。

3 算例分析

3.1 相關(guān)參數(shù)

以某臺區(qū)低壓配電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析,該臺區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖4,參數(shù)見表3。

圖4 某臺區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

對該臺區(qū)目標(biāo)年最小負(fù)荷曲線進(jìn)行預(yù)測,該臺區(qū)目標(biāo)年最大負(fù)荷為275 kW,歸一化后的年最小負(fù)荷日負(fù)荷曲線見圖5,且最小負(fù)荷發(fā)生在凌晨5:00,為39.5 kW,該時刻各節(jié)點負(fù)荷值見表4。假定其他時段各節(jié)點的負(fù)荷分布不變,同比例增大,則可得到最小負(fù)荷日各整點時刻各節(jié)點負(fù)荷的功率。

3.2 允許接入的最大光伏裝機容量

電網(wǎng)基準(zhǔn)功率為100 kVA,配電變壓器兩側(cè)的電壓基準(zhǔn)值分別為10.5 kV 和400 V,并選取節(jié)點18 為平衡節(jié)點,采用表4 中的負(fù)荷值計算不同容量滲透率下的電壓越限節(jié)點數(shù)百分比、潮流越限支路百分比,進(jìn)行1 000 次模擬后,結(jié)果如表5 所示。

表3 支路阻抗參數(shù)

圖5 臺區(qū)最小負(fù)荷日負(fù)荷曲線

表4 最小負(fù)荷時刻各節(jié)點負(fù)荷值

由表5 可知,隨著光伏裝機容量的增大,該臺區(qū)節(jié)點電壓先發(fā)生越限。把電壓越限節(jié)點數(shù)百分比不超過5%作為允許接入的最大光伏裝機容量,則該臺區(qū)允許接入的光伏容量滲透率為33%,裝機容量為100 kW。

表5 電壓及潮流越限統(tǒng)計

3.3 分布式光伏最大裝機潛力

該臺區(qū)供電范圍內(nèi)適合安裝分布式光伏的屋頂資源,統(tǒng)計結(jié)果見表6。單個光伏組件面積取1.638 m2(0.992 m×1.652 m),功率取285 W。以2.3節(jié)所提方法評估光伏裝機潛力,得到光伏最大裝機潛力為534 kW,考慮經(jīng)濟性等多種因素的影響,假設(shè)目標(biāo)年有30%的屋頂資源得到了利用,則預(yù)測可能并網(wǎng)的光伏裝機為160 kW。

表6 臺區(qū)供電范圍內(nèi)屋頂資源及最大光伏裝機容量

3.4 分布式儲能總功率及總電量

考慮光伏接入后的凈負(fù)荷曲線見圖6?;谠搮^(qū)域凈負(fù)荷曲線潮流計算結(jié)果,得出1 天24 h中存在節(jié)點電壓越上限的時刻為9:00—16:00,各個越限時刻需設(shè)置的儲能功率見表7。

圖6 臺區(qū)最小負(fù)荷日負(fù)荷曲線

表7 越限時刻所需儲能容量統(tǒng)計

由表7 得到儲能總充電功率為PCtotal=65 kW,假設(shè)儲能系統(tǒng)充電效率ηc為90%,放電深度為80%,由式(8)計算得到儲能系統(tǒng)總電量Etotal=儲能總電量為ECtotal=322 kWh。額定放電功率下的放電時長為3.6 h,由圖6 可知,放電區(qū)間在19:00—23:00。初始投資成本按2 000 元/kWh 計算,則總投資為64.4 萬元,當(dāng)前經(jīng)濟性較差。

4 結(jié)語

光伏發(fā)電受季節(jié)氣候、天氣變化和日照小時數(shù)等因素的影響,具有很大的隨機波動性。基于光伏歷史出力數(shù)據(jù),分析了規(guī)?;植际焦夥某隽μ匦?,建立了光伏裝機容量和發(fā)電出力在不同月份、一天中不同時刻的比例關(guān)系。

采用蒙特卡洛模擬法隨機模擬不同光伏接入場景,從而得到配電網(wǎng)允許接入的分布式光伏最大裝機容量;基于相關(guān)土地規(guī)劃,通過屋頂面積、屋頂光伏可利用面積、光伏系統(tǒng)表面積估算分布式光伏潛在裝機容量和可能并網(wǎng)的光伏裝機容量。

依據(jù)最小負(fù)荷日負(fù)荷曲線和可能并網(wǎng)的光伏裝機下最大出力曲線,計算最小負(fù)荷日1 天24 h中存在節(jié)點電壓或線路潮流越上限的所有時刻,減小光伏出力,直至所有節(jié)點或支路不發(fā)生越限,得到各個越限時刻光伏出力減小量的最大值,即為需配置的分布式儲能總功率。求所有越限時刻光伏出力減小量之和,再綜合考慮充電效率和充放電深度,可得出儲能系統(tǒng)總電量。

合理規(guī)劃光伏的接入位置和接入容量,能夠有效地改善負(fù)荷三相不平衡,提高光伏滲透率。本文在分析低壓電網(wǎng)允許接入的光伏最大裝機容量時,未考慮三相不平衡的影響,需進(jìn)一步研究考慮三相不平衡的儲能優(yōu)化配置方法。考慮到臺區(qū)負(fù)荷的不確定性,進(jìn)行模塊化開發(fā)設(shè)計和積木化應(yīng)用的移動式電池儲能系統(tǒng)是未來低壓側(cè)儲能發(fā)展的趨勢。

參考文獻(xiàn):(略)

DOI:10.19585/j.zjdl.202003011

開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):pagenumber_ebook=72,pagenumber_book=68

基金項目:國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司科技項目(SGZJNB00HWJS1900602)

作者簡介:

金 迪(1987),男,工程師,從事配電網(wǎng)運行檢修與自動控制工作。

張 興(1983),男,工程師,從事電力系統(tǒng)研究工作。(通訊作者)

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關(guān)鍵字:分布式儲能

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