电池储能电站替代变电站升级的优化决策配置方法_张中丹.pdf

第 44 卷第 7 期2023 年 7 月电力建设Electric Power ConstructionVol.44No.7Jul 2023http:/www cepc com cn基金项目:国网甘肃省电力公司科技项目(52273020000B)电池储能电站替代变电站升级的优化决策配置方法张中丹，皮霞，杨德州，吕金历(国网甘肃省电力公司经济技术研究院，兰州市 730050)摘要:在大规模新能源接入及负荷增长情况下部分变电站存在容量不足问题，为确保电力公司运行经济性，文章对比分析配置储能电站及变电站升级扩容两种方案。首先考虑方案经济性、可靠性及环境指标建立综合评价指标体系进行评估，其次以最大化配置储能效益为规划目标，考虑储能系统全寿命周期成本与提升电网运行可靠性、延缓电网升级改造及降低配电网运行网损三部分效益建立储能成本 效益模型，然后采用改进进化算法进行仿真确定储能系统的配置容量，并通过评价体系得到最佳规划方案。结果表明:在当前电网运行水平和模式下，配置储能系统可以延缓电网升级改造，提升电网整体运行水平，可为后续大规模新能源并网应用储能系统平滑新能源出力、延缓电网升级改造提供规划参考。关键词:配电网规划;储能系统;变电站扩容;可靠性;容量配置Optimal Decision-making Configuration Method for BatteryEnergy Storage Station to eplace Substation UpgradesZHANG Zhongdan，PI Xia，YANG Dezhou，L Jinli(Economic and Technical esearch Institute of State Grid Gansu Electric Power Company，Lanzhou 730050，China)ABSTACT:With the introduction of large-scale energy sources and increasing load growth，some substations may facecapacity limitations To ensure the operational economy of power companies，this study undertakes a comparative analysis oftwo schemes for configuring energy storage power stations and upgrading and expanding substations First，we considered theeconomic，reliability，and environmental indicators of the scheme to establish a comprehensive evaluation index systemSecond，to maximize the allocation of energy storage benefits as the planning goal，we consider the life cycle cost of theenergy storage system and the benefits of improving power grid operation reliability，delaying the upgrading of the power grid，and reducing operating network loss in the distribution network to establish an energy storage cost-benefit modelSubsequently，an improved evolutionary algorithm was utilized in simulations to ascertain the allocation capacity of the energystorage system The optimal planning scheme was then obtained through the evaluation system The results show that，underthe current grid operation level and mode，the configuration of the energy storage system can delay grid upgrading，improvethe overall operation level of the grid，and provide a planning reference for the subsequent large-scale new energy gridconnection application of the energy storage system to smooth the new energy output and delay grid upgradingThis work is supported bythe State Grid Gansu Electric Power CompanyScience and TechnologyProject(No.52273020000B)KEYWODS:distribution network planning;energy storage system;substation expansion;reliability;capacity configuration中图分类号:TM91文献标志码:A文章编号:1000 7229(2023)07 0041 09DOI:10.12204/j issn.1000 7229.2023.07.0050引言随着新能源发电发展，风、光发电并网比例逐步提高，新能源渗透率的不断提高及区域用电负荷的增加，导致部分变电站的主变容量无法满足新能源接入及负荷增长带来的容量需求，通常采取变电站扩建改造或配置储能电站两种方案进行解决。变电站扩建改造通过增设变压器来提高负荷承担能力。然而负荷发展较缓，变电站部分时段利用率较低;且随着新能源发电的接入，其波动性对电网造成一定影响，变电站扩建无法在根本上解决未来新能源接入带来的问题。目前随着储能技术的发展，储能逐渐成为电力系电 力 建 设第 44 卷http:/www cepc com cn统发展规划中必不可少的角色。在电网侧配置储能可以利用其随充随放的灵活性，平滑光伏等新能源出力波动，促进新能源消纳;同时改善电网的电能质量，提升运行可靠性;通过控制充放实现延缓电网升级改造、降低运行损耗等作用1-13。但相较于变电站扩建，储能也具有单位成本高、承担负荷增长能力受限等问题，若考虑储能综合效益，在一定条件下替代变电站扩建具有可行性。为此，研究储能替代变电站升级改造的可行性决策方法对指导电网规划具有重要意义。储能系统替代变电站升级改造决策研究首先需要对储能容量配置进行研究，得到储能配置方案。文献 14 提出通过计算可靠性分析不同接入点及接入容量的储能电站对供电可靠性的影响。文献 15 从配电网公司角度，以净收益最大为目标，结合运行策略及投资主体的利益，确定储能系统的配置方案。文献 16 从储能服务提供商的角度，以电网配置储能，并通过使用合同电价的方式影响储能放电政策的应用场景，使用改进粒子群算法求解储能的最佳配置容量及合同电价的双层模型。文献 17 基于智能生成储能运行策略提出了增量配电系统中储能容量优化方法，并基于生成的运行策略及优化方法建立储能容量优化模型。文献 18 为最小化购电费用和储能系统配置与变电站升级的综合投资费用，提出了变电站升级联合配置储能电站的协调规划方法。文献 19考虑能源互联网的储能需求，构建了储能容量协调优化方法。文献 20 计及储能充放电策略及放电程度对储能系统寿命周期影响，建立了基于充放电策略的储能配置方法。在对储能综合效益评估方面，文献 21考虑储能系统优化新能源出力、反调峰和改善新能源出力预报精度等构建了储能综合效益评估框架。文献 22利用降低能量损耗效益、峰谷电价差套利效益和提升环境效益 3 个指标评估储能系统的综合价值效益。文献 23 从技术性、环境性、经济性 3 个维度出发，建立了电化学储能的综合评价指标体系，文献 24基于上述三个维度还加入了社会影响等因素评估多层储能系统在光伏发电大规模并网的配电网中的适用性。文献 25考虑系统惯量及频率，研究储能电站对调频、调峰及潮流调度的影响。然而，上述文献只对储能系统的效益进行了综合评估，无法同时评估多个方案。综上，文章提出了一种电池储能系统替代变电站升级改造的优化决策方法，首先考虑配置储能电站的延缓改造、提升可靠性及降损效益，结合储能电站的全寿命周期成本，建立储能系统的成本效益综合模型，并以最优化综合效益为目标，得到储能容量的最优配置方案，其次建立经济性指标、可靠性指标及环境指标，构建权重赋值综合效益评价体系，对配置储能系统及变电站升级两种方案进行对比分析，得到最佳方案。文章所提方法可将配置储能与变电站升级方案在同一框架下进行评估对比，可以提高配电网投资建设的精准性，为配电网规划提供理论支撑。1决策场景及方案策略1.1规划方案对比分析配电网新能源渗透率的不断提高及区域用电负荷的进一步增加，可能导致部分变电站的主变容量无法满足因负荷增长及新能源发电并网带来的运行需求，通常采取变电站升级改造或配置储能电站两种方案进行解决26。变电站升级改造是相对传统的方案，其在原变电站基础上增设变压器来提高负荷承担能力27。随着储能技术的发展和规模应用，在电网侧配置储能电站可以利用其随充随放的灵活性，平滑光伏等新能源出力的波动，促进新能源消纳;同时改善电网的电能质量，提升运行可靠性。考虑到配置场景及运行需求，电化学储能电站是首选储能类型。目前储能电池的成本相对较高，随着未来技术的突破和大规模应用，其成本还将进一步降低28。为获得最优规划方案，对电池储能电站替代变电站升级改造的决策需要从多角度考虑，通过建立综合评价体系对其在同一框架下进行方案对比决策。1.2经济性指标随着地区的发展，考虑到供电区负荷发展实际需求及新能源发电并网送电的需求，需要对原有的区域枢纽变电站进行扩容改造。变电站升级改造成本主要包括新变压器的购置资金及变电站配套一二次设备的更新费用，所需的静态投资费用 Cbd:Cbd=Ctra+Coth(1)式中:Ctra为变压器购入投资;Coth为配套一二次设备的更新投资。配置储能系统的主要经济指标即为储能系统的初始投资建设成本 Ccon，其具体计算方法将在下一节中介绍。经济性指标通过设定基准投资参考费用 Cb，并以其为参考，进行储能电站建设投资和变电站升级改造投资分析:24第 7 期张中丹，等:电池储能电站替代变电站升级的优化决策配置方法http:/www cepc com cnVjs=CfCb(2)式中:Vjs为经济指标权衡参考值;Cf为方案费用。1.3可靠性指标可靠性指标是指配置的储能装置通过释放自身存储的能量来减少因系统某区域存在充裕性不足导致的负荷削减，从而使区域电网的可靠性得到改善。本文根据区域电网年缺供电量(expected energy notsupplied，EENS)和单位用户停电损失表示这部分收益。文中基于 Well-Being 框架模型29，通过对典型日内小时负荷进行归纳得到负荷容量，将可用容量中每个应急状态的最大容量汇总得到生成容量，基于数据比较，从而得到 Well-Being 指数，即典型日内持续时间。式(3)(5)为处在健康状态、边际状态和风险状态的概率。PH=nHi=1tHiNyx(3)PM=nMi=1tMiNyx(4)P=ni=1tiNyx(5)式中:tHi、tMi、ti分别为第 i 个健康状态持续时间、边缘状态持续时间、风险状态持续时间;nH、nM、n分别为健康状态总数、边缘状态总数、风险状态总数;Nyx为总运行小时数。利用健康状态总数 nH与边缘状态总数 nM可以得到健康状态持续时间期望 THE和边缘状态持续时间期望 TME。THE=nHi=1tHinH(6)TME=nMi=1tMinM(7)文中分别通过计算配置储能电站后及变电站升级改造后与原系统正常状态的比值，来进行两方案可靠性提升效果对比:TZCE=THE+TME(8)VKK=TZCETZCE(9)式中:TZCE为正常状态持续时间期望，包含健康状态及边缘状态;TZCE为配置储能系统后或变电站升级改造后的正常状态持续时间期望;VKK为可靠性指标权衡参考值。1.4环境指标环境指标主要指通过配置储能系统来接纳区域新能源(本文以光伏为例)出力，达到减少光伏发电的弃光效果，从而降低弃光率，进一步提升光伏发电的利用率。文中光伏电站的弃光率为:Kqg=Cgf(Cfh+Ccs)Cgf(10)式中:Kqg为光伏系统的弃光率;Cgf为光伏系统的发电量;Ccs为线路最大传输电量;Cfh为负荷可以消纳电量。文中采用近似标幺值思想，通过对比配置储能系统后光伏的弃光率与配置储能系统前光伏弃光率的比值，来判断对于光伏弃光率指标的具体改善程度。Vh=KqgKqg(11)式中:Vh为环境指标权衡参考值;Kqg为配置储能系统后的光伏发电弃光率。由于扩建变电站并不能直接消纳光伏发电，而是通过提升输电容量提升了光伏发电的上送能力，并且无法直接参与平抑光伏发电的波动。因此暂不考虑扩建变电站对光伏发电的环境效益影响。1.5综合指标评估决策为进一步比较两种方案对配电网可靠性的影响和环境效益的影响，文中通过对比相应指标，并根据相应指标的重要程度来进行权重赋值。V=1Vjs+2VKK+3Vh(12)1+2+3=1(13)式中:1、2、3分别为经济性指标、可靠性指标、环境指标的权重，满足式(13);V 为综合指标。2储能容量优化配置模型2.1储能配置思路及运行策略文中以电网公司为投资主体，其配置储能系统可以减缓电网常规改造、提升电网可靠性并在一定程度上降低配电网运行网损。储能系统按照电力系统电价低谷时段充电、电价高峰时段放电的运行策略运行，达到削峰填谷的效果，从而承担部分变电站容量，达到延缓变电站升级改造的目标。在评估储能系统承担部分变电站容量的能力时，文中结合可信容量概念，采用有效载荷能力指标衡量储能系统的变电站替代容量，其计算步骤为:1)依据应用场景对储能系统建模，得到储能系统的出力模型，并依据可靠性指标计算初始系统在当34电 力 建 设第 44 卷http:/www cepc com cn前负荷水平 L0下的可靠性指标，记为(L0)，系统可靠性指标计算见式(23)(26);2)计算考虑配置储能电站后，系统的可靠性指标(L0);3)利用弦截法，调整负荷大小，直到(L0+L)满足式(14)，从而得到配置储能系统后的可靠性指标与配置前相同，其中的 L 即为储能系统在当前可靠性水平下的变电替代容量。(L0)=(L0+L)(14)式中:L0和 L 为电网原始负荷总数及新增负荷数;L 为储能的可信容量。2.2储能成本模型电网侧配置电化学储能电站可以得到相关管理部门在政策上的支持，而全寿命周期理论具有较好的综合规划性，因此在建立储能电站的成本模型时结合了全寿命周期理论。配置储能电站的全寿命周期成本包含三部分，分别是投资建设成本 Ccon、运行维护成本 Cope和退网回收成本 Crec。C=Ccon+Cope+Crec(15)其中:Ccon=csSn+cpPn(16)Cope=Nyk=1copePn+(1 )Wch+1()1Wdch(1+i0)kfcost(17)Crec=crSn103e(1+i0)Ny(18)式中:cs为储能电站的单位容量投资费用;cp为单位功率投资费用;Sn为储能电站的额定容量;Pn为储能电站的额定功率;cope为储能电站单位功率年运行维护成本;Wch和 Wdch为储能电站的年度充、放电量;i0为电网基准收益指标;fcost为电网单位购电成本;Ny为储能电站的使用年限;为储能电站的充放电效率;cr为单位质量电池回收费用;e为电池的比能量。2.3储能运行效益模型电池储能系统在使用寿命期限内，可以为地区配电网削峰填谷，从而延缓电网的升级改造;参与电网的正常运行，降低配电网网损;在电网发生故障时，提升配电网的可靠性30。1)延缓电网升级改造收益。文中引入可信容量的概念来定义配置储能电站延缓电网升级改造的效益。可信容量是指在同一可靠性条件下储能电站可以替代的容量，文中采用等效带负载能力评估储能的可信容量，具体流程如 2.1 节所述。其延缓电网升级改造效益 Edel及延缓电网升级改造的有效年数 Ty由式(19)和(20)分别计算:Edel=CtraTyk=1(1 ei0 Ty)(1+i0)kTy(19)Ty=lg(1+LVmax1)lg(1+)(20)式中:Ctra为变电站及线路扩建所需投资费用;为电网的年负荷增长指标;Vmax为配置储能电站前电网的最大负荷。2)降低配电网网损收益。在变电站内配置一定容量的储能系统，可以有效减少配电网的运行损耗，其降低配电网运行损耗收益Edec为:Edec=Nyk=124/Tt=1ploss tTfcost(1+i0)k(21)式中:ploss t为配置储能系统后的电网网损变化值;T 为单位时间间隔。储能系统的降损效益与运行策略有关，在文中储能系统主要通过低储高发、削峰填谷的控制策略在配电网负荷高峰时段减少负荷峰值从而减小配电网损耗。3)提升配电网可靠性收益。当电网或者变电站站内变压器存在故障时，储能系统可以承担一部分负荷来进行应急，通过向故障时与储能系统处于同一孤岛区域的负荷供电，从而减少部分负荷的停电时间，削减停电范围，降低停电损失，改善配电网供电可靠水平。通过提升配电网可靠性带来的经济收益 Erel:Erel=EENSNyk=1fsell+fcomprCOM(1+i0)k(22)式中:EENS为配置储能系统的配电网 EENS 变化值;fsell为电网单位售电价格;fcomp为单位缺供电量的产电比指标;rCOM为用户评价系数。文中根据储能系统可信容量及 EENS 指标，计算储能系统可靠性:EENS=Jr=1arASs=1EENSs prec smin(EENSs，Soc r)(23)EENSs=PsNsm=1mm(24)Soc r=Snarn=1brnar(25)prec s=Ism=1mmNsm=1mm(26)44第 7 期张中丹，等:电池储能电站替代变电站升级的优化决策配置方法http:/www cepc com cn式中:J 为不同的荷电状态(state of charge，SOC)场景数;A 为所取 SOC 总样本数;ar为第 r 个 SOC 场景的数目;S 为配电网中总负荷数;EENS s为第 s 个负荷的年缺供电量期望指标;Soc r为第 r 个 SOC 场景储能电池的剩余电量期望指标;prec s为储能在发生故障时向第 s 个负荷供电的期望值;Ns为故障导致第 s 个负荷停电的元件;m和 m为第 m 个元件的故障率和相关修复时间;Ps为失电负荷 s 正常供电所需功率;brn为第 r 个 SOC 场景的第 n 个样本;Is为故障后储能与负荷在同一孤岛的元件数。文中采用了优化解析法的故障后果分析法来进行分析。由于储能系统的电量取决于实际运行情况，且不同 SOC 水平下其可用剩余容量不同，因此基于储能的运行策略，对不同的 SOC 水平进行统计，从而得到不同 SOC 水平的概率，通过计算不同 SOC 水平的配电网可靠性，最后进行累计加权，得到总的可靠性。此外，储能系统在运行期间，应满足自身的运行约束:pBES t Pn(27)Soc min Soc t Soc max(28)式中:Soc t为 t 时刻储能系统的荷电状态;pBES t为 t 时刻储能设备的出力;Soc min、Soc max分别为储能荷电状态下限及上限。储能系统的综合效益模型为:E=Edec+Erel+Edel C(29)式中:E 为配置储能方案的综合效益。2.4储能容量配置流程文中选用锂离子电池，引入差分进化算法仿真分析储能系统的最优配置容量及相关收益，具体计算流程如图 1 所示，其中 aN、bN分别为额定迭代次数及额定种群数。图 1储能容量配置流程Fig.1Energy storage capacity allocation process3算例分析3.1算例参数设定文中以图 2 所示的电网拓扑结构为例进行分析。变电站的负载率为 0.55，储能系统配置在该变电站内。1)储能系统参数:采用锂离子电池，其具有能量密度高、充放电效率高、自放电率低等优点，目前广泛应用在电网侧、电源侧的储能系统中。文中设定锂离子储能电池的荷电状态范围为 0.2 0.8，应用年限为 10 年，其具体参数如表 1 所示。2)负荷数据:负荷增长率取 1.5%，功率因数为0.9，负荷点 S1负荷值为2 480 kVA，负荷点 S2负荷值为 2 300 kVA。3)线路结构参数如表 2 所示。图 2电网拓扑Fig.2Grid topology54电 力 建 设第 44 卷http:/www cepc com cn表 1储能系统参数Table 1Energy storage system parameters表 2线路结构参数Table 2Line structure parameters4)线路各元件可靠性参数如表 3 所示。表 3元器件可靠性参数Table 3Component reliability parameters5)其他参数:文中根据运行情况及变电站升级方案，设定其他参数如表 4 所示。表 4其他参数Table 4Other parameters3.2算例结果分析1)储能优化配置结果及分析。基于上述仿真参数，可以得到在储能系统配置额定容量为 7 128 kWh，额定功率为 1 478 kW，荷电状态区间为 0.2 0.8 时的净收益最佳，为 44.97 万元。配置储能系统的总成本为 1 309.95 万元。具体成本及各项收益指标如表 5 所示。由以上结果可知，在文中算例场景下的配电网中，受配电网规模、负荷水平及上级电网传输功率等表 5成本效益值Table 5Cost benefit value万元因素影响，配置储能系统的主要效益来源于延缓电网升级改造，在仿真中，储能系统延缓的年数达到 12年，能满足当前的运行要求。然而受限于当前电网的结构，储能系统可以起到提升电网可靠性的效果一般，储能系统仍有较高裕度，可见未来若新建线路或增加负荷后，储能系统该项效益能进一步提升。当前算例场景下用电负荷水平不高，没有达到一定的规模，因此配置储能系统所减少的配电网运行网损效益相比其他效益较少，随着未来配电网负荷水平的提高及更多新能源的并网，储能系统在运行年限内可以减少的配电网运行损耗收益还将进一步增加。2)不同储能容量下综合效益分析。进一步探究不同储能系统容量下综合效益，如图3 所示。图 3不同储能容量下综合效益Fig.3Comprehensive benefits under different storage capacity随着储能电站额定容量的提升，可以发现配置储能系统后的综合效益在逐步降低，当储能系统的额定容量达到 7 425 kWh 时，文中所提出的综合效益指标变为负值，这是由于负荷水平及网架规模的局限，导致提升储能容量对三项效益指标的提升效果不明显，造成过多的储能资源浪费，并且当前储能的成本较高，过多的储能容量带来的储能相关建设、维护成本增幅较大，超过了储能系统的收益，无法实现盈利。3)储能系统配置方案与变电站升级改造方案对比决策分析。基于仿真结果，文中配置储能系统的总成本为1 309.95万元，变电站新增变压器投资及一二次设备64第 7 期张中丹，等:电池储能电站替代变电站升级的优化决策配置方法http:/www cepc com cn更新费用分别为 2 592 万元及 30 万元，方案总投资为 2 622 万元。根据历史投资建设成本，文中设定参考费用为 5 000 万元，当 1、2、3分别取为 0.70，0.15，0.15(场景 1);0.60，0.20，0.20(场景 2)及0.40，0.30，0.30(场景 3)的具体指标结果如表 6所示。表 6对比指标Table 6Comparison indicator通过对两种方案进行综合指标权重赋值计算，可以发现在配置权重为0.70，0.15，0.15 的场景1，配置储能电站方案的综合指标为 3.500 5，对变电站升级改造方案的综合指标为 1.4829;在配置权重为 0.60，0.20，0.20 的场景 2，配置储能电站方案的综合指标为 6.575 3，对变电站升级改造方案的综合指标为2.951 0;在配置权重为 0.40，0.30，0.30 的场景 3，配置储能电站方案的综合指标为 6.595 6，对变电站升级改造方案的综合指标为 3.064 5。考虑到研究电网规模，经济指标在配置储能及变电站升级两种方案中的占比均较大，考虑到电网公司作为投资主体，配置储能电站相较变电站升级可以带来更好的经济性，同时可以实现延缓电网升级的效果。储能电站也可以促进新能源消纳，提升配电网的可靠性，从而在整体上提升配电网的运行水平。4结论在大规模新能源发电接入配电网的环境下，为保障电力公司运行经济性，文章提出一种电池储能电站替代变电站升级改造的优化决策方法。文章建立了配置储能电站的综合效益模型，并基于评价指标体系及算例分析对比配置储能及升级变电站两种方案。结果表明:1)在文中配电网场景，考虑当前配电网负荷规模及电网结构，相比于变电站扩容改造，在变电站内配置一定容量的储能系统可以在节省投资成本的同时起到延缓电网升级改造、提升电网供电可靠性的效果。2)随着储能电站容量的提升，存在某个均衡点使得储能电站方案的综合效益由正转负，这是由储能系统成本及区域电网负荷局限共同造成的。3)未来随着负荷增长、储能技术的成熟及成本的降低，配置储能系统的优势将更加凸显。文章可以为未来新能源发电进一步并网环境下配置储能电站改善电网运行质量，延缓电网升级提供规划参考。未来可以根据新能源并网水平及储能发展情况建立新的评价指标体系，从而更全面地反映配置储能系统的综合效益。5参考文献 1 李振坤，李一骄，张代红，等 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