廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃
曹新慧1, 車勇2, 司政3, 開賽江2, 周專2, 袁鐵江3
（1. 國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 新疆 烏魯木齊，830000; 2. 國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊，830000; 3. 大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連，116023）
摘要：針對儲能電站在大規(guī)模風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)中的容量和選址規(guī)劃問題，提出廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方法。首先，針對簡單輻射網(wǎng)絡與復雜網(wǎng)絡，考慮儲能四象限運行特性，基于PV曲線法，定量分析論證儲能電站容量與位置對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定和風電消納能力的影響機理，提出儲能電站定容和選址思路；其次，綜合考慮系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定、風電消納能力、網(wǎng)損及儲能投資4方面，以風電消納年收益最大，以及系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度變化率、網(wǎng)損成本、儲能電站等年值投資成本最小為目標構(gòu)建廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃模型，提出嵌入潮流計算及粒子群算法的遺傳算法求解模型。以新疆準東大型風電基地為例，驗證了所提方法的有效性。
引文信息
曹新慧, 車勇, 司政, 等. 廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃[J]. 中國電力, 2022, 55(7): 110-120.
CAO Xinhui, CHE Yong, SI Zheng, et al. Integrated planning of optimal sizing and siting of energy storage plants across wide area[J]. Electric Power, 2022, 55(7): 110-120.
引言
風電裝機容量的大幅提高使大規(guī)模風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)面臨風電消納能力不足、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行受阻等問題[1-2]，儲能特有的功率控制和能量吞吐能力為上述問題提供了解決途徑[3-4]。系統(tǒng)運行性能受儲能定容及選址規(guī)劃影響，目前國內(nèi)外學者多聚焦于儲能定容規(guī)劃研究。文獻[5]基于不平衡功率離散型傅立葉變換分斷點的分斷原則，完成孤島型微網(wǎng)儲能容量優(yōu)化配置。文獻[6]通過風電場輸出功率偏差頻譜分析，最終確定儲能系統(tǒng)容量和儲能補償后的系統(tǒng)備用需求。文獻[7]研究了風光儲系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置。文獻[5-7]分別將電源與負荷統(tǒng)一等效為單個節(jié)點，雖通過儲能容量優(yōu)化配置抑制了新能源出力波動，實現(xiàn)了系統(tǒng)功率平衡，卻忽視了系統(tǒng)網(wǎng)架的影響，未將儲能選址規(guī)劃考慮在內(nèi)。儲能選址方案會通過線路潮流約束等因素影響系統(tǒng)新能源輸送能力，進而導致儲能實際效益發(fā)揮程度受限，造成儲能資源浪費。
文獻[8-9]針對儲能定容與選址規(guī)劃展開了研究，采用解析法進行模型求解。文獻[8]同時計及有功功率與無功功率影響，基于改進系統(tǒng)阻抗矩陣對電池儲能電站優(yōu)化選址與容量配置方案進行仿真計算。文獻[9]通過系統(tǒng)矩陣特征值、靈敏度等參數(shù)計算，基于特征向量法和特征值靈敏度法完成了儲能系統(tǒng)的選址容量優(yōu)化。上述文獻只展開了單一儲能電站的規(guī)劃研究，且針對儲能定容與選址各自設置了不同目標，對儲能定容和選址規(guī)劃做了解耦處理。然而一定程度上，儲能的定容或選址目標會受到儲能定容與選址方案的雙重影響，解耦研究易造成儲能規(guī)劃結(jié)果偏差，影響儲能實際運行效益。
為避免儲能定容與選址規(guī)劃解耦研究可能帶來的不利影響，部分學者展開了儲能定容-選址一體規(guī)劃研究，采用優(yōu)化迭代算法進行模型求解[10-14]。眾多技術(shù)性及經(jīng)濟性因素都將對儲能規(guī)劃結(jié)果產(chǎn)生影響[15]。技術(shù)性層面上，文獻[10]綜合考慮削峰填谷能力、電壓質(zhì)量及功率主動調(diào)節(jié)能力，使用基于粒子群的帶權(quán)極小模理想點法求解模型。文獻[11]從系統(tǒng)電壓質(zhì)量及負荷波動方面考慮，提出改進多目標粒子群算法(PSO)進行模型求解。經(jīng)濟性層面上，部分學者從網(wǎng)損成本、年綜合費用等方面展開研究[12-13]，其中文獻[12]利用遺傳算法(GA)求解儲能規(guī)劃方案，文獻[13]采用嵌入潮流計算的雙層迭代混合PSO算法求解模型。此外，文獻[14]綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟因素，立足于電壓改善角度，構(gòu)建以投運成本最小為目標的儲能優(yōu)化規(guī)劃模型，采用GA算法求解。上述文獻從不同角度研究了儲能定容-選址一體規(guī)劃問題，有效提升了儲能系統(tǒng)投運效益，但研究場景均集中于配電網(wǎng)，缺少針對廣域大電網(wǎng)的研究。面向配電網(wǎng)或大電網(wǎng)開展儲能定容選址規(guī)劃研究時，成本一般是兩者均需考慮的因素，但依舊存在某些應用目標方面的差異。配電網(wǎng)中新能源并網(wǎng)以分布式電源形式為主，儲能電站規(guī)劃時更多關注于用戶側(cè)，無論是削峰填谷或以提高電壓質(zhì)量為應用目標，均為改善負荷特性、平抑負荷波動、提升用戶用電質(zhì)量[10-11]。此外，儲能應用于配電網(wǎng)時賦予的功率主動調(diào)節(jié)能力會受到自身容量小的限制，因此同樣是儲能電站在配電網(wǎng)展開定容選址規(guī)劃時的考慮因素之一[10]。針對大電網(wǎng)而言，并網(wǎng)新能源以大型新能源電站為主，儲能電站定容選址規(guī)劃時的關注重點將從用戶側(cè)轉(zhuǎn)為新能源發(fā)電側(cè)和輸電側(cè)，如考慮系統(tǒng)可接納新能源并網(wǎng)容量極限等因素[16-19]。儲能電站在配電網(wǎng)和大電網(wǎng)做定容選址規(guī)劃時應用目標不同，會導致規(guī)劃建模等方面的差異，將面向配電網(wǎng)時的儲能電站規(guī)劃方法套用于大電網(wǎng)的研究，適用性不強。
因此，本文面向大規(guī)模風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)，探討儲能電站容量與位置對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定和風電并網(wǎng)容量極限的影響機理，提出廣域儲能電站定容-選址的評價指標，建立廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃模型，設計嵌入潮流計算及PSO的GA算法求解模型。最后，以準東大型風電基地為例，對所提模型與方法有效性進行驗證。
1 儲能電站定容與選址機理
系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定與風電消納能力，是大規(guī)模儲能電站在風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)中應用的重要影響因素[20-24]。PV曲線可判定系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，風電場節(jié)點PV曲線鞍結(jié)分岔點可表征系統(tǒng)風電并網(wǎng)容量極限。
1.1 簡單輻射網(wǎng)絡
節(jié)點①、③的推導結(jié)果與節(jié)點②相似，這里不再贅述。不失一般性，可得如下結(jié)論。
（1）儲能電站并網(wǎng)后，其不同的出力方式對靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度有不同程度的影響，且立足于系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定層面存在最為惡劣的情況。
（2）儲能電站定容方案影響最惡劣情況下對應的節(jié)點靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。
因此，本文提出基于靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的儲能電站定容思路為：基于儲能電站定容方案，針對相應靜態(tài)電壓穩(wěn)定最惡劣情況下的儲能電站出力方式進行搜索，對應靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度越大，儲能電站定容方案效果越好。
1.1.2 基于PV曲線的儲能電站選址機理
由式(6)~(8)可知，儲能電站接入節(jié)點②在不同出力方式下的風電并網(wǎng)容量極限表達式相互間存在差異，且與接入節(jié)點①相比，2種選址方案下的風電并網(wǎng)容量極限推導結(jié)果同樣存在差異。
計及節(jié)點③時的推導結(jié)果與節(jié)點①、②相似，這里不再贅述。不失一般性，可得如下結(jié)論。
（1）儲能電站以某選址方案并網(wǎng)后，其不同的出力方式對系統(tǒng)風電并網(wǎng)容量極限有不同程度影響，且立足于風電消納能力提升層面存在最優(yōu)情況。
（2）儲能電站選址方案影響最優(yōu)情況下對應的系統(tǒng)風電并網(wǎng)容量極限。
因此，本文提出基于風電并網(wǎng)容量極限的儲能電站選址思路為：基于儲能電站選址方案，針對相應風電消納最優(yōu)情況下的儲能電站出力方式進行搜索，對應風電并網(wǎng)容量極限越大，儲能電站選址方案效果越好。
1.2 復雜網(wǎng)絡
2 廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃數(shù)學建模
基于機理論證結(jié)果，儲能電站定容與選址規(guī)劃須考慮系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定和風電消納能力。此外，出于規(guī)劃經(jīng)濟性考量，計及網(wǎng)損及儲能電站投資的影響，將面向大電網(wǎng)的廣域儲能電站定容選址規(guī)劃歸納為一個多目標優(yōu)化模型。
以儲能電站并網(wǎng)后系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度變化率表征系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，以風電并網(wǎng)容量極限提升所帶來的風電消納年收益表征系統(tǒng)風電消納能力，以網(wǎng)損成本表征系統(tǒng)網(wǎng)損，以儲能電站等年值投資成本表征儲能電站投資。優(yōu)化模型以風電消納年收益最大，以及系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度變化率、網(wǎng)損成本、儲能電站等年值投資成本最小為目標。具體模型如式(13)~(14)所示。
（2）風電消納年收益可表示為
3 算法設計
3.1 基于GA的廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃算法
廣域儲能電站定容-選址問題為帶約束的非線性規(guī)劃問題，決策變量為儲能電站并網(wǎng)位置及容量。基于儲能電站選址規(guī)劃的0-1特性，本文采用遺傳算法進行求解。為簡化計算，對儲能電站并網(wǎng)容量進行二進制編碼，將連續(xù)的儲能電站容量變量轉(zhuǎn)化成離散變量，從而將定容和選址統(tǒng)一為整數(shù)規(guī)劃問題。染色體編碼分為兩部分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.2 嵌入潮流計算及PSO的GA優(yōu)化流程
嵌入潮流計算及PSO的GA優(yōu)化流程如圖3所示，具體實施步驟如下。
（1）步驟1，初始化。輸入待規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)電機、網(wǎng)絡、負荷、風電等原始數(shù)據(jù)，設置GA及PSO算法參數(shù)，完成種群初始化，對染色體容量基因解碼。
（2）步驟2，初代種群適應度計算。
①根據(jù)染色體對應廣域儲能電站定容選址信息，以儲能電站出力方式為決策變量、最劣情況下系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度最大為目標，基于PSO優(yōu)化完成最劣情況下的儲能電站出力方式搜索，并基于該出力方式計算靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標（靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平系數(shù)）。
②根據(jù)染色體對應廣域儲能電站定容選址信息，以儲能電站出力方式為決策變量、最優(yōu)情況下系統(tǒng)風電并網(wǎng)容量極限最大為目標，基于PSO優(yōu)化完成最優(yōu)情況下的儲能電站出力方式搜索，并基于該出力方式計算風電消納能力指標（風電消納年收益）和網(wǎng)損指標（系統(tǒng)網(wǎng)損成本）。
③根據(jù)染色體對應廣域儲能電站定容選址信息，計算儲能成本指標（儲能電站等年值投資成本），進而結(jié)合①、②結(jié)果完成染色體適應度計算。
（3）步驟3，最大迭代次數(shù)判斷。若滿足條件，則輸出最優(yōu)廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方案；否則轉(zhuǎn)向步驟4。
（4）步驟4，GA優(yōu)化。
①對上代種群依次進行選擇、交叉及變異操作，并針對染色體在交叉與變異過程中可能出現(xiàn)的選址與容量信息不匹配的問題（如選址基因位為1，而對應容量基因位出現(xiàn)全0的情況），進行染色體編碼修正。
②新一代種群適應度計算（計算過程同步驟2）。
（5）步驟5，進化中止條件判斷。若不滿足條件，則轉(zhuǎn)向步驟4；否則輸出最優(yōu)廣域儲能電站定容—選址一體規(guī)劃方案。
4 算例分析
以新疆準東大型風電基地作為算例進行仿真分析。為方便研究，針對準東地區(qū)電壓等級110 kV及以上網(wǎng)架進行簡化，簡化后系統(tǒng)包括7個發(fā)電機節(jié)點和9個負荷節(jié)點，其中包括3個750 kV節(jié)點，9個220 kV節(jié)點以及2個110 kV節(jié)點。老君廟和北塔山處有風電場并網(wǎng)，風電裝機容量為400 MW。出于財政投資限制，儲能電站并網(wǎng)容量極限為120 MW?？紤]到在大規(guī)模風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)中儲能電站并網(wǎng)容量的微小變化對規(guī)劃結(jié)果的影響較小，因此儲能電站容量變量以5 MW為單位進行優(yōu)化。
4.1 儲能電站并網(wǎng)數(shù)量對規(guī)劃結(jié)果的影響分析
為滿足準東地區(qū)廣域儲能電站多點規(guī)劃需求，本節(jié)探討當儲能電站并網(wǎng)總?cè)萘恳欢〞r，其并網(wǎng)數(shù)量對規(guī)劃結(jié)果的影響，將儲能電站并網(wǎng)總?cè)萘抗潭轱L電裝機容量的20%，即80 MW。分別針對儲能電站并網(wǎng)數(shù)量為1~4時的定容-選址一體規(guī)劃方案進行優(yōu)化，得到不同情況下最優(yōu)方案及其適應度如表1所示。
由表1可知，雖然儲能電站并網(wǎng)數(shù)量的不同導致了規(guī)劃結(jié)果的差異，且并網(wǎng)位置并不一定處于風電場節(jié)點，但規(guī)劃結(jié)果傾向于儲能并網(wǎng)于風電場附近，不同儲能電站并網(wǎng)數(shù)量對應最優(yōu)規(guī)劃方案中均出現(xiàn)了風電場鄰近節(jié)點興盛。綜合比較之下，當儲能電站并網(wǎng)數(shù)量為2，并網(wǎng)點選在老君廟和興盛，并網(wǎng)容量分別為10 MW和70 MW時，規(guī)劃效果最優(yōu)。此外通過儲能電站并網(wǎng)數(shù)量為4時的仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，該方案下風電場節(jié)點老君廟和興盛總計有70 MW儲能電站并網(wǎng)，然而與風電場節(jié)點總計并網(wǎng)儲能電站10 MW的最優(yōu)方案相比，適應度只達到后者的45%，即將儲能電站集中規(guī)劃于風電場節(jié)點并不一定是理想的選擇。為進一步探究上述仿真結(jié)果的出現(xiàn)原因，圖4給出了不同儲能電站并網(wǎng)數(shù)量對應最優(yōu)規(guī)劃方案的評估指標對比結(jié)果。
由圖4 a)可知，儲能電站并網(wǎng)后，系統(tǒng)風電并網(wǎng)容量極限由原始的1008.33 MW明顯提升，并網(wǎng)數(shù)量為2時提升至1109.03 MW，提升幅度最大。然而，不同儲能電站并網(wǎng)數(shù)量下的風電并網(wǎng)容量極限相差并不明顯。事實上，固定容量的儲能電站分布在風電場附近時，不同并網(wǎng)數(shù)量的儲能電站對系統(tǒng)風電傳輸容量的支撐作用相差不多。這也使得立足于風電消納層面，儲能電站并網(wǎng)容量一定時，并網(wǎng)數(shù)量并非影響其規(guī)劃效果的關鍵因素。
由圖4 b)可知，儲能電站并網(wǎng)對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平造成了一定影響。當并網(wǎng)數(shù)量在2以內(nèi)時，最優(yōu)方案的系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度變化率幾乎一致。而隨著儲能電站并網(wǎng)數(shù)量繼續(xù)增加，該指標值持續(xù)上升，在并網(wǎng)數(shù)量為4時達到75.65%，對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定造成的影響最為嚴重。網(wǎng)損成本方面，由圖4 c)可知不同儲能電站并網(wǎng)數(shù)量下的最優(yōu)方案對系統(tǒng)網(wǎng)損的影響相對較小。另外儲能電站等年值成本如圖4 d)所示，由于并網(wǎng)容量一定，故均為1505.63萬元。
綜上，儲能電站并網(wǎng)容量一定時，其數(shù)量的變化對于準東地區(qū)風電消納能力、網(wǎng)損及儲能成本的影響不大，但會對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平造成重大影響。
4.2 儲能電站并網(wǎng)容量對規(guī)劃結(jié)果的影響分析
通過改變儲能電站并網(wǎng)容量進一步探究其規(guī)劃結(jié)果。不同儲能電站并網(wǎng)容量下的最優(yōu)定容-選址一體規(guī)劃方案及其適應度如表2所示。
由表2可知，不同儲能電站并網(wǎng)容量下的最優(yōu)選址方案均為老君廟和興盛兩處。隨著儲能電站并網(wǎng)容量增加，規(guī)劃方案適應度呈現(xiàn)先升后降的趨勢。表2所列方案中，當儲能電站于老君廟和興盛處并網(wǎng)容量分別為10 MW和70 MW，總計80 MW時，規(guī)劃效果最優(yōu)。為進一步探究上述仿真結(jié)果的出現(xiàn)原因，圖5給出了不同儲能電站并網(wǎng)容量對應最優(yōu)規(guī)劃方案的評估指標對比結(jié)果。
由圖5可知，儲能電站并網(wǎng)投運使系統(tǒng)風電并網(wǎng)容量極限上升明顯，風電消納能力得到顯著提升，且隨著儲能電站并網(wǎng)容量的增加，提升幅度也隨之增大。然而，系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度變化率及年等值成本也隨之增加，相應規(guī)劃方案在系統(tǒng)穩(wěn)定性及經(jīng)濟性層面均失去了優(yōu)勢。網(wǎng)損方面，不同儲能電站并網(wǎng)容量下的最優(yōu)方案對系統(tǒng)網(wǎng)損的影響相對較小。上述分析也對表2中的規(guī)劃結(jié)果做出了解釋，即當儲能電站并網(wǎng)容量增長超出一定范圍后，其提升系統(tǒng)風電消納能力所帶來的積極效應將不足以再抵消因系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性下降及儲能成本增加而導致的不利影響。
綜上，儲能電站并網(wǎng)容量的變化對于準東地區(qū)網(wǎng)損影響不大，但隨著并網(wǎng)容量的增加，系統(tǒng)的風電消納能力將不斷提升，而儲能成本也將隨之升高，系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定受到的不利影響會更為嚴重。因此，在進行儲能電站定容選址規(guī)劃時，規(guī)劃效果的優(yōu)劣與儲能電站并網(wǎng)容量的大小并非呈簡單的線性關系。
4.3 最優(yōu)廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方案
根據(jù)表2中不同儲能并網(wǎng)容量下的方案適應度變化趨勢，進一步探究準東地區(qū)最優(yōu)廣域儲能電站選址-定容一體規(guī)劃方案，結(jié)果如表3所示。
表3中方案1給出了準東地區(qū)最優(yōu)廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方案，即于老君廟和興盛處分別并網(wǎng)10 MW和75 MW。此外表3中方案2給出了當前業(yè)界常見的一種儲能電站規(guī)劃方案，即并網(wǎng)于風電場節(jié)點，并網(wǎng)容量總計145 MW。然而與方案1相比，方案2的適應度下降了42.5%，且超出了準東地區(qū)儲能電站并網(wǎng)容量極限。上述2種方案評估指標對比結(jié)果如表4所示。
由表4中方案1可知，準東地區(qū)最優(yōu)廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方案使系統(tǒng)風電并網(wǎng)容量極限增加107.33 MW，風電消納能力顯著提升。表4中方案2由于儲能電站并網(wǎng)容量更大，風電并網(wǎng)容量極限提升效果更為明顯。然而，大量的儲能電站并網(wǎng)使系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定受到嚴重影響，系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度變化率超過90%，且儲能成本相比于方案1增加了70.59%。相較之下，2種方案在網(wǎng)損方面差別不大。上述情況導致方案2的規(guī)劃效果遠遜色于方案1。因此，進行儲能電站規(guī)劃時直接將并網(wǎng)點選在風電場處并非一定是理想的選擇，需要綜合考量多方面因素決定最終的規(guī)劃方案。
5 結(jié)語
（1）基于儲能四象限運行特性，論證了儲能電站容量與位置對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定和風電消納能力的影響機理，分別基于靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度和風電并網(wǎng)容量極限提出了儲能電站的定容與選址思路。
（2）針對大規(guī)模風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)提出廣域儲能電站定容-選址一體規(guī)劃方法，設計了嵌入潮流計算及PSO的GA算法求解模型，通過準東大型風電基地的仿真分析驗證了所提方法的有效性，在保證系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的同時提升了系統(tǒng)風電消納能力。
（3）開展儲能電站定容選址規(guī)劃工作時同樣需要關注系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定、儲能控制策略等問題，將上述因素納入儲能規(guī)劃體系，對儲能電站規(guī)劃方案進行修正，是需要進一步解決的問題。
