配电网储能设备运行策略与容量的协调优化

张 杨，陶生虎，张笑波，郑东风，陈洲奕

（国网甘肃省电力公司定西供电公司，甘肃 定西 743000）

储能系统主要用于提高分布式电源与配电网的互动能力。分布式电源是指接入配电网的可再生能源发电设备，是配电网中的重要组成部分，具有随机性、波动性和间歇性等特点[1]。分布式电源与配电网互动时，分布式电源的接入会影响配电网运行特性，使配电网原有的安全稳定运行能力减弱。储能系统可以根据需要进行充放电控制，有效平抑分布式电源并网引起的电压波动，提高配电网对分布式电源的接纳能力。储能系统在配电网中的作用主要表现为：一是作为负荷用电的备用电源；
二是作为调频、调压设备；
三是作为需求侧响应的调节设备；
四是用于降低网络损耗。

从应用形式上来看，储能系统在配电网中有两种应用形式：一种是在微网层面上应用；
另一种是在配电网层面上应用[2]。在微网层面上应用的储能系统，通常采用压缩空气储能(CAS)、飞轮储能(BCCS)、抽水蓄能(PL)和蓄电池储能等类型的电池进行能量存储。在配电网层面上应用的储能系统，通常采用锂离子电池、钠硫电池和超级电容等类型的电池进行能量存储。目前，配电网中采用较多的储能系统是锂离子电池和钠硫电池等。锂离子电池具有较高能量密度、快速充放电能力和长寿命等特点，但存在寿命短、对环境要求高等问题；
钠硫电池具有较高功率密度和长寿命等优点，但存在充放电功率大、能量密度低等问题；
超级电容具有功率密度高、充放电速度快、环境适应性强等优点，但存在充电时间长、充电功率小等问题。

在实际的配电网中，通常由多个可再生能源发电单元或分布式电源接入配电网的不同位置，因此，需要在考虑配电网储能设备投资成本的同时，在一定程度上满足其对可再生能源发电单元或分布式电源接入后对配电网负荷的调控需求，这就需要综合考虑配电网中不同位置的储能设备，采取不同的运行策略。

2.1 基于能量回收的运行策略

能量回收是指将系统中产生的剩余能量进行收集和利用，在一些特定的应用场景中，储能设备可以通过回收系统中的余热、余电等能量，实现能量的再利用，提高系统的能效[3]。

2.2 基于电池管理系统的运行策略

电池管理系统通过对电池的各项参数进行实时监测和调整，以实现最优能量利用和电网支持[4]。首先，电池管理系统能够实时监测电池的电压、电流、温度等参数，并记录电池的充放电状态和健康状况。这些数据可以帮助系统了解电池的性能和状态，为后续的充放电控制提供依据。其次，根据电池的状态和系统需求，电池管理系统可以合理调度电池的充放电功率。在充电时，管理系统可以根据电池的充电速率和充电时间进行控制，避免过充或过热的情况发生。在放电时，管理系统可以根据系统的需求和电池的健康状况来调整放电功率，避免电池过度使用或损坏。再次，电池管理系统还可以根据电网的需求和系统的负载情况，合理调度电池的充放电时机和功率，实现能量的高效利用和平衡。这有助于提高系统的可靠性和稳定性，并降低运行成本。另外，电池管理系统能够对电池进行故障诊断，及时发现并处理电池故障或异常情况，可以检测到电池的电量不足、过充、过放等问题，并及时采取措施进行处理，以保障系统的正常运行。

2.3 基于最大功率点追踪的运行策略

在配电网储能设备控制阶段，当可再生能源发电单元输出功率大于其接入点处配电网负荷时，通过对可再生能源发电单元输出进行最大功率点追踪，使其能够向配电网提供足够的功率；
当可再生能源发电单元输出功率小于其接入点处配电网负荷时，通过对储能设备进行充电处理，以保证可再生能源发电单元能够向配电网提供足够的功率；
当可再生能源发电单元输出功率小于其接入点处配电网负荷时，通过对储能设备进行放电处理，以保证可再生能源发电单元能够向配电网提供足够的功率；
当可再生能源发电单元输出功率大于其接入点处配电网负荷时，通过对储能设备进行充电处理，以保证储能设备能够向配电网提供足够的功率；
当储能设备所处位置处没有足够的负荷容量时，应将其接入配电网中[5]。

2.4 基于能量管理系统的运行策略

基于能量管理系统的控制策略是通过集中管理多种储能技术，以实现能量的高效利用和平衡。首先，能量管理系统可以根据系统的需求，将多余的能量存储在储能设备中，并在需要时将能量释放出来。这种存储和释放的过程有助于平衡系统的负荷，提高能源的利用效率[6]。其次，能量管理系统可以根据系统的需求和能源供应的情况，优化能源的利用方式。例如，在夜间电网需求较低时，管理系统可以将储能设备中的电能进行回收和储存，以供白天高峰时使用。这种方式有助于减少能源的浪费和节约成本。再次，能量管理系统可以实时监测储能设备的使用情况和性能，并在必要时为系统提供可靠的能源供应。例如，在电网故障或其他紧急情况下，管理系统可以利用储能设备中的电能继续为系统供电，以保证系统的正常运行。另外，能量管理系统需要庞大的数据分析和处理能力，以实现能量的高效利用和平衡。这需要系统具备高效的数据处理能力和智能化的决策支持系统，以支持系统的正常运行和管理。

2.5 基于预测模型的运行策略

预测模型是储能设备运行策略中常见的一种方法，通过对负载需求、能量供应和储能设备状态的预测，可以提前做出充放电策略的决策，以实现能量的平衡和优化。预测模型可以根据历史数据和实时监测数据，利用统计学法和机器学习等方法建立，并根据实际情况进行优化。

3.1 储能设备容量与可再生能源发电优化

由于可再生能源发电具有不确定性，在并网后，会对电网产生影响，储能设备的容量由其所处的运行状态决定[7]。在配电网中，可再生能源发电和负荷之间存在着能量交换，如果储能设备能够在满足可再生能源发电出力的前提下，保证负荷在较长时间内保持稳定，那么其所配备的储能容量就可以得到有效利用。然而，实际配电网中由于大量可再生能源的接入，可再生能源出力具有较大的波动性和随机性。对于电网来说，需要考虑未来负荷变化情况对配电网运行的影响以及未来电力市场的相关规定，研究如何根据负荷预测和可再生能源出力预测进行合理规划配置储能设备容量。

3.2 储能设备容量与配电网负荷优化

配电网中，负荷特性一般为尖峰负荷、高峰负荷、低谷负荷三种。在某些区域，峰谷差较大，则可以利用峰谷差发电。例如，在用电高峰时刻(例如晚高峰)，利用峰谷差发电，可降低上网电价，实现节能减排的目的。但如果要充分发挥储能设备的作用，还需要考虑在高峰时段储能设备需要吸收大量的电能而在低谷时段释放的电能对电网的影响。

配电网中存在着大量的负荷特性为峰谷差较大的用户，而且这些用户占了整个配电网负荷比例的80%以上[8]。对于这类用户来说，在低谷时段用电将对电网具有较大影响。为解决该问题，可引入储能设备来消纳低谷时段用户的电能，并在其高峰时段释放电能以降低网损。因此，如果要充分发挥储能设备在配电网中的作用，就需要充分考虑这类用户对电能的需求规律和需求时间。

居民用户其用电规律为峰谷差较大。由于居民用电时间通常为晚高峰用电时间较早、早高峰用电时间较晚(即下班时间)、高峰时段用电时间相对固定等特点，因此在这类用户中采用储能设备消纳其低谷时段电能是可行的。

由于工业企业通常具有白天负荷小、夜间负荷大、用电时间相对固定等特点。在这类用户中采用储能设备消纳其低谷时段电能可以有效解决用电成本问题。而商业企业用户由于其白天和夜间的用电特性与居民不同，因此需要采用储能设备消纳其高峰时段电能。

储能系统在配电网中的应用越来越广泛，对配电网的安全、经济运行有着重要影响。为提升储能系统运行效率，保证储能系统安全、稳定、经济运行，开展配电网储能设备运行策略与容量的协调优化研究，对于推动储能科学的发展具有重要的意义。在以后的研究中，需要进一步根据实际情况优化储能容量，确保投资成本低，投入产出比高，能量利用效率高。

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