储能和电动汽车充电站与配电网的联合规划研究-北极星储能网

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摘要

统一考虑储能系统、电动汽车充电站与配电网扩展的联合规划,既可以满足充电需求,又能够提高规划方案的经济性和可靠性。为此,基于配电网扩展规划模型,考虑电动汽车充电负荷和分布式储能的选址定容,建立一个以总投资成本、运行成本和失负荷成本最小为目标的多阶段联合规划模型。对网损采用分段线性化处理,采用改进的辐射状约束,并提出两层求解方法。以24节点系统为例的仿真结果表明,所提方法可以满足传统负荷和电动汽车充电负荷的需求,降低配电网系统扩展规划的成本,延缓配电网的投资。

引言

随着电网技术的发展,新型负荷和新型资源不断接入到电力系统中,电动汽车和分布式储能系统(distributedenergystoragesystem,DESS)便是其中的典型代表[1]。电动汽车大规模接入电网充电,改变了配电网的负荷结构和特性,对配电网规划提出了新的要求,导致传统的配电网规划准则无法适用[2-3]。储能技术在电网侧、用户侧和新能源发电中均有较多应用,在提高供电可靠性、实现价格套利、提供辅助服务的同时,可以延缓电网升级[4]。因此,传统的配电网规划方法仅在满足负荷增长和安全可靠供电的前提下使得配电网的建设及运行费用最小[5],无法满足新型负荷的需求、发挥新型资源的优势。为提高规划的经济性和可靠性,适应新形势下配电网规划运行的需要,研究电动汽车充电站(electricvehiclegingstation,EVCS)和DESS与配电网的联合规划具有重要的意义[6]。

目前,国内外对于EVCS、DESS和配电网的规划已有较多研究,主要分为两类：一类是考虑不同因素的EVCS、DESS或配电网的单一规划,如EVCS的选址定容[7-10]、DESS在配电网中的规划[11-12]、考虑分布式电源(distributedgeneration,DG)的配电网规划[13-14]等;另一类是EVCS或DESS与配电网的联合规划,如EVCS与配电网的联合规划[15-16]、考虑DG的DESS与配电网联合规划[17]、EVCS与DESS的联合规划运行[18]等。对于第1类研究,文献[7]首先考虑环境因素和服务半径,通过两步筛选法确定EVCS的优化位置;再以总成本最小为目标建立数学模型,采用改进的原对偶内点法求得EVCS的优化容量。文献[8]建立了混合整数非线性模型,采用遗传算法求解EVCS的位置和容量。文献[11]考虑了电压偏差、线路阻塞、网损、切负荷等多重因素,建立了多目标规划模型并采用二阶锥规划的方法求解得到DESS的最优位置和容量。对于第2类研究,文献[15]以包含充电站的配电网投资和运行成本最小为目标,建立了混合整数线性规划模型,应用分支定界法求解得到充电站和配网的规划方案。文献[17]同时考虑配电网扩展规划和DESS、DG的选址定容,提出了一种主动配电网规划-运行联合优化模型。

早期研究多为第1类研究,虽然可以得到规划方案,但无法实现综合最优。近年来第2类研究日益增多。一些研究考虑了DG的影响,将DG的配置也作为规划的决策变量之一。但是,大多数研究都是基于确定的配电网,没有同时进行配电网的扩展规划。而且,同时考虑电动汽车和DESS的研究极少,将EVCS和DESS与配电网同时进行规划的研究尚未出现在文献中。近年来,电网公司在EVCS建设和DESS配置中越来越发挥主体作用,因此同时进行EVCS、DESS和配电网的配置具有重要的研究意义。

本文首先分析在配电网中进行EVCS和DESS的规划所需要考虑的因素,提出两层规划的求解流程。上层基于传统配电网扩展规划模型,考虑电动汽车充电负荷和DESS的接入,建立以总投资成本、运行成本和失负荷成本的净现值最小为目标的配电网多阶段联合规划模型,可以同时进行配电网的扩展规划和EVCS、DESS的选址定容。在模型建立过程中,采用分段线性化的方式处理目标函数中的非线性部分,在模型中计及网损;采用改进的辐射状约束,保证配电网的辐射状结构,避免由于DESS的接入导致孤立节点的出现;考虑电动汽车充电负荷约束,比较不同电动汽车充电负荷下规划方案的差异;待建设的变电站、变压器、线路、EVCS和DESS均有多种可选类型。该模型为混合整数线性规划模型(mixed-integerlinearprogramming,MILP),求解该模型得到配电网变电站、变压器和线路的建设方案,同时得到EVCS和DESS的优化位置和类型。下层考虑储能系统的日运行优化,建立并求解混合整数非线性规划模型(mixed-integernonlinearprogramming,MINLP),对DESS的规划方案进行优化。以24节点系统为例进行仿真分析,验证模型及求解方法的可行性和有效性。

1˙影响因素分析及规划流程

1.1储能系统对配电网规划的影响

储能接入配电网可以降低从主网吸收功率的峰值、平滑负荷曲线、提高电力设备利用率,并促进分布式可再生能源的利用,减小电网升级扩展投资。

在配电网中配置DESS需考虑其选址和定容问题：既要确定储能的接入位置,还要确定储能的功率和容量。常规配电网扩展规划仅考虑高峰负荷水平,难以确定储能系统存储的电量。本文采用分层规划的思路,在上层确定储能接入配网的节点和功率,在下层则考虑储能在日内的运行优化,最终确定储能的位置、功率和存储电量。

1.2电动汽车充电需求对配电网规划的影响

电动汽车充电负荷是接入配电网的新型负荷。充电负荷既有时空分布特性,又有随机性。在充电负荷预测的基础上,充电设施接入配电网的规划既要考虑满足充电需求,又应考虑接入地点的可用性和配电网规划投资的大小。在一个配电网内,保证公共充电站的总容量是满足电动汽车路上充电需求的必要条件。在选取EVCS待选站址的基础上,其选址定容与配电网扩展规划联合优化,以达到综合效益的最优。

1.3规划流程

对DESS、EVCS和配电网进行联合规划时,可以建立统一的优化模型,但该问题极为复杂且模型难以直接求解。尤其对于DESS在不同时刻的充放电功率及各个时刻间的能量耦合,问题的规模随考虑的场景数和多个连续时段数的增加而迅速增加。因此,本文提出了两层规划的求解框架,如图1所示。

图1 DESS和EVCS与配电网的联合规划框架

在上层规划中,考虑多个负荷水平和多个规划阶段,建立MILP模型,求解得到配电网各个规划

阶段变电站、变压器和线路的建设及使用情况,从而确定网络结构,同时获得EVCS的位置、容量和DESS的初始位置、容量。在下层规划中,将已求得的配电网结构和EVCS的位置容量作为已知条件,将DESS的位置容量作为初始条件,考虑多个典型日和多个时段,建立MINLP模型,优化DESS的位置和容量。最终形成EVCS、DESS和配电网的联合规划方案。

其中,下层规划以配电网运行费用和DESS投资成本最小化为目标,综合考虑DESS的充放电过程和能量平衡约束,考虑多个典型日场景,每个场景中考虑24h的运行情况,建立了多时段混合整数非线性优化模型,分别计算配电网的最优潮流,并采用Benders分解算法进行求解。受篇幅所限,下层规划方法将另文阐述。

原标题：储能和电动汽车充电站与配电网的联合规划研究

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