劉  舒1，劉  斌2，王承民3，李宏仲2，劉  涌4，衣  濤3

　　（1.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200437；2.上海電力學院 電氣工程學院，上海200090；

　　3.上海交通大學，上海200240；4.上海博英信息科技有限公司，上海200240）

　　摘  要： 儲能技術應用在電力系統中能夠有效解決可再生能源并網產生的波動性和間歇性，并且能夠實現需求側管理，進行調峰填谷。抽水蓄能和電池儲能是目前比較成熟的兩種儲能技術。本文忽略儲能電站的動態特性，分析儲能電站接入對配電網運行狀態的影響，即對系統電壓和網損的影響。以某區域一條配電線路進行分析，在同一個節點接入不同容量的儲能裝置，分析接入不同容量的儲能裝置對節點電壓和網損的影響。仿真結果表明：在重負荷區域接入合適容量的儲能裝置，能夠有效地提高系統電壓水平并降低網絡損耗。

　　關鍵詞： 儲能電站；抽水蓄能；電池儲能；配電網；運行狀態

0 引言

　　可再生能源發電作為一種清潔、綠色、無污染的發電技術，被廣泛應用在各種電力系統中。然而，由于受氣候、環境和地理位置等因素的影響，可再生能源發電輸出電能具有波動性和間歇性，大規模并網給電網的安全性和可靠性帶來嚴峻的挑戰。同時，隨著用電負荷需求的不斷增長，電網負荷峰谷差也日益增大，給電網的調度和經濟運行帶來嚴重影響。儲能技術[1-3]的應用能夠在很大程度上解決可再生能源并網產生的波動性和間歇性問題，并且可以有效實現需求側管理，消除晝夜峰谷差，提高電力設備利用率。

　　抽水蓄能和電池儲能是目前比較成熟的兩種儲能技術，在理論和實踐中得到廣泛的研究和應用。文獻[4]提出風電-抽水蓄能聯合運行申報次日出力計劃的新模式，考慮抽水蓄能機組啟停和運行工況的限制等因素，建立了風電-抽水蓄能聯合運行的優化調度模型，測試系統表明抽水蓄能電站與風電場配合可大大降低風電出力隨機性對電網運行的負面影響，經濟和社會效益顯著。文獻[5]研究了抽水蓄能電站與風電的聯合優化運行，通過抽水蓄能電站和風電的聯合運行的時序模擬，驗證了抽水蓄能電站和風電聯合運行的可行性及帶來的顯著效益。文獻[6]研究了風蓄聯合系統中抽水蓄能電站對風電移峰填谷的影響，結果表明：在峰谷電價政策下，風蓄聯合系統可將低谷時段的廉價電能轉化為高峰時段的珍貴電能，取得良好的經濟效益；同時還能有效地平滑風電場的輸出功率，降低并網風電的波動性。

　　電池儲能電站相比于傳統的抽水蓄能電站，具有能量密度高、充放電速度快、安裝場地靈活、體積小、響應時間短等特點。電池儲能技術主要有鋰電池、鈉硫電池和液流電池。文獻[7]比較了不同類型電池為儲能介質的電池儲能電站的性能和對可再生能源出力波動平抑效果。文獻[8]分析了電池-超級電容器混合儲能系統對風電功率波動的平抑效果。文獻[9]針對電力系統中帶有可再生能源的地區負荷的兩種構成，即混合組網和獨立組網，分別提出了負荷側電池儲能電站優化調度策略——協調調度和自主運行模式。文獻[10]建立了包含發電商、供電商、大規模電池儲能電站、電力用戶的電價動態博弈模型，分析了電池儲能電站對各參與方利益的影響，并對實時電價下的大規模儲能電站進行了效益評估。文獻[11]以全壽命周期中一次投資和運行費用最小為目標函數，以電能利用率和可靠性為約束條件，建立了電池-超級電容器混合儲能電站的數學優化模型。

　　儲能電站接入配電網可以有效實現配電網側的調峰填谷，是實現需求側管理的一種有效手段。文獻[12]運用狀態空間法建立了電池儲能系統的可靠性模型，并分析了其在充電和放電模式下對配電系統可靠性的影響。文獻[13]針對儲能電站的運行特性，從阻抗的角度分析儲能電站接入配電網后對原有距離保護所產生的影響，并提出優化策略。

　　本文忽略儲能電站的動態特性，分析儲能電站接入配電網對電網運行狀態的影響，即對系統電壓和網損的影響。以某區域一條配電線路進行分析，在同一個節點接入不同容量的儲能裝置，分析接入不同容量的儲能裝置對節點電壓和網損的影響。

1 儲能電站接入對系統電壓的影響分析

　　為了能夠分析儲能技術接入系統后對系統運行電壓的影響，分別對儲能系統接入系統前后的節點電壓展開計算。

　　1.1 未接入儲能電站時系統節點電壓計算

　　系統接線圖1所示。

　　系統的等值電路如圖2所示，其中R和X分別為一相的電阻和等值電抗，V和I表示相電壓和相電流。

　　網絡元件的電壓降落是指元件首末兩點電壓的相量差，由等值電路可知：

　　以相量2為參考軸，如果cos2已知，可作相量圖如圖3所示。

　　圖中AB就是電壓降相量(R+jX)。把電壓降分量分解為與電壓相量同方向和相垂直的兩個分量AD及DB，記這兩個分量的絕對值為：

　　則網絡元件的電壓降落可以表示為：

　　式中，?駐V和?啄V2分別為電壓降落的縱分量和橫分量。

　　用功率代替電流，可將上式改寫為：

　　而元件首端的電壓為：

　　式中元件首末端電壓相量的相位差。

　　1.2 接入儲能電站時系統節點電壓計算

　　當在負荷側加裝儲能裝置后，系統網路為圖4所示。

　　加裝儲能裝置后系統的等值電路圖如圖5所示，其中R和X分別為一相的電阻和等值電抗，V和I表示相電壓和相電流。

　　對比圖2及圖4 ，式（4）將改變為：

　　對比式（4）和式（8）可以發現，在負荷側加裝儲能系統后，能有效地降低線路、變壓器等網絡元件上的電壓降。

2 儲能電站接入對網損的影響分析

　　網絡元件的功率損耗包括電流通過元件的電阻和等值電抗時產生的功率損耗和電壓施加與元件的對地等值導納時產生的損耗。考慮到儲能系統接入電網的電壓等級較低，故并聯導納上的損耗可忽略不計。

　　2.1 未接入儲能電站時網損計算

　　網絡元件主要指輸電線路和變壓器，假設系統向網絡輸送S=P+jQ的功率，則電流在線路的電阻和電抗上產生的損耗為；

　　2.2 接入儲能電站時網損計算

　　當在負荷側加裝儲能系統后，儲能系統向系統輸送S′=P′+jQ′的功率，電流在線路的電阻和電抗上產生的功率損耗為:

　　各公式的有關參數單位為：阻抗為，導納為S，電壓為kV，功率為MVA。

　　對比式（9）和式（11）可以得出S′要小于S，可以得到在負荷側加裝儲能裝置后，能夠降低網損。

3 算例

　　以某城市配電線路進行分析。該條線路有62個配變，負荷較重，10 kV線路采用電纜與架空混合接線，其中母線出線端多以電纜為主；10 kV架空線主干線的截面積為鋁芯240 mm2、185 mm2、150 mm2；10 kV電纜線路主干線的截面積為400 mm2、240 mm2。供電面積較大，節點較多，有兩塊重負荷區域，方便對不同儲能裝置接入方案對配電網運行狀態的影響分析。具體接線圖見圖6。

　　在同一個節點接入不同容量的儲能裝置，分別選擇靠近電源點的2節點、中間區域的6節點和重負荷區域的25節點，分析接入不同容量的儲能裝置對節點電壓和網損的影響。首先分析接入不同容量的儲能裝置對節點電壓的影響，結果如表1和圖7所示。

　　根據上面2、6、25節點在接入不同容量后的節點電壓指標和曲線圖可以得出：在各節點安裝儲能裝置均可有效提升節點電壓指標，且節點電壓指標隨安裝的儲能裝置容量呈近似單調上升趨勢。同時，在接入儲能裝置容量相同的情況下，選擇在電源附近和重負荷區域接入時，對節點電壓的指標提升較大。故系統在加入儲能裝置作為電源后，系統電壓得到了提升，電壓水平得到了顯著改善。

　　下面分析接入不同容量的儲能裝置對節點電壓的影響，結果如表2和圖8所示。

　　由表2和圖8可以看出，在節點2、6和25處接入儲能裝置后，系統網損隨著儲能裝置的容量增加，呈現先下降后上升的凹形拋物線趨勢。節點2處接入時，網損最小值出現在接入容量約為14 MW時，此時網損為0.507 MW；節點6處接入時，網損最小值出現在接入容量約為12.5 MW時，此時網損為0.521 MW；節點25處接入時，網損最小值出現在接入容量約為11 MW時，此時網損為0.628 MW。

　　由上面三個節點接入不同容量得到的網損指標數據和曲線圖得出：各個節點安裝儲能裝置都可以降低網損指標，但隨著容量的進一步增大，網損會達到一個最小值，然后出現網損增大，形成凹的拋物線趨勢；每個節點的最小值都不相同，由上面曲線可以看出重負荷區域達到最小值時的接入儲能裝置容量最小，在靠近電源點區域達到最小值的接入儲能裝置容量最大。

4 結論

　　各個節點安裝不同容量儲能裝置都可以提升節點電壓指標，但隨著容量的進一步增大，節點電壓會達到一個峰值，然后出現節點電壓下降，形成拋物線趨勢；每個節點的峰值都不相同，重負荷區域達到峰值時的接入儲能裝置容量最小，靠近電源點區域達到峰值的接入儲能裝置容量最大。

　　各個節點安裝不同容量儲能裝置都可以降低網損指標，但隨著容量的進一步增大，網損會達到一個最小值，然后出現網損增大，形成凹的拋物線趨勢；每個節點的最小值都不相同，重負荷區域達到最小值時的接入儲能裝置容量最小，靠近電源點區域達到最小值的接入儲能裝置容量最大。

　　綜合上述研究，儲能技術大規模或者分布式地接入電網是未來電網的發展趨勢，在重負荷區域安裝合適容量的儲能裝置，可以更好地提升節點電壓、降低網損，以及對電力系統中的應用及優化配置研究具有重大的意義。

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