储能系统研究的课题背景和研究意义

主动配电网中储能系统研究的意义

1.1课题背景和研究意义

随着经济的发展和社会的进步，以及人民生活水平的不断提高，负荷曲线呈现的峰谷差越来越大，这也造成了电力系统供需不平衡现象。由于电力系统的发电、输电、变电、配电和用电是连续进行的，电能时刻都保持着平衡。高峰电力短缺给当地居民的正常生活和当地经济产业的发展造成了严重的影响，制约了社会经济的发展。相反，低谷负荷一方面给电力系统稳定性控制带来了困难，另一方面也造就了资源的浪费，系统中有大批的电力设备等闲置，没有对这些设备的容量进行充分的利用，导致了系统运行的经济性下降。当然，系统中的也建有一些大型的调峰电厂和抽水蓄能电站，但此类调峰成本都比较高，设备利用率低，资源浪费，同样也造成了发电成本的进一步提高。

此外，随着全球能源供应的紧张和全球气候的变化以及环境的污染，越来越多的国家认识到新能源的重要性，都在大力发展新能源发电，尤其是风力发电、光伏发电等。由于太阳能发电和风力发电等清洁能源发电由于其在开发利用中对环境污染小和取之不竭的优势，受到了极大的关注。但是，可再生能源发电的功率输出具有波动性和随机性的特点，风能和太阳能受天气条件和地理环境影响比较大，因此风电大规模并网也带来不少缺陷。大规模的分布式发电并网，其过来输出功率的波动性严重威胁到了电力系统的稳定性和安全性，随着风电比重的增大，给电力调度部门加重工作，增加调频调峰压力，同时由于功率和频率的波动性，导致电网电压质量下降。另外，风力发电的地区都相当集中，我国的风能资源主要分布在东部沿海和西部高原地区，由此也造成了因长距离输电带来的运行成本的增加。

随着分布式发电技术的不断发展和新能源发电规模的增加，为了改善风电场的输出特

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性，很多研究者在配网中配置储能系统用于提高风电场并网的能力。储能系统可以做到削峰填谷，即储能系统在负荷低谷时吸收系统中多余的电能进行储存，在高峰负荷时把存储的电能释放供给系统负荷，有效的消除了昼夜间的峰谷差值，一方面保证了供电的可靠性和运行的稳定性，保证了良好的电压质量，另外也解决了因高峰负荷需要的输电线路投资大的问题。

储能方式按照工作原理的差异可分为机械储能、电磁储能以及化学储能。机械储能包括压缩空气储能和抽水蓄能等，运用最广和技术最成熟的是抽水蓄能。抽水蓄能电站利用系统负荷低谷时的电能将水抽至上水库，在系统电力负荷高峰期再放水至下水库进行发电。它将电网负荷低时的多余电能转变为电网高峰时期的高价值电能，不但能调峰填谷，还有较大的经济加重还适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，且常作为事故备用来使用。但是抽水蓄能受地形等天然条件的限制，而且建设周期也比较常，投资成本和运行成本比较高，远距离也造成了输电线路的网损比较高。传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术的储能系统。用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来，在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室燃烧，内能转换为机械能驱动发电。但基于我国目前的能源和发电概况，不适合大规模的燃气发电。

电磁储能常见的储能方式有超导线圈和超级电容器两种。超导储能是利用 超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置。但由于超导材料技术还不成熟，目前超导储能还处于研究阶段。电容储能用电荷的方式将电能直接储存在电容器的极板上， 充放电快，储存的能量密度高。

化学储能主要指蓄电池储能，蓄电池储能系统（BESS）是用的范围最广的储能系统，相比而言，BESS的优势在于一是成本较低，技术成熟，充放电倍数高，二是模块性好，可作为分布式能量储存装置。电池电磁储能系统是风力发电和太阳能发电大规模并网储能和

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调节的首要选择技术之一。一般用于变电站的负荷平定（即削峰填谷）、可再生能源发电系统（稳定电网）以及系统备用（起到旋转备用和事故应急备用），因此蓄电池储能系统在主动配网中有良好的应用前景。

1.2国内外研究现状

目前，对于风力发电和太阳能发电等分布式发电接入网络系统的储能系统，国内外对此已经有了广泛的研究与应用，采用机械储能、超级电容器储能、蓄电池储能等储能技术来控制分布式发电并网稳定性、电力系统电压质量以到达电力系统安全稳定经济运行的目的。

风能的随机性和不确定性导致风力发电机输出的有功功率波动性很大，这给电力系统稳定性控制带来了极大的压力。因此，国内外通常通过在系统中配置储能系统以抑制因天气地形因素引起的波动功率，从而到达提高电力系统稳定性安全性的目的。但是由于大规模储能的成本比较高，因此通常优化储能系统充放电策略来到达储能系统的合理和经济运行。

文献[8]基于白天放电夜晚充电而且一天只进行一次充放电切换的运行方式，对微网储能系统充放电策略进行了研究和优化，并给出了算法分析和优化储能系统如何调度可获得较大的经济收益。

文献[9]基于分时电价以系统中网络损耗最小为优化目标，提出了含分布式电源和配置电池储能系统的主动配网的最优潮流模型。该储能系统的模型是建立在一天只进行一次固定时刻的充放电切换，建立了储能系统和风电场配合运行损耗最小化模型。

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文献[10]应用电池荷电状态（SOC）来表示电池储能系统的能量变化，对多并网点配网，基于SOC方式以最小配电网购电成本为目标，建立了含有包含可控和不可控分布式电源、电池储能系统、需求侧响应等元素的主动配网动态最优潮流模型。

文献[11]中考虑电池储能系统的充放电次数对电池寿命的影响，基于电池放电深度与使用寿命得出电池的等效运行成本以年均最小成本为目标函数对充放电策略进行研究。

本文主要研究内容

本文的主要研究内容是中低压配电网层次的电池储能系统充/放电优化问题，以配置分布式电源和电池储能系统的配电网为研究对象。本课题首先建立电池储能系统充放电模型，以配电网的潮流计算为研究工具，评估储能系统随机充放电对配电网的影响；进而建立充放电优化问题模型，以线路有功损耗最小为目标函数，计及节点功率平衡、节点电压、线路视在功率、分布式电源的出力和储能系统充放电时段耦合约束，优化储能系统的充放电行为，研究储能系统最优充放电策略；最后，采用人工智能算法的改进粒子群算法以及结合动态调整罚函数求解多时段的大规模非线性规化问题，并且以IEEE-33以及实际的主动配网系统为算例，进而验证所提的储能系统模型和最优充放电模型的合理性。

本文一共分为 章，各章的主要内容如下：

第一章：主要介绍了所研究课题的选题背景和研究意义，综述了储能系统的发展现状以及国内外的充放电优化模型研究现状。最后，提出了本课题的主要研究工作。

第二章：阐述了电池储能系统模型，介绍了储能系统的基本原理和所提模型的各种等式和不等式关系。另外，介绍了基于粒子群算法的动态优化问题求解过程，综述了基本粒

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子群算法的原理和一些因多时间断面带来的粒子群算法的调整和改进。最后简单介绍了用罚函数求解有等式以及不等式约束条件的优化问题求解。

第三章：本章提出了主动配网电池储能系统优化运行模型，以配电网系统有功功率损耗最小为目标函数，并且计及潮流约束、节点电压约束、风力发电机约束以及电池储能系统约束，进而研究最优充放电策略，另外提出了基于粒子群算法的最优问题求解的算法步骤和程序框图。

第四章：为验证本文提出的模型和算法的合理有效性，针对修改后的配置了分布式电源和电池储能系统的IEEE-33节点系统进行仿真分析，本文程序采用Matlab R2014a编写。

第五章：对课题进行总结，介绍研究中的不足和今后进一步研究方向。

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