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分布式光伏储能系统优化配置方法引言经过多年建设，我国农村电网已覆盖绝大部分乡村。但随着我国城乡社会经济的发展，农村电气化水平不断提升，农电负荷不断增加，现有农村电网电能质量常常不能满足用户需求，其中的低电压问题亟待解决。目前国内已针对配电网的低电压问题开展了较多研究。广泛采用的方法是采用无功补偿的方法降低负荷的无功消耗以此来抬升电压[1]，但对于重负荷和馈线较长的情况，无功补偿调节能力有限，不能从根本上解决低电压问题；此外，还有在低压侧馈线末端加装调压器的方法，其本质是增加了一台小变比变压器。当负荷变化较大时，其调压范围也难以满足需求。近年来，分布式光伏和储能已开始大规模应用。在配电变压器低压侧加装分布式光伏和储能将是调节配电网电能质量的一个好的方法。基于储能提升配电网电能质量的研究方面，文献[2]在考虑电能质量的同时，建立了配电网风–储双层配置模型，选择考虑风电机组运行状况的电能质量评估指标及计算方法，结果显示风–储的接入降低了总的运行成本，且提升了电网的电能质量。文献[3]引入了：酆掀兰鄯，在削峰填谷的同时，改善了配电网电压质量和经济收益，从而建立了双层优化模型。文献[4]针对低压配电网络中的电压控制问题，提出了一种多电池储能系统的协调控制方法。结果表明，所提出的协调控制方案能够更均匀地使用储能，从而在电池更换次数和维护次数两方面降低了存储运营商的电池更换成本。[6]比较了在多[7]以居民用户和企业用户为研究对象，探讨用户不同用电模式、有无储能系统对使用光伏的用户产生的影响。文献[8]以制定光伏–储能系统策略为目标，建立了整个系统的成本收益模型、全生命周期模型。尽管电压调节可以通过无功补偿来完成，然而对于低压农网来说，有功损耗是导致这一低电压的主要原因，采用无功补偿方式效果不佳，并且实际生产使用的分布式光伏通常只提供有功的输出[9][10]。我国农村幅员辽阔，用电负荷具有小型、分散的特点。典型农村自然村落的住户分布如图1所示。可把所有住户分成AB1000500m以上[11][12]。对于这类农村村落，供电公司采用的供电方案是：采用10kV线路给全村供电，配电变压器旋转在村落的负荷中心，即A类住户的中心，然后降压为220V，进而辐射给各用户供电。Figure1.Thehouseholddistributiondiagramofatypicalruralnaturalvillage图1.典型农村自然村落的住户分布示意图由上可见，国内外对配电网采用光伏和储能具有不同的目标。城市电网中，利用风光、储能构建主动配电网，是新型电力系统的重要手段。但在农村电网中，以低电压治理为目标的应用，尚缺乏深入研究。农村电网的低电压治理其核心在于其技术经济指标如何设计以使得电能质量的投资成本能够快速收回，从而使其具有可行性[13]。基于此，本文以光伏–储能系统建设整个周期的经济收益最大化为目标函数，通过蚁群算法优化在光伏接入配电网不同位置时的储能容量，在保持原有配电网结构和补偿设备不变的情况下，实现改善低压农网质量的目的。基于光伏–储能的低电压治理模型基于光伏–储能的低电压治理方案485通信总线组成，整个系统的原理图如图2所示[14]。面向低电压治理的光伏–储能配置目标函数安装储能系统能最大程度实现光伏电力就地消纳，余电并网可增加农户经济收益，构建光伏–储能系统建设安装–运行维护–退役整个周期的经济收益模型[15]。目标函数为：Figure2.Schematicdiagramofphotovoltaicenergystoragesystem图2.光伏储能系统原理图其中，RT为发电收益：其中：

maxfYYn1RenSanPun

(1)(2)(3)nSan为自用电为多余电量并网收益费用。其中，系统投资总成本CTCICOMCR式中：CI为初始投资成本；COM为维护更换成本；CR为退役成本，单位均为元。CICPVCBSSCPVCBSS是储能系统初始投资成本，单位均为元。88CVaii1

(4)(5)(6)式中：Pa是光伏峰值时的功率，W；C1~C8表示辅件、组件、支架、系统逆变器、系统汇流箱、计量装置、安装和并网的单位成本，元/W。CBSSCstorE式中：Cstor是储能单位容量的成本，元/(kW?h)，E是电池容量，kW?h。M20VSSEC

(7)(8)式中：OPV为光伏全年维护所需成本；OBSS为储能全年维护所需成本；ERC为整个系统更换一次所需成本。为退役成本系数。约束条件

CRC1

(9)[16]潮流平衡约束ΔP Pess

P

Pcal

(10)bus bus,m G bus busΔQ Qess

Q

Qcal

(11)bus bus,m G bus bus

为节点的有功、无功不平衡量；Pess

、essbus,、

为储能装置的有功、无功容量；PG、bus,mQPlood、QloadPcal、Qcalbus,mG功率。网络功率平衡约束

bus

bus

bus

bus

(12)

为节点注入有功，kW

为总的有功，kW

为整个系统的网络损耗，kW。储能系统运行平衡约束

essbus,m

sΔt0

(13)essbus,m

ss为相应阶段s的充放电功率，对于整个阶段，储能充、放电量保持平衡。s节点电压约束

UminUiUmaxminimax

(14)(15)式中：Umin、Umax为节点电压Ui的下限与上限；min、max为节点电压i的相角下限与上限。基于改进蚁群算法的模型求解路上，迭代到一定程度时，最优觅食路径被找到[17]。本文对传统蚁群算法中的期望因子改进，即：a,0nn0

(16)b,n0nnmax式中：a<b，nmax为最大迭代次数，采用改进蚁群算法求解分布式储能系统的最优选址与定容的流程如下：设定网络结构参数、储能参数，确定目标函数，调节因子等参数。初始化信息素浓度。由信息素浓度，确定下一个路径转移的概率。更新信息素，重新计算每一条路径上的目标函数。最优解即为所有目标函数值中的最短路径。图3所示。Figure3.Operationflowchart图3.操作流程图算例IEEE-33节点配电系统作为算例413-333个，储能电池选择低成本、长寿命、高安全、高能量密度10kW~10kWh2为EPV为光伏单位容量成本，VEBSS为储能单位容量成本，元/kWh。20220V7%DG后储能的选址定容情况以及对农村电网低电压问题的改善情况。对当地实际历史光伏数据进行统计分析，选取可用的样本数据，选取原则是波动频率高、波动范围大，最终选取的光伏日出力曲线如图5所示[19]。DG0.9634的接入位置如表3有代表性的配电线路的前端、中部、中后部和末端[20]，仿真结果见图6、图7和表4所示。19 20 19 20 21 223 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 16 171 226 27 28 2930 31 32 3323 24 25Figure4.PowerdistributionsystemofIEEE33nodes图4.IEEE33节点配电系统Table1.BranchparametersofthedistributionnetworkofIEEE33nodes表1.IEEE33节点配电网支路参数节点i节点j节点j负荷/kW支路ij阻抗/Ω129+j40.4930+j0.25112312+j80.3660+j0.1864346+j30.3811+j0.1941456+j20.8190+j0.70705620+j100.1872+j0.61886720+j100.7114+j0.2351786+j21.0300+j0.7400896+j21.0440+j0.74009104.5+j30.1966+j0.065010116+j3.50.3744+j0.123811126+j3.51.4680+j1.1550121312+j80.5416+j0.712913146+j10.5910+j0.526014156+j20.7463+j0.545015166+j21.2890+j1.721016179+j40.3720+j0.57401189+j40.1640+j0.156518199+j41.5042+j1.355419209+j40.4095+j0.478420219+j40.7089+j0.93732229+j50.4512+j0.3083222342+j200.8980+j0.7091232442+j200.8960+j0.70115256+j2.50.2030+j0.103425266+j2.50.2842+j0.144726276+j21.0590+j0.9337272812+j70.8042+j0.7006282920+j600.5075+j0.2585293015+j70.9744+j0.9630303121+j70.3105+j0.361931326+j40.3410+j0.5362323310+j60.0922+j0.047Table2.ParametersofPV-energystoragesystem表2.光伏–储能系统参数要素 数值单块组件容量 365W总装机容量 10kW光伏单位成本 3.5元/W年均维护成本 1%PaEpv充放电深度(x) 90%~100%放电效率(D) 90%储能单位成本 400元/kWh年均维护成本 1.5%VEBSSFigure5.PVsunriseforcecurve图5.光伏日出力曲线Table3.ChangeofaccesspositionofDG表3.DG接入位置的变化case12345DG接入节点无381318接入位置无前端中部中后部末端DG3DG3813181.061.041.02电压标幺值1电压标幺值0.980.960.940.920.90 5 10 15 20 25 30 35节点编号Figure6.Voltagedistribution图6.电压分布情况系统平均电压偏差0.06系统平均电压偏差0.040.020

无DG3

13 18DG接入位置Figure7.Averagevoltagedeviation7.平均电压偏差情况Table4.Energystorageconfigurationresults表4.储能配置结果节点(容量)节点(容量)节点(容量)Case12(20)8(37)12(10)Case23(14)11(30)16(7)Case34(12)7(26)17(5)Case45(8)12(20)16(4)Case55(7)12(18)16(3)注：()内为该接入该节点的储能容量(单位：kW)。的接入位置对电压的改善情况以及储能的选址DG由7DGDG配置在配电线路的中后部，有利于改善末端的低电压问题以及减小平均电压偏差。在系统整个生命周期内，光伏系统的逆变器更换2次，汇流箱更换1次，计量装置更换1次，储能电池更换2次[21]。光伏组件回收价格为初始价格的40%。规划周期为20年的总收益对比如表5所示。Table5.Economiccomparison(Unit:Yuan)表5.经济性对比(单位：元)Case1 Case2 Case3 Case4 Case5总收益 17,038 29,810 32,481 38,624 41,253由5结论可知，相比于无光伏的储能系统，光伏–储能系统通过光伏出力与负荷的匹配，使负荷消纳光伏，从而提升末端电压，降低整个系统的网损，故而光伏–储能系统的经济效益更高；而在DGDG的接入位置越靠近主馈线末端，整个系统的收益越大。结论本文针对农村电网结构薄弱、供电半径过长导致的末端台区低电压问题，采用光伏–储能系统来改善配电网的结构，结论如下：