电池储能和需求侧响应的交直流混合配电网动态重构方法

技术领域

本发明属于配电网重构技术领域，具体涉及电池储能和需求侧响应的交直流混合配电网动态重构方法。

背景技术

配电网重构是通过切换联络开关和分段开关的状态来改变网络的拓扑结构，从而实现降低网损、提高供电可靠性等目标。近年来，随着分布式光伏、电池储能的大量并网，交直流互联形态、负荷需求侧响应的快速发展，交直流混合配电网的重构技术面临着不少挑战。

综合已有的交直流混合配电网重构的研究，虽然将分布式电源(源)、负荷需求侧响应(荷)、电池储能(储)三类模型嵌入到了交直流混合配电网重构模型中，但缺少同时考虑分布式电源(源)、负荷需求侧响应(荷)、电池储能(储)的交直流混合配电网重构研究；其次，交直流混合配电网重构模型采用的电池储能模型是一种理想状态下的运行模型，未考虑电池储能内在的电化学运行机理，并且未考虑循环老化成本。

现有的电池储能模型均是在理想状态下的运行模型，认为电池的充放电效率为固定值，这与电池单元本体的非线性等效电路模型相违背，为此，有研究结合电池内部的充放电过程中，建立了电池本体的非线性等效电路模型，并进行线性化得到电池储能的非理想状态模型。有些文献将电池储能的非理想状态模型引入到微电网能量管理系统并进一步考虑分布式光伏的不确定性，提出了微电网随机调度方法。但几乎没有文献将电池储能的非理想状态模型考虑到交直流混合配电网重构研究中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供电池储能和需求侧响应的交直流混合配电网动态重构方法，用于降低综合运行成本。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：电池储能和需求侧响应的交直流混合配电网动态重构方法，包括以下步骤：

S1：对充放电功率的运行区域进行采样，在凸包络的采样点集合中将非理想状态下的电池储能模型重构为线性模型；

S2：构建交直流配电网动态重构模型，将步骤S1构建的电池储能模型与潮流模型进行耦合；

S3：采用混合整数二阶锥规划方法，利用Matlab工具箱的Yalmip进行建模，并调用商业求解器进行求解。

按上述方案，所述的步骤S1中，具体步骤为：

S11：从电池内部的充放电过程中，将充放电功率的上下限与充放电电流、电池的输入功率P

S12：建立电池储能循环老化成本模型。

进一步的，所述的步骤S11中，具体步骤为：

S111：根据电池的放电功率P

根据电池的充电功率P

S112：通过采样点的线性组合拟合电池的输出功率P

通过采样点的线性组合来拟合电池的输入功率P

以黑点表示采样点，由点之间的连接线表示连接采样点的凸包络，实心区域表示基于实际非线性方程的计算值；

S113：通过建立电池的输入功率P

设

上式是电池储能状态约束，由电池的充电状态样本与放电状态样本组合而成；

在不引入0-1变量识别电池储能的充放电状态的情况下引入附加条件：每个采样集必须至少有两个采样点为[0,0,0]和[0,1,0]，分别代表电池未激活，但已完全放电或完全充电的情况；

上式是充放电关联约束，其中x

进一步的，所述的步骤S12中，具体步骤为：

S121：设q表示电池储能容量损失的百分数，B

设C

S122：对于给定放电深度的周期循环寿命，循环老化成本模型为：

设ρ

只有当下一个时间步长电池储能放电时，ρ

设ξ

按上述方案，所述的步骤S2中，

设C表示配电网重构的综合成本函数；L表示配电网的所有支路集合；T表示配电网重构的时间集合；

进一步的，所述的步骤S2中，包括如下约束：

S21：极坐标潮流约束；设

当支路l在t时刻断开时，

设

S22：设

S23：有载调压变压器约束；变压器支路ij包括支路im和mj，支路mj只包含调压挡位，设t

0≤T

S24：交直流换流器约束；换流器支路ik包括交流支路ij和直流支路jk；设换流器交流侧在t时刻有功功率为

/>

设K

设η

S25：辐射状拓扑约束；引入β

S26：设α

S27：设

S28：设ξ

/>

由于最后一个公式属于非线性约束，将其转化为二阶锥形式为：

一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行电池储能和需求侧响应的交直流混合配电网动态重构方法。

本发明的有益效果为：

1.本发明的电池储能和需求侧响应的交直流混合配电网动态重构方法，通过对充放电功率的运行区域进行采样，在凸包络的采样点集合中将非理想状态下的电池储能模型重构为线性模型，在此基础上，分别建立基于累积吞吐电量和放电深度的循环老化成本模型，构建了综合成本最小化的交直流混合配电网重构模型，并采用混合整数二阶锥规划方法求解；实现了降低综合运行成本的功能。

2.本发明考虑电池储能的循环老化成本、需求侧响应，电池储能的充放电过程直接影响其循环老化，非理想状态下的电池储能模型本质是上基于样本测量的数据驱动建模，避免了理想状态下的电池模型的弊端，并且没有引入二进制变量表征充放电状态，减小了电池储能模型的复杂度，有利于嵌入到交直流配电网重构模型中。

3.本发明基于累积吞吐电量和放电深度建立电池储能的循环老化成本模型，构建了考虑网损成本、开关动作成本、弃光成本、电池储能循环老化成本、需求侧响应等综合成本最小化的交直流配电网重构目标，以交直流混合配电网潮流约束、网络安全约束、拓扑约束、基于电价激励型的负荷需求侧响应等为约束条件，并将交直流混合配电网重构模型转化为混合整数二阶锥规划模型求解。

4.本发明在交直流混合配电网二阶锥潮流模型的基础上，考虑电池储能的循环老化成本、负荷需求侧响应，提出了交直流混合配电网动态重构方法，所得主要结论包括：

(1)本发明所提出的基于累积吞吐电量的循环老化成本模型和基于放电深

度的循环老化成本模型具有更好的经济性和有效性，而基于放电深度来的循环老化成本模型比基于累积吞吐电量的循环老化成本模型具有更好的经济性；

(2)交直流混合配电网重构的BESS循环老化成本随着BESS投资成本的下降而下降，而网损成本和开关动作成本基本上与BESS投资成本无关；

(3)施加负荷需求侧响应后改变了原始负荷曲线，使得在分布式光伏大发时段8h-16h负荷需求增大，从而减小了弃光，使弃光成本和总成本减小。

附图说明

图1是本发明实施例的电池储能在(a)

图2是本发明实施例的放电深度与寿命损失百分比的拟合曲线图。

图3是本发明实施例的含有载调压变压器的支路示意图。

图4是本发明实施例的交直流换流站的示意图。

图5是本发明实施例的负荷和分布式光伏曲线图。

图6是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图6，本发明实施例的电池储能和需求侧响应的交直流混合配电网动态重构方法，包括以下步骤：

第一步：对充放电功率的运行区域进行采样，在凸包络的采样点集合中将非理想状态下的电池储能模型重构为线性模型。

(1)非理想状态下的电池储能线性化模型

由于传统的电池储能模型认为电池的充放电功率是恒定不变的，这会导致所估计的荷电状态(S

首先，由于P

其次，P

最后，通过建立电池的输入功率P

/>

式中，

该式是电池储能状态约束，它是由电池充电状态样本与放电状态样本组合而成。若单独考虑该式，则电池储能在t时刻可以同时进行充电和放电，这不符合电池储能运行要求。因此，为了在不引入0-1变量识别电池储能的充放电状态的情况下，引入一个附加条件：每个采样集必须至少有两个采样点为[0,0,0]和[0,1,0]，分别代表电池未激活，但已完全放电或完全充电的情况。

该式是充放电关联约束，其中，x

(2)电池储能循环老化成本模型

A.基于累积吞吐电量的循环老化成本模型

基于累积吞吐电量的循环老化成本模型如下：

式中：q表示电池储能容量损失的百分数，B

因此，电池储能循环老化成本C

式中，C

B.基于放电深度来的循环老化成本模型

对于给定放电深度的周期循环寿命，循环老化成本模型如下：

式中，

式中，ρ

只有当下一个时间步长电池储能放电时，ρ

为了表述放电深度和和寿命损失百分比的拟合函数，本发明采用SOS2(aspecialorder set(SOS)constraint of type 2)进行分段线性化，如下所示：

式中，ξ

第二步：构建交直流配电网动态重构模型，将第一步构建的电池储能模型与潮流模型进行耦合。

本发明考虑网损成本、开关动作成本、弃光成本、电池储能循环老化成本等综合成本最小化的交直流配电网重构目标，即：

式中，C表示配电网重构的综合成本函数；L表示配电网的所有支路集合；T表示配电网重构的时间集合；

(1)极坐标潮流约束

采用极坐标系下的二阶锥松弛潮流模型如下：

式中，

由于当支路l在t时刻断开时，

式中，

式中，

(2)分布式光伏运行约束

式中，

(3)有载调压变压器约束

含有载调压变压器的支路示意图如附图3所示。变压器支路ij可以分为支路im和mj两部分，其中支路mj只包含调压挡位，其中变压器两端的电压关系如下：

0≤T

式中，t

(4)交直流换流站约束

附图4给出了交直流换流站的示意图。换流器支路ik可以分为交流支路ij和直流支路jk。设变流器交流侧在t时刻有功功率为

/>

式中，

换流站交流侧与直流侧电压幅值关系为

式中，K

换流站交流侧与直流侧有功功率关系为

式中，η

(5)辐射状拓扑约束

本发明采用ST约束来描述配电网的辐射状拓扑约束，如下式所示：

通过引入β

(6)联络开关动作次数

式中，α

(7)分组投切电容器运行约束

式中，

(8)基于电价弹性系数的需求侧响应模型

本发明基于电力价格弹性系数对价格激励型负荷进行调控，需求侧响应模型如下公式描述：

式中，ξ

由于最后一个公式属于非线性约束，因此，需要将其转化为二阶锥形式，即：

第三步：采用混合整数二阶锥规划方法，利用Matlab工具箱的Yalmip进行建模，并调用商业求解器进行求解。

为了验证本发明的有效性，本发明采用IEEE-33节点算例进行验证。改进的IEEE-33节点系统的接线示意图如附图5所示，表1给出的接入系统的PV、BESS、CB、OLTC的参数设置。系统的基准电压为12.66kV，基准容量为10MVA。关口有功的功率范围为0～2000kW，无功功率范围为0～2000kvar，支路电流幅值上限为0.5p.u，节点电压幅值为0.95p.u～1.05p.u。图5给出了负荷以及分布式光伏的期望曲线，并假设两个分布式光伏的出力相同，同时只对居民区和商业区的负荷进行需求侧响应。起始时刻，除去联络开关线路断开，所有线路均闭合，开关成本为1元/次，网损成本系数为0.2元/kWh，弃光成本系数为0.2元/kWh。

为了分析本发明所建立的非理想状态下的电池储能模型的有效性，通过设置是否考虑电池储能的循环老化成本，建立了4种策略，即为

策略1：不考虑储能循环老化成本，传统的电池储能模型；

策略2：不考虑储能循环老化成本，非理想状态下的电池储能模型；

策略3：基于累积吞吐电量的循环老化成本模型；

策略4：基于放电深度来的循环老化成本模型；

四种策略的交直流混合配电网重构结果如表1所示，其中策略3和策略4的储能投资成本为100万元。

表1系统配置参数

表2四种策略的交直流混合配电网重构各项成本对比

从表2中不难看出：在网损成本方面，策略1最小，策略2、策略3、策略4基本上相等；在弃光成本方面，策略4<策略3<策略2<策略1，弃光成本反映了交直流混合配电网重构对新能源的消纳能力，弃光成本越小意味着消纳了更多的新能源，因此，采用策略4(基于放电深度来的循环老化成本模型)重构交直流配电网新能源消纳能力最好。在交直流混合配电网重构总成本方面，虽然策略1和策略2没有考虑电池储能的循环老化成本，但策略4<策略3<策略2<策略1，因此，本发明所提出的基于累积吞吐电量的循环老化成本模型和基于放电深度来的循环老化成本模型具有更好的经济性和有效性，而基于放电深度来的循环老化成本模型比基于累积吞吐电量的循环老化成本模型具有更好的经济性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。