含储能健康运行域与电压安全约束的配电网重构方法

1、研究背景可再生能源替代是实现“双碳”目标的重要举措。然而，随着未来各类新能源及用户侧需求互动技术引入配电网，配电网电压安全管理将面临更严峻挑战，带来电压越限、电压波动剧烈等运行问题。网络重构是配电网进行全局电压管理的主要控制手段，但网络重构的灵活性低且具有使用次数限制，无法实现针对新能源出力强波动性的高频次调整。储能的灵活充放电能力可跟踪新能源出力来改善配电网局部潮流分布，进而控制局部电压水平，最终增强配电网整体电压控制作用。然而，储能电池投资成本较高，过多的充放电循环会加速储能寿命老化，这将直接影响储能在配电网中应用的经济成本。因此，如何在配电网优化运行中合理保证储能寿命，并兼顾电压安全和整体经济效益成为电网调度人员需要考虑的关键问题。2、论文解决问题及意义当前背景下融合储能能量管理的配电网重构方法可从以下两个方面进行深入研究：1）现有储能寿命建模中对于模型复杂度和实用性的平衡有所欠缺，若储能寿命建模精确度高，则其模型非线性程度高，优化问题很难寻找到最优解；若储能寿命模型简单，则其刻画储能寿命的精确度低，需建立兼顾计算精度和模型复杂度的储能电池健康域模型，保证优化目标的全局最优性。2）配电网节点电压波动程度与配电网网络结构有关，以经济性为目标的网络重构存在使节点电压波动增加的现象，需引入一种有效的节点电压波动评价指标结合网络重构合理重置线路的开关状态来改变配电网系统拓扑，进而实现系统电压调节。3、论文重点内容1）储能寿命模型。准确评估储能寿命值对配电网的优化运行有着重要作用。由现有研究可知，储能系统的平均SoC(SoCmean)和放电深度(depthofchargeanddischarge，DoD)对其寿命有显著的影响。并且本文认为充电和放电对电池寿命影响相同，将充电事件中的SoC最大变化也纳入考虑。因此，为描述储能健康状态，任一温度下本文建立DoD和SoCmean影响的锂离子电池可用寿命示意曲面图，如图1所示。图1

锂离子电池寿命曲面在图1中，将寿命预期平面与可用寿命曲线的截交线投影到DoD和SoCmean构成的平面上形成临界寿命曲线。基于上述模型，本文采用美国马里兰大学的电池开放实验数据包进行研究，将等效充放电循环次数(equivalentfullcycles，EFC)作为储能电池寿命评价指标，利用超空间投影获得不同EFC下的储能临界寿命曲线，如图2所示。图2

不同EFC下的储能临界寿命曲线为建立储能全寿命周期成本和运行域之间的直接关系，在图2的基础上定义储能寿命水平集，如图3所示。其中，影响因素1和影响因素2分别代表DoD和SoCmean，临界寿命曲线将DoD和SoCmean构成的可行域分为健康运行和非健康运行，本文“健康”是指设备的寿命大于预期。图3中的寿命水平集为储能寿命不低于预期的可行域集合，但寿命水平集在实际运行过程中可能具有非凸性质，本文采用凸逼近方法，作临界寿命曲面的内侧切线，将影响因素可行域进行凸化，最终本文提出的储能寿命建模形式能有效降低约束非线性程度，建立储能全寿命周期成本与健康运行域的显式关系。此外，为了有效保证调度周期内任一DoD均不超过边界条件，储能健康运行域中的DoD取调度周期内最大值(DoDmax)。图3

储能电池寿命水平集2）电压波动指数模型。为了降低大规模新能源并网导致的电压越限风险，提升配电网安全运行能力，本文引入节点电压波动指数(voltagevolatilityindex，VVI)模型，该模型指出当节点i的位置满足以下两个规则时，新能源对其节点电压波动影响较小：①节点i的位置靠近PCC点。②新能源所接入的节点u与节点i返回到PCC点的公共电气距离(线路阻抗和)较短。基于上述规则，本文结合网络重构限制VVI的上界，进而减少新能源接入对节点电压的影响，维护配电网安全运行。图4展示了融合VVI的网络拓扑示意图。图4

融合VVI的网络拓扑示意图图4(a)表示重构前新能源的连接位置，新能源的高度波动性会直接影响到节点i和j，图4(b)为重构后新能源的连接位置，新能源直接与变电站相连，与周围节点无公共路径，新能源的波动对周围节点影响较小。3）“储能健康-配电网电压”协调管控模型求解框架。图5给出了本文模型具体实施策略，其具体步骤如下：1）确定当前储能系统寿命所对应的健康运行域；2）在步骤的1）的条件下，求解除VVI约束以外的优化模型，得到当前最优结果；3）根据步骤2）所得到的配电网拓扑结构，利用图论，找到VVI最恶劣的节点，判断其是否在预设VVI上限内；4）若满足，则输出步骤2）的优化结果，得到相应的配电网运行方案；5）若不满足，在步骤2）中添加限制VVI最恶劣路径的约束，以此循环，直到输出满足VVI约束的拓扑结构；6）通过以上流程，可得到融合储能能量管理和电压安全管理的配电网运行模型。图5

模型求解框架4）仿真结果。①融合储能健康域的配电网运行经济性分析。图6

不同循环次数所对应的储能成本与投入储能前后配电网运行变化成本关系图设置储能在一个周期T内，初末容量相同。根据图3所获得的健康运行域，求解不同电池循环寿命下的储能成本，以及投入储能前后配电网运行的变化成本，二者关系如图6所示。其中，储能单位成本在循环次数小于1200次时高于投入储能所引起的配电网运行降低成本，即此时投入储能带来的收益不足以抵消其寿命损失成本。当循环次数高于1200次时，储能单位成本低于因投入储能带来的配电网成本变化，这时系统投入储能，将获得正经济效益。②计及网络重构和VVI约束的配电网电压调控效果分析。本文以限制VVI为目标，为将原始重构网络拓扑下的最大电压波动指数降低15%以上，本算例中VVI上限取为18.9，在电池循环次数等于750次下运行。引入VVI前后的系统电压水平如图7所示，其中引入VVI前后节点电压偏差均方根(rootmeansquare，RMS)分别为0.0164pu和0.0132pu，与未考虑VVI相比，考虑后节点电压偏差RMS降低19.5%，可见VVI能有效限制可再生能源接入所引起的电压波动，有效提高配电网的安全运行能力。(a)引入VVI前系统电压图(b)引入VVI后系统电压图图7

VVI对系统电压分布的影响③网络重构对储能设备寿命的影响。为探究重构对于储能寿命的影响，忽略储能健康运行域约束。本文比较了重构前后储能电池在配电网运行过程中的SoCmean以及DoDmax，如表1所示。易知不计重构时储能设备的SoCmean均高于计及重构下的SoCmean，而不计重构时的DoDmax均低于计及重构下的DoDmax。表1

引入重构前后储能系统SoCmean以及DoDmax的比较图8

两种情境下的临界寿命曲线图8为重构前后储能电池对应的EFC，其中A1和A2分别代表未计及网络重构的5节点和15节点的储能状态，B1和B2代表计及网络重构的5节点和15节点的储能状态，其中5节点储能系统在配电网考虑重构后的EFC要比不计及配电网重构的EFC多140次，15节点储能系统在配电网考虑重构后的EFC要比不计及配电网重构的EFC多120次。4、结论1）本文构建的储能健康域可有效平衡模型实用性与计算精度，利用该模型进行配电系统经济效益分析，EFC高于储能单位成本曲线和投入储能前后配电网运行变化成本曲线交点