CN110829473A - 考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法及*** - Google Patents

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CN110829473A CN201911088762.0A CN201911088762A CN110829473A CN 110829473 A CN110829473 A CN 110829473A CN 201911088762 A CN201911088762 A CN 201911088762A CN 110829473 A CN110829473 A CN 110829473A
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丁磊
陈玉峰
李华东
张磊
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陈素红
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Abstract

本发明公开了一种考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法及***，包括：以BESS投资运维成本和配电网运行成本之和最小为目标，建立BESS选址定容优化模型；对各节点电压的偏移和波动范围设置约束条件，使用混合整数二阶锥数学规划对所述BESS选址定容优化模型进行优化求解，得到最优的配电网BESS选址定容策略。本发明以提升配电网电压质量和经济效益为目的，引入了BESS，提出了基于配电网经济运行建模的BESS选址定容优化模型，应用混合整数二阶锥数学规划对BESS的选址定容进行优化求解，最终利用BESS快速而高效的功率四象限输出能力。

Description

考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法及***
技术领域
本发明涉及配电网储能优化配置技术领域，尤其涉及一种考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，分布式电源对配电网带来诸多挑战，高渗透率分布式光伏电源出力的波动性和随机性，会严重影响配电网的电压质量，可能出现电压越限、剧烈波动等问题。电池储能***(BESS)具有高能量密度和快速充放电能力，可为上述问题的解决提供重要思路。另外，BESS还具有降低配电网电能传输损耗、套利等功能，有利于提升***的经济效益。因此，研究BESS在配电网中的优化配置具有重要意义。
国内外对于储能选址定容的研究，较为关注电压偏移和有功网损2个重要指标。从本质上来讲，两者分别属于电压质量和经济效益的范畴。储能不仅可减小电压偏移量，还能平抑电压波动；在经济效益方面，储能可利用其套利机制减少购电成本。从配电网运营商的立场来看，储能在投入运行后应最大化其利用价值。然而，大多数研究在考虑规划配电网中的储能时，都未能立足于此；全面衡量储能对配电网电压质量和经济效益的综合贡献，可使得配电网既可以保证优质的供电，又能够降低供电成本。
同时，BESS容量配置包含能量容量和功率转换***(PCS)的功率容量配置。现有技术仅仅考虑了PCS的有功功率输出，而忽略了其无功功率输出的能力。实际上，PCS可以通过对逆变器控制环节的设计，将输出的有功和无功功率进行解耦控制，实现储能***输出功率的四象限运行。由于配电网中的线路电阻和电抗的数值处于同一个数量级，故有功和无功功率的流动分别都会对配电网中的电气参数(节点电压、有功网损等)产生影响。可见，在配置BESS的容量时若能考虑四象限工作模式，使BESS既能收发有功又能收发无功功率，则可以实现BESS参与配电网调节的更大收益。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法及***，基于配电网的经济运行建模，提出了功率四象限运行BESS的选址定容优化配置策略。通过对非线性模型采用混合整数二阶锥规划求解，获取了配电网储能的优化配置。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法，包括：
根据t时刻根节点从外界流入的有功功率以及电价随时间变化的函数，确定购电成本；
根据t时刻节点i处流经支路ij的电流幅值以及支路ij的电阻确定***的日网损，将所述日网损转化为经济损失；
以BESS投资运维成本和配电网运行成本之和最小为目标，建立BESS选址定容优化模型；
对各节点电压的偏移和波动范围设置约束条件，使用混合整数二阶锥数学规划对所述BESS选址定容优化模型进行优化求解，得到最优的配电网BESS选址定容策略。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置***，包括：
用于根据t时刻根节点从外界流入的有功功率以及电价随时间变化的函数，确定购电成本的装置；
用于根据t时刻节点i处流经支路ij的电流幅值以及支路ij的电阻确定***的日网损，将所述日网损转化为经济损失的装置；
用于以BESS投资运维成本和配电网运行成本之和最小为目标，建立BESS选址定容优化模型的装置；
用于对各节点电压的偏移和波动范围设置约束条件，使用混合整数二阶锥数学规划对所述BESS选址定容优化模型进行优化求解，得到最优的配电网BESS选址定容策略的装置。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行上述的考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以提升配电网电压质量和经济效益为目的，引入了BESS，提出了基于配电网经济运行建模的BESS选址定容优化模型，应用混合整数二阶锥数学规划对BESS的选址定容进行优化求解，最终利用BESS快速而高效的功率四象限输出能力，实现了以下调节：
1)利用分时电价机制实现套利，提升了配电网由上级电网购电的经济性。
2)调整了过大的电压偏移，平抑了因光伏出力而产生的节点电压过量波动，提升了配电网的电能质量。
3)充分降低了网络损耗，减少了配电网的电能损失。
本发明在规划BESS时考虑了利用BESS的功率四象限输出能力，结果证明了在同等投资成本下，功率四象限输出的BESS比只输出有功功率的BESS在参与配电网电压调节和降低配电网运营成本2方面都有优势，在规划阶段更多地挖掘了BESS的潜能，使配置结果更加经济与合理。
附图说明
图1是本发明实施例一中BESS主电路结构示意图；
图2是本发明实施例一中BESS的功率四象限输出范围示意图；
图3是本发明实施例一中(Ti BESS)0.5的线性化处理示意图；
图4(a)-(b)分别是本发明实施例一中夏季典型日负荷和光伏出力曲线以及冬季典型日负荷和光伏出力曲线；
图5是本发明实施例一中根节点流入功率示意图；
图6是本发明实施例一中BESS有功功率输出示意图；
图7是本发明实施例一中BESS荷电状态示意图；
图8是本发明实施例一中BESS无功功率输出示意图；
图9(a)-(c)分别是本发明实施例一中光伏并网点电压幅值变化曲线示意图；
图10是本发明实施例一中3种情况下的配电网电压概率分布示意图；
图11是本发明实施例一中3种情况下的配电网网损的时间分布示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施例中，公开了一种考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法，包括以下步骤：
根据t时刻根节点从外界流入的有功功率以及电价随时间变化的函数，确定购电成本；其中，t时刻根节点从外界流入的有功功率可以通过功率测量仪测量得到。
根据t时刻节点i处流经支路ij的电流幅值以及支路ij的电阻确定***的日网损，将所述日网损转化为经济损失；其中，t时刻节点i处流经支路ij的电流幅值可以通过电流互感器测量得到，支路ij的电阻可以通过电阻测试仪测量得到。
以BESS投资运维成本和配电网运行成本之和最小为目标，建立BESS选址定容优化模型；
对各节点电压的偏移和波动范围设置约束条件，使用混合整数二阶锥数学规划对所述BESS选址定容优化模型进行优化求解，得到最优的配电网BESS选址定容策略。
下面对本实施例所述的方法进行详细的说明。
1BESS功率四象限并网运行工作原理
BESS由电池储能和PCS组成，主电路拓扑如图1所示。电池储能装置BT释放或吸收电能，PCS为一个自换相的三相全桥逆变器，电容C为逆变器提供直流电压支撑，idc为直流侧电流，ia，ib，ic为BESS输出三相电流，La，Lb，Lc为BESS出口侧等效电感，Usa，Usb，Usc为电网三相电压。通过控制电力电子器件的导通和开断，对输出电压大小和相位的改变，可以实现有功和无功功率的独立、快速调节。BESS控制器一般分为双环控制，外环控制器根据实际现场采集检测到的电气量数据计算出控制需求，然后对有功和无功功率进行解耦变换，将最终解耦后的功率需求指令下发到内环控制器，内环控制器再根据所得到的指令计算器件开关的触发信号，实现***输出功率的四象限实时调节。
在忽略BESS空载时等效阻抗功率损耗的情况下，电网与BESS间功率交换的轨迹近似为：
Figure BDA0002266229350000041
式中：Us为电网电源电压幅值；Ut为BESS经换流器逆变后的交流电压幅值；ZL为网络阻抗。
电网与BESS间的功率交换范围如图2所示。在网络电源电压Us和阻抗ZL确定的情况下，有功功率P0和无功功率Q0的输出大小取决于BESS输出电压Ut的大小和相位。
从图2可以得知，Ut的大小决定了圆的半径，Ut的相位决定了BESS的运行工作点处于圆上的哪一个位置。
当PCS中的外环控制器检测到配电网需求有功和无功功率时，内环控制器控制BESS有功、无功出力大于零，此时BESS向电网释放有功和无功功率，电池处于放电状态，对外进行无功补偿，对应BESS工作模式处于第1象限；当外环控制器检测到配电网中的有功和无功功率富余时，内环控制器控制有功、无功出力小于零，此时电网向BESS输送有功和无功功率，电池处于充电状态，电容从外界吸收无功功率，对应BESS工作模式处于第3象限；同理BESS也可工作于第2、第4象限或是坐标轴上，根据实际需求灵活控制其充放电状态。
本实施例将BESS的配置与配电网经济运行优化相结合，在典型日负荷的基础上，通过经济优化得出BESS的运行策略，在满足配电网设定的电压质量的情况下，达到最小化配电网成本的目的。
2基于配电网经济运行建模的BESS选址定容优化模型
2.1目标函数
对于配电网日内全时段经济优化运行，本实施例的优化目标函数设为单目标经济函数，由BESS投资运维成本FBESS和配电网运行成本(购电成本Felec和网络损耗Floss)2部分构成，即
minF＝FBESS+(Felec+Floss) (2)
2.1.1BESS投资运维成本
Figure BDA0002266229350000051
式中：finv为BESS的投资建设费用；fm为BESS年运行维护费用；C为等年制系数。将储能的年投资成本折算到每日进行计算，故分母为一年之中的天数。
其中
Figure BDA0002266229350000052
Figure BDA0002266229350000053
Figure BDA0002266229350000054
式中：Ti BESS和Ei BESS分别为节点i处BESS功率容量的平方和电池容量；kS和kE分别为BESS的单位功率容量价格和单位电池容量价格；km为BESS运行维护费用率；r为贴现率；y为BESS的寿命年数。
这里的决策量为节点i处BESS的视在功率容量Si BESS和电池容量Ei BESS，但由于视在功率与有功和无功功率以二次形式耦合，为方便数学模型的处理，定义视在功率容量的平方Ti BESS作为决策量。
2.1.2配电网经济效益指标函数
当配电网中的分布式电源渗透率不足100％时，配电网需要通过根节点从上级电网中获取电能。电价依据负荷的状态作出实时调整，通过分时电价引导BESS的充放电，在负荷处于低谷状态时购电并储存起来，当负荷状态达到峰值时，电价上涨，再释放之前储存的电能，可以实现BESS套利的作用。
设时刻t根节点从外界流入的有功功率用P0,t表示，电价随时间变化的函数为αt，则购电成本为：
Figure BDA0002266229350000061
此外，网损也是衡量***运行经济性的一大指标，输送电力必然在输电线路中产生损耗，该损耗大约占发电量的4％～6％。在线路参数不变的情况下，网络损耗的多少取决于流经线路电流的幅值大小，而有功和无功功率的流动都会对电流幅值产生影响，因此BESS与配电网的功率交换可以有效地降低网损，减少经济损失。
在网络潮流公式中，本文只须讨论时刻t节点i处的电压幅值Ui,t和流经支路ij的电流幅值Iij,t，无须关注相角的问题，而幅值在公式中大多以平方形式存在，故以一次形式变量Vi,t和Jij,t代替幅值的二次形式作为决策变量，即
Figure BDA0002266229350000062
***的日网损Ploss计算公式如下：
Figure BDA0002266229350000064
式中：rij为支路ij的电阻；集合B为节点i与节点j能够形成支路的集合。
依据实时电价，网络的电能损耗可以转化为经济损失，即式(10)可以转化为
Figure BDA0002266229350000065
2.2约束条件
2.2.1BESS选址定容约束
对于配电网中节点i的储能配置，满足如下关系式：
Figure BDA0002266229350000066
Figure BDA0002266229350000067
Figure BDA0002266229350000068
式中：
Figure BDA0002266229350000069
为节点i处BESS选址决策的0-1变量；U为整个配电网中可配置BESS的最大数量；Ti BESS,min，Ti BESS,max和Ei BESS,min，Ei BESS,max分别为经过投资成本估计后的BESS功率容量的平方和电池容量的下限和上限。
BESS的分布数目过多致使成本过高，因此式(12)限制了BESS的安装数量。为了减小计算量，引入常量Ti BESS,min，Ti BESS,max，Ei BESS,min，Ei BESS,max，通过式(13)、式(14)对BESS的接入位置和容量配置参数作出约束。
2.2.2BESS并网运行出力约束
假设BESS在配电网中的接入位置已经选好，容量参数亦配置完毕，则位于节点i、处在时刻t的BESS的并网运行出力应满足以下条件，其中式(15)至式(18)将有功和无功出力限制在了容量范围内，式(19)约束了储能电池剩余电量的变化范围。
Figure BDA0002266229350000072
Figure BDA0002266229350000073
Figure BDA0002266229350000074
Figure BDA0002266229350000075
式中：
Figure BDA0002266229350000076
和
Figure BDA0002266229350000077
分别为节点i时刻t的BESS的充电功率、放电功率、无功出力和剩余电量；σ为BESS的充放电效率；D为储能电池的最大适宜放电深度。
BESS的充电和放电过程不能同时进行，即
Figure BDA0002266229350000078
和
Figure BDA0002266229350000079
不能同时为非零的数值，故引入0-1变量和
Figure BDA00022662293500000711
表示储能的充放电状态，并满足
Figure BDA00022662293500000712
当
Figure BDA00022662293500000713
为1，
Figure BDA00022662293500000714
为0时，BESS工作在充电状态；当
Figure BDA00022662293500000715
为0，
Figure BDA00022662293500000716
为1时，BESS工作在放电状态；当
Figure BDA00022662293500000717
和
Figure BDA00022662293500000718
同时为0时，表明节点i无BESS或时刻t既不充电也不放电。
电池的输出功率和电量存在如下关系：
Figure BDA00022662293500000719
设定△t时间内BESS以初始时刻t的恒定功率进行充放电，则节点i处的BESS在单位时间步长内的功率输入/输出就等于剩余电量在该时段内的变化值。
考虑到将典型日的数据作为全年的每日数据，得到BESS的充放电运行状态的日曲线，故规定BESS全天的充电量与放电量相等，即
2.2.3分布式光伏电源约束
在分布式光伏容量给定的情况下，各光伏电源的实际出力受温度、光照等外界因素的影响，最大出力随时间的变化而发生波动，将时刻t的光伏出力
Figure BDA0002266229350000082
作为决策量，最大出力为
Figure BDA0002266229350000083
不考虑光伏的无功输出，模型如下：
Figure BDA0002266229350000084
2.2.4网络潮流约束
传统配电网一般只有一个电源，通过电网向多个负荷供电，为典型的辐射状网络，在计算潮流时可以采用distflow模型前推回代计算[24]。本文即采用distflow模型作为配电网潮流约束条件。
对于网络中的支路ij，满足如下关系式，其中式(24)、式(25)为节点j处的功率平衡方程，功率参考流动方向为从节点i流向节点j，从节点j流向其他节点；式(26)、式(27)为节点电压和支路电流、功率的关系等式。
Figure BDA0002266229350000086
Figure BDA0002266229350000087
Figure BDA0002266229350000088
式中：Pij,t和Qij,t分别为时刻t流过支路ij的有功和无功功率；xij为支路ij的电抗；rijJij,t和xijJij,t分别为时刻t支路ij上的有功和无功功率损耗；u(j)为除节点i外与节点j相连的其他节点的集合；
Figure BDA0002266229350000089
和
Figure BDA00022662293500000810
分别为时刻t节点j处负荷的有功和无功功率。
2.2.5***运行安全约束
为防止电压偏移越限、电压波动过大和电流超出最大载流量，作如下约束：
Figure BDA0002266229350000091
|Vi,t+1-Vi,t|≤4％UNUmax (29)
Figure BDA0002266229350000092
式中：Umin和Umax分别为节点电压的下限和上限约束；UN为电压基准值；Imax为最大载流量。
对于式(29)，根据相关标准，配电网中的电压波动不能大于基准电压的2％，即
|Ui,t+1-Ui,t|≤2％UN (31)
又由于
|Ui,t+1+Ui,t|≤2Umax (32)
式(31)和式(32)左右两边相乘即可得到式(29)。
2.3数学模型的二阶锥处理
涉及电力***潮流的优化问题实质上是一个非凸非线性规划问题，可以采用传统可靠的内点法进行计算求解。加入未经选址的BESS模型，相当于加入了整数变量，对于求解含有离散变量的问题，内点法不再适用。基于配电网经济运行建模的BESS选址定容模型，可以采用混合整数二阶锥规划，从数学角度对其进行二阶锥处理，利用求解锥函数的算法包即可求得该问题的全局最优解。
锥函数包括仿射集函数和凸集函数，常见的锥函数有一阶线性函数、二阶抛物线函数以及二阶范数等，求解混合整数二阶锥规划的算法通常采用迭代法和分支定界法2种思想，锥函数的数学性质决定了迭代收敛后求得的结果必是全局最优解。
本文所提出的决策模型由式(2)至式(7)、式(11)至式(30)组成。可以看出，该模型的决策变量包含0-1整数变量和连续变量，目标函数中存在非线性关系式，约束中也出现了非锥函数，需要将其进行处理，以满足二阶锥规划算法的要求。以下是本文对于上述非锥模型的锥处理。
1)目标函数中的主要矛盾为Ti BESS开平方根项的非线性特性，故对其进行线性化处理，如图3所示，其中k1和k2分别为两段直线的斜率。
为了精确线性化的结果，将其分为2段分别进行近似线性处理。由此引入分段0-1变量ηi和γi，并将Ti BESS化分为(Ti BESS)1和(Ti BESS)2，得到的约束条件如下：
0≤(Ti BESS)1≤0.25ηi (33)
0.25γi≤(Ti BESS)2≤γi (34)
ηi+γi≤1 (35)
Ti BESS＝(Ti BESS)1+(Ti BESS)2 (36)
Figure BDA0002266229350000101
2)式(21)、式(22)、式(24)中都出现了整数变量与连续变量相乘的形式，采用M法进行处理。
引入连续变量
Figure BDA0002266229350000102
和
Figure BDA0002266229350000103
使其满足
Figure BDA0002266229350000104
Figure BDA0002266229350000105
这里的M可以看成一个很大的数，本文取为BESS的功率容量上下限值。以充电功率为例，当
Figure BDA0002266229350000108
取0时，由式(38)可得
Figure BDA0002266229350000109
等于0，当取1时，由式(40)可得
Figure BDA00022662293500001011
等于
Figure BDA00022662293500001012
放电功率同样可由式(39)、式(41)进行连续变量的转化。
3)对式(26)进行松弛变换，得到
再对式(42)作变形处理，最终得到如下二阶范数的形式：
松弛变换后的模型与原模型的等效性已有较多文献说明，原问题非凸可行域被松弛成为一个凸二阶锥可行域，得到的最优解是原问题的一个下界解，如果该解是原可行域中的点，则该松弛是严格的，最优解便是原问题的最优解。
3算例仿真与结果分析
3.1算例***及参数设定
本实施例采用IEEE33节点辐射状配电网模型作为算例进行仿真验证，***总负荷为3.715MW+j2.3Mvar，额定电压为12.66kV，节点电压上下限设置为±5％，仿真时间步长为15min。考虑到网内的负荷随着时间不断增长，引入了负荷的年增长率，取值为3％，将10年内的典型日负荷进行累加并取平均值，作为最终算例的负荷水平。各节点采用相同的典型日负荷变化曲线，设置节点17，20，28为光伏并网点，由于光伏出力与天气因素密切相关，并且考虑到负荷的季节性差异，为了减小计算量，保证配电网***的鲁棒性，选取夏季典型日和冬季典型日的负荷、光伏数据，其中夏季典型日光伏出力选取山东省某光伏电站3年内夏季光伏日出力波动最大的一日。典型日负荷曲线和光伏出力如图4(a)-(b)所示。
选取在价格、寿命等方面较有优势的全钒液流电池(VRB)BESS，变流器取当前的国内市场价格，具体参数为：kS为500元/kVA，kE为1000元/(kW·h)，km为0.04，r为0.1。
设置BESS最大可安装数U为2，各个节点的BESS最大功率平方限制Ti BESS,max均为0.25(标幺值)，最大电池容量限制Ei BESS,max均为1(标幺值)，寿命y为10年，效率σ为70％，由于VRB的寿命不受放电深度影响，故D设置为100％。根据国网山东省电力公司的城乡居民峰谷分时电价收费，设置08：00—20：00时αt为0.5953元/(kW·h)，其余时段为0.3153元/(kW·h)。
3.2仿真结果分析
3.2.1BESS配置结果和配电网经济运行状态分析
本文使用美国IBM公司开发的Cplex优化算法包对二阶锥规划模型进行求解，得到的BESS选址定容优化结果为：接入节点为15和30；节点15处BESS电池容量为0.5319MW·h，功率容量为0.7100MVA；节点30处BESS电池容量为0.3288MW·h，功率容量为0.9452MVA。
从选址方面来看，节点15，30距离2个光伏接入节点17，28较近，便于调节由于光伏出力突变而引起的节点电压波动；另外，辐射状配电网的节点电压大小沿辐射方向逐渐减小，节点15，30比较靠近辐射尾端，在这里接入BESS可以提升电压水平，维持电压偏移量在设定范围内。
从定容的角度分析，节点15相对于节点30更靠近辐射末端，为应对更加严重的电压偏移问题，节点15的BESS配置的电池容量更大；节点30所在支路的无功负荷更重，故节点30处BESS配置的功率容量更大。
从经济可行性来说，未配置BESS的配电网日经济运行平均网损成本为2018元，平均购电成本为25711元，配置BESS后的配电网日经济运行平均网损成本为1291元，平均购电成本为25148元，折合至每日的BESS总成本为915元，平均日成本总计减少375元，在目前的储能市场背景下，具有少量的经济收益。考虑到BESS价格随技术进步及产业化生产，总体呈下降趋势，相信随着未来储能技术的不断更新升级，成本进一步下降，储能的技术和经济优势会展现得更加明显。
由于夏季典型日负荷的峰谷差较大，且光伏出力波动引起的电压波动最大，以下选用夏季典型日的配电网运行情况来说明BESS对配电网经济运行的贡献。
图5至图8为BESS的充放电状态和根节点功率流动状态。从图5中根节点流入的有功功率变化可以发现，由于存在分时电价机制，加入BESS后的根节点流入有功功率在00：00—07：00相比未加入BESS有显著增加，对比图6和图7中的BESS充放电变化，可见BESS在低谷电价时段不断充电，在峰值电价时段再释放储存的电能，用于供给负荷需求或参与配电网的调节，实现了套利的功能；07：00—08：00有功负荷不断增大，加之光伏开始出力，BESS在配合光伏、根节点给负荷供电的基础上，还要保证配电网安全运行的条件，故该时段虽然为低谷电价时段，但BESS处于放电的状态。
由图4(a)-(b)可知，有功负荷在11：00，14：00，17：00和20：00时4次达到峰值，光伏在13：00时出力最大，多云的天气导致白天光伏的出力出现多次大幅变化，势必会引起节点电压尤其是光伏并网点电压波动。图6中表明，BESS通过快速的充放电功率变化，实时根据负荷的改变和光伏波动达到有功功率的平衡，缓和节点电压的过量变化。总体来看，节点电压的波动是由光伏的有功出力引起的，因此BESS的有功输出起到了主要的调节作用。
另外，从图5中可以看出，根节点作为提供电能的主力电源，其有功和无功功率的变化与有功和无功负荷的变化趋势相对应，根节点的有功功率在白天时段会出现剧烈变化，原因是根节点也可以发挥改善配电网参数的作用，当光伏出力产生波动时，根节点可以发挥与BESS相同的作用，尤其是对于节点20处的并网光伏，由于附近没有设置BESS，其产生的节点电压波动的平抑主要由根节点来承担。
光伏并网节点电压的幅值变化如图9(a)-(c)所示。其中，图9(a)为17节点电压的幅值变化，图9(b)为20节点电压的幅值变化，图9(c)为28节点电压的幅值变化；通过观察节点17和28的电压幅值变化，很明显能够看出BESS对于节点电压的2个调节作用：一是调整电压偏差，将电压下限低于0.95(标幺值)的电压幅值全部抬高至设定范围内；二是平抑电压的剧烈波动，使相邻时刻的电压波动不超过电压额定值的2％。节点20的光伏并网距离根节点较近，主要受根节点输出功率的影响，因此BESS的调节作用对其影响不大。
综合以上分析，BESS实现了与根节点、光伏发电的配合供电，既保障了供电的安全性，又提升了配电网的经济性。
3.2.2功率四象限输出BESS的优势分析
为测试本实施方式提出的功率四象限输出BESS参与配电网调节的高效性，将节点15和30的BESS设置为只进行有功功率的输出，并将前文已决策出的BESS接入位置和容量大小设为已知量，在固定投资的情况下对配电网的经济运行状态再进行1次优化计算，对比前后不同情况下2次优化的结果。图10为配电网所有节点日内的电压概率分布函数曲线。
由图10可见，功率四象限输出BESS的加入可以有效地减小电压偏移量，并且在仿真过程中发现，BESS只输出有功功率时，由于潮流和线路的约束，无法将全部电压偏移量调节至1±5％(标幺值)内，其原因可以由式(27)得出解释，式中体现了配电网中任意一条支路的两端节点电压与流经该条支路功率的关系，可见支路上的电压降落与有功和无功功率都密切相关。在功率单向辐射状流动的情况下，若只调节有功功率的大小，则只能减小因有功功率流动而产生的电压降落，因无功功率流动而产生的电压降落依然存在且无法被抵消，故无功补偿调压具有必要性。
3种情况对比下的***网损如图11所示，除了20：00前后的峰值外，加入只输出有功功率的BESS后的***网损的总体水平不降反升，这是由于BESS要通过释放有功功率来适当提升末端电压，从而引起了网损的增加；而功率四象限输出的BESS则可以通过无功功率调压，避免不必要的电能流失，从图中可以观察到其网损有着大幅降低。网损大小直接取决于线路电流幅值大小，由式(26)可知线路电流幅值与线路流经的有功和无功功率呈正相关，与首节点的电压呈负相关，若对配电网只进行有功功率的调节，只能降低线路有功功率的部分，并且由前文可知只进行有功功率调节相比于功率四象限调节的各节点电压整体偏低。综合以上原因，纯有功调节结果的总网损自然会相对偏高。
以上从调压和经济收益2个方面对BESS只输出有功功率和BESS功率四象限输出2种情况的配电网调节效果进行了对比，验证了本文提出的功率四象限输出BESS参与配电网调节的优越性。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置***，包括：
用于根据t时刻根节点从外界流入的有功功率以及电价随时间变化的函数，确定购电成本的装置；
用于根据t时刻节点i处流经支路ij的电流幅值以及支路ij的电阻确定***的日网损，将所述日网损转化为经济损失的装置；
用于以BESS投资运维成本和配电网运行成本之和最小为目标，建立BESS选址定容优化模型的装置；
用于对各节点电压的偏移和波动范围设置约束条件，使用混合整数二阶锥数学规划对所述BESS选址定容优化模型进行优化求解，得到最优的配电网BESS选址定容策略的装置。
在另一些实施方式中，公开了一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行实施例一中所述的考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法，其特征在于，包括：
根据t时刻根节点从外界流入的有功功率以及电价随时间变化的函数，确定购电成本；
根据t时刻节点i处流经支路ij的电流幅值以及支路ij的电阻确定***的日网损，将所述日网损转化为经济损失；
以BESS投资运维成本和配电网运行成本之和最小为目标，建立BESS选址定容优化模型；
对各节点电压的偏移和波动范围设置约束条件，使用混合整数二阶锥数学规划对所述BESS选址定容优化模型进行优化求解，得到最优的配电网BESS选址定容策略。
2.如权利要求1所述的考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法，其特征在于，所述根据t时刻根节点从外界流入的有功功率以及电价随时间变化的函数，确定购电成本，具体为：
Figure FDA0002266229340000011
其中，Felec为购电成本，P0,t表示t时刻根节点从外界流入的有功功率，αt表示电价随时间变化的函数。
3.如权利要求1所述的考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法，其特征在于，根据t时刻节点i处流经支路ij的电流幅值以及支路ij的电阻确定***的日网损，具体为：
Figure FDA0002266229340000012
其中，rij为支路ij的电阻；集合B为节点i与节点j能够形成支路的集合，
Figure FDA0002266229340000013
Iij,t为t时刻节点i处流经支路ij的电流幅值。
4.如权利要求1所述的考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法，其特征在于，将所述日网损转化为经济损失，具体为：
Figure FDA0002266229340000014
其中，rij为支路ij的电阻；集合B为节点i与节点j能够形成支路的集合，Iij,t为t时刻节点i处流经支路ij的电流幅值，αt表示电价随时间变化的函数。
5.如权利要求1所述的考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法，其特征在于，以BESS投资运维成本和配电网运行成本之和最小为目标，建立BESS选址定容优化模型，具体为：
min F＝FBESS+(Felec+Floss)
其中，FBESS为BESS投资运维成本，Felec为购电成本，Floss为网络损耗造成的经济损失。
6.如权利要求5所述的考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法，其特征在于，所述的BESS投资运维成本具体为：
Figure FDA0002266229340000021
其中，finv为BESS的投资建设费用；fm为BESS年运行维护费用；C为等年制系数。
7.如权利要求1所述的考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法，其特征在于，对各节点电压的偏移和波动范围设置约束条件，具体包括：BESS选址定容约束、BESS并网运行出力约束、分布式光伏电源约束、网络潮流约束和***运行安全约束。
8.如权利要求1所述的考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法，其特征在于，使用混合整数二阶锥数学规划对所述BESS选址定容优化模型进行优化求解，具体为：
采用混合整数二阶锥规划，从数学角度对于BESS选址定容优化模型中的0-1整数变量、连续变量、非线性关系式以及约束中的非锥函数进行锥处理；
利用求解锥函数的算法包即可求得该问题的全局最优解。
9.考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置***，其特征在于，包括：
用于根据t时刻根节点从外界流入的有功功率以及电价随时间变化的函数，确定购电成本的装置；
用于根据t时刻节点i处流经支路ij的电流幅值以及支路ij的电阻确定***的日网损，将所述日网损转化为经济损失的装置；
用于以BESS投资运维成本和配电网运行成本之和最小为目标，建立BESS选址定容优化模型的装置；
用于对各节点电压的偏移和波动范围设置约束条件，使用混合整数二阶锥数学规划对所述BESS选址定容优化模型进行优化求解，得到最优的配电网BESS选址定容策略的装置。
10.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-8任一项所述的考虑功率四象限输出的配电网储能优化配置方法。
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