中低压交直储混合配电网的储能设备规划方法及系统

本发明属于储能设备规划，具体涉及中低压交直储混合配电网的储能设备规划方法及系统。

背景技术：

1、风能、太阳能等可再生能源的广泛接入给传统的电力系统带来了巨大的挑战，可再生能源具有间歇性和波动性，电力生产难以与负荷需求实时匹配，导致了电网频率波动、供需不平衡以及电力质量问题，为了应对这些波动性，储能设备被视为关键技术，可以在电力需求低时储存多余电能，并在需求高时释放能量，从而平衡供需、优化电网运行。随着电力系统朝着智能化发展，配电网正逐渐从传统的单向电能传输模式，向双向电能流动、多元化电源并存的模式转变，而储能系统作为智能电网的重要组成部分，能够响应实时控制指令，改善电网的稳定性和可靠性，在交直流混合电网中，储能设备既可以作为交流电网的调节装置，也可以用于直流配电网络的能量平衡，帮助实现交直流电力系统的协同调度。

2、对于中低压交直储混合配电网中涉及到的储能设备规划，现有研究还存在一些不足，具体体现在传统的交流配电网未充分考虑交直流转换过程中的能量损耗和效率问题，导致在混合电网中的储能规划准确性不够，且传统的储能设备规划方法通常采用单一目标进行优化，无法应对复杂的多目标优化需求，储能规划过程中涉及多种技术约束，传统方法无法处理这些多目标、多约束问题，规划结果在实际应用中可操作性不强。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了中低压交直储混合配电网的储能设备规划方法及系统，能够有效解决上述背景技术中涉及的问题，有助于确保储能系统能够在多种复杂条件下保持稳定和高效运行。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、中低压交直储混合配电网的储能设备规划方法，包括以下步骤：

4、在规划层中以年为周期，以最小综合规划成本为目标，决策出变流器容量、储能设备容量和线路型号的方案，并将方案传输给运行层；

5、运行层基于分布式发电dg出力和负荷的历史数据进行聚类得到多个“源-荷”的典型场景，以每个典型场景的运行成本最小为目标，优化得到结果，结果为不同时刻储能设备的充放电功率和变流器的转换功率，将结果传递给规划层；

6、规划层将各个典型场景的配电网正常运行损耗与相应的天数进行相乘之后相加得到配电网运行成本；

7、将方案应用于电力系统仿真软件，对电力系统仿真软件中储能设备模拟运行状态进行评估，并结合最小综合规划成本，确定方案可行性等级。

8、优选的，所述最小综合规划成本，表达式如下:

9、；

10、式中，为最小综合规划成本，为电压源换流器vsc投资、运维和报废的等年值费用，为储能装置投资、运维和报废的等年值费用，为配电网线路建设等年值费用，为配电网运行成本；

11、；

12、；

13、式中，为变流器投资费用的等年值费用，为变流器运维费用的等年值费用，为变流器报废费用的等年值费用，为储能投资费用的等年值费用，为储能运维费用的等年值费用，为储能报废费用的等年值费用；

14、；

15、式中，b为贴现率，x为线路的全寿命周期，为线路的数量，为第i条线路单位长度建设成本，为第i条线路所规划长度；

16、；

17、式中，为聚类得到的配电网运行场景个数，为第k个场景的概率，为电价，为第k个场景配电网正常运行损耗；

18、约束条件：

19、；

20、；

21、式中，为vsc的安装容量，为储能装置的安装容量，和均为正整数，为vsc的单位安装容量，为储能装置的单位安装容量。

22、优选的，所述决策出变流器容量、储能设备容量和线路型号的方案，

23、步骤1.1：设定粒子群算法的最大迭代次数和种群的大小，初始化粒子编码和每个粒子的位置和速度；

24、步骤1.2：计算每个粒子的适应度，并更新每个粒子的个体最优值和整个粒子群体的全局最优值，适应度使用最小综合规划成本表示；

25、步骤1.3：引入自适应权重和收缩因子更新粒子的位置和速度：

26、自适应权重：

27、；

28、式中，为自适应权重，取值区间为[0.5，1]，rand为0至1之间的随机数，为自适应权重的最大值，为自适应权重的最小值；

29、收缩因子：

30、；

31、式中，为收缩因子，为、俩个学习因子的和，其数值大于4；

32、每一次迭代过程中粒子分别根据以下公式更新速度和位置；

33、；

34、；

35、式中，为第o个粒子在第m+1次迭代时的速度，为第o个粒子在第m次迭代时的速度，m为迭代次数，为第一学习因子，为第二学习因子，、为取值在[0，1]之间的随机数，为第o个粒子在第m次迭代时的位置，为第o个粒子在第m+1次迭代时的位置，为第m次迭代时第o个粒子自身的最优位置，为第m次迭代时粒子群体的全局最优位置；

36、步骤1.4：判断是否达到最大迭代次数，如达到则输出最优粒子对应的方案，否则，返回步骤1.2继续迭代寻优。

37、优选的，所述运行层基于dg出力和负荷的历史数据进行聚类得到多个“源-荷”的典型场景，

38、步骤2.1：选取dg日出力曲线和日负荷曲线的特征量，选取的特征量为：

39、；

40、式中，为dg日出力的均值，为t时段dg出力，为dg日出力的方差，为日负荷的均值，为t时段负荷功率，为日负荷的方差；t为时段总数；

41、步骤2.2：设置聚类数量的范围为w属于，选定w个初始聚类中心，对全年365组“源-荷”样本数据进行遍历，计算第r个样本与各个聚类中心的欧式距离，并将第r个样本分配到使得欧氏距离最小的聚类中心，第r个样本与各个聚类中心的欧式距离的计算公式如下：

42、；

43、式中，为第r个样本与第w个聚类中心的欧式距离，为第r个样本的第h个特征向量，为第w个聚类中心第h个特征向量；

44、步骤2.3：统计每个类中的样本数量，根据样本数据均值更新w个聚类中心，重复步骤2.2和步骤2.3，直至聚类中心不再发生变化；

45、步骤2.4：根据聚类结果计算聚类有效性指标，用来评价聚类结果的质量，具体计算公式为：

46、；

47、式中，为聚类数为w时的类间离差平方和，反映类间分离性，为聚类数为w时的类内离差平方和，反映类内紧凑性，n为聚类的样本总数，随着聚类数w的增大，趋于下降，趋于上升，在某一个w处达到最大值，即最佳聚类数；

48、步骤2.5：判断是否完成聚类数量范围内所有的聚类分析，如完成则进行下一步骤，否则返回步骤2.2；

49、步骤2.6：比较不同w值下的指标，指标值达到最大时对应的w值即为最佳聚类数目，并输出该聚类数目对应的“源-荷”场景及其概率。

50、优选的，所述以每个典型场景的运行成本最小为目标，优化得到结果，

51、运行层根据规划层传递的方案，以配电网正常运行总损耗最小为目标分别对每个典型场景进行优化，目标函数为：

52、；

53、式中，为第k个场景配电网正常运行损耗，为配电网节点个数，为vsc接入个数，为第k个场景下节点f的注入有功，为第k个场景下第g个vsc的传输功率，为vsc传输功率的权重系数；

54、约束条件具体包括：

55、潮流约束：

56、；

57、式中，为节点f注入的有功，为节点f注入的无功，为节点f的电压增幅，为节点导纳矩阵的实部，为节点导纳矩阵的虚部，为节点f与d间的相角差，为节点f与d间的电流，表示与节点f相连的节点的集合，为节点d的电压增幅；

58、节点电压约束和线路载流量约束：

59、；

60、；

61、式中，为节点f的电压幅值下限，为节点f的电压幅值上限，为第i条线路的电流幅值，为第i条线路的电流幅值上限；

62、vsc运行约束：

63、；

64、式中，为第g个vsc流入的有功功率，为第g个vsc流入的无功功率，为第g个vsc的安装容量；

65、储能装置运行约束：

66、；

67、；

68、；

69、式中，为充电状态0-1变量，为放电状态0-1变量，为充放电功率最大值，、分别为储能装置在时段t、时段t+1内的储电容量，为可存电量最大值，为充电效率，为放电效率，为储能装置在时段t内的充电功率，为储能装置在时段 t内的放电功率。

70、优选的，将潮流约束转化为混合整数二阶锥规则模型进行求解，

71、通过变量替换将非线性的潮流约束转化为线性的潮流约束，替换方法如下：

72、；

73、得到如下转换公式：

74、；

75、引入旋转锥约束条件：

76、；

77、其中，为节点f在相位下的电压平方的归一化表示，为节点f与节点d相位下的电压乘积的余弦分量，表示节点f在相位下的电压幅值，表示节点d在相位下的电压幅值，为节点f与节点d在相位下的相角差，表示节点f与节点d相位下的电压乘积的正弦分量，为节点f在相位下的有功功率注入，为节点f在相位下的无功功率注入，为节点f与节点d在相位下的电流平方，节点f在相位下的自导纳矩阵的实部，为节点f与节点d在相位下的导纳矩阵的实部，为节点f与节点d在相位下的导纳矩阵的虚部，为节点f在相位下的自导纳矩阵的虚部,为节点d在相位下的电压平方的归一化表示。

78、优选的，所述对电力系统仿真软件中储能设备模拟运行状态进行评估，

79、获取电力系统仿真软件中储能设备模拟运行状态数据集，电力系统仿真软件中储能设备模拟运行状态数据集具体包括储能设备瞬时功率波动频率、储能设备充电效率、储能设备能量总损耗；

80、基于获取的电力系统仿真软件中储能设备模拟运行状态数据集，综合分析得到储能设备模拟运行状态评估值，储能设备模拟运行状态评估值作为确定方案可行性等级的分析依据。

81、优选的，所述储能设备模拟运行状态评估值，

82、；

83、式中，为储能设备模拟运行状态评估值，bd为储能设备瞬时功率波动频率，xl为储能设备充电效率，sh为储能设备能量总损耗，e为自然常数。

84、优选的，所述结合最小综合规划成本，确定方案可行性等级，

85、将储能设备模拟运行状态评估值及最小综合规划成本存储为指定标签，将该指定标签与数据库中存储的各指定标签对应的方案可行性特征值进行比对，得到该指定标签对应的方案可行性特征值；

86、将该方案可行性特征值与数据库中存储的方案可行性等级阈值进行比较；

87、若方案可行性特征值不低于方案可行性等级阈值，则该方案可行性特征值对应的方案可行性等级为二级；

88、若方案可行性特征值低于方案可行性等级阈值，则该方案可行性特征值对应的方案可行性等级为一级。

89、中低压交直储混合配电网的储能设备规划系统，用于实现上述的方法，包括方案决策模块、结果优化模块、配电网运行成本确定模块和可行性等级确定模块，其中：

90、方案决策模块，用于在规划层中以年为周期，以最小综合规划成本为目标，决策出变流器容量、储能设备容量和线路型号的方案，并将方案传输给运行层；

91、结果优化模块，用于在运行层中基于分布式发电dg出力和负荷的历史数据进行聚类得到多个“源-荷”的典型场景，以每个典型场景的运行成本最小为目标，优化得到结果，结果为不同时刻储能设备的充放电功率和变流器的转换功率，将结果传递给规划层；

92、配电网运行成本确定模块，用于在规划层中将各个典型场景的配电网正常运行损耗与相应的天数进行相乘之后相加得到配电网运行成本；

93、可行性等级确定模块，用于将方案应用于电力系统仿真软件，对电力系统仿真软件中储能设备模拟运行状态进行评估，并结合最小综合规划成本，确定方案可行性等级。

94、本发明具有如下优点或有益效果：

95、本发明通过提供中低压交直储混合配电网的储能设备规划方法及系统，通过在规划层以最小综合规划成本化为目标，规划出变流器容量、储能设备容量以及线路型号，能够有效地减少整个系统的建设和运营成本，通过运行层基于典型场景对储能系统的充放电功率和变流器的转换功率进行优化，能够进一步提升储能系统的运行效率，减少日常的运行损耗和电力调度成本，两个层次的优化确保了系统不仅在规划阶段具有良好的经济性，而且在实际运行过程中依然能够保持低成本、高效益，在运行层中基于“源-荷”聚类的典型场景优化，可以有效模拟和应对不同的电网运行工况，确保储能系统能够在多种复杂条件下保持稳定和高效运行。

96、本发明通过在规划层中以年为周期，以最小综合规划成本为目标，决策出变流器容量、储能设备容量和线路型号的方案，并将方案传输给运行层，以年为周期进行综合规划，优化变流器、储能设备和线路型号等基础设施的配置，通过全年的成本分析，能够有效减少系统的建设成本、运行维护成本和能耗成本，通过在规划层进行全局优化，可以精确决策出储能设备和变流器的合理容量，避免因过度设计导致的资源浪费或因容量不足导致的运行不稳定性，合理规划变流器的容量，确保电力转换设备能够高效运行，避免过载或过度冗余的情况。

97、本发明通过将方案应用于电力系统仿真软件，对电力系统仿真软件中储能设备模拟运行状态进行评估，并结合最小综合规划成本，确定方案可行性等级，电力系统仿真软件能够真实模拟储能设备在实际运行中的行为和性能，将理论规划方案与实际运行状态对比验证，可以帮助发现规划中的潜在问题，仿真中的储能设备运行数据能够反馈到规划层，帮助在规划阶段进行进一步的优化决策，通过仿真可以生成大量运行数据，包括功率输出、充放电周期、设备效率，这些数据可以为规划和运营决策提供科学依据。