考虑综合能源站柔性调控作用的城市配电网多阶段规划方法研究报告

作者及发表信息

本研究由李芸漫¹、高红均¹、李海波²、钟磊¹、唐早¹和刘俊勇¹共同完成，作者单位包括：1. 四川大学电气工程学院（四川成都 610065）；2. 清华四川能源互联网研究院（四川成都 610213）。该研究发表于《电 力 自 动 化 设 备》（Electric Power Automation Equipment）2022年1月第42卷第1期。

学术背景

本研究属于电力系统规划与优化领域，聚焦于城市配电网规划问题。随着城市经济发展与终端用能电气化的普及，以制冷用电为首的电负荷需求持续增加且峰谷差情况愈发严重，导致现有配电网运行负担逐渐加重。传统配电网规划方法多基于系统负荷预测结果，仅针对规划期内负荷峰值需求进行规划，未能充分考虑负荷峰谷差问题。在此背景下，本研究提出将综合能源站（Integrated Energy Station, IES）作为多能流耦合节点，在配电网中引入多能协调互补及蓄能移峰功能，旨在解决城市配电网面临的负荷增长与峰谷差扩大问题。

研究流程与方法

本研究包含以下几个关键步骤：

1. IES建模与运行机制设计：

   • 构建了包含热电联供（Combined Heating and Power, CHP）机组、燃气锅炉（Gas Boiler, GB）、电制冷机（Electric Chiller, EC）、吸收式制冷机（Absorption Chiller, AC）以及储冷（Cool Storage, CS）、储热（Heat Storage, HS）设备的IES模型
   • 基于能流平衡建立了IES的能源流动结构模型，如式(1)-(4)所示
   • 设计了IES的柔性调控策略，包括电价谷时蓄能、峰时放能以及天然气替代电能等运行模式

2. 配电网多阶段规划模型构建：

   • 建立了由线路、变电站和IES构成决策对象的配电网双层多阶段规划模型
   • 上层模型针对配电网中IES等设备的选址定容问题，以规划运行总成本最小为目标
   • 下层模型基于上层决策结果，以阶段运行成本最小为目标优化各阶段及场景下的配电网运行变量
   • 模型通过二阶锥松弛及big-M法处理非线性项和双变量线性项，转化为混合整数二阶锥规划（Mixed Integer Second Order Cone Programming, MISOCP）问题

3. 算例验证与分析：

   • 基于修改的IEEE 33节点配电系统验证规划方法及模型有效性
   • 在四川省某地152节点的10kV中压配电系统中进行实际应用
   • 设置两类负荷场景（A类和B类），分别代表不同气候类型地区的负荷特征
   • 对比考虑IES和不考虑IES两种情况下的规划运行结果

主要研究结果

1. 规划效益方面：

   • 在修改的IEEE 33节点系统中，考虑IES后无需对线路及变电站进行升级投资，仅在规划阶段1投建2座IES，总年化规划成本略有降低
   • 在152节点系统A类负荷场景下，考虑IES时的总年化规划成本约为不考虑IES时的1.2倍，但后续规划阶段投资显著减少
   • 在B类负荷场景下，考虑IES时的总年化规划成本约为不考虑IES时的2.34倍，经济性差异显著

2. 运行效益方面：

   • 在修改的IEEE 33节点系统中，考虑IES后各规划阶段的年化运行成本降幅约为39.83%
   • 在152节点系统A类负荷场景下，总年化运行成本相较不考虑IES时降低了约37.7%
   • 在B类负荷场景下，总年化运行成本降低了约22.7%

3. 峰谷差调节效果：

   • 在修改的IEEE 33节点系统中，场景1的峰谷比由规划前的63.87%提升为规划后的77.49%
   • 在152节点系统A类负荷场景下，场景1的峰谷比由61.67%提升至79.32%，场景4由63.24%提升至73.96%
   • IES对冷负荷的调控效果更为明显，更适用于冷负荷峰谷差明显的地区

4. IES运行状况：

   • 典型场景下IES的整体年运行小时数约为7,147小时，设备利用率较高
   • EC出力波动时段与电价峰谷时段吻合，AC在电价峰时出力发挥天然气价格优势
   • CS和HS的放蓄能时段与冷负荷峰谷时段吻合

研究结论与价值

本研究提出了一种考虑IES柔性调控作用的城市配电网多阶段规划方法，主要得出以下结论：

1. 考虑IES的城市配电网规划效益受负荷特征影响显著，在负荷峰谷差明显、增幅较大的地区应用能获得显著收益。

2. 计及IES的配电网规划方法虽在规划初期投资较大，但具有缩减投资周期并减少规划成本的优势，且随着规划时期延长，经济效益优势更加突出。

3. IES通过蓄能移峰及能源替代可有效缩减配电网运行成本，其优化效果与冷、热负荷峰谷差成正比。

4. 在不同规划场景及阶段下，应依据负荷需求特征因地制宜配置IES设备组合，以充分发挥其调控作用。

本研究的科学价值在于提出了考虑综合能源站柔性调控作用的配电网规划新方法，建立了配电网双层多阶段规划模型，为解决城市配电网面临的负荷增长与峰谷差问题提供了理论支持。应用价值体现在该方法可为城市配电网规划提供决策参考，有助于提高配电网投资运行效益，促进综合能源系统与电力系统的协同发展。

研究亮点

1. 创新性地将综合能源站作为配电网的柔性调控手段，提出了考虑IES的城市配电网多阶段规划方法。

2. 建立了配电网双层多阶段规划模型，实现了规划与运行的一体化协同优化。

3. 深入分析了IES在不同负荷特征下的调控效果，为因地制宜配置IES提供了理论依据。

4. 通过实际152节点配电系统验证了方法的实用性，为城市配电网规划提供了可操作的解决方案。

其他有价值的内容

研究还发现，合理的电价机制与IES的调控效益存在重要制约关系。在分时电价机制下，IES能够更好地发挥蓄能移峰和能源替代作用，从而进一步提高配电网运行的经济性。这一发现对电力市场设计与电价政策制定具有参考价值。