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《储能科学与技术》推荐|郑子萱等：基于用户侧储能的电压暂降分级治理方案及其经济性分析

时间：2022-11-08 来源： 浏览：

《储能科学与技术》推荐|郑子萱等：基于用户侧储能的电压暂降分级治理方案及其经济性分析

原创 丁凯 郑剑等 储能科学与技术
储能科学与技术

esst2012

中文核心、科技核心和cscd核心期刊，化学工业出版社和中国化工学会主办，主编黄学杰研究员。投稿及下载官网：http://esst.cip.com.cn/CN/2095-4239/home.shtml；欢迎给公众号投稿

收录于合集 #2022年第10期 33个

作者： 丁凯 1 , 郑剑 1 , 李伟 1 , 黄曾睿 1 , 王易 1 , 钱一民 1 , 郑子萱 2 ( ), 谢琦 2  

单位： 1. 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院；2. 四川大学电气工程学院

引用：   丁凯,郑剑,李伟等.基于用户侧储能的电压暂降分级治理方案及其经济性分析[J].储能科学与技术,2022,11(10):3381-3390. 

DOI： 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0255

摘 要   为提高工业园区内用户侧储能系统的经济效益，在储能削峰填谷的基础上，提出基于用户侧储能系统的优质电力园区电压暂降分级治理方案并对方案作了经济性分析。设计了用户侧储能系统的拓扑和控制策略，使之在常规削峰填谷功能的基础上具备电压暂降治理功能。为避免用户侧储能系统在不同控制模式之间切换可能带来的负面影响，提出了基于用户侧储能系统与动态电压恢复器(DVR)协同的电压暂降分级治理方案，其中第一级供电不含任何电压暂降治理设备，第二级供电由单一电压暂降治理设备提供，第三级供电由用户侧储能系统和DVR协同保障，并通过PSCAD/EMTDC中的仿真验证了所提分级供电方案的有效性。建立了用户侧储能系统的成本收益模型，以常规削峰填谷型用户侧储能系统为对比，对所提电压暂降分级治理方案作经济性分析，论证了对于受电压暂降影响较大的用户而言，所提方案可以显著提高用户侧储能系统的经济效益、缩短投资回收期。
关键词   用户侧储能；电压暂降；优质电力园区；分级供电；经济性分析
储能技术在推进能源转型、建设新型电力系统的过程中起着重要支撑作用，近年来受到广泛关注，具有广阔的发展前景。如国家电网公司提出了到2030年经营区内抽蓄电站装机和电化学储能装机均提高到1亿千瓦的建设目标。根据安装位置，储能系统可分为发电侧储能、电网侧储能和用户侧储能，其中用户侧储能系统(user side energy storage system，UESS)通常安装在电表后方，由用户进行管理，是最早实现商业化应用的储能系统。
当前关于UESS已有较多研究，主要集中在储能系统的规划配置和优化运行方面，关注储能削峰填谷带来的需量电费和电量电费收益。如文献[ 5 ]考虑电池容量的衰减特性提出净收益最佳的储能容量配置方案，并利用模型预测控制求解最优调度决策。文献[ 6 ]考虑优化负荷特性，提出了一种储能系统规划和调度的双层优化模型；文献[ 7 ]结合容量市场，提出了一种用户需求响应-储能调节的优化模型，以实现最优用电。文献[ 8 ]考虑储能性能约束，提出了UESS配置优化与运行调度滚动优化模型。文献[ 9 ]基于层次分析法，提出了UESS的配置评估与运行优化两阶段模型。类似地还包括文献[ 10-13 ]，此类研究通过双层优化等方法提出储能系统的规划配置与运行优化策略，追求削峰填谷收益的最大化。然而实际上，储能系统还可实现平滑新能源出力、提高电能质量与供电可靠性等多种功能。现有研究仅利用了储能的削峰填谷功能，未充分发挥储能潜力，存在盈利模式单一、投资回收期长的问题。
以电压暂降为例，作为最严重的电能质量问题之一，它会导致敏感工业用户生产过程中断，从而造成巨大经济损失，单次损失从数万元到数十万元不等。储能系统具有快速功率调节能力，若能用于电压暂降治理，有望取得良好收益。事实上已有较多学者提出了基于储能的电压暂降治理方案，如文献[ 20 ]提出了基于飞轮储能的电压暂降治理装置。文献[ 21 ]研究了不平衡电压暂降下混合燃料电池/储能系统的控制策略。文献[ 22-23 ]提出了基于超导磁储能系统以及超导磁储能/电池混合储能系统的动态电压恢复器(DVR)。文献[ 24 ]提出了含储能系统的统一电能质量控制器，可用于补偿电压暂降。上述研究充分说明了储能系统用于治理电压暂降的可行性，但这些研究都是基于专用储能系统设计某一具体电压暂降治理设备，即储能系统作为装置的一部分，只服务于电压暂降治理，并未讨论UESS用于电压暂降的可行性。
考虑到现有研究的不足，本文提出了基于UESS的电压暂降分级治理方案。首先，设计了UESS的拓扑和控制策略，使其在削峰填谷的基础上具备电压暂降治理功能。其次，为避免不同工作模式之间冲突引发的电压暂降治理效果不佳问题，协同工业园区内已有的DVR提出了分级优质供电方案，并通过仿真验证了所提方案的技术可行性。最后，建立UESS的成本收益模型，与单一的削峰填谷UESS进行对比，通过经济性分析论证所提方案的经济优越性。

1 优质电力园区拓扑

根据某工业园区的实际调研数据，本文所研究的配置有UESS的优质电力园区如图1所示。该优质电力园区有三路进线，分别来自220 kV变电站1、220 kV变电站2和110 kV变电站3，园区的三台110/10 kV主变容量均为63 MVA，10 kV母线采用两分段，其母联开关正常情况下闭合。园区内部存在多个工厂，UESS安装在工厂内部，本文以其中一个工厂为例展开叙述。如图所示，工厂1内部具有三台容量分别为2000 kVA/1600 kVA/2000 kVA的10/0.38 kV降压变，分别给三段母线供电，即母线1、母线2、母线3。其中，用户侧储能直接与10 kV母线连接，通过该母线实现削峰填谷功能。母线3与配变之间串联接入一台DVR，UESS同时接入母线3和2，母线1无任何治理设备。

图1     配置用户侧储能系统的优质电力园区
工业园区内通常有大量不同电压暂降敏感度的用电设备，这些设备对于电能质量有着不同等级的需求，对所有用电设备进行电压暂降治理，既不经济也无必要。根据行业标准《DL/T 1412—2015优质电力园区供电技术规范》，园区内用电设备可分为三类，相应地，供电质量可分为三级，如表1所示。本文基于该分级分类原则进行电压暂降治理，对电能质量需求不高的L1类用电负荷集中在母线1上，对应Q1供电质量等级，如常规照明负荷等；对电能质量需求较高的L2类用电负荷集中在母线2上，对应Q2供电质量等级，该类负荷易受电压暂降影响，其故障停机会造成一定经济损失；对电能质量需求极高的L3类用电负荷集中在母线3上，对应最高等级的Q3供电质量，此类负荷一旦受电压暂降影响停机，将造成极大经济损失。

表1   园区内用电设备和供电质量分级

2 用户侧储能系统的设计与控制

为使UESS在削峰填谷的基础上具备电压暂降治理能力，对现有UESS拓扑和控制策略进行改进。本文所提UESS的拓扑如图2所示。与常规方案相比，所提方案增加了旁路开关、隔离开关、晶闸管(SCR)、逆变器、LCL滤波器以及隔离变压器等设备，这一套设备互相配合共同实现暂降治理。需要说明的是，从UESS可以引出多套这样的设备，从而实现单一储能系统对多用电负荷的同时治理。此外，电压暂降治理功能对储能系统的响应速度具有一定要求，常规的电化学储能响应速度达ms级，足以满足要求。

图2     所提用户侧储能系统的拓扑与控制策略
所提UESS有三种工作模式，分别为并网模式、电压支撑模式和柔性退出模式。当电网电压正常运行时，UESS工作在并网模式，此时SCR闭合，负荷由电网供电。在该模式下，储能系统可以充放电执行削峰填谷功能，这是常规UESS仅有的工作模式。
当电压暂降发生时，UESS切换为电压支撑模式。此时SCR断开，UESS替代电网为敏感设备供电。不同于常规“补偿缺失电压”的串联型补偿方式DVR，所提方案采取的是全补偿方式，即无论电压暂降的幅值和相位如何，都生成暂降发生前的正常电压为负荷供电。因此，所提方案较DVR简化了控制策略的复杂性，具有更强的适应性和补偿能力。当电压暂降结束后，UESS切换为柔性退出模式。在该阶段，储能变流器交流侧电压与电网侧电压进入同期过程，匹配两者的电压幅值与频率，当电压匹配后，储能变流器缓慢减少输出电流，双向晶闸管导通，重新回到并网模式。这两种工作模式是常规UESS所不具有的。
传统用户侧储能变流器多采用PQ或VF控制，需针对所提拓扑提出改进控制策略。本文所提控制策略如图2所示，主要包括三部分：功率控制回路、自动同期控制回路和电压控制回路。该控制策略实现了储能变流器在各工作模式之间的切换。图中 S 表示变流器不同的工作模式，如式(1)所示，通过控制 S 的值可使控制器在PI控制器和比例控制器之间切换。 S =1表示并网模式，此时用于功率控制回路的控制器积分部分将立即启用，同时使用0作为自动同期控制回路的输入，并禁用电压控制回路控制器的积分部分。 S =2表示电压支撑模式，此时使用0作为自动同期控制回路的输入，禁用功率控制回路的控制器的积分部分，同时启用电压控制回路控制器的积分部分。 S =3表示柔性退出模式，此时禁用电压控制回路和功率控制回路控制器的积分部分，同时启用自动同期控制回路PI控制器的积分部分。
(1)
其中， e ( t )和 u ( t )分别为控制器的输入和输出， K p 和 K i 分别为控制器的比例和积分系数。
在功率控制回路，有功功率和无功功率可根据式(2)计算得到：
(2)
其中， u pd 和 u pd 分别为储能变流器交流侧电压的 d 轴和 q 轴分量， i pd 和 i pq 分别为储能变流器输出电流的 d 轴和 q 轴分量。计算所得的 P 和 Q 经低通滤波器后用于功率控制回路。
当 S =3时，自动同期控制回路PI控制器的积分部分将启用，生成误差信号Δ ω syn 和Δ E syn 用于加快同期过程。电压控制回路的功角 θ 按式(3)计算：
(3)
其中， ω 0 为初始转速，Δ E syn 和Δ ω syn 分别为电压 d 轴和 q 轴分量生成的误差信号。
在电压控制回路中，参考电压根据式(4)计算：
(4)
其中，上标*表示参考信号，Δ E 和Δ E syn 分别为功率控制回路和自动同期控制回路生成的误差信号。
最后，电压控制回路生成的 U d ref 与 U q ref 经坐标变换后，再经空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)输出所需PWM脉冲。

3 优质电力园区分级供电方案

基于第二部分提出的拓扑和控制策略，UESS可实现正常情况下电压暂降的有效治理。然而在实际运用中，单独的UESS由于其自身技术限制，难以完全满足优质电力园区用户的高品质供电需求，有必要研究UESS与其他电压暂降治理设备的协同。原因有两方面：①UESS具有多种功能，功能之间可能会存在冲突，导致电压暂降治理效果的削弱。例如当储能正在执行填谷功能，因放电导致荷电状态较低时，若此时正好发生电压暂降，则可能会出现无法及时切换到电压暂降治理模式或电压暂降支撑时间较短等问题。对于某些极敏感用电负荷或长时间暂降而言，这依然会导致敏感负荷因电压暂降而跳闸；②优质电力园区内存在一些已有的DVR等电压暂降治理设备，为提高治理效果和方案效率，有必要将这些已有的设备考虑在内。
基于此，本文提出了协同UESS和DVR的优质电力园区分级供电方案。所提方案中，第一级供电Q1直接由上级电源提供，不包含任何电压暂降补偿装置。在第一级供电的基础上，第二级供电Q2由单一的电压暂降补偿装置保障。在大多数情况下，当上级电网导致Q1出现电压暂降时，单一的电压暂降补偿装置可以保证Q2不受电压暂降影响。第三级供电Q3在第二级供电的基础上进一步考虑了UESS与DVR的协调，在某些情况下单一的电压暂降补偿装置无法保证负荷的正常供电时，Q3仍然能保证负荷不受电压暂降影响，具有最高等级的电能质量。具体阐述如下。

3.1　第一级供电Q1

如图3所示，Q1直接由上级电源提供，不接入任何电压暂降补偿装置。该级供电仅在主电源不发生电压暂降时能保证负荷的正常供电。一旦外部电网发生故障导致进线出现电压暂降，母线1将随之出现电压暂降。

图3     所提方案协同原则

3.2　第二级供电Q2

在Q1的基础上，Q2由单一类型电压暂降补偿装置保障，如单独UESS或单独DVR。当由单独UESS保障供电等级时，一旦外部电网发生故障，UESS在检测到电压暂降后即投入运行，替代主电源为负荷供电，当暂降结束后，UESS再经柔性退出模式切换为并网模式。在大多数情况下，UESS可以保证所接负荷不受电压暂降影响，仅在极少数情况下失效，如储能系统发生故障，或储能系统各工作模式冲突导致电压暂降治理模式切换不及时、荷电状态较低导致支撑时间不长等意外情况。仅由DVR保障时同理，在检测到电压暂降时立即投入运行，但同样存在不足，如无法支撑较长时间电压暂降。因此，Q2具有比第一级供电更高的电能质量等级，在大多数情况下能够保证敏感负荷不受电压暂降影响。

3.3　第三级供电Q3

第三级供电由用户侧储能与DVR共同保障，二者的协调工作原理如图3所示。一般情况下，第三级供电优先由UESS保证负荷不受电压暂降影响。在用户侧储能出现意外情况导致母线2仍发生电压暂降的情况下，DVR投入运行，补偿母线3上的负荷电压。因此，与前述两种电能质量等级相比，第三级供电Q3具有更高的可靠性。

4 仿真分析

为验证所提电压暂降分级治理方案的有效性，根据图1在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型。为简化分析，优质电力园区内部仅搭建工厂1的仿真模型，模型参数与实际系统保持一致，园区内母线1、2、3上的负荷大小均为50 kW恒功率模型。UESS部分参数见表2，DVR根据文献[ 23 ]搭建。设置以下三种仿真案例对所提方案进行测试。

表2   用户侧储能系统部分参数

①案例1：UESS正常工作，1.0 s时外部系统发生持续时间为500 ms的金属性三相接地故障。
②案例2：UESS在切换为电压暂降治理模式时存在100 ms延时，1.0 s时外部系统发生持续时间为500 ms的金属性三相接地故障。
③案例3：UESS的电压暂降治理模型仅能有效支撑负荷电压300 ms，1.0 s时外部系统发生持续时间为500 ms的金属性三相接地故障。

4.1　正常情况

UESS正常运行，即案例1下的仿真结果如图4(a)～(d)所示。在1.0 s外部电网发生短路故障后，母线1的电压迅速降低至0.58 p.u.。当检测到电压暂降后，UESS迅速切换为电压暂降支撑模式，母线2和3随之切换为UESS供电，在储能系统的作用下，母线2和3的电压分别维持在0.96 p.u.和0.99 p.u.，此时母线3上的DVR并未投入运行。可见，正常情况下UESS能够保证用户不受电压暂降的影响，母线2和3具有比母线1更高的电能质量等级。

图4     各案例的仿真结果。 (a)  案例 1 电压有效值； (b)  案例 1 母线 1 的三相电压； (c)  案例 1  母线 2 的三相电压； (d)  案例 1 母线 3 的三相电压； (e)  案例 2 电压有效值； (f)  案例 2 母线 1 的三相电压； (g)  案例 2 母线 2 的三相电压； (h)  案例 2 母线 3 的三相电压； (i)  案例 3 电压有效值； (j)  案例 3 母线 1 的三相电压； (k)  案例 3 母线 2 的三相电压； (l)  案例 3 母线 3 的三相电压。

4.2　意外情况

UESS发生意外情况，导致切换为电压暂降治理模式时出现100 ms延时，即案例2下的仿真结果如图4(e)～(h)所示。由图可知，在发生短路故障后，母线1电压迅速跌至0.58 p.u.，母线2的电压经过100 ms延时才在UESS的作用下补偿至0.96 p.u.(1 p.u.=220 V)。在检测到母线2出现电压暂降后，母线3上的DVR迅速投入运行，将电压抬升至0.98 p.u.。尽管UESS最终成功地补偿了负荷电压，但对于部分极敏感的用电设备，如变频调速装置，在UESS将电压抬升至正常值之前的这段时间内仍可能发生宕机，造成经济损失。
削峰填谷模式消耗过多能量，导致UESS的电压支撑时间较短，即案例3下的仿真结果如图4(i)～(l)所示。同上，当发生故障后，母线1的电压迅速跌至0.58 p.u.，而母线2和3的电压在UESS的作用下维持在接近正常值的状态(0.96 p.u.)。但由于储能系统的荷电状态(SOC)较低，经过300 ms后，UESS的能量耗尽，无法再支撑负荷电压，母线2的电压跌至0.58 p.u.。而母线3上的DVR在检测到电压暂降后，迅速投入运行，重新将母线3的电压抬升至正常值。因此，母线3具有比母线1和2更高的电能质量等级。
上述仿真结果证明在正常情况，UESS可以保证负荷不受电压暂降影响，接入储能系统的母线具有较高电能质量等级，但在少数情况下储能系统仍无法保证负荷完全不受电压暂降影响。而通过协同UESS与DVR，可以提供更高的电能质量等级，保证UESS无法正常补偿暂降的情况下负荷仍不受电压暂降影响。

5 经济性分析

前述分析证明了所提电压暂降分级治理方案的技术可行性，为进一步说明方案的经济优越性，对所提方案作经济性分析。根据文献[ 9 ]和[26]，UESS的净收益 F 可以用式(5)表示：
(5)
其中， f 1 表示储能系统削峰填谷带来的套利收益，即降低电量电费带来的收益； f 2 表示降低需量电费带来的收益； f 3 表示政府电价补贴收益； C 1 表示储能系统初始投资成本； C 2 表示储能系统年运行维护成本； C 3 表示储能系统回收利用价值。
投资回收期可根据式(6)计算。
(6)
其中， T d 为动态投资回收期， CI t 与 CO t 分别为第 t 年的现金流入和流出， t r 为通货膨胀率， d r 为贴现率。

5.1　收益分析

通过储能系统的充放电实现削峰填谷，UESS可取得套利收益，如式(7)所示：
(7)
(8)
其中， T 为储能电池寿命， D 为储能年运行天数， S 1 为一天当中获取的套利收益， P ch ( i )、 P dis ( i )分别为 i 时段储能系统的充电与放电功率， B ch ( i )、 B dis ( i )分别为 i 时段储能系统的充电与放电状态， p rice ( i )为时段 i 的电价。
通过减少对专用变压器的容量需求，减少每月缴纳的基本电费，UESS可获取需量电费减少收益，表示如式(9)：
(9)
(10)
其中， Y 为每年运行月数， S 2 为每月需量电费减少量， B p 为削减需量电费带来的单位收益， P rat 为储能系统额定功率。
目前政府出台了相关储能补贴政策，按照实际充放电量用户可获取一定补贴收益，该补贴通常维持三年，表示如式(11)：
(11)
(12)
其中， S 3 为一天当中获取的补贴收益， p e 为政府补贴。
考虑电压暂降治理收益后，在公式(5)中加入 f 4 ， f 4 表示如式(13)：
(13)
其中， μ 为UESS能够有效治理的电压暂降比例系数， N 为每年发生的电压暂降次数， S 4 为减少的单次电压暂降带来的经济损失。

5.2　成本分析

储能系统的初始投资成本主要来自于电池、能量转换系统以及电池管理系统，与储能系统的容量和功率有关，可表示为
(14)
其中， C p 和 C e 分别为储能系统单位功率成本与单位容量成本， E rat 为储能系统额定容量。
储能系统的运行维护成本主要与额定功率有关，可表示为：
(15)
其中， C m 为储能系统单位功率年运行维护成本。
储能系统的回收利用价值与初始投资成本有关，可表示为：
(16)
其中， γ 为回收系数。

5.3　经济性分析

以1 MW / 2 MWh的UESS为研究对象，将所有费用折算到现值进行分析。参考湖北省某实际工程项目，储能系统每天以额定功率完全充放电2次，销售环节峰谷分时电价方案以及相应的储能系统充放电状态见表3。储能寿命周期取10年，每年运行345天,考虑通货膨胀率为2%，贴现率为8%，基本容量电费为35元/(kW ⋅ 月)，补贴电价为0.3元/kWh，补贴时长为3年。储能系统采用锂电池储能，相关参数如表4所示。当电池容量降低到60%额定容量时认为达到报废标准，取锂电池报废时的能量密度为40 Wh/kg，相应回收价为8000元/t。

表3   湖北销售环节分时电价方案及储能工作状态

表4   锂电池储能系统相关参数

根据前述公式以及数据，可计算得到储能寿命周期内，常规削峰填谷工作模式下总净收益为415.17万元，投资回收期约为5.6年。
根据文献[ 15-17 ]，本文取平均单次电压暂降造成的损失为50万元。认为UESS能够有效治理其中90%的电压暂降，根据前述公式和数据，可计算得到考虑电压暂降治理功能后，不同年均电压暂降次数下UESS寿命周期内的总净收益和投资回收期如表4所示。需要说明的是，增加电压暂降治理功能后，由于新增了变流器和相关辅助设备，取储能系统单位功率成本为2240元/kW，DVR作为优质电力园区内已有设备，其成本不考虑在内。
由表5可知，对于不发生电压暂降或电压暂降造成经济损失较小的用户而言(年均电压暂降次数为0或0.5次)，UESS增加电压暂降治理功能会降低用户收益，延长投资回收期。但对于电压暂降发生较为频繁、暂降造成损失较大的用户而言，UESS增加电压暂降治理功能将极大提高经济效益。以平均每年发生8次电压暂降为例(对应电压暂降经济损失400万元每年)，与单一削峰填谷工作模式相比，此时UESS的净收益由415.17万元增加为2895.84万元，投资回收期由原来的5.6年缩短至1.8年。其中 f 1 、 f 2 、 f 3 、 C 3 保持不变，电压暂降治理带来的经济效益 f 4 为2664.46万元，初始投资成本 C 1 为624万元，运行维护成本 C 2 为143.59万元。可见，尽管增加电压暂降治理功能增大了初始投资成本和运行维护成本，但对于部分对电压暂降敏感的负荷而言，所提方案仍然能够大大提高UESS的经济效益，显著缩短投资回收期。

表5   不同年均电压暂降次数下所提方案净收益

6 结论

为提高UESS的经济效益，促进储能系统的发展，本文针对工业园区提出了基于UESS的电压暂降分级治理方案，并对方案做了经济性分析，主要结论如下：
（1）通过改进UESS的拓扑和控制策略，在常规并网工作模式的基础上增加了电压支撑模式和柔性退出模式。当电压暂降发生时，UESS替换主电源为负荷供电，可实现大多数情况下的电压暂降有效治理，进一步发挥了UESS的调节潜力。
（2）通过协同UESS与DVR，为优质电力园区提供具有三种不同电能质量等级的优质供电方案，其中第一级供电不含任何电压暂降治理设备，第二级供电由单一设备提供，第三级供电由UESS和DVR共同保障。
（3）建立了UESS的成本收益模型，包括电量电费收益、需量电费收益、政府补贴收益、电压暂降治理收益、初始投资成本、运行维护成本以及回收价值，开展经济性分析，论证了与常规单一削峰填谷型UESS相比，所提方案可以极大提高UESS的经济效益，显著缩短投资回收期。

第一作者： 丁凯（1974—），男，博士，高级工程师，研究方向为电能

通讯作者： 郑子萱，博士，副教授，研究方向为电能质量与优质供电，E-mail：。

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