《Journal of Energy Storage》：Techno-economic analysis of a grid-connected low-voltage distribution system employing optimal peak shaving through a centralized battery energy storage system
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该研究提出集中式电池储能系统（CBESS）优化峰谷削峰策略，通过粒子群优化（PSO）算法在低压配电网中降低运行成本，分析0%、50%、100%可再生能源渗透率下，变压器容量从200kVA降至63kVA的显著优化效果，验证了可再生能源整合与储能协同对电网经济性和可靠性的提升作用。
Rampelli Manojkumar | Gudepu Divya | T. Yuvaraj
电气与电子工程系，BVRIT海得拉巴女子工程学院，海得拉巴，500090，特伦甘纳邦，印度
摘要
本文对通过集中式蓄电池储能系统（CBESS）在并网低压配电网络中实现的最佳削峰技术经济性进行了分析。研究采用了CIGRE 11节点住宅系统模型，其中包含负载、可再生能源以及连接在不同节点上的CBESS。CBESS通过削峰作用降低了电网运行成本和变压器负载。利用粒子群优化方法确定了CBESS的充放电调度方案，以最小化电网运行成本。为了计算电网运行成本，采用了分时电价机制。所提出的方法分为两个阶段：第一阶段使用逆向-正向扫描法求解功率流；第二阶段根据第一阶段得到的松弛节点功率进行最优削峰控制。仿真结果表明，当可再生能源渗透率为0%、50%和100%时，电网运行成本分别降低了9356.91卢比至7738.18卢比、4300.44卢比和1442.87卢比，显示出随着可再生能源整合程度的提高而带来的显著经济效益。此外，变压器的额定容量也显著减少：在可再生能源渗透率为0%时从200 kVA降至100 kVA，在50%时从160 kVA降至63 kVA，在100%时从125 kVA降至63 kVA。
引言
能源需求的增加、可再生能源的整合以及分布式能源资源（DERs）的普及都极大地推动了电力系统的快速发展[1]。在现代电力系统中，能源管理系统（EMS）已成为优化发电和负荷/储能资产、提高系统可靠性、经济运行性和降低排放量的关键工具[2]。为了减少对高价高峰时段能源的依赖，EMS可以动态调整能源调度，尤其是在需求高峰期[2]。随着电动汽车和屋顶光伏系统的普及，配电层面的有效能源管理需求也在增长。若缺乏协调控制，这些新兴的产消者系统可能导致电压不平衡、反向功率流动和变压器过载。为了充分利用未来低压网络中的灵活、稳定和高效的能源运行，需要智能的EMS框架。
A. 配电网络中的EMS
在低压配电网络中实施EMS与网络重构和优化技术密切相关[3]、[4]、[5]、[6]。这些策略有助于维持系统运行限制、减少系统损耗并调节DERs的整合。新的去中心化和交互式EMS模型进一步提升了孤立运行模式和并网运行模式下的系统韧性[6]。
最近的发展使EMS具备了实时需求预测、多目标优化和自适应控制等功能。运营商可以提升系统容错能力，快速响应电网波动，并平衡公用事业公司与产消者之间的能源交换。物联网支持的控制系统和通信协议的建立使得分布式能源资产与集中式电网控制器之间的数据驱动协调变得更加容易。
B. 削峰的重要性
EMS的一个重要应用是削峰，其目标是通过智能负荷控制和储能利用来减少高峰时段的电力需求[7]。例如，加州的PG&E等公用事业公司实施了需求响应计划来管理高峰负荷；安大略省的独立电力系统运营商（IESO）则通过分时电价（ToU）将消费需求从高峰时段转移[8]、[9]。纽约洛克菲勒中心和帝国大厦等场所安装的先进EMS系统通过协调照明和暖通空调控制显著降低了电力需求[10]、[14]。削峰直接提高了运行效率，减少了对于昂贵的高峰发电厂的依赖和网络拥堵。此外，它还推迟了变压器和馈线基础设施的升级。随着可再生能源的普及，削峰还有助于平衡发电量的波动，从而提升电力系统的技术和经济效益。
C. 现有方法和全球实践
削峰策略可以通过虚拟电厂（VPPs）和热储能技术（如南加州的Ice Bear系统）来实现[11]、[12]。国际监管机构（如新加坡的能源市场管理局EMA）推动了负荷控制激励措施[13]；美国的巴尔的摩燃气电力公司（BGE）则对实时需求管理行为给予消费者奖励[15]。LED照明和变频驱动等节能设备、现场发电（如柴油发电机和微型涡轮机）以及负荷转移机制都是削峰的技术手段[16]、[17]、[18]、[19]。然而，依赖发电机所带来的燃料成本和维护费用通常较高[18]。
随着蓄电池储能系统（BESS）和可再生能源（RES）成本的下降，集中式和分布式储能系统越来越多地被用于提供能源套利和削峰。大量研究支持了这一趋势。Manojkumar等人[2]、[20]提出了基于规则和优化的控制策略，以实现光伏与BESS在住宅电网中的集成，从而实现动态削峰和需求控制。其他研究[21]、[22]、[23]探讨了用于减少峰值功率的计算方法和在线调度算法。还有一些研究关注了SOC限制和进口限制对BESS优化运行的影响[24]、[25]。少数研究探讨了协调DERs运行、混合整数优化以及概率建模在保持电压合规性的同时推迟电网升级的作用[25]。
关于分布式储能系统的一个广泛讨论话题是其在电压调节方面的能力，这已经通过基于分布式储能的拓扑感知电压控制策略得到了验证[26]。分布式储能系统有效解决了电压不平衡问题，从而提升了电能质量[27]、[28]。
另一方面，集中式或聚合式储能系统更侧重于协调能源管理和基础设施优化。针对低压系统中集中式或云存储系统的实施进行的分析表明，集中式协调有助于简化调度、管理高峰负荷并提高资产利用率[29]。比较研究分析了集中式和分布式储能系统的实施方式，强调集中式系统在基础设施优化方面的优势，因为它能够实现快速系统响应和电压支持[30]、[31]。这些结果表明，储能系统的拓扑结构对电压调节、高峰负荷控制和系统可靠性有显著影响。虽然分布式储能在本地电压和电能质量管理方面更优越，但集中式储能在削峰和基础设施优化方面也能发挥重要作用。
D. 研究空白
尽管已经有许多关于需求侧管理和削峰的研究，但集中式蓄电池储能系统（CBESS）与可再生能源在低压网络中的联合优化尚未得到充分关注。大多数研究要么集中在负荷转移上，要么集中在分布式储能上，而很少有研究关注能够同时减少变压器尺寸、降低成本并提升电网可靠性的集中式控制策略。此外，传统的基于规则的控制方法无法适应可变的可再生能源发电情况，因此需要更先进的优化方法。
E. 动机和贡献
随着可再生能源渗透率的增加，电网运营商面临的主要挑战包括电压波动、拥堵和高峰时段的运行成本上升。CBESS作为一种灵活的储能手段，可以在低需求时段储存多余的可再生能源，并在高峰时段释放，从而平滑负荷曲线并减轻电网压力。此外，通过减少高峰时段的变压器负载，集中式储能从运营角度减少了变压器的尺寸。结合优化算法（如PSO），EMS可以动态确定最具经济效益的CBESS调度方案。与大多数主要关注电池调度的EMS-PSO研究不同，本研究直接将削峰效果与变压器尺寸联系起来。所提出的优化方法通过单一控制变量（电网功率限制）实现了运行成本的最小化，大大降低了问题复杂性，并适用于实时应用。此外，该框架评估了多种可再生能源渗透率情景，并将运行改进与基础设施优化和成本降低联系起来。本研究的主要贡献包括：
1. 开发了集成CBESS的EMS框架，以实现低压配电网络中的有效削峰。
2. 基于PSO的CBESS调度优化，通过单一控制变量最小化电网运行成本。
3. 在0%、50%和100%可再生能源渗透率下评估系统性能，包括电压稳定性、CBESS的SOC和运行成本节省情况。
4. 通过实际应用展示了削峰对可持续高峰负荷管理和减少变压器尺寸的益处。
部分摘录
系统描述
所研究的系统是一个并网的低压配电网络，其中结合了集中式CBESS和多种可再生能源。系统架构包括光伏（PV）阵列、风力涡轮机和CBESS，所有这些都连接到低压交流（LVAC）母线上，如图1所示。
仿真时间设置为1小时。本研究中用于住宅负荷的每小时负荷曲线对应于标准化的24小时印度家庭需求。
方法论
研究方法分为两个阶段：第一阶段使用BFS方法分析低压辐射配电网络的功率流；第二阶段使用PSO实现削峰策略，确定CBESS的充放电调度方案。方法论的概述见图3，并在下方进行讨论。
A. 第一阶段：逆向/正向扫描功率流分析
BFS方法常用于辐射配电系统的功率流分析，因为它具有较高的计算效率
结果分析
本节展示了在所选系统上进行的仿真结果，讨论了在0%、50%和100%可再生能源渗透率下，有无优化情况下的系统性能，包括电压稳定性、CBESS的运行状态、运行成本降低和变压器尺寸减少情况。
案例1）可再生能源渗透率为0%
在这种情况下，假设可再生能源渗透率为零。电压曲线和削峰效果分析如下：
A.结论
本文介绍了在并网低压住宅配电系统中，使用集中式蓄电池储能系统进行削峰的技术经济性分析。研究结果得出以下重要结论：
1. 电压曲线改善：可再生能源的整合提升了所有负荷节点的电压水平，系统稳定性得到保障，最大电压始终保持在安全范围内（≤1.0154
CRediT作者贡献声明
Rampelli Manojkumar：撰写原始稿件、可视化处理、验证、方法论设计、概念构建。
Gudepu Divya：软件开发、数据整理。
T. Yuvaraj：撰写修订稿件、验证、项目管理、数据调查。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
