考虑综合提升新能源承载能力下的储能配置方法

《Applied Sciences》：Energy Storage Configuration Method Considering Comprehensive Measures for Enhancing Renewable Energy Hosting Capacity

　　

针对安全稳定与供电充裕性约束下区域电网的新能源承载能力问题，研究人员提出了一种协调需求响应（Demand Response，DR）、同步调相机（Synchronous Condenser，SC）、构网型新能源改造与储能的储能配置方法。首先，通过聚类历史数据并考虑风光相关性生成风电与光伏出力场景，建立基于分时电价的DR模型以改善净负荷曲线。其次，构建三层优化框架：上层以确定储能额定功率与能量容量为目标，最小化储能投资与运维成本；中层在上层给定的储能边界下执行源网荷储协同调度，最小化总运行成本并嵌入节点电压与短路比安全校验；下层通过增量容量迭代最大化新能源承载能力，在可靠性、安全性与稳定性约束下确定最大可接纳新能源容量。采用归一化法平面约束（Normalized Normal Constraint，NNC）方法求解该多层多目标模型。基于改进IEEE 118节点系统的案例研究表明，所提协同措施可显著提升承载能力、降低储能需求并改善电压与频率安全性。

研究背景方面，在全球能源转型与中国双碳目标驱动下，风电与光伏等新能源以空前速度接入电力系统，但新能源固有的随机性、间歇性及弱支撑能力给系统安全稳定运行带来严峻挑战。随着并网比例持续升高，电网强度下降，虚拟同步机控制等构网技术虽可提供惯量与电压支撑，但受逆变器结构限制过流能力有限；同步调相机具备强过流与自然旋转惯量及次暂态电压支撑优势。因此，单一措施难以突破新能源承载能力上限，亟需协调DR、同步调相机、构网型改造与储能的综合配置方法。研究人员在《Applied Sciences》发表该文，旨在将经济性、可靠性与安全稳定性统一纳入储能规划与承载能力评估过程。

关键技术方法上，研究人员采用Copula函数刻画风光相关性并结合k-means聚类将8760小时历史数据缩减为8个典型日场景；构建基于分时电价的logistic需求响应转移模型以平滑净负荷；建立含上层储能定容（最小化投资与寿命退化成本）、中层源网荷储协同调度（嵌入节点电压幅值、短路比（Short-Circuit Ratio，SCR）及多馈入短路比（Multi-infeed Renewable Short-Circuit Ratio，MRSCR）约束）、下层新能源容量递增迭代的三层优化框架；采用归一化法平面约束（NNC）法求解三目标（最小储能容量、最优运行成本、最大承载能力）问题，并以TOPSIS选取折衷解；案例基于改进IEEE 118总线系统，设风机1500 MW、光伏1500 MW、水电650 MW，于94—98、108—109等总线接入，同步调相机320 Mvar布于96、108、114、117总线，构网型改造700 MW。

研究结果部分，第2节“协同措施提升承载能力的机理”指出，DR通过负荷平移缓解电力平衡对新能源消纳的限制；构网型电源以电压源控制提供虚拟惯量与无功支撑，用无功支撑系数量化其提升效果；同步调相机通过增加短路容量使MRSCR松弛，直接放宽接入点短路比下限。第3节“储能配置三层优化框架”明确上层定储容、中层做安全约束下调度、下层迭代搜承载力，并给出储能不允许同时充放电、火电爬坡、SCR≥下限、节点电压与功角允许范围等约束表达式。第4节“基于NNC的多目标求解”阐述以三锚点构造乌托邦平面、目标归一化、法平面取点分解为单目标子问题、逐点调用三层模型并做安全校核，最后用TOPSIS选折衷解。第5节“案例分析”表明：单独加同步调相机使薄弱总线SCR由低于1.5升至接近或超过2，单独构网改造使风电消纳率由91.2%升至96.0%、光伏由93.0%升至97.4%；综合措施下新能源消纳率92.1%升至97.1%，电压稳定指标0.965升至1.007，SCR指标0.796升至0.822；最优储能由无综合措施2443.2 MWh降至2240.8 MWh，承载能力由3935 MW增至8772 MW；同承载力下储能被进一步压缩至507.6 MW/2030.4 MWh，较基准降9.39%；三层NNC相较单阶段NSGA-II储能功率降8.09%、承载力增4.43%；储能成本±30%波动不改变技术解仅影响经济指标；冬季保供场景承载力10578 MW、储能1889.6 MWh，夏季消纳场景承载力7224 MW、储能2426.9 MWh；LOLP经储能配置后均降至许可内；0.15 s三相短路暂态中综合措施电压恢复最快、频率最低点最高、RoCoF最低、恢复时间最短。

讨论与结论翻译部分，研究人员得出结论：（1）风光随机性与负荷时序特征显著影响区域电网新能源承载能力，场景缩减在保真下降低计算负担；（2）所提三层模型兼顾经济、灵活、安全与环境性，以最小储能与运行成本换最大承载力，在可靠稳定约束下改善消纳并支撑灵活健康运行；（3）计入电压波动、短路比与暂态稳定后，含DR、同步调相机与构网改造的综合储能方案具备更强电压支撑、抑制高渗透电压波动、改善电能质量并增强安全稳定运行能力。该研究为新型电力系统规划中“以柔制随机、以强网纳新能源”提供了可复用的分层协同配置范式。