熊雄，袁鐵江，楊水麗，修曉青

（1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

風(fēng)力發(fā)電的間歇性一直是制約大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的瓶頸。其出力隨機(jī)性及不可控性將對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量和供電可靠性造成影響[1]。另一方面，大規(guī)模風(fēng)電接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)，將影響區(qū)域電網(wǎng)原有潮流分布[2]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)惡化系統(tǒng)電壓、網(wǎng)損等指標(biāo)，限制了區(qū)域電網(wǎng)接納并網(wǎng)風(fēng)電的規(guī)模。

儲(chǔ)能系統(tǒng)因其“快速響應(yīng)”、“功率雙向性”等特性，成為區(qū)域電網(wǎng)提高并網(wǎng)風(fēng)電能力的有效途徑[3-4]。眾多研究站在平滑間歇性電源出力角度[5-6]，制定了相關(guān)控制策略[7-10]，計(jì)算接入儲(chǔ)能的容量，并沒(méi)考慮對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[11]及系統(tǒng)廣域接納風(fēng)電能力。

因此，基于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性并結(jié)合電壓限值，提出區(qū)域電網(wǎng)可接納風(fēng)電能力判據(jù)，并以此計(jì)算提高特定風(fēng)電接納能力所需的儲(chǔ)能系統(tǒng)最小容量是站在系統(tǒng)穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性之上的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置。

1 區(qū)域電網(wǎng)接納風(fēng)電能力計(jì)算

對(duì)某10節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)算例做相應(yīng)改進(jìn)以代替待研究的區(qū)域電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)圖及原始潮流數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

算例中，將外網(wǎng)等值成為發(fā)電機(jī)，設(shè)為平衡節(jié)點(diǎn)，維持配網(wǎng)接入母線電壓的恒定，通過(guò)220/35 kV變壓器連接區(qū)域電網(wǎng)，等值額定容量為500 MVA。BUS9作為靜止無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)，補(bǔ)償無(wú)功為4 Mvar，另外9個(gè)節(jié)點(diǎn)為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，作為風(fēng)電可能的接入位置。初始潮流數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

一定功率因素下，逐漸增加各節(jié)點(diǎn)有功功率，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓的幅值隨著該節(jié)點(diǎn)注入有功增加而升高，當(dāng)隨著功率的增大而電壓降低時(shí)，認(rèn)為電壓是不穩(wěn)定的，而P-V曲線的拐點(diǎn)即為電壓穩(wěn)定的臨界值，以此作為節(jié)點(diǎn)接納風(fēng)電能力的判據(jù)之一。

現(xiàn)定義負(fù)荷節(jié)點(diǎn)臨界電壓U0對(duì)應(yīng)的可接入最大風(fēng)電容量限值作為判據(jù)一，具有最高優(yōu)先級(jí)，各節(jié)點(diǎn)接入風(fēng)電容量都不得超過(guò)各U0對(duì)應(yīng)的風(fēng)電接入容量限制，否則系統(tǒng)電壓將失穩(wěn)。算例中P-V模擬曲線見(jiàn)圖2。

圖1 某10節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)算例結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of a 10 node distribution network

表1 初始潮流數(shù)據(jù)Tab.1 Initial power flow data

圖2 負(fù)荷節(jié)點(diǎn)P-V曲線模擬圖Fig.2 Load node P-V curve diagram

根據(jù)P-V模擬曲線，可確定維持電壓穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)最大接入功率。曲線中，節(jié)點(diǎn)4、8、10擁有較大的功率接入能力，但最大注入功率對(duì)應(yīng)的臨界電壓可能會(huì)超過(guò)區(qū)域配網(wǎng)1.05的上限（圖3），這將削弱系統(tǒng)電壓質(zhì)量，使得負(fù)荷中的眾多設(shè)備不能工作在額定電壓點(diǎn)，降低工作效率，同時(shí)還會(huì)增大電能在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的網(wǎng)損。

圖3 各節(jié)點(diǎn)臨界電壓Fig.3 Critical voltage of each node

圖3 中，原本可接入大規(guī)模風(fēng)電的4、8、10節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的臨界電壓已越限，其中8、10號(hào)節(jié)點(diǎn)越限情況較為嚴(yán)重。同時(shí)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)8按最大接入容量接入風(fēng)電后，算例中其他節(jié)點(diǎn)電壓值見(jiàn)表2。

因此，定義U0是否越限U0lim作為區(qū)域電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的判據(jù)二；同時(shí)，為保證選中風(fēng)電接入節(jié)點(diǎn)在功率注入過(guò)程中其他節(jié)點(diǎn)不會(huì)越限，定義其他節(jié)點(diǎn)電壓是否越限Ulim作為判據(jù)三。

各節(jié)點(diǎn)三判據(jù)的優(yōu)先級(jí)計(jì)算方法采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)法，計(jì)數(shù)越小的節(jié)點(diǎn)擁有更好地優(yōu)先級(jí)。針對(duì)特定的風(fēng)電接入容量，通過(guò)比較各節(jié)點(diǎn)分別接入所需風(fēng)電規(guī)模后三個(gè)判據(jù)的優(yōu)先級(jí)，可確定風(fēng)電應(yīng)接入的位置。例如系統(tǒng)接入150 MW風(fēng)電，各節(jié)點(diǎn)三判據(jù)違背情況見(jiàn)表3。

表2 節(jié)點(diǎn)8接入最大風(fēng)電容量時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓Tab.2 The node voltage when node 8 is connected under largest capacity of wind power circumstance

表3 最大風(fēng)電接入容量與三判據(jù)之間關(guān)聯(lián)（“1”表征不滿足判據(jù)，“0”表征滿足判據(jù)）Tab.3 The correlation between largest capacity of wind power integration and three criterions("1"does not meet the criteria,"0"satisfies the criterion)

從關(guān)聯(lián)表中可知節(jié)點(diǎn)5優(yōu)先級(jí)最好，計(jì)數(shù)最小，只有判據(jù)三不滿足條件；節(jié)點(diǎn)8優(yōu)先級(jí)計(jì)數(shù)為13，優(yōu)先級(jí)最差。因此節(jié)點(diǎn)5將作為風(fēng)電接入的首選位置接入150 MW風(fēng)電。而根據(jù)不同風(fēng)電接入容量，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)將發(fā)生變化，通過(guò)比較排序可確定對(duì)特定風(fēng)電并網(wǎng)容量下的風(fēng)電最佳接入位置。

2 提高風(fēng)電接納能力的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置

實(shí)際運(yùn)行狀況下，風(fēng)電接入容量往往不能遵循區(qū)域電網(wǎng)接納風(fēng)電容量能力的約束，違背電壓三判據(jù)。這時(shí)加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，基于電壓判據(jù)的優(yōu)先級(jí)，依次恢復(fù)電壓三判據(jù)，提高原有的電網(wǎng)接納能力。現(xiàn)因?qū)嶋H需求在5號(hào)節(jié)點(diǎn)接納的150 MW風(fēng)電容量基礎(chǔ)上增加30 MW容量，總接入風(fēng)電容量為180 MW，這已超過(guò)節(jié)點(diǎn)5最大接入風(fēng)電能力，違背判據(jù)一；同時(shí)存在U0lim及Ulim越限，違背判據(jù)二、三。加入儲(chǔ)能，使得節(jié)點(diǎn)5重新滿足判據(jù)，現(xiàn)按判據(jù)的優(yōu)先級(jí)逐次確定儲(chǔ)能的容量。

2.1 滿足判據(jù)一時(shí)儲(chǔ)能容量配置

接入儲(chǔ)能，隨其容量不斷增大，節(jié)點(diǎn)5模擬P-V曲線見(jiàn)圖4。

圖4 節(jié)點(diǎn)5 P-V曲線Fig.4 The P-V curve of node 5

當(dāng)接入的儲(chǔ)能容量逐漸增大，節(jié)點(diǎn)5P-V曲線右移，節(jié)點(diǎn)接納風(fēng)電容量不斷增加，當(dāng)接入儲(chǔ)能30 MW時(shí)，節(jié)點(diǎn)臨界電壓對(duì)應(yīng)的最大接入容量達(dá)到180 MW，滿足判據(jù)一。

圖5 滿足判據(jù)一時(shí)各節(jié)點(diǎn)接納風(fēng)電能力Fig.5 Thewind power accessability when criterion 1 ismet

與此同時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)在判據(jù)一下可接納最大風(fēng)電容量見(jiàn)圖5。各節(jié)點(diǎn)接納風(fēng)電能力均有不同程度提升，提高了判據(jù)一的堅(jiān)韌度。

2.2 滿足判據(jù)二、三時(shí)儲(chǔ)能容量配置

在30 MW的基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加儲(chǔ)能容量，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓見(jiàn)圖6。

圖6 儲(chǔ)能容量與節(jié)點(diǎn)電壓關(guān)系Fig.6 The relationship between energy storage capacities and node voltage

儲(chǔ)能系統(tǒng)接入容量在滿足判據(jù)一后，隨著進(jìn)一步增加，各節(jié)點(diǎn)電壓有所降低，當(dāng)加入儲(chǔ)能50 MW時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)電壓均在上限以內(nèi)，判據(jù)二、三被滿足。但是系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，一些節(jié)點(diǎn)電壓雖沒(méi)越限，但沒(méi)有理想的裕度，成為一些故障的隱患。因此現(xiàn)定義上升電壓裕度指標(biāo)M1,下垂電壓裕度指標(biāo)M2及裕度穩(wěn)定指標(biāo)L：

當(dāng)M1、M2均大于0時(shí)，表明節(jié)點(diǎn)電壓在限制內(nèi)，滿足判據(jù)二、三。裕度穩(wěn)定指標(biāo)L作為評(píng)判節(jié)點(diǎn)電壓靠近額定值的程度，L越小表明上升、下垂裕度相對(duì)平衡，距離額定值越近。

將節(jié)點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)化為電壓裕度指標(biāo)見(jiàn)圖7，詳表見(jiàn)附錄。

圖7 儲(chǔ)能容量與節(jié)點(diǎn)電壓裕度關(guān)系Fig.7 The relationship between energy storage capacities and voltage margin of node

2.3 特定需求下的儲(chǔ)能容量準(zhǔn)確計(jì)算

若節(jié)點(diǎn)6所接負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷，擁有特殊設(shè)備，需嚴(yán)格控制電壓在額定電壓?？刂乒?jié)點(diǎn)6電壓穩(wěn)定裕度L滿足，其中設(shè)為0.01。在50 MW儲(chǔ)能接入的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加儲(chǔ)能容量，其電壓穩(wěn)定裕度L見(jiàn)圖8。

圖8 節(jié)點(diǎn)6電壓穩(wěn)定裕度Fig.8 The voltage stability margin of node 6

當(dāng)加入儲(chǔ)能53 MW時(shí)，節(jié)點(diǎn)6電壓穩(wěn)定裕度L維持在0.01以下，滿足了負(fù)荷節(jié)點(diǎn)6特定需求。

在實(shí)際運(yùn)行中，可根據(jù)不同風(fēng)電并網(wǎng)情況，在滿足判據(jù)一優(yōu)先級(jí)情況下，考慮對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓上升、下垂裕度及裕度穩(wěn)定指標(biāo)的不同需求，確定所需的儲(chǔ)能容量，充分利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大可用容量，具有一定經(jīng)濟(jì)性與擴(kuò)展性。還可以系統(tǒng)線路傳輸裕度等為依據(jù)，或考慮多重因素裕度下計(jì)算接入儲(chǔ)能系統(tǒng)所需準(zhǔn)確容量，并隨著儲(chǔ)能容量的增加計(jì)算其經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電壓三判據(jù)的研究，定義了電壓三判據(jù)及優(yōu)先級(jí)，得到優(yōu)先級(jí)計(jì)數(shù)小的節(jié)點(diǎn)擁有更強(qiáng)的接納風(fēng)電能力。當(dāng)接入風(fēng)電容量違背3個(gè)判據(jù)或其中一、二個(gè)時(shí)，采用重新滿足優(yōu)先級(jí)靠前的判據(jù)為步驟的方法逐層確定了所需儲(chǔ)能容量，并將第三判據(jù)轉(zhuǎn)化為裕度指標(biāo)，根據(jù)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)6對(duì)電壓穩(wěn)定裕度的特定需求，計(jì)算出滿足相應(yīng)需求的儲(chǔ)能系統(tǒng)準(zhǔn)確容量，對(duì)方法的擴(kuò)展做了簡(jiǎn)要的展望。

[1] 遲永寧，王偉勝，戴慧珠.改善基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007,27(25):25-32.CHI Yong-ning,WANG Wei-sheng,DAI Hui-zhu.Study on transient voltage stability enhancement of gridconnected wind farm with double fed induction generator installations[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(25):25-32(in Chinese).

[2] 王錫凡.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析[M].北京：科學(xué)出版社.2003.

[3] 丁明，徐寧舟，畢銳,等.基于綜合建模的3類(lèi)電池儲(chǔ)能電站性能對(duì)比分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011,35(15):34-38.DING Ming,XU Ning-zhou,BI Rui,et al.Modeling and comparative study on multiple battery energy storage system[J].Auto-mation of Electric Power Systems,2011,35(15):34-38(in Chinese).

[4] LAXMAN Maharjan,TSUKASA Yamagishi,HIROFUMI Akagi.Active-power control of individual converter cells for a battery energy storage system based on a multilevel cascade PWM converter[J].IEEE,2010:1-9.

[5] 韓濤，盧繼平，喬梁,等.大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化方案[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(1):169-173.HAN Tao，LUJi-ping，QIAOLiang,et al.Optimized scheme of energy-storage capacity for grid-connected large-scale wind farm[J].Power System Technology,2011,34(1):169-173(in Chinese).

[6] 楊水麗，惠東，李建林,等.適用于風(fēng)電場(chǎng)的最佳電池容量選取的方法[J].電力建設(shè)，2010,31(9):1-4.YANG Shui-li,HUI Dong,LI Jian-lin,et al.Selection of the optimal battery capacity for wind farm[J].Electric Power construction,2010,31(9):1-2(in Chinese).

[7] 別朝紅，李更豐，王錫凡.含微網(wǎng)的新型配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估綜述[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011,31(1):1-9.BIE Zhao-hong,LI Gen-feng,WANG Xi-fan.Review on reliability evaluation of new distribution systemwith microgrid[J].Electric Power Automation,2011,31(1):1-9(in Chinese).

[8] 梁亮，李建林，惠東.光伏-儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理及控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011,31(8)：20-23.LIANG Liang，LI Jian-lin，HUI Dong.Operating modes of photovoltaic/energy-storage hybrid system and its control strategy[J].ElectricPower Automation Equipment,2011,31(8):20-23(in Chinese).

[9] LI Hui,CARTES D,STEURER M,et al.Control design of STATCOMwith superconductivemagnetic energy storage[J].IEEE Trans on Applied Superconductivity,2005,15(6):1881-1886.

[10]SERCAN Teleke,MESUT E,BARAN,et al.Rule-based control of battery energy storagefor dispatchingintermittent renewable sources[J].IEEETrans Sustainable Energy,2010,25(3):117-124.

[11]YIKIHISA Iijima,YOSHINORI Sakanaka,NORIKO Kawakami.Development and field experiences of NAS battery inverter for power stabilization of a 51 MW wind farm[J].IEEE The 2010 International Power Electronics Conference,1837-1841.

[12]張華民，周漢濤，趙平，等.儲(chǔ)能技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及展望[J].能源工程，2005(3)：1-7.ZHANG Hua-min,ZHOU Han-tao,ZHAO Ping,et al.A ctuality and prospect of energy storage technologies[J].Energy Engineering,2005(3):1-7(in Chinese).

[13]陳習(xí)坤，湯雙清.新型飛輪儲(chǔ)能電池在獨(dú)立運(yùn)行式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].節(jié)能，2005(1)：22-25.CHEN Xi-kun,TANGShuang-qing.New flywheel energy storage battery in stand-alone wind power system applied research[J].Energy Saving,2005(1):22-25(in Chinese).

[14]石新春，張玉平，陳雷.一種超級(jí)電容器儲(chǔ)能的光伏控制器的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(21)：133-137.SHIXin-chun，ZHANGYu-ping，CHENLei.Realization of PV controller based on super-capacitor energy storage[J].Modern Electronic Technology,2008(21):133-137(in Chinese).

[15]楊魁.智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J].西北水電，2011(1)：62-63.Yang Kui.Smart grid technology development and application[J].Northwest Water Power,2011(1):62-63(in Chinese).

[16]馬向春，劉清宇.低碳經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下供電企業(yè)的降損策略研究[J].陜西電力，2011,39(3):9-12.MA Xiang-chun,LIU Qing-yu.Loss reduction strategies of power supply enterprises under the situation of lowcarbon economy[J].Shaanxi Electric Power,2011,39(3):9-12(in Chinese).

[17]李成家，陳路.風(fēng)電棄風(fēng)與水電棄水因素分析[J].陜西電力，2011，39(4)：39-41.LI Cheng-jia，CHEN Lu.Analysis of wind abandonment in wind power and water abandonment in hydro power[J].Shaanxi Electric Power,2011,39(3):9-12(in Chinese).

[18]章海靜，鎖軍，張小慶，等.陜西電網(wǎng)負(fù)荷特性研究[J].陜西電力，2011，39(1).ZHANGHai-jing,SUOJun,ZHANGXiao-qing,et al.Study on load performance of shanxi power grid[J].Shaanxi Electric Power,2011,39(1)(in Chinese).

[19]岳地松，王斌.農(nóng)網(wǎng)線路無(wú)功補(bǔ)償方案的探討[J].陜西電力，2011，39(3)：69-72.YUE Di-song,WANG Bin.Probe into reactive power compensation of rural power network[J].Shaanxi Electric Power,2011,39(3):69-72(in Chinese).

[20]王坤.基于SVPWM的STATCOM設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].陜西電力，2011，39(1).WANG Kun.SVPWM based design and realization of STATCOM[J].Shaanxi Electric Power,2011,39(3):69-72(in Chinese).