王衛(wèi)國(guó)，朱俊飛，丁朝輝

（1.鎮(zhèn)江電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.國(guó)網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

風(fēng)能和太陽(yáng)能是清潔能源的重要來(lái)源，但都具有波動(dòng)性。隨著電力改革的進(jìn)行，越來(lái)越多的企業(yè)自辦電廠自足自用。隨著孤網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)的成熟和推廣也使得很多自備電廠采取孤網(wǎng)運(yùn)行方式或者是具備事故狀態(tài)下與外網(wǎng)斷開(kāi)能孤網(wǎng)運(yùn)行[1]。在孤網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)與地方電網(wǎng)相連，在外電網(wǎng)故障時(shí)，自備發(fā)電機(jī)組必須能夠維持孤網(wǎng)正常運(yùn)行，保證企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的安全。因此，本文提出孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置研究。

1 孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法

儲(chǔ)能系統(tǒng)使利益相關(guān)者在發(fā)電、輸電、配電以及使用方面具有更大的靈活性。孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法可以有效結(jié)合風(fēng)力發(fā)電功率模型、光伏發(fā)電功率模型、儲(chǔ)能系統(tǒng)功率模型及其他電源功率模型，通過(guò)確定投資、運(yùn)行成本，確定其的約束條件分別為經(jīng)濟(jì)型和可靠型，進(jìn)一步提出孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方案，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能容量最佳配置。

1.1 建立容量配置模型

考慮到可再生能源發(fā)電如今已成為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵推動(dòng)力。在孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，建立容量配置模型。容量配置模型是儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)微網(wǎng)監(jiān)控指令進(jìn)行恒功率或恒流控制，給電池充電或放電，平滑風(fēng)電、太陽(yáng)能等波動(dòng)性電源的輸出。在微網(wǎng)條件下，容量配置模型作為主電源提供微網(wǎng)的電壓和頻率支撐，微網(wǎng)中負(fù)荷以此電壓和頻率為基準(zhǔn)工作[2]。carrent采用雙閉環(huán)控制和Model脈沖調(diào)制方法，能夠精確快速地調(diào)節(jié)輸出電壓、頻率、有功和無(wú)功功率。

1.2 構(gòu)建容量目標(biāo)函數(shù)

為整合孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下電網(wǎng)及新能源的經(jīng)濟(jì)效益，就必須對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置中的重要指標(biāo)進(jìn)行精確計(jì)算。本文重點(diǎn)針對(duì)如下4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置成本節(jié)約函數(shù)、儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置收入函數(shù)、瞬時(shí)功率經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的平均函數(shù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的抗干擾函數(shù)[3]。求得構(gòu)建主動(dòng)孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量最佳配置收益的多目標(biāo)函數(shù)。

設(shè)孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量最佳配置收益的多目標(biāo)函數(shù)為maxE，可得公式：

其中：WLEgrid指的是儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置成本節(jié)約函數(shù)；W2Eloss指的是儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置收入函數(shù)；W3Ewind指的是瞬時(shí)功率經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的平均函數(shù)；W4Esolae指的是儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的抗干擾函數(shù)；Ω指的是約束條件下，目標(biāo)函數(shù)可行解范圍；s指的是定義域；t指的是參數(shù)調(diào)節(jié)能源波動(dòng)的時(shí)間，X指的是決策空間集合；H(X )指的是決策空間集合下能源波動(dòng)干擾值。

在明確容量目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)定孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法有功、無(wú)功滿足等式約束為：

其中：PGI指的是節(jié)點(diǎn)G與節(jié)點(diǎn)I的截止角頻率；Q指的是節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)有功功率；N指的是節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)無(wú)功功率；P指的是角頻率；UI指的是I節(jié)點(diǎn)的電壓與電流的分量；UIJ指的是第J時(shí)段I節(jié)點(diǎn)的電壓與電流的分量；θIJ指的是第J時(shí)段I節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷消耗功率值；p指的是用電負(fù)荷平均值。

在式（2）、式（3）的基礎(chǔ)上可得，輸出電壓頻率和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量幅值的下垂特性方程為：

其中：w指的是額定電壓；w1指的是參考無(wú)功功率；Yn指的是無(wú)功下垂系數(shù)；f指的是平均無(wú)功功率；fe指的是限定頻率；E指的是平均有功功率；E1指的是參考有功功率；Ln指的是有功下垂系數(shù)；R指的是電流參考值；Re指的是電壓的參考值。

結(jié)合公式來(lái)看，在一定的電壓范圍內(nèi)，根據(jù)電壓的高低采用無(wú)功補(bǔ)償。構(gòu)建容量目標(biāo)函數(shù)，確立容量配置的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輸出電壓頻率和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量幅值的下垂特性提高孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的抗干擾性。

1.3 建立映射關(guān)系

在建立容量配置模型和明確容量目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上，建立配置模型與目標(biāo)函數(shù)最匹配的對(duì)應(yīng)關(guān)系。假設(shè)孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置為初始值，由于電網(wǎng)承受高峰負(fù)荷、低谷負(fù)荷特定持續(xù)的時(shí)間均非常有限，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置到達(dá)一定規(guī)模時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于負(fù)荷低谷時(shí)刻中自動(dòng)補(bǔ)充電量，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于負(fù)荷高峰時(shí)刻中自動(dòng)輸出電量，可以有效抬高低谷負(fù)荷，最大限度地減小負(fù)荷峰谷差，松弛儲(chǔ)能系統(tǒng)容量向下調(diào)節(jié)空間，使儲(chǔ)能系統(tǒng)有能力接納更多容量的風(fēng)電，從而提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充、放電功率足夠大時(shí)，設(shè)配置的儲(chǔ)能容量為φr，每日充放電F次，求得削減高峰負(fù)荷，抬升低谷負(fù)荷的最佳值。以Fr表示充放電F次時(shí)的容量，tanφ表示削減高峰負(fù)荷值，那么，孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)配置容量與負(fù)荷峰谷差之間的最佳映射關(guān)系為：

根據(jù)式（5）可知，求得最佳配置容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷峰谷差的改善有著明顯的效果。具有能夠有效對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置低谷負(fù)荷的抬升能力，因此決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的技術(shù)水平。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的不斷增加，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的配置也會(huì)越來(lái)越高。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)低谷負(fù)荷被抬升到達(dá)一定高度時(shí)，如果對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行改善，儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的容量會(huì)隨之增大。因此，建立配置模型與目標(biāo)函數(shù)最匹配的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以達(dá)到儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)配置方法。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為進(jìn)一步驗(yàn)證孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的抗干擾性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，整體實(shí)驗(yàn)均在統(tǒng)一電壓環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)置電路中負(fù)載有功功率50 kW，無(wú)功功率為40 kW，對(duì)比時(shí)間設(shè)定為5 s，以1 s為一個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)。首先采用傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置進(jìn)行檢測(cè)，再采用文章設(shè)計(jì)的孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置進(jìn)行同樣的操作步驟，設(shè)置傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置為對(duì)照組。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)設(shè)計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采集5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的抗干擾性進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)計(jì)算整理，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置抗干擾性對(duì)比

通過(guò)表1可得出如下的結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置抗干擾能力明顯強(qiáng)于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置。在相同電壓的情況下，采用孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置，具有更加安全、穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。因此，孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置是風(fēng)能和太陽(yáng)能等清潔能源儲(chǔ)存的重要手段。有理由加大孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置在風(fēng)能和太陽(yáng)能等清潔能源儲(chǔ)存中的應(yīng)用，為風(fēng)能和太陽(yáng)能等清潔能源儲(chǔ)存工作指明發(fā)展方向。因此，本文設(shè)計(jì)的孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置更符合對(duì)于清潔能源儲(chǔ)存穩(wěn)定性的實(shí)際要求。

3 結(jié) 論

儲(chǔ)能系統(tǒng)是未來(lái)智能電網(wǎng)的重要組成部分，儲(chǔ)能技術(shù)在接納風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等間歇性清潔能源入網(wǎng)方面也發(fā)揮著不可或缺的重要作用。在孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置進(jìn)行研究，是真正影響未來(lái)能源大格局的重要研究。一旦儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)上的突破，必將開(kāi)啟清潔能源發(fā)展之路。雖面臨諸多困難，但卻是大勢(shì)所趨。因此，隨著新能源發(fā)電技術(shù)、虛擬同步機(jī)技術(shù)和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的日漸成熟，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置必將迎來(lái)更大發(fā)展。