華 珊，李軍徽，王 濤，張嘉輝，胡達(dá)珵，葛延峰

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司，長(zhǎng)春 130028；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽(yáng) 110006)

為了應(yīng)對(duì)化石能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，以風(fēng)力發(fā)電為代表的可再生能源得以發(fā)展和促進(jìn)。由于風(fēng)力發(fā)電具有波動(dòng)性、低功率密度及反調(diào)峰特性[1-2]，導(dǎo)致棄風(fēng)問(wèn)題突出。棄風(fēng)限電主要由于電網(wǎng)向下調(diào)峰能力不足以及輸電通道容量阻塞[3]引起。棄風(fēng)居高不下成為制約風(fēng)電發(fā)展的瓶頸，利用大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)適時(shí)吸收和釋放功率，可有效擴(kuò)展風(fēng)電接納可行域，提高風(fēng)電接納能力。

為有效消納風(fēng)電，很多學(xué)者分別針對(duì)輸電通道容量限制與利用規(guī)?；瘍?chǔ)能系統(tǒng)時(shí)間平移特性提高負(fù)荷低谷時(shí)段備用容量的控制策略方面做出了相關(guān)的研究，但基于綜合考慮風(fēng)電外送通道容量與電網(wǎng)向下調(diào)峰容量限制而利用儲(chǔ)能去提升風(fēng)電消納的研究較少。文獻(xiàn)[4]計(jì)及電網(wǎng)調(diào)峰容量不足引起的棄風(fēng)，適時(shí)調(diào)控儲(chǔ)能以松弛電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，使電網(wǎng)能夠騰出更多的向下調(diào)節(jié)容量接納風(fēng)電。文獻(xiàn)[5-6]應(yīng)用電池儲(chǔ)能削峰填谷，改善系統(tǒng)負(fù)備用不足的現(xiàn)狀以松弛電網(wǎng)調(diào)峰瓶頸未考慮風(fēng)電外送過(guò)程中通道容量的限制對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)功率的影響，導(dǎo)致風(fēng)電并網(wǎng)功率描述不夠全面，影響風(fēng)-儲(chǔ)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的準(zhǔn)確性。在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)過(guò)程中輸電容量不足造成的棄風(fēng)損失越來(lái)越嚴(yán)重的情況下，文獻(xiàn)[7-8]提出了利用儲(chǔ)能系統(tǒng)以改善輸電線路棄風(fēng)限電的模型，但并未考慮可送出風(fēng)電功率在電網(wǎng)中越限功率的消納問(wèn)題。

為此，本文綜合考慮風(fēng)電功率外送通道容量及電網(wǎng)向下調(diào)峰容量限制，提出了以系統(tǒng)運(yùn)行中風(fēng)電消納效果最優(yōu)為目標(biāo)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。

1 儲(chǔ)能輔助風(fēng)電入網(wǎng)機(jī)理分析

隨著風(fēng)電場(chǎng)群場(chǎng)群規(guī)模的擴(kuò)大，各風(fēng)電場(chǎng)時(shí)序功率相互抵消的事件會(huì)增加，從而導(dǎo)致場(chǎng)群最大功率標(biāo)幺值的遞減和持續(xù)出力時(shí)間的延長(zhǎng)，即存在匯聚效應(yīng)[9]。儲(chǔ)能輔助風(fēng)電集群外送聯(lián)網(wǎng)示意圖見(jiàn)圖1，圖中PCC為功率匯聚站；WF1、WF2、WFn為1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)，2號(hào)風(fēng)電場(chǎng)以及n號(hào)風(fēng)電場(chǎng)，PL與PT分別為負(fù)荷與火電機(jī)組功率。風(fēng)電功率匯聚后，可發(fā)風(fēng)電功率經(jīng)輸電通道外送,可送出風(fēng)電功率的多少要受到通道容量的限制。繼而并入電網(wǎng)參與系統(tǒng)調(diào)峰，風(fēng)電消納水平要受到電網(wǎng)中風(fēng)電接納可行域極限值的制約。

圖1 儲(chǔ)能輔助風(fēng)電集群外送聯(lián)網(wǎng)示意圖

1.1 棄風(fēng)成因分析

風(fēng)電功率匯聚后，若可發(fā)風(fēng)電功率超出外送輸電通道容量，便會(huì)產(chǎn)生部分輸電通道阻塞下的棄風(fēng)電量。在負(fù)荷曲線不變的前提下，電網(wǎng)對(duì)于可送出風(fēng)電功率的消納實(shí)質(zhì)上即為壓低火電機(jī)組出力，而由風(fēng)電替代此部分被削減的常規(guī)機(jī)組出力來(lái)匹配負(fù)荷。因此，電網(wǎng)能夠消納可送出風(fēng)電功率最大值實(shí)際上由所有常規(guī)機(jī)組最小出力與負(fù)荷需求量決定。若可送出風(fēng)電功率超出這個(gè)上限，為保證系統(tǒng)電壓與頻率的穩(wěn)定，便會(huì)產(chǎn)生棄風(fēng)。

在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段火電調(diào)峰機(jī)組留有的向下調(diào)節(jié)容量定義為低谷時(shí)段電網(wǎng)最大可接納風(fēng)電容量，其計(jì)算公式可表示為：

PWmax(t) =PLlow(t)-PGmin(t)

(1)

式中：t為系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行時(shí)刻；PLlow為低谷負(fù)荷需求；PGmin為火電機(jī)組最小出力值；PWmax為電網(wǎng)最大可接納風(fēng)電功率。

棄風(fēng)成因示意圖見(jiàn)圖2，如0到t1時(shí)段,會(huì)產(chǎn)生棄風(fēng)電量1；在負(fù)荷低谷時(shí)段PW數(shù)值超過(guò)PWmax，如0到t2時(shí)段，則會(huì)有棄風(fēng)電量2產(chǎn)生，PL為負(fù)荷需求。

圖2 棄風(fēng)成因示意圖

1.2 儲(chǔ)能提高風(fēng)電消納需求評(píng)估

在風(fēng)電外送過(guò)程中，當(dāng)滿(mǎn)足PW(t)-Pline>0的條件下，會(huì)有一部分棄風(fēng)電量Gt(為電網(wǎng)風(fēng)電接納極限值上的棄風(fēng)電量)產(chǎn)生。

(2)

式中:PW(t)為可發(fā)風(fēng)電功率；ft(t)為外送通道阻塞下的棄風(fēng)功率。

(3)

在滿(mǎn)足fP(t)-PWmax(t)>0的條件下，便會(huì)產(chǎn)生一部分棄風(fēng)電量Gz(為電網(wǎng)風(fēng)電接納極限值下的棄風(fēng)電量)。

(4)

式中fP(t)為可送出風(fēng)電功率。

(5)

式中fz(t)為電網(wǎng)風(fēng)電接納極限值下的棄風(fēng)功率。

(6)

通過(guò)調(diào)控儲(chǔ)能進(jìn)行適時(shí)吸收和釋放功率，在滿(mǎn)足其自身運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)相關(guān)約束下，可以相應(yīng)程度地消納上述多余的棄風(fēng)。

2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)

本文計(jì)及風(fēng)電外送輸電通道容量與電網(wǎng)中風(fēng)電接納可行域極限值兩方面約束下總的棄風(fēng)電量，以系統(tǒng)運(yùn)行的棄風(fēng)消納效果為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮風(fēng)電外送通道容量、風(fēng)電接納可行域極限值以及儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行狀態(tài)等約束條件，提出了基于風(fēng)電集群外送的電池儲(chǔ)能控制策略的設(shè)計(jì)。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以調(diào)控儲(chǔ)能動(dòng)作后，風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)中剩余棄風(fēng)電量最小為目標(biāo)，總體目標(biāo)函數(shù)如下：

F=min〔Gz(t)+Gt(t)-Gl(t)〕

(7)

式中Gl(t)為儲(chǔ)能系統(tǒng)多接納的風(fēng)電電量。

2.2 約束條件

約束條件為電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率平衡與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的自身約束(包括荷電狀態(tài)、充放電功率)等。

a.電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率平衡的等式約束：

PESS(t)+PW(t)+PG(t)=PL(t)

(8)

式中：PESS(t)為t時(shí)刻儲(chǔ)能充放電功率；PG(t)為t時(shí)刻火電機(jī)組出力。

b.常規(guī)火電機(jī)組出力及爬坡速率約束：

(9)

式中：PG,t+1、PGt分別為(t+1)時(shí)刻與t時(shí)刻的火電機(jī)組出力；Rmax為火電機(jī)組最大向上爬坡速率；Dmax為火電機(jī)組最大向下爬坡速率;g為重力加速度。

c.荷電狀態(tài)約束：

SOC(t)=SOC(t-1)+PC(t)gΔt/Em

(10)

SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax

(11)

式中：PC(t)為儲(chǔ)能總的充電功率；Em為儲(chǔ)能的額定容量；SOC為儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)；SOCmax、SOCmin分別為儲(chǔ)能荷電狀態(tài)上、下限。

d.充放電功率約束：

(12)

式中：Pc1(t)為儲(chǔ)能消納風(fēng)電外送通道容量約束下棄風(fēng)的充電功率；Pm為儲(chǔ)能的額定功率;ηc為充電效率。

Ps(t)=Pm-Pc1(t)

(13)

式中Ps(t)為儲(chǔ)能剩余的接納空間。

(14)

式中Pc2(t)為儲(chǔ)能消納風(fēng)電接納可行域極限值下棄風(fēng)的充電功率。

Pc(t)=Pc1(t)+Pc2(t)

(15)

0≤Pc(t)≤Pm

(16)

-Pm≤Pd(t)≤0

(17)

式中Pd(t)為儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電功率。

e.儲(chǔ)能充放電狀態(tài)約束：

Xt×Yt=0

(18)

式中Xt、Yt為儲(chǔ)能充放電狀態(tài)，其值為0、1，表明儲(chǔ)能同一時(shí)刻只能充電或放電。

基于上述目標(biāo)函數(shù)及約束條件，本文提出了基于風(fēng)電外送的電池儲(chǔ)能以提高風(fēng)電消納的控制策略，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3。將分為以下四個(gè)模塊進(jìn)行求解。

圖3 控制策略流程圖

模塊一：求解風(fēng)電外送通道容量下可送出風(fēng)電功率及棄風(fēng)功率，調(diào)控儲(chǔ)能動(dòng)作，確定出儲(chǔ)能可提供的剩余風(fēng)電接納空間。

模塊二：求解電網(wǎng)允許接納風(fēng)電最大值下的棄風(fēng)功率，若儲(chǔ)能可提供的剩余風(fēng)電接納空間高于此棄風(fēng)功率，則儲(chǔ)能足以接納全部棄風(fēng)電量，反之，仍會(huì)產(chǎn)生部分棄風(fēng)。

模塊三：確定出儲(chǔ)能現(xiàn)階段剩余可利用電量為：

Pnc(t)=〔SOCmax-SOC(t-1)〕×Em/Δt

(19)

模塊四：實(shí)時(shí)更新儲(chǔ)能充放電功率，若儲(chǔ)能剩余可利用電量大于Pc1(t)，即儲(chǔ)能足以接納全部基于輸電通道阻塞下的棄風(fēng)，同時(shí)可接納部分越出可行域限值下的棄風(fēng)；反之，只能滿(mǎn)足外送輸電容量下的棄風(fēng)需求；當(dāng)負(fù)荷高峰期且風(fēng)電接納空間尚有裕度時(shí)，調(diào)控儲(chǔ)能進(jìn)行放電。

3 算例分析

3.1 算例條件

選取我國(guó)某省某區(qū)域的風(fēng)電及負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該地區(qū)風(fēng)電總裝機(jī)容量為3 022 MW，包含三個(gè)風(fēng)電場(chǎng)群A(198 MW)，B(591 MW)，C(2 233 MW)?；痣姍C(jī)組在同一負(fù)荷高峰或低谷時(shí)段出力恒定，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為5 min。三個(gè)風(fēng)電場(chǎng)群匯聚功率外送輸電通道容量為2 057 MW，儲(chǔ)能選取以下四種類(lèi)型進(jìn)行分析，其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1[10]，其中循環(huán)壽命為100%DOD，DOD為放電深度。

表1 儲(chǔ)能計(jì)算參數(shù)

3.2 方案及結(jié)果分析

本文擬定兩個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置方案，進(jìn)而驗(yàn)證本控制策略的有效性。

方案1：將電池儲(chǔ)能配置在風(fēng)電場(chǎng)群功率匯聚點(diǎn)處，其中儲(chǔ)能配置的額定容量Em為400 MW·h，額定功率為100 MW。

方案2：將電池儲(chǔ)能分別配置在A、B、C三個(gè)場(chǎng)群功率外送出口處。所需配置的額定容量Ema、Emb、Emc分別為26.2、78.2和295.6 MW·h;額定功率Pma、Pmb、Pmc分別為6.5、19.5和74.0 MW。

3.2.1 兩種方案下運(yùn)行結(jié)果分析

方案1的棄風(fēng)功率曲線見(jiàn)圖4。當(dāng)可發(fā)風(fēng)電功率超出外送通道容量(0:05-2:15)時(shí)，產(chǎn)生部分棄風(fēng)功率，可利用儲(chǔ)能在滿(mǎn)足額定功率限額內(nèi)進(jìn)行充電；當(dāng)風(fēng)電可送出功率超出電網(wǎng)最大可接納風(fēng)電值(0:05-4:35)時(shí)，產(chǎn)生另一部分棄風(fēng)；在儲(chǔ)能剩余風(fēng)電接納空間內(nèi)并滿(mǎn)足荷電狀態(tài)不越限的情況下，可繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)充電。方案2的棄風(fēng)曲線見(jiàn)圖5。

圖4 棄風(fēng)功率曲線圖(方案1)

圖5 棄風(fēng)功率曲線圖(方案2)

兩種方案在配置不同種電池儲(chǔ)能后均會(huì)提高電網(wǎng)中棄風(fēng)消納水平，且棄風(fēng)消納量的多少與儲(chǔ)能充放電效率及自身荷電狀態(tài)限額相關(guān)。見(jiàn)圖6a，方案1配置鉛炭電池時(shí)，棄風(fēng)率改善幅度最小為14.6%，而配置磷酸鐵鋰電池電網(wǎng)中棄風(fēng)率改善幅度最大為28.6%。

見(jiàn)圖6b，方案2配置鉛炭電池時(shí)，棄風(fēng)率改善幅度最小為9.97%，而配置磷酸鐵鋰電池時(shí)，棄風(fēng)率改善幅度最大為19.53%。

圖6 配置不同類(lèi)型儲(chǔ)能系統(tǒng)前后電網(wǎng)中棄風(fēng)功率對(duì)比圖

圖7為方案1中儲(chǔ)能的充放電功率曲線，圖8為荷電狀態(tài)曲線圖，以鋰電池為例，當(dāng)可發(fā)風(fēng)電功率超出外送通道容量及電網(wǎng)允許風(fēng)電入網(wǎng)的最大值(0:00-4:00)時(shí)，儲(chǔ)能運(yùn)行功率大于0，處于充電狀態(tài)。當(dāng)負(fù)荷高峰期且在風(fēng)電接納空間尚有裕度(17:00-21:00)時(shí)，調(diào)控儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電。

圖7 充放電功率曲線(方案1)

圖8 SOC曲線(方案1)

3.2.2 兩種方案結(jié)果對(duì)比分析

在配置儲(chǔ)能前，兩種方案產(chǎn)生的棄風(fēng)為1 689.1 MW·h。調(diào)控儲(chǔ)能動(dòng)作后，系統(tǒng)中的棄鳳消納情況見(jiàn)表2。

表2中，GWH1和GWH2分別為兩方案配置儲(chǔ)能后系統(tǒng)中剩余的棄風(fēng)電量；ΔGw1和ΔGw2依次為兩個(gè)方案的棄風(fēng)率改善幅度。在全壽命周期內(nèi)，方案1中剩余的棄風(fēng)電量始終低于方案2中未消納的棄風(fēng)電量，其中采用鈉硫電池調(diào)控后電網(wǎng)中剩余棄風(fēng)量最小。在配置同種電池情況下，從棄風(fēng)率改善角度出發(fā)，方案1中棄風(fēng)率改善幅度也在一定程度上高于方案2，可知配置磷酸鐵鋰電池后系統(tǒng)中棄風(fēng)率改善幅度最大。

表2 兩種方案配置儲(chǔ)能后棄風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)電功率外送通道能力及電網(wǎng)中風(fēng)電接納可行域限制引起的棄風(fēng)問(wèn)題，提出了基于風(fēng)電外送的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，通過(guò)仿真分析，對(duì)比了兩種儲(chǔ)能配置方案在本控制策略下的運(yùn)行效果與分別加入不同中儲(chǔ)能前后系統(tǒng)中棄風(fēng)的消納效果，得到以下結(jié)論。

a.本文提出了儲(chǔ)能電池協(xié)調(diào)常規(guī)機(jī)組運(yùn)行的風(fēng)-儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化模型，儲(chǔ)能電池的加入，可以進(jìn)一步調(diào)高風(fēng)電的利用空間。

b.相比于單獨(dú)考慮輸電通道容量阻塞與電網(wǎng)中風(fēng)電接納最大值限制的控制策略，綜合考慮兩方面因素，提出了以系統(tǒng)中風(fēng)電消納效果最優(yōu)為目標(biāo)的電池儲(chǔ)能控制策略，可以顯著改善棄風(fēng)率，提高風(fēng)電的入網(wǎng)規(guī)模。

c.對(duì)比分析兩個(gè)儲(chǔ)能配置方案下的運(yùn)行效果，可知方案1下電網(wǎng)中棄風(fēng)消納效果更優(yōu)。依次配置4種儲(chǔ)能裝置，方案1中配置磷酸鐵鋰電池后，電網(wǎng)中剩余棄風(fēng)電量最少為822.63 MW·h且棄風(fēng)率改善幅度最大為28.6%。