陳兵,徐瑞,徐春雷,仇晨光,張琦兵,張小白

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212050；2. 南瑞集團有限公司(國網(wǎng) 電力科學(xué)研究院),江蘇 南京 211106；3. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司,江蘇 南京 210024)

0 引言

隨著工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和節(jié)能減排方針政策的實施,電網(wǎng)逐步淘汰落后產(chǎn)能、關(guān)停老舊火電機組。電化學(xué)儲能以技術(shù)成熟、建設(shè)周期短的特點成為替代電源的首選。通過儲能電站建設(shè),可彌補火電機組退役后的供電緊張局面[1—3]。

電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)依據(jù)地域?qū)㈦娋W(wǎng)劃分為若干子區(qū)域以降低調(diào)度控制的復(fù)雜度,形成由1個或多個500 kV變電站為中心,帶動220 kV地區(qū)負(fù)荷分片運行的網(wǎng)絡(luò)格局[4—5]。近年來清潔能源迅速發(fā)展,其出力不確定性和不同于常規(guī)電源的調(diào)峰特性引發(fā)潮流倒送和輸變電設(shè)備過載,加大了電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)輸變電潮流的控制難度[6—8]。通過儲能資源的集中管理,可實現(xiàn)削峰填谷和電能量時移,解決分布式電源的就近消納和并網(wǎng)問題,提升電網(wǎng)的運行安全。儲能電站單站容量小難以形成有效的調(diào)控資源,因此電網(wǎng)分區(qū)的平衡分析和調(diào)度控制應(yīng)關(guān)注整個分區(qū)或斷面下多電站聚合后整體的充放電特性。目前尚缺乏有效的可為調(diào)度機構(gòu)提供輔助決策的儲能資源聚合監(jiān)測手段,因此如何融合多儲能電站的電力和電量信息,擬合儲能資源整體的充放電能力,成為規(guī)模化儲能調(diào)度控制中亟需解決的問題。

規(guī)?；瘍δ艿膬?yōu)化控制技術(shù)在國內(nèi)外學(xué)術(shù)領(lǐng)域已有廣泛而深入的研究。文獻[9—11]中的混合能源系統(tǒng)利用儲能平滑風(fēng)電、光伏功率波動,提升清潔能源的并網(wǎng)接入能力和市場交易的可行性。文獻[12—13]中的聯(lián)網(wǎng)型微電網(wǎng)利用負(fù)荷和清潔能源預(yù)測優(yōu)化儲能系統(tǒng)的充放電行為,促進了本地電力市場交易,節(jié)約了購電成本。文獻[14—15]通過日前和實時兩階段優(yōu)化、可變充放電功率控制,減小了峰谷差,實現(xiàn)了平滑負(fù)荷的目的。文獻[16—17]分析了儲能在不同調(diào)度應(yīng)用場景下參與大功率缺失故障的快速調(diào)頻及與負(fù)荷協(xié)同的需求側(cè)響應(yīng),并提出了容量配置方法。

文中針對規(guī)模化儲能電站接入的電網(wǎng)分區(qū),利用聚合分析算法,從電力和電量2個維度分析多儲能電站的充放電能力,為調(diào)度主站端的儲能電站集群的快速功率控制、負(fù)荷趨勢跟蹤提供決策依據(jù)；在歸納電網(wǎng)分區(qū)控制目標(biāo)的基礎(chǔ)上,提出儲能電站參與分區(qū)控制的分配策略,以滿足電網(wǎng)分區(qū)正常情況下的發(fā)用電平衡、緊急情況下的斷面安全要求。

1 規(guī)?；瘍δ芫酆咸匦苑治?/h2>

電池單體以荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)和健康度(state of health,SOH)評估電池的潛在電能,衡量儲存和輸送電能的能力。電池管理系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)對站內(nèi)電池和電池組進行測量分量和充放電管理控制。調(diào)度主站從儲能電站上進行信息抽取和建模,其上傳信息包括：有功功率、SOC量測、SOC上/下限、最大充/放電功率、充/放電閉鎖等。調(diào)度主站自動發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)控制建模的接入信息,如表1所示。遙測量約定充電功率為負(fù),放電功率為正。

表1 調(diào)度主站AGC控制接入儲能電站信息Table 1 Energy storage station information for AGC of dispatching center

差異化儲能電站的聚合并非電力和電量的簡單累加,取決于各電站的運行約束和電站間的功率分配策略。因此,以電能量最大化利用為目標(biāo),將儲能聚合后的電力和電量屬性轉(zhuǎn)換為功率與時間特性,并擬合特性曲線。

1.1 功率與可用時間特性

功率與可用時間特性可描述滿足某一有功功率的最大持續(xù)可用時間,該特性主要取決于分配策略下可用時間最短的儲能電站。通過站間動態(tài)聚合和分解協(xié)調(diào)計算,可提高計算效率且減少分配策略導(dǎo)致的調(diào)節(jié)資源浪費。計算流程如圖1所示。

圖1 多儲能電站聚合功率與可用時間特性計算流程Fig. 1 Computing flow of power and available time characteristics for energy storage stations cluster

多儲能電站聚合功率與可用時間特性計算步驟為：

(1) 計算電站集群聚合后在設(shè)定功率Pset下的理論可用時間t0。

(1)

式中：Pcap, j為電站j的容量,MW·h；Sj,Smin, j,Smax, j分別為電站j的SOC實測、SOC上限和SOC下限；n為集群C的電站數(shù)量。

(2) 計算儲能電站的理論功率Pj。

(2)

(3)Pj與最大充/放電功率校驗。

(3)

式中：Pcmx, j,Pdmx, j分別為電站j的最大充、放電功率。

當(dāng)PjPdmx, j時,Pj分別降低充放電功率為Pcmx, j或Pdmx, j,儲能電站j在當(dāng)前SOC條件下,降低充放電功率延長可用時間。電站j退出初始化集群并更新設(shè)定功率Pset(k)為：

Pset(k)=Pset(k-1)-Pj

(4)

式中：k為設(shè)定功率Pset的迭代次數(shù),為更新后集群的設(shè)定功率,其中Pset(0)=Pset。

(4) 返回(1)迭代直到滿足各電站運行約束。更新后集群的理論可用時間為Pset的可用時間。

計算覆蓋多電站聚合后不同充/放電功率之間的可用時間如圖2所示。

圖2 多儲能電站聚合功率與可用時間特性Fig.2 Power and available time characteristics of energy storage stations cluster

功率與可用時間特性可應(yīng)用在斷面越限、不平衡功率的調(diào)整中,根據(jù)確定的功率調(diào)節(jié)需求預(yù)估電能量支撐時間。

1.2 時間與可用功率特性

時間與可用功率,描述滿足某一時間要求的最大可用充放電功率,由儲能電站根據(jù)時間反推理論充放電功率校驗后得到。

電站j滿足時間tset的最大可用充放電功率分別為：

(5)

式中：Pc, j為電站j的最大可用充電功率,取負(fù)值；Pd, j為電站j的最大可用放電功率,取正值。

儲能電站集群聚合后的最大可用充電和放電功率則分別由各電站的Pc, j和Pd, j累加得到：

(6)

聚合儲能資源在不同時計算聚合后的最大可用充放電功率,如圖3所示。

圖3 多儲能電站聚合時間與可用功率特性Fig.3 Time and charging/discharging power cha- racteristics of energy storage stations cluster

時間與可用功率特性可用在已知負(fù)荷高峰或低谷持續(xù)時間,用于評估儲能資源的削峰填谷能力或調(diào)峰深度。

2 儲能分區(qū)聚合控制

在電網(wǎng)分區(qū)電力平衡緊張狀態(tài)下,省級電網(wǎng)實時調(diào)度運行可通過分區(qū)間負(fù)荷快速轉(zhuǎn)移等預(yù)控措施維持分區(qū)內(nèi)發(fā)用電平衡,避免穩(wěn)態(tài)及N-1故障下主變或輸電斷面潮流越限,確保電網(wǎng)安全運行。

直調(diào)機組、清潔能源、需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷和儲能電站是電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)的主要調(diào)度控制手段。規(guī)?；瘍δ芗薪尤氲碾娋W(wǎng)分區(qū),可在分區(qū)負(fù)荷高峰和低谷、清潔能源大發(fā)且火電機組深度調(diào)峰、清潔能源出力波動及火電調(diào)節(jié)能力不足等時段,通過規(guī)模化儲能的集中控制,實施合理的電能量調(diào)度,解決輸電線路阻塞、變壓器峰值負(fù)荷與潮流控制問題。

2.1 分區(qū)控制目標(biāo)

根據(jù)電網(wǎng)分區(qū)發(fā)用電平衡、輸變電潮流控制需求,分區(qū)內(nèi)儲能資源聚合調(diào)度控制的目標(biāo)可歸納為：越限主變或輸電線路的潮流調(diào)整、計劃平衡的削峰填谷和清潔能源波動平抑。

2.1.1 輸變電潮流控制

根據(jù)分區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣δ茈娬九c輸變電斷面的關(guān)聯(lián)模型,分解分區(qū)內(nèi)受電斷面實時潮流的發(fā)電和負(fù)荷成分,并將斷面潮流控制在限值范圍以內(nèi),相關(guān)關(guān)系可表示為：

PT=PLd-PTg-PSt

(7)

式中：PT為分區(qū)斷面實時潮流；PLd為分區(qū)負(fù)荷；PTg為分區(qū)內(nèi)除儲能外的電源總有功功率；PSt為分區(qū)內(nèi)儲能參與輸變電潮流控制的目標(biāo)。當(dāng)PT>PT,max時,有：

PSt=PLd-PTg-PT,max

(8)

式中：PT,max為分區(qū)斷面限額。

2.1.2 計劃削峰填谷

在非越限時段,各儲能電站可自行決策跟蹤日前或日內(nèi)發(fā)電計劃,或由分區(qū)統(tǒng)一調(diào)配執(zhí)行調(diào)度削峰填谷發(fā)電計劃,并提前預(yù)留充足的電量,以備發(fā)用電平衡緊張時段使用。削峰填谷計劃編制方法可見文獻[14—15],此處不再贅述。

PSs=PSplan

(9)

式中：PSs為分區(qū)內(nèi)儲能參與計劃削峰填谷的目標(biāo)；PSplan為儲能分區(qū)削峰填谷計劃。

2.1.3 清潔能源波動平抑

利用多儲能電站聚合可形成可觀的調(diào)節(jié)資源,其用于風(fēng)光平滑控制,緩解分區(qū)內(nèi)清潔能源出力大幅度波動引起的電能質(zhì)量持續(xù)惡化。

利用清潔能源出力的濾波結(jié)果[9]或計劃值作為控制目標(biāo)參考值,計算平抑分區(qū)內(nèi)清潔能源出力的儲能調(diào)節(jié)容量需求。

PSr=PRef-PCs

(10)

式中：PSr為分區(qū)內(nèi)儲能參與清潔能源波動平抑的目標(biāo)；PRef為分區(qū)清潔能源出力目標(biāo)參考值；PCs為分區(qū)清潔能源有功出力。

2.2 儲能電站控制目標(biāo)

分區(qū)控制目標(biāo)的分配考慮各儲能電站的運行狀態(tài)和運行約束,兼顧充放電狀態(tài)和SOC一致性要求,計算滿足分區(qū)控制目標(biāo)的最小調(diào)整容量。為避免電池充放電效率和性能衰減等因素引起SOC變化不一致的問題,實時滾動更新各儲能電站控制目標(biāo),實現(xiàn)聚合后分區(qū)控制目標(biāo)的閉環(huán)調(diào)整。

2.2.1 儲能電站間功率分配流程

分區(qū)內(nèi)儲能電站的功率分配流程如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)分區(qū)儲能電站功率分配數(shù)據(jù)流程Fig.4 Data flow of power dispatching among energy storage stations in power subarea division

(1) 統(tǒng)計分區(qū)內(nèi)不可控儲能電站的總有功功率,并計算可控儲能資源的調(diào)節(jié)目標(biāo),計算公式為：

(11)

式中：P′Ss為分區(qū)內(nèi)可控儲能的調(diào)節(jié)目標(biāo)；l為分區(qū)內(nèi)不可控儲能電站數(shù)；Pgen,j為電站j的實際出力。

(2) 根據(jù)可控儲能資源的調(diào)節(jié)目標(biāo),按充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換、功率調(diào)整的原則依次調(diào)用可控儲能電站,計算電站控制目標(biāo),以確?？煽貎δ茈娬境隽φ{(diào)整方向一致且控制目標(biāo)處于相同的充放電狀態(tài)。

狀態(tài)轉(zhuǎn)換：篩選出儲能電站實際出力與可控儲能資源的調(diào)節(jié)目標(biāo)方向反向的儲能電站,按照實際出力幅值遞減的順序依次調(diào)用,直到調(diào)節(jié)目標(biāo)分配結(jié)束為止。若調(diào)節(jié)目標(biāo)為正,將處于充電狀態(tài)的儲能電站依次轉(zhuǎn)為靜止(即0功率)；反之,若調(diào)節(jié)目標(biāo)為負(fù),將處于放電狀態(tài)的儲能電站轉(zhuǎn)為依次靜止。

儲能電站j控制目標(biāo)Pdes,j為：

(12)

式中：u為與P′Ss反向的儲能電站j按照實際出力幅值由大到小排序的調(diào)用序號；P′Ss(0)=P′Ss；P′Ss(u)=P′Ss(u-1)+Pgen,u-1(u≥1)。

功率調(diào)整：若狀態(tài)轉(zhuǎn)換無法滿足調(diào)節(jié)目標(biāo)要求,則在各可控儲能電站間采用可用電量比例或SOC裕度優(yōu)先級的原則分配剩余的調(diào)節(jié)目標(biāo)。

2.2.2 儲能電站間功率分配策略

儲能電站間功率分配考慮電站間SOC的差異化分布,提出了可用電量比例和SOC裕度優(yōu)先級2種分配策略,以確保分區(qū)內(nèi)儲能電站SOC趨于一致和提升分區(qū)內(nèi)儲能資源的利用效率。

(1) 可用電量比例。可用電量定義為：

(13)

式中：γj為儲能電站j的可用電量；P″Ss為經(jīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換后剩余的待分配容量。

儲能電站控制目標(biāo)的初始分配結(jié)果為：

(14)

式中：Pdes,j為儲能電站j的控制目標(biāo)；n為可控儲能電站總數(shù)。

對初始分配結(jié)果與儲能電站最大充/放電功率進行校驗,對初始分配結(jié)果迭代修正：

① 當(dāng)分配結(jié)果Pdes, j≤Pcmx, j或Pdes, j≥Pdmx, j時,則Pdes, j分別修正為Pcmx, j或Pdmx, j。

② 當(dāng)分配結(jié)果Pdes, j>Pcmx, j或Pdes, j

(15)

式中：P′des, j為電站j的控制目標(biāo)；m為有可調(diào)裕度的電站總數(shù)；n-m為已修正電站總數(shù)。

(2) SOC裕度優(yōu)先級。SOC裕度定義為：

(16)

式中：ηj為儲能電站j的SOC裕度。

按照SOC裕度從大到小的順序依次調(diào)用,儲能電站控制目標(biāo)為：

(17)

式中：m為SOC裕度從大到小排序的序號。

3 算例分析

文中所提的方法已應(yīng)用于國內(nèi)某省電力調(diào)度控制中心,目前運行情況良好,能夠充分發(fā)揮儲能資源的規(guī)模聚合特性,解決分區(qū)發(fā)用電平衡和斷面安全問題。儲能電站分區(qū)聚合控制,除具備輸變電潮流控制、計劃削峰填谷功能外,增加了調(diào)度人工干預(yù)的“一鍵充電”、“一鍵放電”和“設(shè)定目標(biāo)”,實現(xiàn)分區(qū)內(nèi)可控儲能電站一鍵滿功率充電或放電,設(shè)定目標(biāo)的快速跟蹤調(diào)節(jié),以適應(yīng)突發(fā)情況的調(diào)度緊急控制需求。某時段電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)的4個可控儲能電站的運行信息如表2所示。

表2 可控儲能電站的運行信息Table 2 Operational information of controllable energy storage station

利用第1章儲能聚合特性分析方法,考慮SOC上限和下限、充放電功率約束,計算繪制其功功率與可用時間、時間與可用功率的特性曲線見圖5。

圖5 電網(wǎng)分區(qū)儲能聚合特性Fig.5 Aggregation characteristic of energy storage stations cluster in power subarea division

由圖5可知,聚合電源60 MW放電功率可維持89 min,由于各儲能電站SOC處于高位,60 MW充電功率可維持21 min。在1 h的調(diào)峰時段,最大可提供22 MW的充電功率或62 MW的放電功率。

某個時段儲能參與電網(wǎng)分區(qū)的輸變電潮流控制,斷面限額、負(fù)荷預(yù)測趨勢和實時潮流曲線見圖6。

圖6 分區(qū)斷面潮流歷史Fig.6 Section power flowin power subarea division

由圖6可知,2個越限時段持續(xù)時間分別為1 h和20 min左右,預(yù)測峰值負(fù)荷的越限容量分別為60 MW和35 MW,為順利支撐2個越限時段的功率調(diào)整,2個時段之間各儲能電站跟蹤發(fā)電計劃,充電蓄能使SOC恢復(fù)。在斷面越限時段,則以輸電潮流的越限調(diào)整量作為儲能聚合的控制目標(biāo)。

采用可用電量比例分配策略,各儲能電站的有功出力在最大充放電功率范圍內(nèi)調(diào)整如圖7所示,根據(jù)越限斷面的調(diào)節(jié)需求,各儲能電站出力同增同減并處于同一充放電狀態(tài),以配合解除斷面越限。

圖7 儲能電站有功出力Fig.7 Active power of energy storage stations

可用電量比例和SOC裕度優(yōu)先級策略均可在實時調(diào)節(jié)過程中縮小站間SOC差異,2種方法在不同聚合功率控制目標(biāo)下各儲能電站的SOC與SOC平均值(不考慮儲能電站的裝機容量權(quán)重)的平均絕對誤差隨時間變化曲線,如圖8所示。

圖8 儲能電站間SOC平均絕對誤差Fig.8 Mean absolute error of SOC among energy storage stations

圖8(a)反映SOC裕度優(yōu)先級策略在充放電功率大于最大充放電功率的90%時,SOC均衡作用減弱,這主要是由于儲能電站接近滿功率運行,策略對出力的調(diào)整空間有限。圖8(b)反映可用電量比例策略的SOC均衡作用,隨著充放電功率的增大,功率分配的差異化愈加明顯而增強。在SOC均衡效果上,SOC裕度優(yōu)先級策略優(yōu)于可用電量比例策略,這是由于后者基于分配系數(shù)同步調(diào)用各儲能電站會導(dǎo)致儲能電站SOC同向變化,SOC變化趨于一致對收斂性要求較高。因此,在電站間SOC差異過大時,建議優(yōu)先采用SOC裕度優(yōu)先級分配,以快速縮小電站間SOC差異；在電網(wǎng)分區(qū)斷面越限調(diào)整或快速功率控制時,宜采用可用電量比例分配,以充分發(fā)揮多儲能電站協(xié)同的快速功率調(diào)節(jié)優(yōu)勢。

4 結(jié)語

針對電網(wǎng)分區(qū)的大規(guī)模清潔能源接入,文中從電網(wǎng)調(diào)度角度探討了多儲能電站聚合后用于平衡控制的資源特性和電站間的功率分配策略。與常規(guī)能源機組相比,儲能電量空間有限且與充放電行為密切相關(guān)。參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的過程將涉及復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化和功率自變量與電量因變量交互影響的過程,通過擬合儲能的功率與時間特性可動態(tài)提取其可調(diào)度能力信息。調(diào)度人員根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)運行工況決定分區(qū)內(nèi)儲能電源聚合的控制目標(biāo),站間功率分配則在策略層面規(guī)避了多儲能電站充放電狀態(tài)不一致和SOC過于分散化的問題。由于儲能電站調(diào)度控制涉及調(diào)度計劃優(yōu)化、調(diào)頻和調(diào)峰輔助服務(wù)等一系列課題,未來將在儲能調(diào)度控制行為優(yōu)化和頻率協(xié)調(diào)控制等方面展開進一步的研究。

本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項目“規(guī)?；瘍δ茈娬居泄β蕪V域協(xié)調(diào)控制技術(shù)”資助,謹(jǐn)此致謝！