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(tuán)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(shí)施,電網(wǎng)逐步淘汰落后產(chǎn)能、關(guān)停老舊火電機(jī)組。電化學(xué)儲(chǔ)能以技術(shù)成熟、建設(shè)周期短的特點(diǎn)成為替代電源的首選。通過儲(chǔ)能電站建設(shè),可彌補(bǔ)火電機(jī)組退役后的供電緊張局面[1—3]。

電網(wǎng)調(diào)度機(jī)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(gè)或多個(gè)500 kV變電站為中心,帶動(dòng)220 kV地區(qū)負(fù)荷分片運(yùn)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(chǔ)能資源的集中管理,可實(shí)現(xiàn)削峰填谷和電能量時(shí)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(yùn)行安全。儲(chǔ)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(gè)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(jī)構(gòu)提供輔助決策的儲(chǔ)能資源聚合監(jiān)測手段,因此如何融合多儲(chǔ)能電站的電力和電量信息,擬合儲(chǔ)能資源整體的充放電能力,成為規(guī)?；瘍?chǔ)能調(diào)度控制中亟需解決的問題。

規(guī)模化儲(chǔ)能的優(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(xiàn)[9—11]中的混合能源系統(tǒng)利用儲(chǔ)能平滑風(fēng)電、光伏功率波動(dòng),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(xiàn)[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(chǔ)能系統(tǒng)的充放電行為,促進(jìn)了本地電力市場交易,節(jié)約了購電成本。文獻(xiàn)[14—15]通過日前和實(shí)時(shí)兩階段優(yōu)化、可變充放電功率控制,減小了峰谷差,實(shí)現(xiàn)了平滑負(fù)荷的目的。文獻(xiàn)[16—17]分析了儲(chǔ)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)?；瘍?chǔ)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(gè)維度分析多儲(chǔ)能電站的充放電能力,為調(diào)度主站端的儲(chǔ)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(chǔ)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?chǔ)能聚合特性分析

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(chǔ)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(jìn)行測量分量和充放電管理控制。調(diào)度主站從儲(chǔ)能電站上進(jìn)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(dòng)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(chǔ)能電站信息Table 1 Energy storage station information for AGC of dispatching center

差異化儲(chǔ)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(yùn)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(chǔ)能聚合后的電力和電量屬性轉(zhuǎn)換為功率與時(shí)間特性,并擬合特性曲線。

1.1 功率與可用時(shí)間特性

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

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

多儲(chǔ)能電站聚合功率與可用時(shí)間特性計(jì)算步驟為：

(1) 計(jì)算電站集群聚合后在設(shè)定功率Pset下的理論可用時(shí)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(shí)測、SOC上限和SOC下限；n為集群C的電站數(shù)量。

(2) 計(jì)算儲(chǔ)能電站的理論功率Pj。

(2)

(3)Pj與最大充/放電功率校驗(yàn)。

(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(shí),Pj分別降低充放電功率為Pcmx, j或Pdmx, j,儲(chǔ)能電站j在當(dāng)前SOC條件下,降低充放電功率延長可用時(shí)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(yùn)行約束。更新后集群的理論可用時(shí)間為Pset的可用時(shí)間。

計(jì)算覆蓋多電站聚合后不同充/放電功率之間的可用時(shí)間如圖2所示。

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

功率與可用時(shí)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(shí)間。

1.2 時(shí)間與可用功率特性

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

電站j滿足時(shí)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(chǔ)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(chǔ)能資源在不同時(shí)計(jì)算聚合后的最大可用充放電功率,如圖3所示。

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

時(shí)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(shí)間,用于評估儲(chǔ)能資源的削峰填谷能力或調(diào)峰深度。

2 儲(chǔ)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(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)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(yùn)行。

直調(diào)機(jī)組、清潔能源、需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷和儲(chǔ)能電站是電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)的主要調(diào)度控制手段。規(guī)模化儲(chǔ)能集中接入的電網(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(jī)組深度調(diào)峰、清潔能源出力波動(dòng)及火電調(diào)節(jié)能力不足等時(shí)段,通過規(guī)?；瘍?chǔ)能的集中控制,實(shí)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(chǔ)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(jì)劃平衡的削峰填谷和清潔能源波動(dòng)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?chǔ)能電站與輸變電斷面的關(guān)聯(lián)模型,分解分區(qū)內(nèi)受電斷面實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)潮流；PLd為分區(qū)負(fù)荷；PTg為分區(qū)內(nèi)除儲(chǔ)能外的電源總有功功率；PSt為分區(qū)內(nèi)儲(chǔ)能參與輸變電潮流控制的目標(biāo)。當(dāng)PT>PT,max時(shí),有：

PSt=PLd-PTg-PT,max

(8)

式中：PT,max為分區(qū)斷面限額。

2.1.2 計(jì)劃削峰填谷

在非越限時(shí)段,各儲(chǔ)能電站可自行決策跟蹤日前或日內(nèi)發(fā)電計(jì)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(jì)劃,并提前預(yù)留充足的電量,以備發(fā)用電平衡緊張時(shí)段使用。削峰填谷計(jì)劃編制方法可見文獻(xiàn)[14—15],此處不再贅述。

PSs=PSplan

(9)

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

2.1.3 清潔能源波動(dòng)平抑

利用多儲(chǔ)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(dòng)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(jì)劃值作為控制目標(biāo)參考值,計(jì)算平抑分區(qū)內(nèi)清潔能源出力的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)容量需求。

PSr=PRef-PCs

(10)

式中：PSr為分區(qū)內(nèi)儲(chǔ)能參與清潔能源波動(dòng)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(chǔ)能電站控制目標(biāo)

分區(qū)控制目標(biāo)的分配考慮各儲(chǔ)能電站的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行約束,兼顧充放電狀態(tài)和SOC一致性要求,計(jì)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(shí)時(shí)滾動(dòng)更新各儲(chǔ)能電站控制目標(biāo),實(shí)現(xiàn)聚合后分區(qū)控制目標(biāo)的閉環(huán)調(diào)整。

2.2.1 儲(chǔ)能電站間功率分配流程

分區(qū)內(nèi)儲(chǔ)能電站的功率分配流程如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)分區(qū)儲(chǔ)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(jì)分區(qū)內(nèi)不可控儲(chǔ)能電站的總有功功率,并計(jì)算可控儲(chǔ)能資源的調(diào)節(jié)目標(biāo),計(jì)算公式為：

(11)

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

(2) 根據(jù)可控儲(chǔ)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(chǔ)能電站,計(jì)算電站控制目標(biāo),以確保可控儲(chǔ)能電站出力調(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(chǔ)能電站實(shí)際出力與可控儲(chǔ)能資源的調(diào)節(jié)目標(biāo)方向反向的儲(chǔ)能電站,按照實(shí)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(chǔ)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(chǔ)能電站轉(zhuǎn)為依次靜止。

儲(chǔ)能電站j控制目標(biāo)Pdes,j為：

(12)

式中：u為與P′Ss反向的儲(chǔ)能電站j按照實(shí)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(chǔ)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(chǔ)能電站間功率分配策略

儲(chǔ)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(chǔ)能電站SOC趨于一致和提升分區(qū)內(nèi)儲(chǔ)能資源的利用效率。

(1) 可用電量比例?？捎秒娏慷x為：

(13)

式中：γj為儲(chǔ)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(chǔ)能電站控制目標(biāo)的初始分配結(jié)果為：

(14)

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

對初始分配結(jié)果與儲(chǔ)能電站最大充/放電功率進(jìn)行校驗(yàn),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(shí),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(chǔ)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(chǔ)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(yùn)行情況良好,能夠充分發(fā)揮儲(chǔ)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(chǔ)能電站分區(qū)聚合控制,除具備輸變電潮流控制、計(jì)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(shí)現(xiàn)分區(qū)內(nèi)可控儲(chǔ)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(shí)段電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)的4個(gè)可控儲(chǔ)能電站的運(yùn)行信息如表2所示。

表2 可控儲(chǔ)能電站的運(yùn)行信息Table 2 Operational information of controllable energy storage station

利用第1章儲(chǔ)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(jì)算繪制其功功率與可用時(shí)間、時(shí)間與可用功率的特性曲線見圖5。

圖5 電網(wǎng)分區(qū)儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)段,最大可提供22 MW的充電功率或62 MW的放電功率。

某個(gè)時(shí)段儲(chǔ)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(shí)時(shí)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(gè)越限時(shí)段持續(xù)時(shí)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(gè)越限時(shí)段的功率調(diào)整,2個(gè)時(shí)段之間各儲(chǔ)能電站跟蹤發(fā)電計(jì)劃,充電蓄能使SOC恢復(fù)。在斷面越限時(shí)段,則以輸電潮流的越限調(diào)整量作為儲(chǔ)能聚合的控制目標(biāo)。

采用可用電量比例分配策略,各儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)時(shí)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(chǔ)能電站的SOC與SOC平均值(不考慮儲(chǔ)能電站的裝機(jī)容量權(quán)重)的平均絕對誤差隨時(shí)間變化曲線,如圖8所示。

圖8 儲(chǔ)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(shí),SOC均衡作用減弱,這主要是由于儲(chǔ)能電站接近滿功率運(yùn)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(qiáng)。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(chǔ)能電站會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)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(shí),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(shí),宜采用可用電量比例分配,以充分發(fā)揮多儲(chǔ)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(chǔ)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(jī)組相比,儲(chǔ)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(chǔ)能的功率與時(shí)間特性可動(dòng)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(yùn)行工況決定分區(qū)內(nèi)儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能電站調(diào)度控制涉及調(diào)度計(jì)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(chǔ)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(jìn)一步的研究。

本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項(xiàng)目“規(guī)?；瘍?chǔ)能電站有功功率廣域協(xié)調(diào)控制技術(shù)”資助,謹(jǐn)此致謝！