王 穎,祝士焱,許 寅,和敬涵
(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京 100044)
近年來,國際上發(fā)生多起因極端事件引發(fā)的大停電事故,造成了巨大損失,電網(wǎng)韌性受到廣泛關(guān)注[1-2]。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo),構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是必由之路。然而,新能源大規(guī)模接入為電網(wǎng)安全及韌性提升帶來了巨大挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能是支撐新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備,對(duì)推動(dòng)能源綠色轉(zhuǎn)型、提升極端事件應(yīng)對(duì)能力、保障能源安全、支撐應(yīng)對(duì)氣候變化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義。我國國家發(fā)改委和能源局于2021年7月正式發(fā)布了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》[3],提出到2025 年實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變,積極推動(dòng)電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)儲(chǔ)能多元化發(fā)展,探索儲(chǔ)能融合發(fā)展新場(chǎng)景,并圍繞重要負(fù)荷用戶需求,建設(shè)一批移動(dòng)式或固定式儲(chǔ)能,提升應(yīng)急供電保障能力。極端事件導(dǎo)致大停電后,利用配電網(wǎng)內(nèi)多種類型儲(chǔ)能和分布式電源快速恢復(fù)網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷,有助于減小停電損失,提升電網(wǎng)韌性[4]。
目前,已有相關(guān)研究考慮利用配電網(wǎng)內(nèi)的儲(chǔ)能、微電網(wǎng)和分布式電源等實(shí)現(xiàn)極端事件后網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷恢復(fù),并取得了一定進(jìn)展。文獻(xiàn)[5]提出多源協(xié)同的恢復(fù)思路,充分利用配電網(wǎng)內(nèi)多種資源進(jìn)行恢復(fù),形成盡可能大的孤島,實(shí)現(xiàn)多源在時(shí)空維度的協(xié)同;文獻(xiàn)[6]考慮到極端事件導(dǎo)致的停電時(shí)間較長(zhǎng),提出了含分布式電源和儲(chǔ)能的配電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)多時(shí)段決策模型;文獻(xiàn)[7]提出了含分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)交直流混合配電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)策略,考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率限制約束和荷電狀態(tài)SOC(State Of Charge)約束;文獻(xiàn)[8]提出了考慮微能源網(wǎng)支撐作用的配電網(wǎng)韌性提升策略,包括滾動(dòng)停電管理方案和故障恢復(fù)方案,考慮了儲(chǔ)能裝置剩余能量的影響。上述研究在對(duì)儲(chǔ)能建模時(shí)均進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理,僅考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率約束和荷電狀態(tài)約束,并未具體考慮不同類型儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行特點(diǎn)和功能特點(diǎn)。
實(shí)際上,極端事件后利用本地資源恢復(fù)負(fù)荷形成的電氣孤島系統(tǒng)需要持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間,在整個(gè)過程中涉及多個(gè)負(fù)荷接入的操作,會(huì)造成較大的頻率波動(dòng),為臨時(shí)孤島的平穩(wěn)運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)[9]。此外,在以往的負(fù)荷恢復(fù)研究中,通常假設(shè)配電網(wǎng)內(nèi)各類分布式電源和儲(chǔ)能的爬坡能力極強(qiáng),并忽略功率變化的爬坡時(shí)間。然而實(shí)際上,各類電源或儲(chǔ)能的負(fù)荷跟隨能力均有所差異[10],在這種假設(shè)下得到的恢復(fù)策略在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能難以適用。
面對(duì)上述挑戰(zhàn),充分發(fā)揮和利用各類新型儲(chǔ)能設(shè)備快速靈活的反應(yīng)能力和雙向功率吞吐特性,可提升配電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)安全水平和運(yùn)行效果。按照不同類型儲(chǔ)能裝置的主要功能,可分為以蓄電池和壓縮空氣儲(chǔ)能為代表的能量型儲(chǔ)能和以超級(jí)電容裝置為代表的功率型儲(chǔ)能[11]。在負(fù)荷恢復(fù)接入操作瞬間利用功率型儲(chǔ)能快速平抑系統(tǒng)功率波動(dòng),其他能量型儲(chǔ)能和分布式電源按照決策的計(jì)劃進(jìn)行爬坡,后續(xù)為功率型儲(chǔ)能充電并為系統(tǒng)提供能量支撐,不同功能類型的儲(chǔ)能協(xié)同互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的恢復(fù)效果。
本文針對(duì)含壓縮空氣儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容3 種儲(chǔ)能設(shè)備的配電網(wǎng),研究考慮多類型儲(chǔ)能協(xié)同的配電網(wǎng)多時(shí)段重要負(fù)荷恢復(fù)方法,實(shí)現(xiàn)不同類型的儲(chǔ)能在恢復(fù)過程中的協(xié)調(diào)配合,確保功率、能量在時(shí)空維度的最優(yōu)配置,提升負(fù)荷恢復(fù)效果。
本文針對(duì)極端事件導(dǎo)致的大停電后,大電網(wǎng)在短時(shí)內(nèi)無法為配電網(wǎng)及時(shí)送電的場(chǎng)景[5],以含壓縮空氣儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容等儲(chǔ)能設(shè)備和柴油機(jī)等分布式電源的配電網(wǎng)為研究對(duì)象,沿用“多源協(xié)同”恢復(fù)思路[4],考慮多類型儲(chǔ)能與分布式電源功能特點(diǎn)、出力響應(yīng)特性,研究多類型儲(chǔ)能與電源協(xié)同配合的重要負(fù)荷恢復(fù)方法,實(shí)時(shí)決策當(dāng)前停電場(chǎng)景下利用本地資源能夠恢復(fù)負(fù)荷的情況及相應(yīng)電源出力的策略,為實(shí)際配電網(wǎng)的自愈恢復(fù)決策提供支撐。
由于極端事件導(dǎo)致的大停電事件一般停電時(shí)間較長(zhǎng),儲(chǔ)能、柴油機(jī)等電源在災(zāi)害情況下一般無法及時(shí)得到外界的電量或燃料供給,因此制定恢復(fù)策略時(shí)應(yīng)考慮有限的能量在時(shí)間維度的優(yōu)化配置[5]。此外,恢復(fù)過程中涉及接入負(fù)荷操作,突增負(fù)荷可能導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)頻率越限[9],使無主網(wǎng)支撐的孤島配電網(wǎng)發(fā)生崩潰。而功率型儲(chǔ)能響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng),可快速平衡突增負(fù)荷。另外,應(yīng)考慮能量型儲(chǔ)能和柴油機(jī)等電源的功率爬坡問題,避免因樂觀估計(jì)其功率響應(yīng)速度導(dǎo)致的功率或能量分配不合理問題。
綜上所述,恢復(fù)策略的制定應(yīng)以負(fù)荷恢復(fù)效果最大化為目標(biāo),考慮各類儲(chǔ)能和分布式電源有限的能量約束、功率響應(yīng)速度約束和運(yùn)行約束,以及配電網(wǎng)潮流約束等,決策各時(shí)段負(fù)荷恢復(fù)集合、各類型儲(chǔ)能及分布式電源功率曲線,通過功率型和能量型儲(chǔ)能協(xié)同互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)有限的功率和能量在時(shí)空維度的優(yōu)化配置。
然而,實(shí)現(xiàn)多類型儲(chǔ)能協(xié)同的負(fù)荷恢復(fù)決策需要解決以下挑戰(zhàn):物理層面上,各類型儲(chǔ)能和分布式電源的響應(yīng)速度各異,在恢復(fù)中涉及多個(gè)時(shí)間尺度的協(xié)調(diào)配合問題,難以統(tǒng)籌兼顧;方法層面上,恢復(fù)決策問題須解決能量和功率在時(shí)間維度的優(yōu)化分配,涉及諸多難以在統(tǒng)一時(shí)間尺度下建立的約束條件,因此難以建立統(tǒng)一的優(yōu)化決策模型求解。
針對(duì)多類型儲(chǔ)能協(xié)同的負(fù)荷恢復(fù)決策面臨的挑戰(zhàn),本文提出的兩階段協(xié)同恢復(fù)方法框架見圖1。
圖1 兩階段協(xié)同恢復(fù)方法框架Fig.1 Two-stage coordinated restoration framework
本文假設(shè)停電后至大電網(wǎng)恢復(fù)送電的停電時(shí)間為T,將T劃分為n個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)為幾分鐘至十幾分鐘。第一階段考慮能量型儲(chǔ)能和分布式發(fā)電機(jī),同時(shí)考慮與第二階段的協(xié)同約束,建立優(yōu)化決策模型,確定各時(shí)段負(fù)荷恢復(fù)集合及多源計(jì)劃功率曲線,相當(dāng)于確定能量的優(yōu)化配置;第二階段為有負(fù)荷突增時(shí)段的多源協(xié)同配合策略,需要考慮各能量型儲(chǔ)能和電源第一階段的能量分配、功率型儲(chǔ)能運(yùn)行策略和各源的爬坡特性,確定各類儲(chǔ)能及分布式電源功率曲線,相當(dāng)于確定功率的配置策略。
兩階段協(xié)同恢復(fù)框架下的多儲(chǔ)能協(xié)同示意圖如圖2 所示。由圖可見,兩階段協(xié)同恢復(fù)方法根據(jù)多類型儲(chǔ)能協(xié)同的特點(diǎn)對(duì)整個(gè)恢復(fù)問題進(jìn)行解耦處理,先從整體能量最優(yōu)分配的角度,主要考慮能量型儲(chǔ)能和分布式電源的能量支撐,確定較大的時(shí)間細(xì)粒度下能量的優(yōu)化配置,同時(shí)可大致確定各個(gè)能量型儲(chǔ)能和電源的計(jì)劃功率;再針對(duì)有負(fù)荷突增的時(shí)段,考慮功率型儲(chǔ)能的快速功率支撐,以彌補(bǔ)負(fù)荷突增和能量型儲(chǔ)能及分布式電源的爬坡過程,同時(shí)確定為功率型儲(chǔ)能充電恢復(fù)至正常狀態(tài)的協(xié)同策略,從而確定較小時(shí)間細(xì)粒度下功率的優(yōu)化配置。
圖2 兩階段協(xié)同恢復(fù)框架下的多類型儲(chǔ)能協(xié)同示意圖Fig.2 Coordination among multiple types of energy storage under two-stage coordinated restoration framework
第一階段的任務(wù)是建立考慮包括壓縮空氣儲(chǔ)能和蓄電池在內(nèi)的運(yùn)行特性的多時(shí)段恢復(fù)模型,確定各個(gè)能量型儲(chǔ)能和分布式電源有限能量的優(yōu)化配置方案。下面分別對(duì)優(yōu)化決策模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行闡述。
以最大化為加權(quán)負(fù)荷持續(xù)供電的時(shí)間為恢復(fù)目標(biāo),將能量型儲(chǔ)能和分布式發(fā)電機(jī)的能量進(jìn)行優(yōu)化分配,在等待大電網(wǎng)恢復(fù)供電期間,先一步恢復(fù)關(guān)鍵負(fù)荷并對(duì)其提供更長(zhǎng)時(shí)間的支撐。
3.2.1 配電系統(tǒng)運(yùn)行約束
配電系統(tǒng)運(yùn)行約束包括潮流約束、輻射狀拓?fù)浼s束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、線路電流約束以及分布式發(fā)電機(jī)出力和有限能量約束等,具體說明詳見文獻(xiàn)[5],本文不再贅述。
3.2.2 蓄電池儲(chǔ)能運(yùn)行約束
蓄電池儲(chǔ)能具備較高的能量密度與功率密度,且響應(yīng)時(shí)間在秒級(jí)。同時(shí),蓄電池儲(chǔ)能的循環(huán)效率可達(dá)到90%,遠(yuǎn)高于壓縮空氣儲(chǔ)能,是目前最成熟、應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能方式[11]。在恢復(fù)問題中蓄電池儲(chǔ)能為重要負(fù)荷恢復(fù)提供能量支撐,采用荷電狀態(tài)描述蓄電池儲(chǔ)能的可用容量狀態(tài),相關(guān)約束包括:
3.2.3 壓縮空氣儲(chǔ)能運(yùn)行約束
壓縮空氣儲(chǔ)能可以進(jìn)行較大容量的電能儲(chǔ)存,屬于典型的能量型儲(chǔ)能,其響應(yīng)時(shí)間通常在分鐘級(jí)[12]。壓縮空氣儲(chǔ)能循環(huán)壽命長(zhǎng)、無污染,是極具前景的儲(chǔ)能方式[13]。本文建模采用先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(AA_CAES),簡(jiǎn)化的AA_CAES 系統(tǒng)可分為電氣和熱力2個(gè)部分[14],恢復(fù)中需要考慮其運(yùn)行特性。
1)電氣部分,即:
3.2.4 協(xié)同運(yùn)行約束
第二階段的多源協(xié)同配合需要考慮能量型儲(chǔ)能和分布式電源的爬坡過程,為了確保第二階段為超級(jí)電容充電時(shí)新增功率部分(詳見下文)不會(huì)超出發(fā)電機(jī)出力上限,則第一階段決策的計(jì)劃功率應(yīng)留有向上調(diào)節(jié)的空間,即:
綜上所述,將第一階段考慮能量型儲(chǔ)能運(yùn)行特性的多時(shí)段恢復(fù)問題建立為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃(MISOCP)模型,可利用商業(yè)求解器(如MOSEK[15])有效求解。
超級(jí)電容儲(chǔ)能功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng),具有極快的功率響應(yīng)速度,其響應(yīng)時(shí)間通常為毫秒級(jí)[14],在恢復(fù)過程中可認(rèn)為超級(jí)電容儲(chǔ)能的功率是隨控制指令瞬間完成的[16],特別適合承擔(dān)負(fù)荷恢復(fù)操作過程中的快速功率波動(dòng)。對(duì)于有負(fù)荷突增的時(shí)段,在初期負(fù)荷接入后,由超級(jí)電容儲(chǔ)能提供快速功率支撐,同時(shí)能量型儲(chǔ)能及分布式電源進(jìn)行爬坡;爬坡結(jié)束后,需協(xié)同能量型儲(chǔ)能及電源為超級(jí)電容儲(chǔ)能充電,使其回復(fù)至最佳狀態(tài),以便后續(xù)繼續(xù)提供功率支撐。
基于以上分析,本文提出了鏡像電容的概念,通過將超級(jí)電容儲(chǔ)能整體劃分為多個(gè)虛擬子電容,每個(gè)虛擬子電容響應(yīng)1 個(gè)能量型儲(chǔ)能或分布式電源的出力特性,使兩者之和滿足能量型儲(chǔ)能或分布式電源的第一階段的出力指令,本文定義這種與能量型儲(chǔ)能或分布式電源一一對(duì)應(yīng)的虛擬電容為其鏡像電容。
圖3 能量型儲(chǔ)能或分布式電源及其鏡像電容出力曲線Fig.3 Power curves of energy type energy storage or DG and its mirror capacitance
4.1.2 鏡像電容充電策略
將式(38)代入式(30)、(32),可以得到超級(jí)電容儲(chǔ)能的整體功率曲線。
在得到的超級(jí)電容整體功率曲線基礎(chǔ)上,對(duì)于含有多個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能的情況,可按照超級(jí)電容儲(chǔ)能的初始荷電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的容量,采用下垂控制[10]分配每個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能的功率,則第k個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能在時(shí)段t中時(shí)刻τ的功率指令為:
綜上所述,本文建立了考慮多類型儲(chǔ)能協(xié)同的兩階段負(fù)荷恢復(fù)方法,其流程如圖4所示。
圖4 兩階段協(xié)同恢復(fù)方法流程圖Fig.4 Flowchart of two-stage coordinated restoration method
基于MATLAB 平臺(tái)進(jìn)行兩階段恢復(fù)方法程序編寫,并采用圖5所示的改進(jìn)的IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證方法有效性。根據(jù)文獻(xiàn)[17],將負(fù)荷按照重要等級(jí)分為3 級(jí),一級(jí)、二級(jí)和普通負(fù)荷權(quán)重分別為100、10 和0.2。AA_CAES 系統(tǒng)[18]、蓄電池儲(chǔ)能[10]、超級(jí)電容儲(chǔ)能[11]和分布式發(fā)電機(jī)[10]參數(shù)配置見附錄A 表A1—A4。假設(shè)極端事件后配電網(wǎng)與主網(wǎng)斷開,線路15-16、27-28 發(fā)生故障并隔離,預(yù)計(jì)停電時(shí)間為2 h。同時(shí),配電系統(tǒng)已完成恢復(fù)前的準(zhǔn)備工作,各電源已處于熱備用狀態(tài),線路、負(fù)荷開關(guān)已處于可控狀態(tài)。
圖5 改進(jìn)的IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)Fig.5 Modified IEEE 33-bus distribution system
設(shè)置15 min 為1 個(gè)時(shí)段,共分為8 個(gè)恢復(fù)時(shí)段。求解時(shí)間為3.7 min,求解后確定系統(tǒng)拓?fù)錇槁?lián)絡(luò)線24-28、17-32 閉合,聯(lián)絡(luò)線7-20、8-14、11-21 斷開,其他非故障線路閉合。各時(shí)段負(fù)荷恢復(fù)個(gè)數(shù)及恢復(fù)量變化曲線見圖6,其中,全部一級(jí)負(fù)荷均得到恢復(fù),二級(jí)負(fù)荷得到部分恢復(fù),并且在最后時(shí)段新增恢復(fù)一個(gè)普通負(fù)荷,詳細(xì)負(fù)荷恢復(fù)結(jié)果見附錄A 表A5。各時(shí)段各節(jié)點(diǎn)電壓幅值均滿足要求,見附錄A圖A1。各電源在各個(gè)時(shí)段的計(jì)劃功率如圖7 所示,能量分配見附錄A圖A2。
圖6 各時(shí)段負(fù)荷恢復(fù)結(jié)果Fig.6 Load restoration results in each period
圖7 第一階段確定的各電源計(jì)劃功率Fig.7 Planned power determined in first stage
在整個(gè)恢復(fù)期間,分布式發(fā)電機(jī)DG29、儲(chǔ)能BS22的能量全部得到利用,最終剩余能量為0。分布式發(fā)電機(jī)DG11最終剩余能量7 kW·h(剩余燃料的化學(xué)能所對(duì)應(yīng)的電能),AA_CAES 系統(tǒng)儲(chǔ)氣室達(dá)到最低氣壓限制,不足以再支撐任何負(fù)荷恢復(fù)。可見,在大電網(wǎng)恢復(fù)送電之前,本文提出的第一階段多時(shí)段恢復(fù)策略可以最大限度地利用配電網(wǎng)中剩余的有限發(fā)電資源,即恢復(fù)更為關(guān)鍵的負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化配置,最大化為重要負(fù)荷持續(xù)供電的時(shí)間。
由第一階段的恢復(fù)策略可知,系統(tǒng)計(jì)劃在時(shí)段4 和時(shí)段8 分別新增恢復(fù)1 個(gè)120 kW 的二級(jí)負(fù)荷和1 個(gè)60 kW 的三級(jí)負(fù)荷。根據(jù)本文第二階段多源協(xié)同配合策略,得到需要修正的各電源功率指令及爬坡時(shí)間如表1 所示。表中,括號(hào)內(nèi)、外的值為第一階段的功率指令和第二階段確定的能量型儲(chǔ)能修正的功率指令。以時(shí)段4 為例,各電源在第二階段的修正功率曲線如圖8所示(時(shí)段8的各電源第二階段電源功率曲線見附錄A圖A3)。
表1 第二階段確定的能量型儲(chǔ)能功率修正策略Table 1 Power correction strategy of energy type energy storage in second stage
圖8 第二階段確定的各電源修正功率Fig.8 Planned power determined in second stage
由上述結(jié)果可以看出:包括壓縮空氣儲(chǔ)能和蓄電池在內(nèi)的能量型儲(chǔ)能功率變化對(duì)應(yīng)的爬坡時(shí)間難以直接忽略;第二階段確定的功率指令會(huì)略高于第一階段,以滿足第一階段確定的能量約束以及超級(jí)電容的充電需求。在負(fù)荷接入后,超級(jí)電容可以快速進(jìn)行功率支撐,均衡系統(tǒng)功率,與其他需要爬坡的能量型儲(chǔ)能協(xié)同配合;且壓縮空氣儲(chǔ)能和蓄電池爬坡完成后,為超級(jí)電容充電直至其恢復(fù)至最佳狀態(tài),使其可以在后續(xù)恢復(fù)中繼續(xù)發(fā)揮能量支撐作用,為重要負(fù)荷持續(xù)供電。多種類型的儲(chǔ)能在整個(gè)過程中協(xié)同互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)功率和能量在時(shí)空維度的優(yōu)化配置。
本文針對(duì)大停電后含多類型儲(chǔ)能配電網(wǎng)利用本地資源進(jìn)行負(fù)荷恢復(fù)的問題,考慮功率型和能量型儲(chǔ)能的運(yùn)行特性和功能特點(diǎn),提出了兩階段協(xié)同恢復(fù)方法。第一階段得到各個(gè)能量型儲(chǔ)能和分布式電源的能量在較大時(shí)間細(xì)粒度下的優(yōu)化配置;第二階段在第一階段的能量分配基礎(chǔ)上,得到負(fù)荷突增時(shí)段的功率型儲(chǔ)能與能量型儲(chǔ)能和分布式電源的協(xié)同配合方案。算例結(jié)果表明,本文所提方法可快速確定負(fù)荷恢復(fù)策略,通過各源的協(xié)同配合提升恢復(fù)效果,提升配電網(wǎng)韌性。與已有研究相比,本文考慮了不同類型儲(chǔ)能的功率響應(yīng)特性和功能特性,充分發(fā)揮了不同功能類型儲(chǔ)能在恢復(fù)中的功率或能量支撐作用,優(yōu)化了恢復(fù)效果。
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