張江豐,郭斌琪,王天宇,吳繼平,盧麗娜,徐 瑞
(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院,浙江省 杭州市 310014;2.南瑞集團有限公司(國網(wǎng)電力科學研究院有限公司),江蘇省 南京市 211106;3.杭州電子科技大學信息工程學院,浙江省 杭州市 311305)
隨著中國“雙碳”目標的不斷推進,風、光等新能源將逐步替代傳統(tǒng)能源成為發(fā)電主體[1-2]。新能源裝機規(guī)模的不斷增大,使得電力系統(tǒng)面臨新能源消納、調峰調頻、斷面越限等諸多挑戰(zhàn)。利用儲能的快速反應能力進行電網(wǎng)調度,是解決大規(guī)模新能源并網(wǎng)難題的有效途徑之一[3-5]。
各地電網(wǎng)主體為提高電網(wǎng)接入特性,連續(xù)建成大量規(guī)?;瘍δ茈娬?,隨著儲能規(guī)模的不斷擴大,儲能的分散接入、無序自主運行將對區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成沖擊,尤其在頻率突變、斷面越限等緊急情況下更甚[6-8]。若將各地儲能進行聚合,在緊急情況下交由區(qū)域調度統(tǒng)一決策,可有效提高系統(tǒng)備用容量,支撐電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。如何將各地數(shù)量龐大且類型不同的儲能電站上送信息進行聚合,分析擬合出儲能資源整體的可調節(jié)能力,進而為區(qū)域調度統(tǒng)一調控提供決策依據(jù),成為調度系統(tǒng)運行亟待解決的重要問題[9-10]。
針對儲能聚合問題,國內外已進行了深入廣泛的研究。文獻[11]根據(jù)負荷的功率區(qū)間,通過合理的功率分配方式將不同充放電效率的儲能聚合成一個等效儲能;文獻[12]根據(jù)儲能接入電網(wǎng)分區(qū),從電力和電量兩個維度分析儲能電站集群的聚合充放電能力,并提出了聚合分析算法;文獻[13]考慮不同應用場景下分散式儲能間的互補性建立儲能系統(tǒng)響應能力互補模型,利用全景理論的能量函數(shù)將分散式儲能進行分組聚合。
針對電網(wǎng)側儲能統(tǒng)一調控問題,文獻[14]建立了儲能、新能源與需求側的聯(lián)合優(yōu)化調度模型,同時引入峰谷電價;文獻[15]在跟蹤計劃、削峰填谷等多種場景下,以風電和儲能整體收益最大為目標,提高了風電儲能的整體效益;文獻[16]構建了包含風、火、水、儲、氣等多種能源的電力系統(tǒng)模型,通過聯(lián)合優(yōu)化調度解決電網(wǎng)調節(jié)能力不足而造成的棄風、棄光等問題?,F(xiàn)有研究多聚焦于儲能與多類型能源的聯(lián)合優(yōu)化調度,缺少從實際工程角度出發(fā)來實現(xiàn)調度中心對數(shù)量龐大且類型不同的儲能電站的有功協(xié)同控制的研究。文獻[17]提出的省地一體化的負荷協(xié)同控制體系,為本文研究提供了較好思路。
本文從實際工程角度出發(fā),結合電網(wǎng)現(xiàn)有調度機構劃分,對電網(wǎng)側儲能省地有功協(xié)同控制技術展開研究。以現(xiàn)有智能電網(wǎng)調控系統(tǒng)為基礎,依托省/地調度主站自動發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)實現(xiàn)儲能控制建模,通過廣域信息交互技術實現(xiàn)省地間儲能指令信息的快速傳遞,在AGC 主控制區(qū)外建立儲能控制區(qū),將地調下轄儲能聚合為等效集中儲能,與省調儲能共同參與省調統(tǒng)一決策,以解決區(qū)域電網(wǎng)調峰、調頻、內部斷面過載等問題。該技術已應用于中國某省級電力調度控制中心,目前運行情況良好。
電網(wǎng)側儲能省地協(xié)同控制架構如圖1 所示,主要由省調側和地調側儲能協(xié)同控制兩部分組成。多個電網(wǎng)調度系統(tǒng)之間通過廣域信息交互實現(xiàn)縱向數(shù)據(jù)按需、快速傳遞[18-19]。相比傳統(tǒng)遙測轉發(fā)形式,廣域信息交互使得模型數(shù)據(jù)無須經(jīng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)、前置等應用的數(shù)據(jù)處理轉發(fā),可大大縮短數(shù)據(jù)傳輸時延。
圖1 儲能省地協(xié)同控制技術架構Fig.1 Framework of provincial and regional cooperative control technology for energy storage
省調側主要包括廣域信息交互、儲能控制模型同步、儲能控制信息監(jiān)視、省地儲能協(xié)同控制四大核心模塊。廣域信息交互模塊是其他模塊信息交互的基礎。
儲能控制模型同步模塊可實現(xiàn)地調儲能模型數(shù)據(jù)更新并推送至省調,省調自動更新區(qū)域儲能模型數(shù)據(jù),為儲能控制信息監(jiān)視模塊提供模型數(shù)據(jù)。儲能控制模型同步的關鍵是要實現(xiàn)儲能控制模型信息的實時免維護同步。因此,須在地調側部署儲能模型同步模塊推送端,在省調側部署接收端,信息交互內容中生成儲能控制模型唯一標識ID,保證各地調同步內容的可唯一辨識。
儲能控制信息監(jiān)視模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)、省地儲能可調容量、儲能控制序列、省地儲能控制結果的實時監(jiān)視,為省地儲能協(xié)同控制模塊提供實時可靠的數(shù)據(jù),具體包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示三部分。數(shù)據(jù)采集主要根據(jù)地調推送儲能控制模型以及當前系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)處理根據(jù)地調上送各類實時數(shù)據(jù),基于唯一辨識ID寫入省調數(shù)據(jù)模型;數(shù)據(jù)展示通過圖形化的方式對各類實時數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計結果加以展示。
儲能省地協(xié)同控制模塊可實現(xiàn)省地儲能功率分配計算、控制指令安全校驗及并發(fā)執(zhí)行、控制結果反饋跟蹤,與地調系統(tǒng)完成最終的儲能協(xié)同閉環(huán)控制。省調側負責系統(tǒng)決策,地調側負責指令執(zhí)行,如何使兩者保持協(xié)調一致,則需要利用廣域信息交互、控制模型同步、數(shù)據(jù)實時處理監(jiān)視等技術,實現(xiàn)兩級調度機構的協(xié)同閉環(huán)。
地調作為儲能省地協(xié)同控制的數(shù)據(jù)提供者和執(zhí)行者,包括廣域信息交互、儲能控制模型推送、儲能控制指令響應等核心模塊,主要功能為配合省調儲能控制指令的執(zhí)行。
省調側儲能控制建模,一般在省調AGC 中存在一個主控制區(qū),實施省級電網(wǎng)的常規(guī)區(qū)域控制。在主控制區(qū)之外建立一個儲能控制區(qū),以實現(xiàn)對省/地調儲能的功率控制。在儲能控制區(qū)建立對應各個地調的儲能虛擬機組,每個地調對應一個儲能虛擬機組。在地調的AGC 中建立一個儲能控制區(qū),實現(xiàn)對地調儲能的功率控制。地調通過聚合下轄各個儲能站的裝機容量、實際出力、荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)等參數(shù)并上送省調AGC,作為該地調對應等效集中儲能的控制參數(shù)。
儲能控制對象建模類似常規(guī)AGC 機組的建模方法,但考慮到儲能裝置并非真正電源(不具備發(fā)電能力,僅對能量進行存儲與轉換),且具有充電與放電工況等特殊發(fā)電特性。因此,需要對儲能系統(tǒng)標識特殊屬性并進行特殊處理。
1)開停機判斷
對于儲能系統(tǒng),由于其有功出力可正可負,無法采用通過開停機門檻判斷其開停機狀態(tài)的方法,僅支持使用開停機信號進行開停機判斷。
2)SOC 量測(百分比)
SOC 量測指當前儲能系統(tǒng)上送的SOC 量測值。
3)功率量測
功率量測指當前儲能系統(tǒng)上送的實際出力。由于儲能充電時,從電網(wǎng)注入電能,其功率量測為負值,儲能功率量測應支持對負數(shù)量測的接入。
4)額定容量
額定容量指當前儲能系統(tǒng)設定/上送額定容量。
5)控制指令
AGC 指令受調節(jié)范圍、調節(jié)步長等約束,對其正負并無特殊要求,但為保證負數(shù)指令的順利下發(fā),遙調數(shù)據(jù)類型采用“短浮點數(shù)”。
6)SOC 上、下限
SOC 上、下限指儲能系統(tǒng)技術允許的荷電狀態(tài)S的上限Smax和下限Smin。如果SOC 當前值低于下限,AGC 將為儲能系統(tǒng)匹配禁止放電策略;如果SOC 當前值高于上限,AGC 將為儲能系統(tǒng)匹配禁止充電策略。此外,為避免儲能電池的過度充放電,將SOC 進一步細分,引入儲能正常工作SOC 最大值Shigh和最小值Slow,在[Smin,Slow]和[Shigh,Smax]區(qū)間對儲能功率進行平滑約束。
7)調節(jié)上、下限處理
因儲能具有充、放電兩種運行工況,其調節(jié)范圍與常規(guī)機組不同,非正向區(qū)間。因此,對于儲能調節(jié)上、下限的設置及校驗均須對負數(shù)進行支持,避免誤判造成不必要的閉鎖或誤控。調節(jié)上限使用的接入量測為最大放電功率允許值,調節(jié)下限使用的接入量測為最大充電功率允許值。
此外,結合SOC 限值分類,針對[Smin,Slow]和[Shigh,Smax]區(qū)間的儲能最大充放電功率,通過引入Sigmoid 函數(shù)進行平滑約束,如圖2 所示。
圖2 儲能充放電功率約束曲線Fig.2 Charging and discharging power constraint curve of energy storage
儲能在不同SOC 區(qū)間的最大充放電功率如表1所示。
表1 不同SOC 區(qū)間內儲能最大充放電功率Table 1 Maximum charging and discharging power of energy storage in different SOC sections
其中,[Smin,Slow]和[Shigh,Smax]區(qū)間內的充放電功率平滑下限Plow和上限Phigh可表示為:
式中:系數(shù)a1和a2分別由Smin、Slow和Shigh、Smax決定;Prate為充放電額定功率。
需要注意的是,儲能最大充放電功率不得超出所在支路主變壓器的剩余容量。
8)斷面影響因子
斷面影響因子指儲能系統(tǒng)所在支路與區(qū)域電網(wǎng)內斷面的潮流轉移因子,可表示為:
式中:τi,n為斷面通道i對儲能系統(tǒng)n所在支路的潮流轉移因子;ΔPn為儲能系統(tǒng)n所在支路的有功功率注入量;ΔPi為斷面通道i的功率下降值。
9)主變壓器剩余容量
儲能系統(tǒng)所在線路的變壓器剩余容量Ptrans可根據(jù)變壓器低壓側繞組的有功功率和有功功率上限得出。儲能系統(tǒng)最大充電功率不得超出主變壓器剩余容量。
10)計劃值
根據(jù)區(qū)域實際負荷需求變化,依據(jù)儲能電量平衡準則,得出儲能削峰填谷計劃Pplan。
11)電力市場出清結果
電力市場出清結果指儲能接收的省間/內輔助服務市場交易結果Pmarket。
本文將地調下轄儲能參數(shù)進行聚合并上送省調,作為省調側對應的等效集中儲能參數(shù)。地調m等效集中儲能系統(tǒng)的額定容量Em為:
式中:N為地調下轄儲能系統(tǒng)個數(shù);Em,n為地調m下轄儲能系統(tǒng)n的額定容量。
地調m等效集中儲能系統(tǒng)SOC 的平均值Sm為:
式中:Sm,n為地調m下轄儲能系統(tǒng)n的SOC。
根據(jù)表1 得出各儲能系統(tǒng)的最大充放電功率,則地調m等效集中儲能的最大充、放電功率Pm,max、Pm,min為:
式中:Pm,n,max和Pm,n,min分別為地調m下轄儲能系統(tǒng)n的最大充電功率和最大放電功率。
等效集中儲能的斷面影響因子可表示為:
式中:τm,i為地調m等效集中儲能對斷面i的影響因子;τm,n,i為地調m下轄儲能系統(tǒng)n對斷面i的影響因子。
建立省地兩級AGC 架構后,在實施省地兩級儲能協(xié)同控制時,可以從省、地兩側分別開展協(xié)調,如圖3 所示。
圖3 儲能省地兩級AGC 協(xié)同控制方案Fig.3 Cooperative control scheme for energy storage of provincial and regional AGC
1)地調側AGC 協(xié)調:儲能站控制指令由地調決策,省調控制目標作為儲能站控制基點。具體地,在系統(tǒng)穩(wěn)定運行情況下,省調基于網(wǎng)絡安全約束向地調下發(fā)儲能運行區(qū)間范圍,地調根據(jù)省調下發(fā)的區(qū)間范圍和儲能系統(tǒng)安全約束,協(xié)調下轄儲能參與削峰填谷、現(xiàn)貨市場交易等,并下發(fā)控制指令。
2)省調側AGC 協(xié)調:儲能站控制指令由省調統(tǒng)一決策,地調控制目標轉化為儲能站控制約束。具體地,在緊急情況如頻率突變、斷面越限等場景下,地調將決策權上交省調,并將儲能SOC、運行區(qū)間、主變壓器容量等安全約束上送省調,省調根據(jù)地調安全約束,統(tǒng)籌區(qū)域儲能資源進行統(tǒng)一決策分配,向地調分別下發(fā)功率分配量,各地調根據(jù)下轄各儲能系統(tǒng)安全約束,向各儲能系統(tǒng)下發(fā)功率分配指令。
實際調度運行中會出現(xiàn)多目標協(xié)同控制的情況,例如,某一儲能站正常按照削峰填谷計劃運行,某一時刻需緊急響應輔助調頻需求。
為實現(xiàn)省地儲能多目標協(xié)同控制,將儲能站目標出力分為基點功率和緊急調節(jié)功率。儲能穩(wěn)定運行情況下,基點功率可由計劃曲線、市場出清結果、當前實際出力等確定;當發(fā)生緊急情況時,根據(jù)不同場景以及緊急調節(jié)需求,由省調統(tǒng)一決策分配緊急調節(jié)功率。多目標協(xié)同控制情況下的儲能目標出力構成如圖4 所示。
圖4 多目標協(xié)同控制下儲能出力構成Fig.4 Output composition of energy storage with multiobjective cooperative control
省調AGC 中,按緊急調節(jié)需求和設定門檻值將調節(jié)控制等級分為4 級:緊急調節(jié)區(qū)、次緊急調節(jié)區(qū)、正常調節(jié)區(qū)、死區(qū)。根據(jù)不同場景以及緊急調節(jié)需求,設定儲能調節(jié)等級,承擔對應的調節(jié)功率分量。
1)削峰填谷
根據(jù)區(qū)域實際負荷需求變化,依據(jù)儲能電量平衡準則,確定儲能系統(tǒng)動作時機和深度,降低負荷峰谷差值。儲能削峰填谷策略見文獻[20],此處不再贅述。
式中:PE為等效集中儲能分配功率。
2)參與市場交易
儲能可參與省間/內輔助服務市場交易,地調不作為市場運營機構,不具有組織市場運營資格,只在控制層面接收省間/內市場出清結果,將控制目標轉發(fā)至下轄儲能,負責下轄儲能的交易執(zhí)行監(jiān)控。
3)輔助調頻控制
由于頻繁調用儲能會導致電池壽命衰減,設定儲能只在次緊急調節(jié)區(qū)或緊急調節(jié)區(qū)才會動作。
式中:PR為次緊急調節(jié)區(qū)或緊急調節(jié)情況下的區(qū)域調節(jié)需求;PGl為第l臺常規(guī)機組調節(jié)功率;al為第l臺常規(guī)機組分配因子;L為常規(guī)機組個數(shù);b為等效集中儲能分配因子。
4)斷面越限
斷面越限情況下,需要儲能快速提供功率支撐,設定儲能無條件承擔調節(jié)功率。通過建立各儲能與區(qū)域內斷面的關聯(lián)模型,在斷面潮流越限時,將受限電量分解給斷面關聯(lián)儲能,盡可能減少斷面潮流越限[21]。
式中:PT為斷面實時潮流;PLd為區(qū)域負荷;PG為區(qū)域內除儲能外的電源總有功功率。
當PT>PT,max時,有
式中:PT,max為斷面限額。
根據(jù)上述協(xié)調目標,得出等效集中儲能的調節(jié)功率PE,若PE大于等效集中儲能的最大充/放電功率PE,max,則令PE=PE,max。
為避免公式過于復雜,在省調功率分配過程中,不再區(qū)分省調直屬儲能和地調虛擬儲能,均為省調儲能。則各省調儲能的分配功率值應滿足:
式中:PEm為第m個省調儲能的分配功率;M為省調受控儲能總數(shù)。
為保證各儲能SOC均衡,避免部分儲能SOC過高或過低,導致出力受限,本文引入功率分配系數(shù)如下:
式中:λm為第m個省調儲能的功率分配系數(shù)。λm均大于0,各儲能充放電方向與等效集中儲能的方向保持一致。
為實現(xiàn)各省調儲能的SOC 均衡,建立功率分配系數(shù)與各SOC 之間的關系,先假設省調各儲能的額定功率、容量均相同。
式中:Save為等效集中儲能的SOC 平均值。
由于實際工程中各省調儲能額定功率容量難以保持一致,僅通過SOC 進行分配失之偏頗,還需根據(jù)各省調儲能的額定功率/容量對式(15)進行修正。
式中:Prate,m為第m個省調儲能的額定功率;Pave為省調儲能的額定功率平均值;c為功率修正系數(shù),取值范圍為(0,1]。
需要注意的是,斷面越限情況下儲能功率分配應重點依據(jù)儲能與斷面的影響因子,上述SOC 均衡和功率修正等因素可作為輔助。假設斷面i越限,結合式(7),則斷面i越限時儲能n的功率分配系數(shù)βi,n為:
式中:d為輔助修正系數(shù),其取值范圍為(0,1]。
對計算得出的各儲能功率分配值進行核驗,看是否超出最大充放電功率(見表1)、主變壓器容量等安全約束,若超出,則令該儲能的功率分配值PEm等于安全約束下的最大充放電功率,剩余儲能按照上述分配策略重新進行功率分配。
地調的儲能功率分配策略與省調類似,此處不再贅述。
上述儲能省地協(xié)同控制技術已應用于國內某省級電力調度控制中心,目前運行情況良好,能夠充分整合省/地調儲能資源,解決電網(wǎng)調峰、調頻、內部斷面過載等問題,實現(xiàn)了省級調度中心對全省儲能資源的采集監(jiān)視和緊急情況下的省地協(xié)同控制。
涉及電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全,本文僅選取部分關鍵運行點進行策略有效性驗證。某時段儲能控制區(qū)2 臺省調直屬儲能和2 臺地調虛擬儲能的運行信息如表2和表3 所示。
表2 儲能站運行信息Table 2 Operation information of energy storage station
表3 相關參數(shù)配置Table 3 Configuration of relevant parameters
2020 年國慶期間,該省調度用電負荷大幅低于預計值,其中10 月1 日實際負荷與預計負荷以及去年同期的最大偏差超過4 GW,造成電網(wǎng)負備用不足。設定儲能控制區(qū)控制目標為輔助調頻控制,在區(qū)域調節(jié)需求超出150 MW 時參與調節(jié)。10 月1 日12:00—13:40 時段的區(qū)域調節(jié)需求如圖5 所示。
圖5 某時段區(qū)域調節(jié)需求Fig.5 Regional adjustment demand during a period
各省/地儲能站按照省/地制定的削峰填谷計劃運行,以計劃值作為控制目標。當區(qū)域調節(jié)需求超過門檻值時,省/地儲能站控制指令由省調統(tǒng)一決策。其中,地調控制目標轉化為儲能站控制約束,地調將下屬儲能站的SOC、調節(jié)上下限、計劃值等安全約束進行聚合并上送省調,省調根據(jù)各儲能SOC、額定功率等安全約束情況進行調節(jié)功率分配。
如圖6 所示,緊急情況下儲能站控制指令由兩部分組成,削峰填谷計劃值作為基點功率,省調分配功率值作為調節(jié)功率,兩者相加組成儲能站的控制目標值。超過最大充放電功率時,以最大充放電功率運行。
圖6 各儲能運行情況Fig.6 Operation of each energy storage
圖7 為省調決策的各儲能分配功率值,以及在本文分配策略下各儲能SOC 絕對偏差的變化趨勢。結合圖6 可以看出,各儲能起始SOC 分別為0.80、0.73、0.70、0.83,起始絕對偏差由0.050 0 下降為0.048 5,驗證了本文考慮各儲能SOC 均衡功率分配策略的有效性。
圖7 各儲能功率分配和SOC 絕對偏差Fig.7 Distribution of energy storage power and absolute deviation of SOC
以某時段儲能參與斷面控制為例,實時潮流、負荷預測、斷面限額曲線如圖8 所示。
圖8 斷面潮流歷史曲線Fig.8 Historical curve of section power flow
由圖8 可知,該時段出現(xiàn)兩次斷面越限,分別持續(xù)大約20 min 和1 h,斷面越限容量分別約35 MW和60 MW。為將斷面潮流控制在限額內,以斷面越限容量為儲能控制區(qū)的控制目標,2 個時段之間各省/地調儲能充電蓄能使SOC 恢復。
各省/地調儲能的有功出力如圖9 所示,根據(jù)斷面越限調整量,各儲能充放電方向保持一致。結合表2 中各省/地儲能的斷面影響因子可以看出,斷面越限情況下,儲能功率分配與儲能和斷面影響因子相關。斷面影響因子越大,儲能功率分配值越大;斷面影響因子越小,儲能功率分配值越小。
圖9 省/地調儲能有功出力Fig.9 Active power output of provincial and regional energy storage
省/地調儲能的SOC 變化曲線如圖10 所示??梢钥闯觯疚乃岱峙洳呗猿紤]斷面影響因子之外,還可以逐漸減小各儲能SOC 間的差異,使之維持在等效集中儲能平均SOC 附近。
圖10 省/地調儲能SOC 變化曲線Fig.10 SOC change curve of provincial and regional energy storage
隨著各地為應對大規(guī)模新能源并網(wǎng)難題,連續(xù)建成大量規(guī)模化儲能站,儲能的分散接入、無序自主運行將對區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成沖擊。為解決該問題,本文提出省地儲能有功協(xié)同控制技術架構,并對省地調儲能建模、省地儲能功率分配策略進行研究。
對應的儲能省地有功協(xié)同控制軟件已在國內某省級電力調度控制中心部署應用,實現(xiàn)了省級調度中心對全省儲能資源的采集監(jiān)視和緊急情況下的省地協(xié)同控制。從實際運行情況可以看出:地調儲能可以在緊急情況下,實現(xiàn)削峰填谷、輔助調頻場景下的相互協(xié)調,且SOC 絕對偏差由0.050 0 下降為0.048 5;斷面越限場景下,儲能功率分配重點依據(jù)斷面影響因子,SOC 均衡作為輔助,仍可逐漸減小各儲能SOC 間的差異。
總體來看,本文在儲能省地有功協(xié)同控制方面開展了初步研究,取得了階段性成果,后續(xù)將在以下方面繼續(xù)開展研究:
1)儲能功率分配策略優(yōu)化方面,本文僅考慮SOC、額定容量、斷面影響因子等因素,后續(xù)還需建立協(xié)調經(jīng)濟性和公平性的儲能功率優(yōu)化控制模型。
2)多類型調節(jié)資源的省地協(xié)同控制方面,本文只是針對目前大規(guī)模建成的儲能資源的協(xié)同控制進行研究,未來隨著可調負荷、微網(wǎng)、充電樁等多類型調節(jié)資源不斷接入,還需要進一步研究。
本文研究得到國家電網(wǎng)公司總部科技項目“高比例新能源電網(wǎng)自動頻率控制技術研究與應用”資助,特此感謝!