基于電壓穩(wěn)定與限值的風(fēng)/儲系統(tǒng)容量配置

熊雄，袁鐵江，楊水麗，修曉青

（1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047;2.中國電力科學(xué)研究院，北京100192）

風(fēng)力發(fā)電的間歇性一直是制約大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的瓶頸。其出力隨機性及不可控性將對區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量和供電可靠性造成影響[1]。另一方面，大規(guī)模風(fēng)電接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)，將影響區(qū)域電網(wǎng)原有潮流分布[2]，嚴(yán)重時會惡化系統(tǒng)電壓、網(wǎng)損等指標(biāo)，限制了區(qū)域電網(wǎng)接納并網(wǎng)風(fēng)電的規(guī)模。

儲能系統(tǒng)因其“快速響應(yīng)”、“功率雙向性”等特性，成為區(qū)域電網(wǎng)提高并網(wǎng)風(fēng)電能力的有效途徑[3-4]。眾多研究站在平滑間歇性電源出力角度[5-6]，制定了相關(guān)控制策略[7-10]，計算接入儲能的容量，并沒考慮對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[11]及系統(tǒng)廣域接納風(fēng)電能力。

因此，基于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性并結(jié)合電壓限值，提出區(qū)域電網(wǎng)可接納風(fēng)電能力判據(jù)，并以此計算提高特定風(fēng)電接納能力所需的儲能系統(tǒng)最小容量是站在系統(tǒng)穩(wěn)定性及經(jīng)濟性之上的儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置。

1 區(qū)域電網(wǎng)接納風(fēng)電能力計算

對某10節(jié)點配網(wǎng)算例做相應(yīng)改進以代替待研究的區(qū)域電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)圖及原始潮流數(shù)據(jù)見圖1。

算例中，將外網(wǎng)等值成為發(fā)電機，設(shè)為平衡節(jié)點，維持配網(wǎng)接入母線電壓的恒定，通過220/35 kV變壓器連接區(qū)域電網(wǎng)，等值額定容量為500 MVA。BUS9作為靜止無功補償點，補償無功為4 Mvar，另外9個節(jié)點為負(fù)荷節(jié)點，作為風(fēng)電可能的接入位置。初始潮流數(shù)據(jù)見表1。

一定功率因素下，逐漸增加各節(jié)點有功功率，負(fù)荷節(jié)點電壓的幅值隨著該節(jié)點注入有功增加而升高，當(dāng)隨著功率的增大而電壓降低時，認(rèn)為電壓是不穩(wěn)定的，而P-V曲線的拐點即為電壓穩(wěn)定的臨界值，以此作為節(jié)點接納風(fēng)電能力的判據(jù)之一。

現(xiàn)定義負(fù)荷節(jié)點臨界電壓U0對應(yīng)的可接入最大風(fēng)電容量限值作為判據(jù)一，具有最高優(yōu)先級，各節(jié)點接入風(fēng)電容量都不得超過各U0對應(yīng)的風(fēng)電接入容量限制，否則系統(tǒng)電壓將失穩(wěn)。算例中P-V模擬曲線見圖2。

圖1 某10節(jié)點配網(wǎng)算例結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of a 10 node distribution network

表1 初始潮流數(shù)據(jù)Tab.1 Initial power flow data

圖2 負(fù)荷節(jié)點P-V曲線模擬圖Fig.2 Load node P-V curve diagram

根據(jù)P-V模擬曲線，可確定維持電壓穩(wěn)定的節(jié)點最大接入功率。曲線中，節(jié)點4、8、10擁有較大的功率接入能力，但最大注入功率對應(yīng)的臨界電壓可能會超過區(qū)域配網(wǎng)1.05的上限（圖3），這將削弱系統(tǒng)電壓質(zhì)量，使得負(fù)荷中的眾多設(shè)備不能工作在額定電壓點，降低工作效率，同時還會增大電能在傳輸過程中產(chǎn)生的網(wǎng)損。

圖3 各節(jié)點臨界電壓Fig.3 Critical voltage of each node

圖3 中，原本可接入大規(guī)模風(fēng)電的4、8、10節(jié)點對應(yīng)的臨界電壓已越限，其中8、10號節(jié)點越限情況較為嚴(yán)重。同時，當(dāng)節(jié)點8按最大接入容量接入風(fēng)電后，算例中其他節(jié)點電壓值見表2。

因此，定義U0是否越限U0lim作為區(qū)域電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的判據(jù)二；同時，為保證選中風(fēng)電接入節(jié)點在功率注入過程中其他節(jié)點不會越限，定義其他節(jié)點電壓是否越限Ulim作為判據(jù)三。

各節(jié)點三判據(jù)的優(yōu)先級計算方法采用二進制計數(shù)法，計數(shù)越小的節(jié)點擁有更好地優(yōu)先級。針對特定的風(fēng)電接入容量，通過比較各節(jié)點分別接入所需風(fēng)電規(guī)模后三個判據(jù)的優(yōu)先級，可確定風(fēng)電應(yīng)接入的位置。例如系統(tǒng)接入150 MW風(fēng)電，各節(jié)點三判據(jù)違背情況見表3。

表2 節(jié)點8接入最大風(fēng)電容量時各節(jié)點電壓Tab.2 The node voltage when node 8 is connected under largest capacity of wind power circumstance

表3 最大風(fēng)電接入容量與三判據(jù)之間關(guān)聯(lián)（“1”表征不滿足判據(jù)，“0”表征滿足判據(jù)）Tab.3 The correlation between largest capacity of wind power integration and three criterions("1"does not meet the criteria,"0"satisfies the criterion)

從關(guān)聯(lián)表中可知節(jié)點5優(yōu)先級最好，計數(shù)最小，只有判據(jù)三不滿足條件；節(jié)點8優(yōu)先級計數(shù)為13，優(yōu)先級最差。因此節(jié)點5將作為風(fēng)電接入的首選位置接入150 MW風(fēng)電。而根據(jù)不同風(fēng)電接入容量，節(jié)點優(yōu)先級將發(fā)生變化，通過比較排序可確定對特定風(fēng)電并網(wǎng)容量下的風(fēng)電最佳接入位置。

2 提高風(fēng)電接納能力的儲能系統(tǒng)容量配置

實際運行狀況下，風(fēng)電接入容量往往不能遵循區(qū)域電網(wǎng)接納風(fēng)電容量能力的約束，違背電壓三判據(jù)。這時加入儲能系統(tǒng)，基于電壓判據(jù)的優(yōu)先級，依次恢復(fù)電壓三判據(jù)，提高原有的電網(wǎng)接納能力?，F(xiàn)因?qū)嶋H需求在5號節(jié)點接納的150 MW風(fēng)電容量基礎(chǔ)上增加30 MW容量，總接入風(fēng)電容量為180 MW，這已超過節(jié)點5最大接入風(fēng)電能力，違背判據(jù)一；同時存在U0lim及Ulim越限，違背判據(jù)二、三。加入儲能，使得節(jié)點5重新滿足判據(jù)，現(xiàn)按判據(jù)的優(yōu)先級逐次確定儲能的容量。

2.1 滿足判據(jù)一時儲能容量配置

接入儲能，隨其容量不斷增大，節(jié)點5模擬P-V曲線見圖4。

圖4 節(jié)點5 P-V曲線Fig.4 The P-V curve of node 5

當(dāng)接入的儲能容量逐漸增大，節(jié)點5P-V曲線右移，節(jié)點接納風(fēng)電容量不斷增加，當(dāng)接入儲能30 MW時，節(jié)點臨界電壓對應(yīng)的最大接入容量達到180 MW，滿足判據(jù)一。

圖5 滿足判據(jù)一時各節(jié)點接納風(fēng)電能力Fig.5 Thewind power accessability when criterion 1 ismet

與此同時，其他節(jié)點在判據(jù)一下可接納最大風(fēng)電容量見圖5。各節(jié)點接納風(fēng)電能力均有不同程度提升，提高了判據(jù)一的堅韌度。

2.2 滿足判據(jù)二、三時儲能容量配置

在30 MW的基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加儲能容量，各負(fù)荷節(jié)點電壓見圖6。

圖6 儲能容量與節(jié)點電壓關(guān)系Fig.6 The relationship between energy storage capacities and node voltage

儲能系統(tǒng)接入容量在滿足判據(jù)一后，隨著進一步增加，各節(jié)點電壓有所降低，當(dāng)加入儲能50 MW時，所有節(jié)點電壓均在上限以內(nèi)，判據(jù)二、三被滿足。但是系統(tǒng)在運行時，一些節(jié)點電壓雖沒越限，但沒有理想的裕度，成為一些故障的隱患。因此現(xiàn)定義上升電壓裕度指標(biāo)M1,下垂電壓裕度指標(biāo)M2及裕度穩(wěn)定指標(biāo)L：

當(dāng)M1、M2均大于0時，表明節(jié)點電壓在限制內(nèi)，滿足判據(jù)二、三。裕度穩(wěn)定指標(biāo)L作為評判節(jié)點電壓靠近額定值的程度，L越小表明上升、下垂裕度相對平衡，距離額定值越近。

將節(jié)點電壓轉(zhuǎn)化為電壓裕度指標(biāo)見圖7，詳表見附錄。

圖7 儲能容量與節(jié)點電壓裕度關(guān)系Fig.7 The relationship between energy storage capacities and voltage margin of node

2.3 特定需求下的儲能容量準(zhǔn)確計算

若節(jié)點6所接負(fù)荷為一級負(fù)荷，擁有特殊設(shè)備，需嚴(yán)格控制電壓在額定電壓?？刂乒?jié)點6電壓穩(wěn)定裕度L滿足，其中設(shè)為0.01。在50 MW儲能接入的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加儲能容量，其電壓穩(wěn)定裕度L見圖8。

圖8 節(jié)點6電壓穩(wěn)定裕度Fig.8 The voltage stability margin of node 6

當(dāng)加入儲能53 MW時，節(jié)點6電壓穩(wěn)定裕度L維持在0.01以下，滿足了負(fù)荷節(jié)點6特定需求。

在實際運行中，可根據(jù)不同風(fēng)電并網(wǎng)情況，在滿足判據(jù)一優(yōu)先級情況下，考慮對節(jié)點電壓上升、下垂裕度及裕度穩(wěn)定指標(biāo)的不同需求，確定所需的儲能容量，充分利用儲能系統(tǒng)的最大可用容量，具有一定經(jīng)濟性與擴展性。還可以系統(tǒng)線路傳輸裕度等為依據(jù)，或考慮多重因素裕度下計算接入儲能系統(tǒng)所需準(zhǔn)確容量，并隨著儲能容量的增加計算其經(jīng)濟性。

3 結(jié)論

通過對區(qū)域電網(wǎng)電壓三判據(jù)的研究，定義了電壓三判據(jù)及優(yōu)先級，得到優(yōu)先級計數(shù)小的節(jié)點擁有更強的接納風(fēng)電能力。當(dāng)接入風(fēng)電容量違背3個判據(jù)或其中一、二個時，采用重新滿足優(yōu)先級靠前的判據(jù)為步驟的方法逐層確定了所需儲能容量，并將第三判據(jù)轉(zhuǎn)化為裕度指標(biāo)，根據(jù)負(fù)荷節(jié)點6對電壓穩(wěn)定裕度的特定需求，計算出滿足相應(yīng)需求的儲能系統(tǒng)準(zhǔn)確容量，對方法的擴展做了簡要的展望。

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