基于功率平衡策略的可再生能源電網(wǎng)儲(chǔ)能機(jī)制研究?

陳明彩

（山東科技職業(yè)學(xué)院建筑工程系 濰坊 261053）

1 引言

與高滲透率電網(wǎng)不同［1］，可再生能源電網(wǎng)是風(fēng)電、光電（光伏發(fā)電、光熱發(fā)電）等不確定性可再生能源為主力電源的電網(wǎng)［2～4］。由于其不確定性，風(fēng)電、光電等可再生能源的發(fā)電功率不具備平衡隨機(jī)性負(fù)荷的能力［5］。解決不確定性問(wèn)題的消納法對(duì)低滲透率、高滲透率電網(wǎng)行之有效，但對(duì)可再生能源電網(wǎng)卻力不從心［6］，可謂“防滲不防漏”，必須依賴儲(chǔ)能設(shè)施。儲(chǔ)能設(shè)施，如抽水蓄能電站［7］，由于其響應(yīng)速度快、可儲(chǔ)可發(fā)，能有效地平抑風(fēng)、光等能源產(chǎn)生的功率波動(dòng)，將“劣質(zhì)”能源轉(zhuǎn)換為受端可接受的優(yōu)質(zhì)清潔能源，實(shí)現(xiàn)能量在時(shí)間上“騰挪”。在可再生能源電網(wǎng)中，為了應(yīng)對(duì)其隨機(jī)波動(dòng)的失衡功率，要求儲(chǔ)納式抽水蓄能電站容量更大、隨動(dòng)性更強(qiáng)、狀態(tài)切換更頻、利用小時(shí)更長(zhǎng)［8］。

本文聚焦基于大容量?jī)?chǔ)能設(shè)施的儲(chǔ)納機(jī)制，闡述其核心內(nèi)涵，描繪其整體廓線，并探討可再生能源電網(wǎng)規(guī)模與儲(chǔ)能設(shè)施之間合理的容量關(guān)系。

2 可再生能源電網(wǎng)

電網(wǎng)發(fā)電功率具有不確定性，調(diào)度運(yùn)行須用不確定性的發(fā)電功率去平衡隨機(jī)性的負(fù)荷［9］。除非采取措施，否則將出現(xiàn)不平衡功率，即失衡功率，不確定性可再生能源電源（UREP）比重越大。問(wèn)題越嚴(yán)重。

自然功率是完全由不確定性一次能源決定的UREP發(fā)電功率。在任意時(shí)刻t，設(shè)Pu(t)為UREP自然功率，Pl(t)為負(fù)荷功率，前者不確定，后者隨機(jī)。將UREP與負(fù)荷合并為等效負(fù)荷，不確定性的等效負(fù)荷功率PΔ(t)為Pl(t)-Pu(t)。約定等效負(fù)荷功率具有負(fù)荷屬性，就是PΔ(t)≥0。等效負(fù)荷的概念將可再生能源電網(wǎng)功率平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)化為用確定可控的電源平衡不確定的負(fù)荷。設(shè)Pc(t)為常規(guī)電源功率，Pn(t)為網(wǎng)絡(luò)損失功率，電網(wǎng)的失衡功率ΔP(t)為 PΔ(t)+Pn(t)-Pc(t)。若不計(jì)網(wǎng)絡(luò)損失功率，簡(jiǎn)化為

顯然，ΔP(t)＞0，失衡功率為負(fù)荷屬性，ΔP(t)＜0 ，失衡功率為電源屬性。時(shí)段 [t0，t]內(nèi)，失衡功率ΔP(t)積累成的失衡能量E(t)為

定義失衡度δ(t)為失衡功率ΔP(t)與自然功率Pu(t)的比值，是UREP功率損失的相對(duì)值，即

均方根失衡度T描述時(shí)間周期[0，T]內(nèi)電網(wǎng)整體的功率失衡情況，定義為

取T=8760h，由式（4）表達(dá)年均方根失衡度δY。三種電網(wǎng)，年均方根失衡度δY的范圍分別為

1）δY＜10%，低滲透率電網(wǎng)；

2）10%≤δY＜30%，高滲透率電網(wǎng)；

3）δY≥30%，可再生能源網(wǎng)。

可再生能源電網(wǎng)有多種規(guī)模形式，諸如可再生能源微網(wǎng)、配網(wǎng)、市網(wǎng)、省網(wǎng)和大區(qū)網(wǎng)，可再生能源電網(wǎng)已經(jīng)在丹麥誕生，在中國(guó)即將誕生［10］。研究可再生能源電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行，意義重大。

3 儲(chǔ)能設(shè)施運(yùn)行

儲(chǔ)能設(shè)施在容量約束下運(yùn)行，包括裝機(jī)容量PM、能量容量EM。設(shè)PsM、PgM分別為儲(chǔ)能裝機(jī)容量、發(fā)電裝機(jī)容量，兩者相等可統(tǒng)一為PM。設(shè)Pst(t)為儲(chǔ)能設(shè)施功率，Pst(t)＜0是儲(chǔ)能功率，Pst(t)＞0是發(fā)電功率，設(shè)Est(t)為存儲(chǔ)能量。這樣，功率約束為

能量約束為

圖1是儲(chǔ)能設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)圖。圖中，上界是能量庫(kù)容EM，下界對(duì)應(yīng)零能量狀態(tài)；左界是儲(chǔ)能裝機(jī)，右界是發(fā)電裝機(jī)。M(t)是運(yùn)行點(diǎn)，M(t0)是初始點(diǎn)。左邊是儲(chǔ)能狀態(tài)，右邊是發(fā)電狀態(tài)，縱軸對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能、發(fā)電的狀態(tài)切換，或?qū)?yīng)停機(jī)狀態(tài)。

圖1 儲(chǔ)能設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)圖

儲(chǔ)能設(shè)施的存儲(chǔ)能量Es(t)為

其中，ρst是效率系數(shù)，儲(chǔ)能狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)有各自的效率系數(shù) ρst，Es(t0)是初始存儲(chǔ)能量。運(yùn)行軌跡具有單調(diào)性，儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)能量Es(t)單調(diào)上升，發(fā)電狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)能量Es(t)單調(diào)下降。運(yùn)行點(diǎn)具有時(shí)變性，M(t)總處于運(yùn)動(dòng)之中，除非處在縱軸上。可再生能源電網(wǎng)需要容量大、技術(shù)成熟、成本低廉的儲(chǔ)能設(shè)施，抽水蓄能電站是目前的最佳選擇［11］。

4 儲(chǔ)納運(yùn)行機(jī)制

4.1 儲(chǔ)納機(jī)制

以圖2的四元單母線可再生能源系統(tǒng)為背景闡述儲(chǔ)納機(jī)制。

三層調(diào)度過(guò)程［12］：第一步是日前發(fā)電計(jì)劃，電源功率平衡負(fù)荷功率日前預(yù)測(cè)值；第二步是實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃，調(diào)整電源功率，平衡負(fù)荷實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值與日前預(yù)測(cè)值的差值；第三步是自動(dòng)發(fā)電控制，AGC裝置自動(dòng)平衡負(fù)荷實(shí)際值與實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值的差值。完整調(diào)度周期示意如圖3所示。

圖2 四元單母線可再生能源系統(tǒng)

圖3 完整調(diào)度周期示意圖

日前發(fā)電計(jì)劃：用常規(guī)電源功率Pc(t)平衡等效負(fù)荷功率PΔ(t)日前預(yù)測(cè)值(t)，即

實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃，儲(chǔ)能設(shè)施功率Pst(t)可正、可負(fù)，兼具發(fā)電、負(fù)荷屬性，以平衡等效負(fù)荷功率PΔ(t)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值(t)與日前預(yù)測(cè)值(t)的差值，即

自動(dòng)發(fā)電控制，AGC功率Pa(t)平衡等效負(fù)荷功率 PΔ(t)實(shí)際值 PΔ(t)與實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值的差值(t)，即

上述三式相加，得到功率平衡方程

即

上式表明，日前調(diào)度、實(shí)時(shí)調(diào)度及自動(dòng)發(fā)電裝置前赴后繼，在UREP發(fā)電功率極大化的前提下實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)功率平衡目標(biāo)［13］。以往的電網(wǎng)，用可控的常規(guī)電源去平衡隨機(jī)的負(fù)荷，可再生能源電網(wǎng)，用可控的常規(guī)電源、可控的儲(chǔ)能設(shè)施去平衡不確定的等效負(fù)荷 Pl(t)，兩者既相似又不同［14］。將式（11）變形為

比照式（1），有

此式與式（12）本質(zhì)相同，卻更體現(xiàn)儲(chǔ)納法的核心內(nèi)涵：失衡功率ΔP(t)由儲(chǔ)能設(shè)施和自動(dòng)發(fā)電控制裝置平衡，或者說(shuō)，失衡功率ΔP(t)主要由儲(chǔ)能設(shè)施平衡。

4.2 約束運(yùn)行

儲(chǔ)能設(shè)施必須在其裝機(jī)容量、能量容量限定的范圍內(nèi)運(yùn)行。超出邊界，須調(diào)整常規(guī)電源彌補(bǔ)儲(chǔ)能設(shè)施能力的不足。儲(chǔ)納法與消納法相結(jié)合，呈現(xiàn)出儲(chǔ)納為主、消納為輔，合力平息功率不確定性的局面。

儲(chǔ)能設(shè)施的四種約束運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)四種儲(chǔ)納［15］、消納的結(jié)合狀態(tài)，具體如下：

1）運(yùn)行點(diǎn)處于能量容量時(shí)，失去繼續(xù)儲(chǔ)能的能力，此時(shí)，須減小常規(guī)電源功率，消納多余的電能；

2）運(yùn)行點(diǎn)處于零能量時(shí)，失去繼續(xù)發(fā)電的能力，此時(shí)，須增加常規(guī)電源功率，彌補(bǔ)電源的不足；

3）運(yùn)行點(diǎn)處于儲(chǔ)能裝機(jī)容量時(shí)，儲(chǔ)能功率不能繼續(xù)增加，此時(shí)，須減小常規(guī)電源功率，消納多余的發(fā)電功率；

4）運(yùn)行點(diǎn)處于發(fā)電裝機(jī)容量時(shí)，發(fā)電功率不能繼續(xù)增加，此時(shí)，須增加常規(guī)電源的功率，彌補(bǔ)發(fā)電功率的不足。

4.3 失衡成因

式（9）、式（10）相加，有

比照式（14），有

即失衡功率ΔP(t)完全由日前預(yù)測(cè)誤差引起。不確定性表現(xiàn)為難以預(yù)測(cè)性，式（16）刻畫了UREP功率不確定性的本質(zhì)。

5 儲(chǔ)能設(shè)施容量

儲(chǔ)能設(shè)施的容量應(yīng)滿足可再生電網(wǎng)平息功率不確定性的需求。容量不足的儲(chǔ)能設(shè)施將頻繁觸界，能量吞吐作用受到限制［16］。UREP的發(fā)電功率具有不確定性，規(guī)劃和設(shè)計(jì)儲(chǔ)能設(shè)施容量時(shí)應(yīng)采取概率統(tǒng)計(jì)的方法。

5.1 裝機(jī)容量

儲(chǔ)能設(shè)施應(yīng)具備吞吐失衡功率ΔP(t)的能力。將年度均方根失衡度δY等效為

其中，ΔP(t)是按年統(tǒng)計(jì)的年失衡功率，Pu(t)是按年統(tǒng)計(jì)的年自然功率。儲(chǔ)納設(shè)施的功率容量PM應(yīng)滿足平衡年失衡功率ΔP(t)的條件，即

5.2 能量容量

日最大失衡負(fù)能量指每日連續(xù)負(fù)值失衡功率絕對(duì)值|ΔP(t)|時(shí)間積分的最大值。第i日的日最大失衡正能量為

據(jù)此，年均方根失衡正能量EY定義為如下的概率統(tǒng)計(jì)值：

考慮儲(chǔ)能效率系數(shù) ρst，儲(chǔ)能設(shè)施的能量容量EM應(yīng)滿足關(guān)系：

定義儲(chǔ)能利用小時(shí)T如下：

即儲(chǔ)能利用小時(shí)T描述了裝機(jī)容量、能量容量之間的關(guān)系。

6 算例分析

表1 簡(jiǎn)單系統(tǒng)日前發(fā)電計(jì)劃值（/MW）

站，一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，一個(gè)負(fù)荷，采用本文所提的儲(chǔ)納機(jī)制進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行。選取IEEE-RTS 96負(fù)荷及NREL公布的某風(fēng)電場(chǎng)3月15日數(shù)據(jù)作為典型日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。假設(shè)抽水蓄能電站的額定功率PM=100MW，能量庫(kù)容EM=1000MWh。抽水蓄能電站的初始能量庫(kù)容設(shè)定為0.5(Emax+Emin)。簡(jiǎn)單系統(tǒng)次日各時(shí)段的日前發(fā)電計(jì)劃值如表1所示，簡(jiǎn)單系統(tǒng)各時(shí)段的實(shí)時(shí)調(diào)度值如表2所示。

表2 簡(jiǎn)單系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度值（/MW）

在實(shí)時(shí)調(diào)度過(guò)程中，抽水蓄能電站能量—功率運(yùn)行狀態(tài)如圖4所示。抽水蓄能電站在3：00～4：00、10：00～12：00運(yùn)行于功率約束邊界，沒(méi)有達(dá)到過(guò)能量庫(kù)容的上限。

圖4 抽水蓄能電站能量-功率運(yùn)行圖

7 結(jié)語(yǔ)

可再生能源電網(wǎng)是不確定性可再生能源為主力電源的電網(wǎng)。針對(duì)可再生能源電網(wǎng)產(chǎn)生的失衡功率，本文提出平衡功率的儲(chǔ)納法，并基于儲(chǔ)納法闡述用于可再生能源電網(wǎng)調(diào)度的儲(chǔ)納機(jī)制。儲(chǔ)納運(yùn)行機(jī)制由日前調(diào)度、實(shí)時(shí)調(diào)度及自動(dòng)發(fā)電裝置三個(gè)環(huán)節(jié)銜接而成，分別平衡等效負(fù)荷功率的日前預(yù)測(cè)值、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值與日前預(yù)測(cè)值的差值、實(shí)際值與實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值的差值。

儲(chǔ)能設(shè)施是制約儲(chǔ)納機(jī)制實(shí)施的關(guān)鍵因素。在裝機(jī)容量和能量容量的約束下，儲(chǔ)能設(shè)施以能量騰挪、功率平衡為基本特征平息電網(wǎng)的功率不確定性。儲(chǔ)能設(shè)施的運(yùn)行軌跡具有單調(diào)性，運(yùn)行點(diǎn)具有時(shí)變性。并且可再生能源電網(wǎng)規(guī)模應(yīng)該與儲(chǔ)能設(shè)施容量協(xié)調(diào)適應(yīng)，儲(chǔ)能設(shè)施容量應(yīng)滿足可再生能源電網(wǎng)的需求。

利用四元單母線可再生能源簡(jiǎn)單系統(tǒng)算例，驗(yàn)證了本文所提策略的可行性。結(jié)果表明，抽水蓄能電站應(yīng)對(duì)不同的調(diào)度過(guò)程，能快速切換“儲(chǔ)能-發(fā)電”狀態(tài)，可以有效地平抑可再生能源發(fā)電的不確定性。