孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置研究

王衛(wèi)國，朱俊飛，丁朝輝

（1.鎮(zhèn)江電力設計院有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

風能和太陽能是清潔能源的重要來源，但都具有波動性。隨著電力改革的進行，越來越多的企業(yè)自辦電廠自足自用。隨著孤網(wǎng)運行技術的成熟和推廣也使得很多自備電廠采取孤網(wǎng)運行方式或者是具備事故狀態(tài)下與外網(wǎng)斷開能孤網(wǎng)運行[1]。在孤網(wǎng)正常運行時，企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)與地方電網(wǎng)相連，在外電網(wǎng)故障時，自備發(fā)電機組必須能夠維持孤網(wǎng)正常運行，保證企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的安全。因此，本文提出孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置研究。

1 孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置方法

儲能系統(tǒng)使利益相關者在發(fā)電、輸電、配電以及使用方面具有更大的靈活性。孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置方法可以有效結合風力發(fā)電功率模型、光伏發(fā)電功率模型、儲能系統(tǒng)功率模型及其他電源功率模型，通過確定投資、運行成本，確定其的約束條件分別為經(jīng)濟型和可靠型，進一步提出孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置方案，實現(xiàn)儲能容量最佳配置。

1.1 建立容量配置模型

考慮到可再生能源發(fā)電如今已成為能源轉型的關鍵推動力。在孤網(wǎng)運行狀態(tài)下，建立容量配置模型。容量配置模型是儲能系統(tǒng)根據(jù)微網(wǎng)監(jiān)控指令進行恒功率或恒流控制，給電池充電或放電，平滑風電、太陽能等波動性電源的輸出。在微網(wǎng)條件下，容量配置模型作為主電源提供微網(wǎng)的電壓和頻率支撐，微網(wǎng)中負荷以此電壓和頻率為基準工作[2]。carrent采用雙閉環(huán)控制和Model脈沖調(diào)制方法，能夠精確快速地調(diào)節(jié)輸出電壓、頻率、有功和無功功率。

1.2 構建容量目標函數(shù)

為整合孤網(wǎng)運行狀態(tài)下電網(wǎng)及新能源的經(jīng)濟效益，就必須對儲能系統(tǒng)容量配置中的重要指標進行精確計算。本文重點針對如下4個指標進行計算，分別為儲能系統(tǒng)容量配置成本節(jié)約函數(shù)、儲能系統(tǒng)容量配置收入函數(shù)、瞬時功率經(jīng)過儲能系統(tǒng)的平均函數(shù)和儲能系統(tǒng)容量配置的抗干擾函數(shù)[3]。求得構建主動孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量最佳配置收益的多目標函數(shù)。

設孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量最佳配置收益的多目標函數(shù)為maxE，可得公式：

其中：WLEgrid指的是儲能系統(tǒng)容量配置成本節(jié)約函數(shù)；W2Eloss指的是儲能系統(tǒng)容量配置收入函數(shù)；W3Ewind指的是瞬時功率經(jīng)過儲能系統(tǒng)的平均函數(shù)；W4Esolae指的是儲能系統(tǒng)容量配置的抗干擾函數(shù)；Ω指的是約束條件下，目標函數(shù)可行解范圍；s指的是定義域；t指的是參數(shù)調(diào)節(jié)能源波動的時間，X指的是決策空間集合；H(X )指的是決策空間集合下能源波動干擾值。

在明確容量目標函數(shù)的基礎上，設定孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置方法有功、無功滿足等式約束為：

其中：PGI指的是節(jié)點G與節(jié)點I的截止角頻率；Q指的是節(jié)點瞬時有功功率；N指的是節(jié)點瞬時無功功率；P指的是角頻率；UI指的是I節(jié)點的電壓與電流的分量；UIJ指的是第J時段I節(jié)點的電壓與電流的分量；θIJ指的是第J時段I節(jié)點的負荷消耗功率值；p指的是用電負荷平均值。

在式（2）、式（3）的基礎上可得，輸出電壓頻率和儲能系統(tǒng)容量幅值的下垂特性方程為：

其中：w指的是額定電壓；w1指的是參考無功功率；Yn指的是無功下垂系數(shù)；f指的是平均無功功率；fe指的是限定頻率；E指的是平均有功功率；E1指的是參考有功功率；Ln指的是有功下垂系數(shù)；R指的是電流參考值；Re指的是電壓的參考值。

結合公式來看，在一定的電壓范圍內(nèi)，根據(jù)電壓的高低采用無功補償。構建容量目標函數(shù)，確立容量配置的數(shù)學模型，根據(jù)輸出電壓頻率和儲能系統(tǒng)容量幅值的下垂特性提高孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置的抗干擾性。

1.3 建立映射關系

在建立容量配置模型和明確容量目標函數(shù)的基礎上，建立配置模型與目標函數(shù)最匹配的對應關系。假設孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置為初始值，由于電網(wǎng)承受高峰負荷、低谷負荷特定持續(xù)的時間均非常有限，當儲能系統(tǒng)容量配置到達一定規(guī)模時，儲能系統(tǒng)處于負荷低谷時刻中自動補充電量，儲能系統(tǒng)處于負荷高峰時刻中自動輸出電量，可以有效抬高低谷負荷，最大限度地減小負荷峰谷差，松弛儲能系統(tǒng)容量向下調(diào)節(jié)空間，使儲能系統(tǒng)有能力接納更多容量的風電，從而提高儲能系統(tǒng)的容量。當儲能系統(tǒng)充、放電功率足夠大時，設配置的儲能容量為φr，每日充放電F次，求得削減高峰負荷，抬升低谷負荷的最佳值。以Fr表示充放電F次時的容量，tanφ表示削減高峰負荷值，那么，孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)配置容量與負荷峰谷差之間的最佳映射關系為：

根據(jù)式（5）可知，求得最佳配置容量的儲能系統(tǒng)對負荷峰谷差的改善有著明顯的效果。具有能夠有效對孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置低谷負荷的抬升能力，因此決定了儲能系統(tǒng)容量的技術水平。隨著儲能系統(tǒng)容量的不斷增加，對儲能系統(tǒng)容量的配置也會越來越高。當儲能系統(tǒng)低谷負荷被抬升到達一定高度時，如果對儲能系統(tǒng)繼續(xù)進行改善，儲能系統(tǒng)所需的容量會隨之增大。因此，建立配置模型與目標函數(shù)最匹配的對應關系，可以達到儲能系統(tǒng)最優(yōu)配置方法。

2 對比實驗

2.1 實驗準備

為進一步驗證孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置的優(yōu)越性，設計如下對比實驗。針對儲能系統(tǒng)容量配置的抗干擾性進行實驗。為確保實驗結果的準確性，整體實驗均在統(tǒng)一電壓環(huán)境下進行，設置電路中負載有功功率50 kW，無功功率為40 kW，對比時間設定為5 s，以1 s為一個測試節(jié)點。首先采用傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)容量配置進行檢測，再采用文章設計的孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置進行同樣的操作步驟，設置傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)容量配置為對照組。

2.2 實驗結果分析與結論

根據(jù)設計的對比實驗，采集5組實驗數(shù)據(jù)，將兩種儲能系統(tǒng)容量配置的抗干擾性進行對比，通過計算整理，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩種儲能系統(tǒng)容量配置抗干擾性對比

通過表1可得出如下的結論：本文設計的孤網(wǎng)運行狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)容量配置抗干擾能力明顯強于傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)容量配置。在相同電壓的情況下，采用孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置，具有更加安全、穩(wěn)定的優(yōu)勢。因此，孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置是風能和太陽能等清潔能源儲存的重要手段。有理由加大孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置在風能和太陽能等清潔能源儲存中的應用，為風能和太陽能等清潔能源儲存工作指明發(fā)展方向。因此，本文設計的孤網(wǎng)運行狀態(tài)下儲能系統(tǒng)容量配置更符合對于清潔能源儲存穩(wěn)定性的實際要求。

3 結 論

儲能系統(tǒng)是未來智能電網(wǎng)的重要組成部分，儲能技術在接納風電、太陽能發(fā)電等間歇性清潔能源入網(wǎng)方面也發(fā)揮著不可或缺的重要作用。在孤網(wǎng)運行狀態(tài)下對儲能系統(tǒng)容量配置進行研究，是真正影響未來能源大格局的重要研究。一旦儲能系統(tǒng)能夠實現(xiàn)技術上的突破，必將開啟清潔能源發(fā)展之路。雖面臨諸多困難，但卻是大勢所趨。因此，隨著新能源發(fā)電技術、虛擬同步機技術和壓縮空氣儲能技術的日漸成熟，儲能系統(tǒng)容量配置必將迎來更大發(fā)展。