基于暫態(tài)下電網(wǎng)脆弱點(diǎn)辨識的儲能電池選址方法

陳長青，楊 嫻

(湖南城市學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

由于ESB 技術(shù)的快速發(fā)展和其特有性質(zhì)，在電力系統(tǒng)中的運(yùn)用備受關(guān)注﹒但不同運(yùn)行工況下，ESB 對電網(wǎng)影響不同，其選址定容的方法也不盡相同﹒因此，如何科學(xué)合理地選址已成為當(dāng)今熱點(diǎn)問題﹒

目前，國內(nèi)外對ESB 接入電力系統(tǒng)的選址研究主要是針對電網(wǎng)某一特性進(jìn)行分析，尚未構(gòu)成完整的選址指標(biāo)體系﹒文獻(xiàn)[1-2]指出電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)功率變化對系統(tǒng)的影響與其靈敏度成正比，這些節(jié)點(diǎn)可作為功率調(diào)節(jié)設(shè)備的最佳安裝地點(diǎn)﹒文獻(xiàn)[3]中將網(wǎng)絡(luò)損耗作為優(yōu)化目標(biāo)，將儲能視為負(fù)荷，利用網(wǎng)絡(luò)損耗靈敏度分析方法，對儲能裝置進(jìn)行容量優(yōu)化和選址﹒文獻(xiàn)[4]通過分析CBEST 的安裝地點(diǎn)對其功率補(bǔ)償效果的影響來選擇CBEST的最佳安裝地點(diǎn)；通過不同工況下的故障設(shè)置驗(yàn)證其有效性和可行性﹒文獻(xiàn)[5]以日內(nèi)儲能投資成本和運(yùn)行成本之和最小為目標(biāo)，考慮儲能荷電量時段間耦合約束，構(gòu)建儲能選址定容模型﹒文獻(xiàn)[6]在考慮儲能效益與成本的基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓波動、負(fù)荷波動及儲能裝置總?cè)萘繛槟繕?biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并提出一種基于改進(jìn)多目標(biāo)粒子群算法的配網(wǎng)儲能選址定容方法﹒文獻(xiàn) [7]研究了儲能電站接入配電網(wǎng)后對原有電流保護(hù)的影響，采用多維編碼法對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，以網(wǎng)損與電壓偏移最小為優(yōu)化目標(biāo)，在約束條件中考慮了配電網(wǎng)和儲能電站輸出電流，來進(jìn)行儲能電站的選址定容﹒以上研究都僅從不同的單一角度分析了儲能接入之后對電網(wǎng)的影響，均未構(gòu)建完整的選址評價指標(biāo)體系﹒

電網(wǎng)是一個相互制約和影響的整體，不是由孤立節(jié)點(diǎn)簡單連接而成，且在不同運(yùn)行工況下接入儲能，其作用不一樣，選址方法也不盡相同﹒因此，本研究從電網(wǎng)脆弱性角度來分析ESB 在緊急暫態(tài)控制下的選址方案﹒文獻(xiàn)[8]分析了基于脆弱性評價指標(biāo)體系的儲能規(guī)劃新方法的可行性，并提出了基于脆弱性理論的主動配電網(wǎng)儲能規(guī)劃方法，但未考慮儲能對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響﹒文獻(xiàn)[9]在風(fēng)電消納工況下構(gòu)建評價指標(biāo)體系，通過該指標(biāo)體系對ESB 進(jìn)行選址研究，并對該選址方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證﹒文獻(xiàn)[10]從安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性這3 個方面建立指標(biāo)評估模型，對比分析儲能系統(tǒng)各接入位置的優(yōu)劣，從而進(jìn)行合理地選址，其僅從電網(wǎng)層面考慮的指標(biāo)選取比較粗略，并未根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行深入分析﹒文獻(xiàn)[11]在建立計及超導(dǎo)儲能裝置接入的電網(wǎng)最大輸電能力計算模型基礎(chǔ)上，以接入超導(dǎo)儲能裝置后系統(tǒng)凈收益最大為目標(biāo)函數(shù)，通過遺傳算法求解得到超導(dǎo)儲能裝置的優(yōu)化安裝地點(diǎn)和容量，并進(jìn)一步提出了基于靈敏度分析的SMES 優(yōu)化配置方法，但將其轉(zhuǎn)化成了多目標(biāo)尋優(yōu)方法，忽視了電網(wǎng)地理及電氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)﹒綜上，如何在不同的運(yùn)行工況下，建立更符合電力系統(tǒng)特點(diǎn)的ESB 選址評價指標(biāo)，是一個亟待解決的問題﹒

大面積停電事故一般由個別元件故障開始并最終導(dǎo)致全系統(tǒng)崩潰[12-13]，其中起到推波助瀾作用的往往是極少數(shù)具有長程連接的線路[14-15]﹒因此，從電網(wǎng)脆弱性出發(fā)尋找電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，首先利用電氣節(jié)點(diǎn)耦合度指標(biāo)描述中心節(jié)點(diǎn)，其次考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性及負(fù)荷等級，使該指標(biāo)能有效反應(yīng)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會影響，從而能更全面地反映出節(jié)點(diǎn)故障對系統(tǒng)的影響程度﹒基于ESB 其快速的功率吞吐能力和靈活控制的特點(diǎn)，來驗(yàn)證分析當(dāng)節(jié)點(diǎn)受到攻擊而致使電網(wǎng)處于緊急暫態(tài)工況下，ESB 能否有效維持電網(wǎng)穩(wěn)定，為ESB 的選址研究提供新思路﹒

1 構(gòu)建脆弱性暫態(tài)選址指標(biāo)體系

目前，電力系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)問題時，主要通過切機(jī)與切負(fù)荷使系統(tǒng)過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，這嚴(yán)重影響電能質(zhì)量和供電可靠性，甚至?xí)痣娋W(wǎng)崩潰﹒而ESB 具有快速功率吞吐能力和靈活控制的特點(diǎn)，可有效緩解切機(jī)量和減少切負(fù)荷量，提高暫態(tài)功角穩(wěn)定性﹒因?yàn)殡娋W(wǎng)的暫態(tài)問題一般是由于個別元件或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障后引起的，所以通過系統(tǒng)脆弱性分析，找出系統(tǒng)脆弱節(jié)點(diǎn)及重要節(jié)點(diǎn)，當(dāng)其發(fā)生故障時，儲能可快速響應(yīng)而減少對電網(wǎng)影響的思路切實(shí)可行﹒

為將實(shí)際電網(wǎng)簡化，利用電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表述，將發(fā)電機(jī)、負(fù)荷及變電站等效成節(jié)點(diǎn)，邊為傳輸線路，其詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠瓌t見文獻(xiàn)[14]﹒

1.1 節(jié)點(diǎn)脆弱度指標(biāo)選取

對電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行脆弱度分析時，高度數(shù)節(jié)點(diǎn)并不一定是網(wǎng)絡(luò)的脆弱點(diǎn)[16]；電力系統(tǒng)中也存在少量節(jié)點(diǎn)擁有較高介數(shù)，但這些節(jié)點(diǎn)的缺失不會引起潮流重新分布﹒因此，不能僅僅考慮節(jié)點(diǎn)的介數(shù)和度數(shù)，更應(yīng)該考慮節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的功率及故障時造成的負(fù)荷損失率﹒

其中：Li為節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷；m 為節(jié)點(diǎn)故障后退出系統(tǒng)的集合；L 為系統(tǒng)負(fù)荷﹒

由于隨著時間的推移，系統(tǒng)元件將會不同程度的老化，從而影響脆弱度﹒基于此，研究引入設(shè)備老化失效故障概率模型[17]﹒老化過程通常服從威爾布(Weibull)分布，設(shè)備在最大設(shè)計溫度下的故障概率表示為

其中：t 為設(shè)備服役時間；n 為形狀參數(shù)；T 為最大溫度下運(yùn)行時間﹒

綜合考慮設(shè)備達(dá)到老化程度之后，能更有效地從設(shè)備故障層面綜合反映節(jié)點(diǎn)脆弱度，其脆弱度可定義為負(fù)荷損失率與老化故障概率之積，即

其中：Ci為考慮設(shè)備老化程度之后的綜合脆弱度，該指標(biāo)能綜合反應(yīng)某節(jié)點(diǎn)故障時，對電網(wǎng)造成的負(fù)荷損失影響﹒

1.2 社會經(jīng)濟(jì)影響指標(biāo)選取

在電力系統(tǒng)中，不同節(jié)點(diǎn)故障造成不同負(fù)荷等級(重要度)切除量不同，致使造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響程度也不同﹒文獻(xiàn)[18]雖指出了不同負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)因子不同，但并未對負(fù)荷進(jìn)行等級劃分，且節(jié)點(diǎn)處的負(fù)荷可以全部切除，這與實(shí)際電路運(yùn)行不符﹒因此，根據(jù)節(jié)點(diǎn)所接負(fù)荷等級不同，設(shè)定不同的經(jīng)濟(jì)影響因子，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時，根據(jù)需要切除的不同等級負(fù)荷計算出社會經(jīng)濟(jì)影響值﹒

其中：Ji為i 節(jié)點(diǎn)故障時造成的社會經(jīng)濟(jì)影響；a1，a2和a3分別為1 級負(fù)荷、2 級負(fù)荷和3 級負(fù)荷影響因子；Plost1，Plost2和 Plost3分別為1 級負(fù)荷、2 級負(fù)荷和3 級負(fù)荷切除量﹒

其中：Mi為電網(wǎng)中單元i 的綜合脆弱性指標(biāo)﹒

綜上，電力系統(tǒng)的脆弱強(qiáng)度不僅與自身運(yùn)行參數(shù)相關(guān)，還與其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系﹒基于暫態(tài)穩(wěn)定下，電網(wǎng)為維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需采用切機(jī)或切負(fù)荷手段，故從負(fù)荷側(cè)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，計算出各節(jié)點(diǎn)故障時綜合社會影響排序，將排序靠前的節(jié)點(diǎn)定義為脆弱節(jié)點(diǎn)﹒

2 基于脆弱度的儲能選址方法

暫態(tài)緊急控制中，由于某一節(jié)點(diǎn)故障，將導(dǎo)致機(jī)組失穩(wěn)解列，失去部分供電能力，為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定，需要進(jìn)行減載﹒這不僅影響系統(tǒng)供電可靠性，同時影響用戶用電舒適度和造成產(chǎn)品損失﹒因此，在系統(tǒng)故障時，儲能能有效減少切機(jī)造成的供電缺額﹒

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)脆弱性評估實(shí)質(zhì)是對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性的評估，是指電網(wǎng)中某一節(jié)點(diǎn)或某一些節(jié)點(diǎn)退出或相繼退出后，電網(wǎng)保持其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定的能力﹒而在暫態(tài)工況下分析脆弱性，主要是考慮節(jié)點(diǎn)退出后，對負(fù)荷及機(jī)組的影響﹒因此，基于上節(jié)構(gòu)建的評估指標(biāo)對電網(wǎng)暫態(tài)進(jìn)行選址，主要從負(fù)荷側(cè)層面進(jìn)行研究，對比分析節(jié)點(diǎn)移除后，對電網(wǎng)社會經(jīng)濟(jì)影響的程度，評估電網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)，即為脆弱節(jié)點(diǎn)及儲能的安裝位置﹒暫態(tài)下脆弱性節(jié)點(diǎn)的選址流程見圖1，判斷步驟如下：

1)根據(jù)式(1)計算i 節(jié)點(diǎn)故障時負(fù)荷損失率；

2)根據(jù)式(2)計算i 節(jié)點(diǎn)元件故障概率；

3)根據(jù)式(4)計算i 節(jié)點(diǎn)負(fù)荷損失的社會經(jīng)濟(jì)影響值；

4)根據(jù)式(5)計算i 節(jié)點(diǎn)的綜合脆弱度，并排序，確定脆弱節(jié)點(diǎn)集，即為儲能安裝位置﹒

圖1 選址程序流程

3 算例及其分析

3.1 算例系統(tǒng)

使用PSASP 6.2 對IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行時域仿真分析，首先，0.2 s 時在各重要節(jié)點(diǎn)母線上設(shè)置三相短路接地故障，0.3 s 時清除故障，記錄每個節(jié)點(diǎn)故障時系統(tǒng)的總負(fù)荷損失量；然后改變系統(tǒng)設(shè)備故障率及負(fù)荷等級的經(jīng)濟(jì)影響因子，假設(shè)節(jié)點(diǎn)20，23，25 和39 為1 級負(fù)荷節(jié)點(diǎn)(可直接由雙電源供電)，其余節(jié)點(diǎn)負(fù)荷均為2 級和3 級負(fù)荷，且各占50%，因國內(nèi)目前還未對各等級負(fù)荷缺失造成的社會經(jīng)濟(jì)影響進(jìn)行量化，為說明問題，此處假設(shè)經(jīng)濟(jì)影響因子分別為3.0，0.8 和0.3﹒

3.2 仿真分析

3.2.1 IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)儲能位置確定分析

根據(jù)第1 節(jié)構(gòu)建的指標(biāo)體系，對IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)儲能位置確定分析結(jié)果列于表1，不同情形下的脆弱度節(jié)點(diǎn)見表2﹒由表2 可知，在不考慮設(shè)備故障率時，IEEE 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)脆弱節(jié)點(diǎn)均處于系統(tǒng)電氣連接結(jié)構(gòu)的樞紐位置或是耦合度數(shù)較高的節(jié)點(diǎn)，這與參考文獻(xiàn)[16]基本符合；同時與其它母線相比，故障發(fā)生在此類節(jié)點(diǎn)上時，更易蔓延而引發(fā)全局性的事故﹒當(dāng)改變節(jié)點(diǎn)的老化率時，其節(jié)點(diǎn)脆弱度將會轉(zhuǎn)移，此時節(jié)點(diǎn)9，28，17，16，4 和15 脆弱度較大，其中節(jié)點(diǎn)9 和28在不考慮設(shè)備老化率時，負(fù)荷損失量較小，但當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)設(shè)備老化率較大時，其累計影響較大，這說明設(shè)備老化程度對節(jié)點(diǎn)的脆弱度有一定的影響﹒因此，電網(wǎng)中重要節(jié)點(diǎn)的刷選不僅需要考慮電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還需綜合考慮節(jié)點(diǎn)在電網(wǎng)中所處的位置、設(shè)備老化及其累計影響﹒

假設(shè)節(jié)點(diǎn)老化程度指標(biāo)一致，當(dāng)改變節(jié)點(diǎn)負(fù)荷等級時，各節(jié)點(diǎn)的脆弱度將有明顯變化﹒節(jié)點(diǎn)17，4，15，25，23 和3 的社會經(jīng)濟(jì)影響程度較大，但這些節(jié)點(diǎn)度數(shù)均不是最高；17，4 和15 節(jié)點(diǎn)處于系統(tǒng)的樞紐位置，負(fù)荷損失量較大；23 和25 節(jié)點(diǎn)雖然損失負(fù)荷率較小，但由于是重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，因此其綜合社會影響值較大，脆弱度也較大；節(jié)點(diǎn)17，9，4，15，16 和25 綜合脆弱度較大，節(jié)點(diǎn)9 受設(shè)備老化程度影響最大，節(jié)點(diǎn)25 是重要負(fù)荷﹒因此與拓?fù)涠认啾龋紤]負(fù)荷等級能識別出那些處于電網(wǎng)樞紐地段或接有重要負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)，而忽略負(fù)荷等級作用，只考慮節(jié)點(diǎn)度數(shù)的電網(wǎng)脆弱性分析很難滿足復(fù)雜電網(wǎng)脆弱度分析﹒

表1 考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)荷等級的IEEE 39 節(jié)點(diǎn)綜合脆弱度

表2 IEEE 39 脆弱度節(jié)點(diǎn)

3.2.2 ESB 接入后對暫態(tài)影響分析

由上節(jié)可知，當(dāng)考慮負(fù)荷等級時，節(jié)點(diǎn)17，9，4，15，16 和25 社會經(jīng)濟(jì)影響程度較大﹒因此，在該節(jié)點(diǎn)處接入ESB，暫不考慮儲能電站容量，記錄該運(yùn)行方式下5 s 內(nèi)(為清楚地觀察故障情況，總時長設(shè)置為15 s)，節(jié)點(diǎn)17(一般負(fù)荷節(jié)點(diǎn))和25(重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn))受到故障后系統(tǒng)發(fā)電機(jī)功角變化曲線和系統(tǒng)母線電壓曲線分別如圖2 和圖3 所示﹒當(dāng)接入儲能后，節(jié)點(diǎn)17 和節(jié)點(diǎn)25 發(fā)生故障時，其發(fā)電機(jī)功角變化曲線見圖4，電壓恢復(fù)曲線見圖5﹒

由圖2~圖5 可知，系統(tǒng)未接入ESB 時，無論是一般負(fù)荷節(jié)點(diǎn)還是重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn)故障，為維持系統(tǒng)穩(wěn)定，需要切除部分機(jī)組和負(fù)荷；接入ESB之后，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)故障時，ESB 可以快速響應(yīng)，充當(dāng)電源，對系統(tǒng)進(jìn)行恒功率放電，因此可以減少切負(fù)荷量；當(dāng)ESB 足夠大時，甚至不需要切除負(fù)荷，也能有效恢復(fù)系統(tǒng)機(jī)組功角和電壓穩(wěn)定﹒這驗(yàn)證了ESB 的接入能有效緩解系統(tǒng)故障時負(fù)荷側(cè)的緊急暫態(tài)問題﹒

圖2 未接入儲能時發(fā)電機(jī)功角曲線

圖3 未接入儲能時母線電壓曲線

圖4 儲能接入脆弱點(diǎn)后發(fā)電機(jī)功角曲線

圖5 儲能接入后母線電壓曲線

4 結(jié)語

通過綜合考慮節(jié)點(diǎn)故障切除后對社會經(jīng)濟(jì)造成的影響、元件老化以及節(jié)點(diǎn)在電網(wǎng)中所處位置等因素，構(gòu)建了ESB 選址指標(biāo)體系﹒根據(jù)該指標(biāo)體系計算各節(jié)點(diǎn)重要度，從而選擇重要度高的作為ESB 安裝位置﹒研究發(fā)現(xiàn)，若將儲能安裝在重要度較高的節(jié)點(diǎn)位置，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，ESB 可在大擾動時提供緊急有功支撐，以緩解受端機(jī)組減速和減少切負(fù)荷量，提高暫態(tài)功角穩(wěn)定性，這也驗(yàn)證了所構(gòu)建的選址指標(biāo)體系的有效性﹒