湖南分布式儲能電站集中控制可行性分析

陳浩，石輝，周過海

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著國內(nèi)外電化學(xué)儲能產(chǎn)品產(chǎn)能提升和技術(shù)進(jìn)步，儲能電池在電網(wǎng)側(cè)的規(guī)?；瘧?yīng)用逐漸成為一種現(xiàn)象。鑒于電化學(xué)儲能電池在靈活部署、全參數(shù)可控、快速響應(yīng)、智能化運(yùn)行、儲能效率高等方面的突出優(yōu)勢和日益降低的技術(shù)成本，儲能電站成為當(dāng)前最具開發(fā)潛力的新型能源之一。

國家大力促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在此背景下，國網(wǎng)湖南省電力有限公司積極研究儲能在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用，將儲能電站建設(shè)列為公司長期戰(zhàn)略、重點(diǎn)工程，目前儲能示范工程第一批三座儲能電站均已投運(yùn)。未來，儲能將作為變電站、風(fēng)電場的配套設(shè)施而大量投入應(yīng)用，大規(guī)模分布式儲能資源如何實(shí)現(xiàn)合理調(diào)度、高效利用將成為一項(xiàng)重大課題。為此，本文從電網(wǎng)調(diào)度的角度出發(fā)，探討大規(guī)模分布式儲能電站的控制模式問題。

1 儲能控制模式研究現(xiàn)狀

1.1 源側(cè)儲能應(yīng)用控制及能量管理研究現(xiàn)狀

針對源側(cè)儲能應(yīng)用控制及能量管理，近年研究側(cè)重于集中式儲能電站平滑風(fēng)電場和光伏電站出力波動、跟蹤發(fā)電出力計(jì)劃等。針對平滑出力波動應(yīng)用，薛宇石[1－2]等提出了平滑新能源發(fā)電站出力隨機(jī)性及波動性的集中式儲能電站能量管理技術(shù)，該技術(shù)基于各儲能變流器單元荷電狀態(tài)及放電狀態(tài)的比例進(jìn)行充放電功率指令的實(shí)時分配，同時考慮了各儲能子系統(tǒng)的能量狀態(tài)一致性，以及最大充放電功率約束；劉皓明[3－4]等提出了一種平抑高滲透比例的分布式光伏發(fā)電站出力波動的集中式儲能電站實(shí)時調(diào)度方法，該方法包括儲能電站站內(nèi)功率分配和配電系統(tǒng)實(shí)時調(diào)度雙層結(jié)構(gòu)。針對跟蹤發(fā)電出力計(jì)劃應(yīng)用，李相俊[5－6]等基于超短期風(fēng)功率預(yù)測提出了利用粒子群優(yōu)化算法實(shí)時優(yōu)化儲能系統(tǒng)充放電控制系數(shù)的方法，同時建立了包含若干控制系數(shù)的儲能系統(tǒng)充放電控制策略，以減少日前短期風(fēng)功率預(yù)測誤差；趙書強(qiáng)[7－8]等基于相關(guān)機(jī)會目標(biāo)約束規(guī)劃方法，以風(fēng)光儲調(diào)度出力曲線與計(jì)劃出力曲線匹配程度最大，儲能電池充放電功率最平緩和儲能電池可持續(xù)工作性最佳為目標(biāo)，建立了風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)儲能調(diào)度模型；李姚旺[9]等基于不同時間尺度下負(fù)荷、風(fēng)電和價格型需求響應(yīng)的預(yù)測誤差特性，以“瞻前顧后” 為原則，建立了含儲能電站電力系統(tǒng)日前－日內(nèi)協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化模型。

1.2 多點(diǎn)布局儲能電站協(xié)同技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對多點(diǎn)布局儲能電站的協(xié)同技術(shù)方面，主要關(guān)注了集群控制技術(shù)。集群控制作為協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域的一個重要方面，具有極強(qiáng)的自我組織能力和被控對象規(guī)模較大的特點(diǎn)，尤其在復(fù)雜的廣域分散系統(tǒng)中，集群協(xié)調(diào)控制是完成控制目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的一種行之有效的方法，符合高滲透率分布式儲能系統(tǒng)的控制要求。集群協(xié)調(diào)控制從簡單的局部規(guī)則涌現(xiàn)出協(xié)調(diào)的全局行為，使被控對象行為趨于一致，體現(xiàn)了較強(qiáng)的適應(yīng)性、分散性、魯棒性、容錯性和自主性。目前，國內(nèi)外只有少部分專家學(xué)者對分布式儲能中的集群協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行了初步研究。分布式儲能集群控制目前主要側(cè)重于概念的提出和框架搭建，針對其應(yīng)用尚未有系統(tǒng)性理論研究及模型分析。汪寧渤[10－12]等設(shè)計(jì)了間歇式電源集群控制平臺整體框架及各部分具體功能，提出了包含機(jī)組/組件、場站、場站群、集群的分層控制體系。姜久春[13－16]等提出了一種考慮荷電狀態(tài)的多儲能系統(tǒng)與可再生能源間的分布式有功功率協(xié)調(diào)控制策略。

應(yīng)當(dāng)指出，關(guān)于源側(cè)儲能電站應(yīng)用于電網(wǎng)的控制研究主要集中在某一環(huán)節(jié)的單一應(yīng)用目的應(yīng)用場景，少有考慮利用電源結(jié)合儲能集群控制和分區(qū)域自治聚合作為電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)壓調(diào)頻以及維護(hù)電網(wǎng)安全等方面的多目標(biāo)調(diào)度與運(yùn)行控制相關(guān)的研究；協(xié)同技術(shù)研究方面集中在大型風(fēng)電場的集群控制，主要在風(fēng)電集群、風(fēng)儲集群和風(fēng)光集群的協(xié)調(diào)控制構(gòu)架和基本控制策略等方面，能夠?yàn)樵磦?cè)分布式儲能集群之間以及上層變電站之間的協(xié)調(diào)控制提供一種思路和啟發(fā)；同時，分散式風(fēng)電結(jié)合分布式儲能在大電網(wǎng)中的實(shí)際工程案例也未見報道。

2 群控、域控模式可行性分析

根據(jù)?湖南電網(wǎng)儲能電站調(diào)度運(yùn)行管理規(guī)程(試行) ?，以10 (6) kV 及以上電壓等級并網(wǎng)運(yùn)行的公用儲能電站，均納入電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，通過AGC、AVC 或站端自主控制系統(tǒng)參與電網(wǎng)實(shí)時調(diào)整。對于大規(guī)模分布式儲能電站集中調(diào)度，采取傳統(tǒng)場站級調(diào)管模式已然不適用也不經(jīng)濟(jì)，因此，引入針對分布式智能單元的集群控制(群控)、區(qū)域控制(域控) 模式有其現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 群控、域控模式應(yīng)用的特點(diǎn)

分布式儲能電站群控、域控是一個比較新的概念，但相關(guān)理論早已在軍事、商用科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其理論基礎(chǔ)可參考聚合理論。

參照聚合理論，群控、域控模式的應(yīng)用應(yīng)具有以下特點(diǎn):

1) 應(yīng)用基礎(chǔ)的要求。分布式受控單元具有統(tǒng)一的運(yùn)行規(guī)則、邏輯模式和通訊標(biāo)準(zhǔn)，具備一定程度的自主通訊互動、環(huán)境感知、自動計(jì)算分析、多任務(wù)并行處置和智能化決策功能，能同時參與集體任務(wù)與個體任務(wù)的優(yōu)化協(xié)同處置。目前分布式儲能單元在應(yīng)用基礎(chǔ)方面已能滿足相關(guān)要求。

2) 控制系統(tǒng)的要求。具備實(shí)時通信、動態(tài)響應(yīng)的機(jī)制，具有單元、集群兩級以及上控制系統(tǒng)互動和明確的任務(wù)優(yōu)先級劃分，控制面向效果、目標(biāo)而非動作、行為。隨著電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的發(fā)展，其控制系統(tǒng)已基本滿足相關(guān)要求。

3) 控制表現(xiàn)的要求。最大化集體控制資源空間、最小化控制干預(yù)、多任務(wù)同步執(zhí)行、多目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、宏觀與微觀控制目標(biāo)的綜合最優(yōu)化等。

綜上所述，上述特點(diǎn)同樣適用于電網(wǎng)調(diào)度對分布式儲能電站的運(yùn)行控制需求，而目前日益智能化的儲能單元及電網(wǎng)調(diào)度控制平臺也能夠達(dá)到所需的技術(shù)條件，因此，分布式儲能電站群控、域控模式在電網(wǎng)的應(yīng)用是完全可行的。

2.2 分布式儲能電站群控、域控模式應(yīng)用

1) 群控方面。全網(wǎng)分布式儲能電站參與電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行、斷面控制、清潔能源消納、電壓無功控制、短路電流控制、精切負(fù)荷控制等全局性多目標(biāo)優(yōu)化任務(wù)。

2) 域控方面。針對電網(wǎng)出現(xiàn)的區(qū)域性、時段性、特殊性的具體運(yùn)行問題或控制需求，根據(jù)相關(guān)區(qū)域分布式儲能電站與控制目標(biāo)的靈敏度關(guān)系，依據(jù)規(guī)則自行組織部分儲能電站參與優(yōu)化控制，如參與電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)多元需求響應(yīng)，參與風(fēng)電場運(yùn)行參數(shù)控制、電力輸出控制、電網(wǎng)暫態(tài)安全控制、孤網(wǎng)頻率電壓控制、地區(qū)電網(wǎng)黑啟動、用戶側(cè)供電保障及電能質(zhì)量優(yōu)化、智能應(yīng)急電源輸出等。

2.3 分布式儲能電站群控、域控模式的實(shí)現(xiàn)

1) 虛擬電廠技術(shù)通過聚合可控負(fù)荷、分布式電源以及儲能系統(tǒng)，使其能夠參與電力市場和輔助服務(wù)市場運(yùn)營，從而實(shí)現(xiàn)電能的實(shí)時交易，同時能夠優(yōu)化資源配置，提高供電可靠性。在展開分布式儲能系統(tǒng)群控域控研究中，可以充分借鑒現(xiàn)有的虛擬電廠技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，開展針對分布式儲能群控、域控的特色性研究。

2) 群控、域控技術(shù)的核心在于分區(qū)域、集群及協(xié)調(diào)控制。關(guān)于集群，首要任務(wù)是集群的動態(tài)劃分，在這個過程中，聚類理論可以為研究提供分組思路。

3) 多代理系統(tǒng)(Multi Agent System，MAS)。在調(diào)度層面統(tǒng)一調(diào)配廣域布局的分布式儲能系統(tǒng)，是一個包含資源分散、監(jiān)控數(shù)據(jù)維數(shù)高且體量大、控制方式多樣化、設(shè)計(jì)區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私的集群控制問題，使得采用以往由調(diào)控中心統(tǒng)一判斷、調(diào)度集中控制模式難以實(shí)現(xiàn)靈活、有效的調(diào)配。目前多代理系統(tǒng)已在微電網(wǎng)、虛擬電廠協(xié)調(diào)控制方面多有應(yīng)用，為研究的開展提供借鑒。

3 群控、域控技術(shù)研究方向

3.1 湖南電網(wǎng)分布式儲能特點(diǎn)

湖南電網(wǎng)分布式儲能以風(fēng)電儲能電站為主。湖南風(fēng)電儲能電站多處于山地丘陵地區(qū)，海拔超過500 m 的風(fēng)電儲能電站占比超過80%，以分散式接入電網(wǎng)為主要特征。湖南山地風(fēng)電有地形復(fù)雜、湍流強(qiáng)勁、風(fēng)水同區(qū)、風(fēng)水同期、冬季冰凍、夏季風(fēng)小等特點(diǎn)，隨機(jī)性強(qiáng)、波動性大，調(diào)度運(yùn)行管理難度大。從電源角度看，湖南山地式風(fēng)電與小水電具有高度的時空重疊特性。從電網(wǎng)角度看，湖南山地式風(fēng)電表現(xiàn)出一定的反調(diào)節(jié)特性。

3.2 群控模式研究方向

結(jié)合湖南電網(wǎng)分布式儲能特點(diǎn)，適用于群控模式的具體研究方向如下:

1) 分布式儲能參與直流受端電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定性控制研究。通過對分布式儲能實(shí)時參與電網(wǎng)正常、故障方式下電壓、頻率穩(wěn)定控制研究，找出對電網(wǎng)安全運(yùn)行高靈敏度的儲能單元群組合，制定相應(yīng)方式的儲能參數(shù)控制策略和故障應(yīng)對策略。

2) 分布式儲能群聯(lián)合參與受端電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻技術(shù)研究。研究面向電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻需求的儲能選型與優(yōu)化配置技術(shù)、儲能電站與常規(guī)電源協(xié)調(diào)調(diào)峰控制策略、儲能電站群提升通道輸電能力的運(yùn)行控制策略、儲能電站群對于特高壓交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的作用機(jī)理及多時間尺度控制技術(shù)，從而掌握面向電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻需求的儲能選型與優(yōu)化配置方法，制定儲能電站與常規(guī)火電機(jī)組協(xié)同深度調(diào)峰，提升電網(wǎng)通道傳輸能力的運(yùn)行控制策略，提出儲能電站群對于特高壓交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)的多時間尺度控制技術(shù)。

3) 大規(guī)模分布式儲能電站調(diào)度接入技術(shù)研究。研究儲能電站的調(diào)度接入信息模型、調(diào)度接入方式、大型新能源富集地區(qū)的儲能電站調(diào)度接入性能要求等，建立儲能電站統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的公共信息模型，提出儲能電站與電網(wǎng)調(diào)度的信息交互方式，提出面向大型新能源富集地區(qū)的儲能電站調(diào)度接入性能要求。

3.3 域控模式研究方向

結(jié)合湖南電網(wǎng)分布式儲能特點(diǎn)，適用于域控模式的具體研究方向如下:

1) 風(fēng)電儲能電站群參與電壓和潮流斷面自治控制技術(shù)研究。研究風(fēng)電儲能電站自組織參與地區(qū)電網(wǎng)電壓、潮流控制的策略提出分散式風(fēng)電儲能電站中風(fēng)電場、儲能電站及其元件級的自治控制技術(shù)和協(xié)同其他措施聯(lián)合控制技術(shù)。

2) 風(fēng)電儲能電站多機(jī)協(xié)同控制技術(shù)研究。研究分散式風(fēng)電儲能電池多機(jī)協(xié)同支撐電網(wǎng)控制技術(shù)、主動支撐電網(wǎng)和防孤島的協(xié)調(diào)控制技術(shù)、多機(jī)協(xié)同控制裝置等。

3) 其他。研究地區(qū)風(fēng)電儲能電站域控參與電源側(cè)(如改善風(fēng)電送出功率曲線、送端電壓，提升預(yù)測精度)、電網(wǎng)側(cè)(如控制通道潮流斷面不越限，參與暫態(tài)電壓、頻率控制，孤網(wǎng)穩(wěn)定控制，參與輔助服務(wù)市場)、用戶側(cè)(如電壓、諧波控制，用作黑啟動電源、臨時備用電源) 多元需求響應(yīng)的組織機(jī)制和執(zhí)行策略等。

4 結(jié)語

群控、域控模式是當(dāng)前針對分布式智能單元集群控制的先進(jìn)理念，其中涵蓋了智能終端、5G 通信、人工智能、邊緣計(jì)算等多種技術(shù)領(lǐng)域，是泛在互聯(lián)工業(yè)化的最佳體現(xiàn)，本文經(jīng)過分析，論證分布式儲能電站群控、域控模式應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度的技術(shù)可行性。

分布式儲能點(diǎn)多面廣，依靠傳統(tǒng)的逐級調(diào)度控制，效率低、效果差，群控和域控技術(shù)結(jié)合調(diào)度機(jī)器人及網(wǎng)絡(luò)下令技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)分布式儲能及電源的高度自動化控制和多目標(biāo)優(yōu)化控制目標(biāo)。當(dāng)前D5000 智能調(diào)控平臺基于大數(shù)據(jù)、在線分析、多代理AGC、多目標(biāo)優(yōu)化控制模型、智能儲能單元終端等技術(shù)基礎(chǔ)，能夠?qū)Σ⒕W(wǎng)分布式儲能電站自由分群分區(qū)、同步執(zhí)行不同模式、不同目標(biāo)的控制策略，從而能夠?qū)崿F(xiàn)分布式儲能的分散布置、集中控制、按群運(yùn)用、按域運(yùn)用。