儲能電源與電網(wǎng)調(diào)度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

武曉峰，武萬才，李瑋，耿寧林，王維華

（國網(wǎng)吳忠供電公司電力調(diào)度控制中心，寧夏 吳忠 751100）

0 引言

目前，我國已成為世界上最大的能源消費國，但由于電網(wǎng)建設(shè)起步較晚，因此在經(jīng)濟、生活等方面與其他發(fā)達國家相比，存在一定的差距；同時，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化也影響了發(fā)電容量的大小及電壓等級的提高與穩(wěn)定。本課題的研究有助于解決當(dāng)前的電網(wǎng)規(guī)劃問題，具有十分深遠的理論價值[1-2]。

1 儲能電源與電網(wǎng)調(diào)度協(xié)調(diào)系統(tǒng)

在儲能裝置容量和溫度變化范圍內(nèi)，為滿足電網(wǎng)的安全運行，需要對其進行合理的配置和優(yōu)化控制。本章將介紹一種基于狀態(tài)空間模型的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，并建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的調(diào)度問題。（1）層次分析法層次分析法是用于解決復(fù)雜的系統(tǒng)描述性規(guī)劃研究的有效工具之一。它是將多目標(biāo)決策問題轉(zhuǎn)化為一個單準(zhǔn)則、多個方案的綜合體，通過分解各層的因素并給出各個指標(biāo)的權(quán)重值，進而把若干個評價矩陣組合起來，形成一個多輸入單變量的模糊網(wǎng)絡(luò)。在利用層次分析法對問題有了深刻的理解之后，該方法就成為本文所采用的算法中的重要內(nèi)容。（2）粒子群算法的應(yīng)用及發(fā)展前景。由于目前的電力工業(yè)技術(shù)還不成熟，其計算量大，因此如何利用以圖軟件與數(shù)值計算機的優(yōu)勢來完成多參數(shù)的求解也是本章的工作重點。

2 儲能電源與電網(wǎng)調(diào)度協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運行方式

為了提高儲能電源與電網(wǎng)調(diào)度的協(xié)調(diào)控制效果，需要建立在一定的約束條件下，對系統(tǒng)的運行方式進行優(yōu)化。（1）協(xié)調(diào)控制要求 在儲能裝置容量和規(guī)模一定的情況下，對系統(tǒng)的能量管理和負載平衡的要求也相應(yīng)提高。在滿足系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行的前提下，對整個系統(tǒng)的綜合分析，使其具有良好的靈活性，經(jīng)濟性，可靠性等。（2）協(xié)調(diào)控制的目標(biāo) 在儲能設(shè)備容量的約束條件下，對不同的工況，要采取不一樣的調(diào)控方法。當(dāng)系統(tǒng)中的工頻量大于最大限制值時，應(yīng)采用集中調(diào)節(jié)；當(dāng)系統(tǒng)中的低頻量高于臨界值時，應(yīng)優(yōu)先考慮分散調(diào)峰方式。如果要使分布式電源與可再生能源充分發(fā)揮其優(yōu)勢，就要減少負荷的波動范圍，以實現(xiàn)二者之間的協(xié)調(diào)運作。所以需要建立一個可以根據(jù)需求變化而自動調(diào)整的調(diào)度控制器。（3）算法的設(shè)計原則及程序的簡單化。對于傳統(tǒng)的優(yōu)化問題，一般是先進行模型的假設(shè)然后再求解，但是這種做法往往會增加計算的工作量，因此必須得通過簡化的數(shù)學(xué)工具來解決。

3 儲能電源與電網(wǎng)調(diào)度協(xié)調(diào)系統(tǒng)的影響因素

在儲能電源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制過程中，影響系統(tǒng)的主要因素有： （1）負載特性。在實際的運行工況下，當(dāng)儲能電源的容量和頻率都相同的情況下，其輸出功率的幅值大小是固定的；當(dāng)負荷發(fā)生變化時，其輸入的有功無功將隨著電壓的波動而變化。因此，為了實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全的供電，需要進行合理的規(guī)劃設(shè)計。（2）技術(shù)水平。由于不同地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r不一樣，所以對電能的需求也不完全相同。對于一些沿海發(fā)達的城市來說，其電網(wǎng)的建設(shè)比較完善，能夠滿足用戶的用電要求。而相反的，很多地方的市縣級電網(wǎng)的建設(shè)有所欠缺。（3）設(shè)備性能。如果要提高整個系統(tǒng)的效率以及穩(wěn)定性，必須要考慮到各種電氣量的干擾等。

4 儲能電源與電網(wǎng)調(diào)度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

目前，我國儲能系統(tǒng)主要采用的發(fā)電方式是火電機組帶動電網(wǎng)的運行模式，即由火電機組驅(qū)動的光伏、水電、風(fēng)電場和潮汐轉(zhuǎn)輪等設(shè)備。由于風(fēng)力發(fā)電機組的功率波動性較小，風(fēng)能資源利用率較高，同時也可以有效的降低電網(wǎng)的峰谷差，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。但是，在實際的調(diào)度過程中，因為各種因素的影響以及不同的工況，所需的電源不可能完全相同，所以在對電源進行調(diào)度時，不能完全按照單一的容量來調(diào)度，必須要根據(jù)具體的情況來做出合理的安排并作出協(xié)調(diào)控制。

4.1 儲能電源與電網(wǎng)調(diào)度效益

對于儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)調(diào)度的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來說，其主要任務(wù)是在滿足控制對象（火電、可再生能源等）的約束條件下，使整個調(diào)度過程能夠達至既節(jié)能又環(huán)保的要求：

（1）降低運行成本。在保證目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上，對不同的工況，采取相應(yīng)的優(yōu)化算法，從而使其盡可能地節(jié)約發(fā)電和輸電設(shè)備的裝機容量和總的電能損耗。（2）提高負載率。當(dāng)采用的儲能裝置容量小于需求的最大功率值時，則需要考慮到電網(wǎng)中的其他電源的消耗情況，通過合理的規(guī)劃和設(shè)計，來實現(xiàn)負荷的“多大分”。（3）減少電力能源的浪費及污染。由于目前的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，國家提倡綠色出行，因此必須大力發(fā)展新的清潔、低碳的生活方式，比如太陽能、風(fēng)能等新的能源；而風(fēng)電作為一種新型的可再生的資源可以有效的解決當(dāng)前的空氣污染以及水土流失的嚴(yán)重現(xiàn)象。

4.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

通過上文的分析與研究，儲能調(diào)度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能包括：（1）對蓄電池進行管理。在滿廠蓄電池安全穩(wěn)定運行的前提下，使其充放電過程更加可靠，并使系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為簡單，便于實現(xiàn)。（2）對蓄電池的均衡控制。當(dāng)系統(tǒng)負載發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)控制器可以根據(jù)負荷的變化做出相應(yīng)的調(diào)整措施，以保證整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性。（3）對逆變器的保護和濾波。逆變器是一種非線性元件，其輸出特性與其工頻整流和濾波器的參數(shù)有關(guān)，因此需要設(shè)計一款具有濾波能力強，動態(tài)響應(yīng)快的電流互感器，以確保開關(guān)管在發(fā)生故障時能準(zhǔn)確動作，并為逆變器提供良好的隔離條件。同時還需考慮器件的耐壓性能，如采用低阻材料、低介電損耗的芯片等。（4）輔助設(shè)備的選型。為提高系統(tǒng)的可靠性及靈活性，需選用功率密度高的元器件，如電容、電感等。

4.3 電力網(wǎng)規(guī)劃

從供電可靠性和經(jīng)濟性考慮，儲能系統(tǒng)的建立必須滿足以下條件：（1）電網(wǎng)的頻率在允許范圍之內(nèi)。由于電網(wǎng)的功率波動較大，因此要求電壓的穩(wěn)定。（2）網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化要小。為了保證在不同的負荷下，儲能裝置的充放電，需要選擇合適的主次載流元件。（3）在主電路中，要有足夠的容量以使整個通信線路的負載均衡。當(dāng)電力網(wǎng)的主接線發(fā)生故障時，通過備用電源可以迅速恢復(fù)。同時也減少了對其他器件的干擾和影響。（4）具有較高的抗擾動能力。當(dāng)電力網(wǎng)的支路數(shù)較多時，會導(dǎo)致整個配電自動化統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。如果子接線錯誤，會造成子母線或配電設(shè)備損壞。所以應(yīng)該盡量避免。此外還應(yīng)注意的是，直流母線上可能存在一些不穩(wěn)因素，如：母線上有大量的感性電器，以及轉(zhuǎn)子勵磁電流不正常。這些問題都將對電能質(zhì)量產(chǎn)生不良后果。為此設(shè)計時，應(yīng)充分了解各種情況，并采取相應(yīng)措施。

4.4 配電變壓器

配電變壓器是變電站中的主要電氣設(shè)備之一，它承擔(dān)著電能的變換和輸送任務(wù)。其基本功能是轉(zhuǎn)換電壓，將電力系統(tǒng)中的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，以降壓后的高壓交流功率向負載供電。在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面，配電變壓器的作用十分重要，其性能的好壞直接影響到整個電網(wǎng)的經(jīng)濟運行的質(zhì)量和效率。

（1）隔離故障。當(dāng)發(fā)生工頻干擾、非安全操作等事故時，就需要配置相應(yīng)的保護裝置，來保證對用戶的正常工作。（2）控制與調(diào)節(jié)。根據(jù)負荷變化，及時切換或切除工頻接線，以提高電網(wǎng)的可靠性；當(dāng)出現(xiàn)停電的情況時，自動切斷并發(fā)出指令，使斷路器跳閘，恢復(fù)生產(chǎn)。（3）檢修。在主開關(guān)上安裝狀態(tài)監(jiān)視器，以便隨時掌握主關(guān)的合態(tài)，并對主關(guān)進行遠程在線監(jiān)測。通過觀察，可以了解主關(guān)的通斷電流，有無異常發(fā)熱現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)有短路的回路或短路的回路以上都有可能，應(yīng)立即更換鐵心，以防造成損壞。

4.5 電壓調(diào)節(jié)

當(dāng)電網(wǎng)的輸出功率大于負載的需求量，或電力系統(tǒng)的容量小于電源的能量時，采用不同的調(diào)節(jié)方式，使其在滿足控制目標(biāo)的前提下，使其在安全范圍內(nèi)，以獲得最佳的動態(tài)特性。

（1）改變調(diào)節(jié)方法 對電壓進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整是一種最常見的調(diào)控手段，也是目前應(yīng)用最多的調(diào)節(jié)形式。例如：將大電流的交流調(diào)壓改為直流調(diào)壓，可提高電網(wǎng)的傳輸能力，改善電壓穩(wěn)定性。（2）合理選擇調(diào)節(jié)時間和頻率，以取得最佳的調(diào)節(jié)效果。由于在實際中，負荷具有不確定性，因此，必須根據(jù)具體情況來靈活的配置各種電源的參數(shù)和相應(yīng)的比例關(guān)系，通常包括：最大負荷波動、工頻比的變化、有功無功補償?shù)挠绊懙?。這些因素都會對電壓的穩(wěn)定產(chǎn)生一定的作用力，所以需要考慮到它們的相互作用，以及相互之間的聯(lián)系與制約。另外還應(yīng)注意到，如果要想實現(xiàn)最優(yōu)的開關(guān)組數(shù)，就得通過增加或減少控制器的數(shù)目來達到。

4.6 儲能系統(tǒng)參數(shù)確定

由于儲能系統(tǒng)與其他發(fā)電技術(shù)的不同在于，它具有能量密度高、功率大、體積小等特點。因此在設(shè)計中，需要考慮到這些特性。（1）容量：儲能系統(tǒng)的容量是一個有限的數(shù)量級，主要是根據(jù)其自身的最大輸出功率來估算。當(dāng)儲能設(shè)備的運行時間超過其額定工作電流時，應(yīng)通過相應(yīng)的保護措施，防止發(fā)生嚴(yán)重的事故；當(dāng)儲存電壓小于一定值時，應(yīng)允許其進行充電或放電，以保證在正常負荷下持續(xù)供電。（2）溫度：在整個系統(tǒng)中，對于工況的變化有很大的影響因素，所以對工況的控制也有很高的要求；而對電力電子裝置來說，則要滿足穩(wěn)態(tài)和熱穩(wěn)定的性能指標(biāo)。（3）負載：因為蓄電池的充放電過程與電網(wǎng)并網(wǎng)的情況有關(guān)，所以要充分利用蓄電池的充放能力，使其能夠承受較大的壓力和電暈。同時還要注意不可以直接產(chǎn)生電弧，以免造成起火和損壞。如果不能完全避免，還應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)陌踩雷o措施。

5 結(jié)論

當(dāng)今世界，能源和環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，為了應(yīng)對這一嚴(yán)峻的形勢和挑戰(zhàn)，我國大力發(fā)展新能源發(fā)電技術(shù)，儲能系統(tǒng)作為新的電力工業(yè)的重要組成部分，在提高電網(wǎng)安全運行水平、改善經(jīng)濟效益等方面發(fā)揮著巨大的作用；本文對目前儲能調(diào)度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的模型進行了簡要的分析研究，提出了基于狀態(tài)反饋控制算法的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法。