面向高風(fēng)電滲透系統(tǒng)調(diào)頻需求儲能UP的開發(fā)

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心，遼寧 沈陽 110000；3.吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林 白山 134504)

1 引言

大力開發(fā)利用風(fēng)能是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)供應(yīng)的重要選擇，風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能大規(guī)模開發(fā)利用的有效途徑，世界各國都將風(fēng)電開發(fā)作為能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要部分。我國風(fēng)電裝機(jī)已躍居世界第一，裝機(jī)容量逾一億千瓦，規(guī)劃到2020年，裝機(jī)容量將達(dá)到2億千瓦。

我國風(fēng)電主要分布于缺乏靈活功率調(diào)節(jié)能力的三北電網(wǎng)，大規(guī)模風(fēng)電功率波動給電力系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)造成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

風(fēng)電機(jī)組采用最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制策略時，機(jī)組不響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。隨著風(fēng)電滲透率的增加，電網(wǎng)總慣性降低，電網(wǎng)抗功率擾動能力減弱，高風(fēng)電滲透電網(wǎng)的調(diào)頻問題將顯得越來越突出。

儲能系統(tǒng)被認(rèn)為是提高電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的有效手段。隨著儲能技術(shù)的不斷進(jìn)步，大規(guī)模儲能成本將不斷下降。近期Lux Research的一份研究表明，車載電池組價格已經(jīng)下降了35%，并在未來十年其成本仍將大幅度降低。因此，儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將更加廣泛。

PSASP(Power System Analysis Software Package)是國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件，所提供的用戶自定義程序接口(UPI)，使用戶能夠根據(jù)研究需要自由建模，增強(qiáng)了PSASP仿真功能。

目前，在UPI環(huán)境中進(jìn)行儲能調(diào)頻仿真研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。針對儲能系統(tǒng)參與高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)調(diào)頻率問題，研究了儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻控制策略，研發(fā)了相應(yīng)的PSASP-UPI模型，基于WSCC-9系統(tǒng)，仿真分析了儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻性能，對所提出的控制策略及研發(fā)的UPI模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻控制策略設(shè)計(jì)

儲能裝置以其快速調(diào)節(jié)功率、控制策略易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在緩解高比例風(fēng)電接入后電力系統(tǒng)的頻率問題的應(yīng)用愈顯關(guān)鍵。

2.1 UPI環(huán)境下儲能頻率應(yīng)用數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)頻率波動是電力系統(tǒng)中供需能量不平衡導(dǎo)致能量形式改變的表現(xiàn)。當(dāng)能量出現(xiàn)盈余時，由于電力系統(tǒng)需要保持能量供需的實(shí)時平衡，因此剩余的能量就需要轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動能，體現(xiàn)為系統(tǒng)頻率升高。因此，儲能模型可以選擇直接控制頻率偏差或者通過平抑風(fēng)功率波動來進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。

本文所建立的儲能調(diào)頻模型是以平抑風(fēng)功率波動為目標(biāo)，具體數(shù)學(xué)模型如下：

目標(biāo)函數(shù)：

MinΔP=∑PG+PW+PStorage-PL

(1)

約束條件：

PStorage=VT·IT·cosθ

(2)

X=F(X,Y,U)

(3)

Y=G(X,Y,U)

(4)

Xi.min≤Xi≤Xi.max

(5)

Yi.min≤Yi≤Yi.max

(6)

Ui.min≤Ui≤Ui.max

(7)

其中：

ΔP—系統(tǒng)內(nèi)有功功率的偏差量;

PG—系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)組的有功出力;

PW—系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組總有功出力;

PStorage—系統(tǒng)內(nèi)總負(fù)荷消耗的有功功率;

PL—系統(tǒng)內(nèi)總負(fù)荷消耗的有功功率;

VT—儲能裝置接入點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓幅值;

IT—儲能裝置注入到系統(tǒng)內(nèi)的電流幅值;

θ—儲能裝置接入點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓相角。

在PSASP暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算中，外部注入功率需要以注入電流形式表達(dá)，因此，模型中將儲能系統(tǒng)的輸出用式(2)表示；其中的節(jié)點(diǎn)電壓矢量需要在PSASP暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)束后獲取，故模型中式(3)及式(4)表示暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算中的線性網(wǎng)絡(luò)方程組及動態(tài)微分方程組，式(5)至式(7)是暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算狀態(tài)量及控制變量取值范圍的約束。

目標(biāo)函數(shù)中Pstorage所對應(yīng)的VT和θ為式(3)和式(4)中進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算中解得狀態(tài)量中的部分量；式(3)和式(4)中的控制變量U為式(2)中由注入功率所轉(zhuǎn)化得到的節(jié)點(diǎn)注入電流IT，因此，按照儲能UP開發(fā)邏輯將上述模型整理得：

UP：

(8)

PSASP/ST：

(9)

模型中較為復(fù)雜的求解微分方程由PSASP自帶的程序進(jìn)行運(yùn)算，這極大的減少了用戶UP程序的開發(fā)量，同時PSASP中自帶的求解方法也保證了計(jì)算的收斂性。

2.2 UPI環(huán)境下儲能UP的開發(fā)

本文實(shí)現(xiàn)儲能參與系統(tǒng)調(diào)頻功能共需要編寫3個UP程序，分別實(shí)現(xiàn)潮流初始計(jì)算、讀入風(fēng)電功率波動數(shù)據(jù)、儲能系統(tǒng)動作三項(xiàng)功能。其中潮流初始計(jì)算是穩(wěn)態(tài)潮流UP，其余兩項(xiàng)為暫態(tài)穩(wěn)定UP，因此接口的設(shè)定規(guī)則略有不同。

對于潮流初始計(jì)算UP(UP.dll)，其功能是以風(fēng)電波動初始時刻的功率為輸入量，計(jì)算得到初始的穩(wěn)態(tài)潮流分布，作為后續(xù)暫穩(wěn)計(jì)算的基礎(chǔ)。UP的描述信息中，由于UP并不需要從PSASP內(nèi)取得變量，因此輸入信息，即UP.F1為空。而UP需要將風(fēng)功率初始值輸入到PSASP主程序中，使其進(jìn)行潮流計(jì)算，因此UP.F2風(fēng)電功率P。PSASP的調(diào)用信息中，所設(shè)定的風(fēng)功率注入母線為發(fā)電3母線，UP名稱及編號與程序內(nèi)所設(shè)一致即可。

對于儲能動作UP(Storage.dll)，其功能是按設(shè)定的儲能控制策略進(jìn)行充放電操作，注入到風(fēng)電場所在母線。如2.1儲能模型中所分析的，PSASP暫穩(wěn)計(jì)算主程序反饋量只能是有功電流及無功電流，因此需要計(jì)算出能與儲能輸出功率等效的有功、無功電流。出于對此的考慮，UP需要從主程序中取得功率注入母線電壓幅值及相角，以計(jì)算電流，故UP.F1為VT和θ。UP向PSASP主程序反饋量為等效儲能出力的有功電流及無功電流，因此UP.F2為注入電流IT生成有功分量ITR和無功分量ITI。PSASP的調(diào)用信息中，所設(shè)定的風(fēng)功率注入母線為發(fā)電3母線，UP名稱及編號與程序內(nèi)所設(shè)一致即可。

對于風(fēng)功率讀入U(xiǎn)P(Read.dll)，與儲能動作UP(Storage.dll)同為暫態(tài)穩(wěn)定用戶自定義程序，因此其F1、F2設(shè)置選擇相同，且兩者的根本目的均為向網(wǎng)絡(luò)注入功率，故此UP的F1與F2設(shè)置量與前述一致。

2.3 儲能控制策略的制定

2.3.1 儲能控制策略制定思路

風(fēng)電功率波動量是衡量風(fēng)電并網(wǎng)的重要考核指標(biāo)之一，采用儲能系統(tǒng)平滑風(fēng)電功率波動也是當(dāng)前常用的手段[9-11]。本文儲能UP所采用的是以風(fēng)電輸出功率平均值為動作參考值，以平抑風(fēng)電功率波動為目標(biāo)的控制策略。其中考慮蓄電池荷電量、儲能系統(tǒng)充放電功率、儲能充放電效率以及儲能系統(tǒng)容量。

2.3.2 儲能控制策略的制定

由于電化學(xué)形式的儲能裝置，具有能量密度高、安裝布局靈活、維護(hù)較為方便、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。因此當(dāng)前已投運(yùn)的儲能示范工程中所用的儲能形式多為電化學(xué)儲能。

受電化學(xué)電池工作原理影響，蓄電池并不適宜多次數(shù)的深度充放電。研究表明，當(dāng)電池荷電狀態(tài)SOC處于10%到90%之間時，電池的適用性良好，而電池長時間工作在上限及下限10%SOC區(qū)間內(nèi)，將導(dǎo)致電池電化學(xué)反應(yīng)物濃度降低，甚至增加電極材料和電解液的性能衰退[12]。因此，在控制策略中首先對儲能裝置當(dāng)前荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行判定，若SOC處在10%到90%區(qū)間，則允許儲能裝置動作。

在高風(fēng)電滲透電網(wǎng)中大規(guī)模加入儲能裝置，根本上是為了提高系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量實(shí)時平衡的能力。因此，需根據(jù)儲能裝置的最大充放電功率以及儲能裝置最大容量，判定當(dāng)前儲能系統(tǒng)是否能完全平抑風(fēng)電功率波動，再據(jù)此修正儲能系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)充放的電量。

綜上所述，具體儲能控制策略如下：

(1) 判定當(dāng)前電池荷電狀態(tài)SOC；

表1 電池荷電狀態(tài)SOC判定表

(2) 若SOC處在10%到90%區(qū)間，以風(fēng)電輸出功率平均值Pavr為標(biāo)準(zhǔn)，衡量系統(tǒng)有功功率偏差ΔP的正負(fù)來判定當(dāng)前裝置需要充電還是放電；

(3) 比較儲能系統(tǒng)充放電速率及充放電容量限額與平抑當(dāng)前波動量所需速率及容量大小，確定儲能充放電量。

其中：

(10)

ΔP=Pwind.i-Pavr

(11)

當(dāng)ΔP>0，即儲能裝置需要充電時，控制策略如表2。

表2 儲能系統(tǒng)充電過程控制策略

其中：PS.C為儲能系統(tǒng)最大充電功率，SN為儲能系統(tǒng)額定容量。

SS.C=(0.9-SOC)·SN

(12)

(13)

ΔP1=ΔP

(14)

ΔP2=PS.C

(15)

(16)

(17)

當(dāng)ΔP<0，即儲能裝置需要放電時，控制策略如表5所示。

表3 儲能系統(tǒng)放電過程控制策略

其中：PS.D為儲能系統(tǒng)最大放電功率。

ΔP5=|ΔP|

(18)

ΔP6=PS.D

(19)

(20)

(21)

3 UPI環(huán)境下用戶程序UP的應(yīng)用原理

3.1 PSASP/UPI基本工作原理

PSASP提供用戶程序接口(UPI)環(huán)境，用戶可按照需求開發(fā)UP程序，使PSASP功能模塊和用戶程序模塊聯(lián)合運(yùn)行，共同完成某一計(jì)算任務(wù)[13]。

在Windows操作系統(tǒng)中，可以借助其所提供的動態(tài)鏈接庫(DLL)支持，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)語言與邏輯控制的交互。用戶所編寫的UP是基于事先按照接口規(guī)約設(shè)置的控制數(shù)組(F1和F2)，完成UP程序與PSASP主程序之間的信息傳遞。在使用UPI功能時，需將已編譯好的UP程序生成所需的DLL文件，再進(jìn)入PSASP界面中設(shè)定與F1和F2相對應(yīng)的UPI接口參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)PSASP對UP的調(diào)用，進(jìn)而與程序聯(lián)合迭代。

3.2 用戶程序UP和PSASP主程序的接口原理

3.2.1 用戶程序與潮流程序的接口原理

常規(guī)潮流潮流計(jì)算(LP)的數(shù)學(xué)模型為非線性代數(shù)方程組：

F(X)=0

(22)

其中：X=(x1,x2,…,xn)為網(wǎng)絡(luò)方程求解的狀態(tài)變量；

在潮流計(jì)算中，針對非線性代數(shù)方程組一般均采用牛頓拉夫遜法、P-Q分解法等迭代法進(jìn)行求解，迭代格式如下：

X(K+1)=G(X(K))

(23)

當(dāng)考慮用戶程序，式(1)所示的非線性方程組改為[15]：

F(X,U)=0

(24)

用戶自定的UP數(shù)學(xué)模型表示為式4：

H(X,U)=0

(25)

其中：U=(u1,u2…,um)為用戶程序方程求解所得的控制變量。

上述PSASP中的潮流計(jì)算(LF)方程式(24)與用戶程序方程式(25)之間相互交替運(yùn)算，在求解潮流方程式(24)時將控制變量U看作固定值，解得系統(tǒng)狀態(tài)變量X，選取X中UP需求量X*，作為PSASP的輸出信息F1數(shù)組，輸入到UP中；在求解用戶程序式(25)時將狀態(tài)變量X看作固定值，解得UP所得到控制變量U，選取U中潮流計(jì)算程序需求量U*，作為UP的輸出信息F2數(shù)組，輸入到潮流計(jì)算主程序中，兩者交互，直至LF和UP其中一只計(jì)算完成為止。兩者之間具體的交互關(guān)系如圖2所示，其中t表示LP和UP交替運(yùn)算的次數(shù)。

3.2.2 用戶程序與暫穩(wěn)計(jì)算程序的接口原理

暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算(ST)的數(shù)學(xué)模型其中包括描述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的線性方程組、表征系統(tǒng)動態(tài)與案件及自動設(shè)備的微分方程組，因此，暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算可歸結(jié)為線性網(wǎng)絡(luò)方程及微分方程的聯(lián)立求解：

圖1 LP&UP交互關(guān)系

(26)

若考慮用戶自定義程序方程，則將式修改為：

X=F(X,Y,U)

(27)

Y=G(X,Y,U)

(28)

U=H(X,Y,U)

(29)

暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算ST與UP之間的交互關(guān)系與1.2.1中所述類似，式中所進(jìn)行的暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算是由PSASP所帶程序包獨(dú)立完成，在考慮用戶自定義程序UP時，先將式(27)及式(28)中控制變量U當(dāng)做常數(shù)，解得狀態(tài)變量X、Y，再將UP所需要的部分狀態(tài)量X*、Y*作為F1數(shù)組輸入給UP方程式(29)，解得控制變量U，將ST所需部分控制變量U*作為F2數(shù)組反饋給ST，進(jìn)而完成迭代過程，直至結(jié)束。PSASP的暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算(ST)中，微分方程組按分步積分進(jìn)行求解，積分步長DT可自行設(shè)定， ST與UP每一時段均交替計(jì)算一次，具體交互關(guān)系如圖2。

圖2 ST&UP交互關(guān)系

4 仿真算例及分析

為了驗(yàn)證前文所提出的運(yùn)用儲能系統(tǒng)參與高風(fēng)電滲透系統(tǒng)調(diào)頻可行有效，本文以標(biāo)準(zhǔn)WSCC-9三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將其中母線3所接火電機(jī)組改為風(fēng)電機(jī)組，構(gòu)造算例系統(tǒng)。

圖3 算例系統(tǒng)單線圖

算例系統(tǒng)總負(fù)荷315MW，基準(zhǔn)容量100MW，網(wǎng)絡(luò)圖中發(fā)電母線一為平衡節(jié)點(diǎn)，發(fā)電母線二接火電機(jī)組，實(shí)際出力為163MW，風(fēng)電機(jī)組額定出力為85MW，風(fēng)電出力占比為27%。

4.1 風(fēng)電功率波動情況

風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)一次調(diào)頻能力影響最大[12]。因此，算例中主要在一次調(diào)頻時間尺度下進(jìn)行分析，仿真時間長度選擇為30s。設(shè)定風(fēng)電波動場景，風(fēng)電輸出功率波動如圖4所示。

圖4 風(fēng)電輸出功率曲線

其中，風(fēng)電功率基準(zhǔn)值為100WM，最大輸出功率標(biāo)幺值為0.48，最小輸出功率標(biāo)幺值為0.34，最大變化率為10WM/s。

4.2 系統(tǒng)頻率隨風(fēng)電功率波動變化情況

算例中，隨風(fēng)電功率波動，與潮流初始值相比就產(chǎn)生正向或負(fù)向偏差，隨即出現(xiàn)了加速及減速功率，使系統(tǒng)頻率發(fā)生波動。將4.1中所示的風(fēng)電功率加到算例系統(tǒng)中，所得系統(tǒng)頻率波動情況如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)頻率隨風(fēng)電功率波動變化曲線

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)系統(tǒng)受到圖3所示的風(fēng)電擾動時，系統(tǒng)最大頻率偏差為0.228Hz，超過電力系統(tǒng)正常運(yùn)行對系統(tǒng)頻率偏差要求的±0.2Hz。

4.3 儲能裝置參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)

本算例通過PSASP軟件進(jìn)行仿真，開發(fā)儲能UP通過軟件自帶的UPI接口與PSASP潮流計(jì)算主程序進(jìn)行交互。算例中所加的儲能系統(tǒng)容量為5WMh，充放電最大速率為4WM，充放電效率為0.8，儲能系統(tǒng)依照3.2中所述的控制策略進(jìn)行動作。在算例系統(tǒng)風(fēng)電功率波動不變情況下，加入儲能系統(tǒng)后系統(tǒng)頻率變化情況如圖6所示。

圖6 加入儲能后系統(tǒng)頻率變化曲線

由仿真結(jié)果可知，加入儲能裝置后，系統(tǒng)由于受到風(fēng)電功率波動產(chǎn)生的頻率偏差最大值為0.018Hz，較儲能裝置前，系統(tǒng)頻率偏差顯著降低，證明在電力系統(tǒng)內(nèi)加入儲能裝置對于頻率的改善有明顯幫助。

4.4 儲能裝置充放電功率對頻率改善影響

儲能裝置參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，根本上是實(shí)現(xiàn)能量在時空上的平移。實(shí)際工程中，儲能系統(tǒng)的工作狀態(tài)經(jīng)常在充與放之間切換，并不會長時間處于某一狀態(tài)，因此儲能系統(tǒng)的充放電功率就對頻率的調(diào)節(jié)效果產(chǎn)生顯著影響。算例系統(tǒng)自身容量較小，所加的儲能裝置容量也有限，故只討論儲能系統(tǒng)充放電功率對頻率調(diào)節(jié)效果的影響。

所選儲能系統(tǒng)功率為4WM，加入后，系統(tǒng)頻率偏差最大值減小為0.018Hz，而電力系統(tǒng)正常運(yùn)行頻率允許偏差量為0.02Hz，故已經(jīng)不需要再提高儲能充放電功率使系統(tǒng)頻差降低，下面討論功率降低時系統(tǒng)頻率偏差的變化情況。

當(dāng)儲能系統(tǒng)充放電功率為3WM時，頻率偏差情況如圖7所示。

圖7 加入3WM儲能系統(tǒng)后頻率變化曲線

當(dāng)儲能系統(tǒng)充放電功率為2WM時，頻率偏差情況如圖8所示。

圖8 加入2WM儲能系統(tǒng)后頻率變化曲線

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)儲能系統(tǒng)充放電功率降至3WM及2WM時，系統(tǒng)頻率偏差增加到了0.025Hz及0.039Hz。故當(dāng)儲能容量一定時，增大的充放電功率可使系統(tǒng)頻率偏差降低。

5 結(jié)論及展望

本文基于PSASP軟件，在UPI環(huán)境下實(shí)現(xiàn)運(yùn)用儲能參與高風(fēng)電滲透系統(tǒng)調(diào)頻的功能。文中提出了一種以風(fēng)電輸出功率平均值為動作參考值，以平抑風(fēng)電功率波動為目標(biāo)的蓄電池充放電控制策略，并采用用戶程序UP實(shí)現(xiàn)所提出的控制策略。而后在WSCC-9算例系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，結(jié)果證明儲能系統(tǒng)的運(yùn)用可以有效降低高風(fēng)電滲透系統(tǒng)中頻率的最大偏差量，且儲能充放電功率越大、效果更好。

本文的重點(diǎn)在于PSASP/UPI環(huán)境下實(shí)現(xiàn)儲能功能的開發(fā)，并未對儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置進(jìn)行深入的分析。對于從電路系統(tǒng)全局考慮的儲能裝置的配置，還需針對儲能配置地點(diǎn)進(jìn)行研究。