基于“風(fēng)-光-儲”測量數(shù)據(jù)融合的孤島微電網(wǎng)一次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化模型

陳昆，尚龍龍，羅金閣，姚遠

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

在“碳中和、碳達峰”目標(biāo)下，低碳性的分布式發(fā)電正廣泛接入微電網(wǎng)。由于分布式發(fā)電出力具有較大的隨機性和波動性，會使微電網(wǎng)總供能與負荷不同步，導(dǎo)致微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問題凸顯[1]，[2]。對于新能源高滲透的孤島型微電網(wǎng)來說，缺少較為穩(wěn)定的電源和外部電網(wǎng)的支撐，其自身的安全穩(wěn)定運行將面臨極大挑戰(zhàn)[3]。

一些學(xué)者提出將光伏電源和風(fēng)電機組減載或采用虛擬慣性的方式進行微電網(wǎng)的一次調(diào)頻。文獻[4]提出在新能源同步機的直流電壓反饋控制中引入頻率反饋環(huán)，光伏可以在電網(wǎng)頻率波動時釋放減載備用容量參與一次調(diào)頻。文獻[5]～[7]提出通過控制風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)槳距角來控制風(fēng)電機組的減載水平，并可操縱減載運行最大功率，聯(lián)合虛擬慣性進行一次調(diào)頻。這些方法可以通過控制光伏電源和風(fēng)電機組來提高系統(tǒng)一次調(diào)頻能力。然而，由于光伏電源和風(fēng)電機組出力存在隨機性和間歇性，會導(dǎo)致其調(diào)頻容量存在不確定性，難以滿足孤島微電網(wǎng)的調(diào)頻需求。

還有一些學(xué)者考慮到新能源并網(wǎng)滲透率不斷提高的問題，提出了基于儲能電池的一次調(diào)頻方法。文獻[8]～[11]研究了微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤網(wǎng)運行方式下儲能電池的充放電特性，分析了不同儲能容量對微電網(wǎng)調(diào)頻的影響。文獻[12]，[13]以儲能的荷電狀態(tài)為約束，建立了儲能系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)頻控制策略。以上文獻分析了基于儲能進行一次調(diào)頻的控制策略，但單純地依靠儲能進行一次調(diào)頻會顯著增加儲能容量和運行成本。

針對多種分布式電源接入的孤島微電網(wǎng)的一次調(diào)頻問題，本文建立了基于“風(fēng)-光-儲”測量數(shù)據(jù)融合的孤島微電網(wǎng)一次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化模型?？紤]到“風(fēng)-光-儲”分布式電源調(diào)頻的不確定性，基于“風(fēng)-光-儲”測量數(shù)據(jù)融合對風(fēng)光儲調(diào)頻參數(shù)進行修正。其次，考慮需要一定儲能容量作為備用應(yīng)對可再生能源的不確定性，建立基于機會約束規(guī)劃的“風(fēng)-光-儲”調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化模型。仿真結(jié)果表明，本文所提出的模型可得到較優(yōu)的分布式電源調(diào)頻參數(shù)和較低的微電網(wǎng)調(diào)頻成本。

1 基于測量數(shù)據(jù)融合的微電網(wǎng)調(diào)頻容量修正模型

本文所研究微電網(wǎng)中包含光伏、風(fēng)電和儲能3種分布式電源，微電網(wǎng)運行方式為孤島運行。為實現(xiàn)該地區(qū)低碳或零碳排放，微電網(wǎng)不含柴油發(fā)電機組，因此缺少較為穩(wěn)定的電源和外部電網(wǎng)的支撐，只能由分布式電源來承擔(dān)微電網(wǎng)的頻率變化，所以須要深入分析分布式電源的調(diào)頻機理以及進行相應(yīng)的調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中配置一定容量的儲能裝置，在風(fēng)速較低、光照較差時參與調(diào)頻，彌補系統(tǒng)功率缺額以及調(diào)頻容量不足的問題。微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of isolated microgrid

1.1 分布式儲能一次調(diào)頻容量模型

當(dāng)負荷功率增加時，分布式儲能的發(fā)電功率和系統(tǒng)的頻率都會發(fā)生變化。分布式儲能的調(diào)差系數(shù)σ是以百分值表示機組空載運行時的頻率f0與額定條件下運行時的頻率fN的差值，即：

1.2 光伏系統(tǒng)一次調(diào)頻容量

類比于儲能調(diào)頻，額定功率為PPN的光伏電源滿足調(diào)差系數(shù)σP所須預(yù)留的一次備用容量為

式中：GAC，GSTC分別為實際光照強度和標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的光照強度；PSTC為光伏最大出力；k為轉(zhuǎn)換系數(shù)；TC，Tr分別為電池板工作溫度和參考溫度。

1.3 風(fēng)電機組一次調(diào)頻容量

額定功率為PWN的風(fēng)電機組滿足調(diào)差系數(shù)σW所須預(yù)留的一次備用容量為

若風(fēng)力發(fā)電機組在不同風(fēng)速下減載k2倍運行，則風(fēng)電機組所提供的一次調(diào)頻備用為

1.4 基于數(shù)據(jù)測量的調(diào)頻容量修正

考慮到微網(wǎng)中風(fēng)速、風(fēng)向、光照強度、溫度、SOC等參數(shù)的測量誤差會對分布式電源的出力及調(diào)頻容量有一定的影響，不同數(shù)據(jù)測量對于同一種分布式電源影響的權(quán)值表示如下：

2 孤島微電網(wǎng)一次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

針對孤島微電網(wǎng)分布式電源調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化問題，本文通過協(xié)調(diào)微電網(wǎng)系統(tǒng)中一次調(diào)頻的備用容量與系統(tǒng)經(jīng)濟性的關(guān)系，即以各分布式電源的一次參數(shù)作為決策變量進行優(yōu)化，在孤島微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定基礎(chǔ)上實現(xiàn)經(jīng)濟性最優(yōu)。設(shè)置目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：Ce1，Ce2，E分別為儲能的單位功率成本、單位容量成本和儲能容量。

2.2 約束條件

2.2.1 調(diào)差系數(shù)約束

設(shè)光電與風(fēng)電等效調(diào)差系數(shù)小于0.06，則機會約束為

式中：σ為設(shè)定的系統(tǒng)等值發(fā)電機調(diào)差系數(shù)。

2.2.2 儲能裝置約束

式中：SOC（t）為t時刻余電量；SOC（t-1）為t-1時刻余電量；ηc，ηf分別儲能系統(tǒng)充、放電效率，%；E（t-1）為t-1時刻前調(diào)頻須滿足的儲能容量；δ為儲能系統(tǒng)的自放電率，%/h。

由于微電網(wǎng)系統(tǒng)沒有柴油發(fā)電機組，一旦風(fēng)電和光電不能滿足負荷正常供電的需求就有斷電的危險，故儲能必須保證有一定的裕量。儲能在充放電過程中也須要滿足荷電狀態(tài)約束：

式中：SOCmin（t），SOCmax（t）分別為儲能裝置荷電狀態(tài)的最小值、最大值。

3 模型求解

本文采用機會約束規(guī)劃來解決微電網(wǎng)的一次調(diào)頻的參數(shù)優(yōu)化問題[14]，[15]。為達到模型最優(yōu)解，考慮測量數(shù)據(jù)融合引起調(diào)頻容量變化，設(shè)置模型約束內(nèi)的概率高于某置信度，能較好地解決本文這類具有不確定變量的規(guī)劃問題。本文的優(yōu)化模型可改寫如下：

式中：Rup，t，Rdw，t分別為除新能源機組外其他機組提供的正備用和負備用容量；Rres，up，t，Rres，dw，t分別為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行要求的正備用和負備用容量。

采用拉丁超立方抽樣法，對可再生能源機組出力預(yù)測誤差進行o次采樣，并排序：

式中：floor（·），ceil（·）分別為向下取整函數(shù)和向上取整函數(shù)。

4 算例仿真

以某地含“風(fēng)-光-儲”微電網(wǎng)為研究對象，且微電網(wǎng)不含柴油發(fā)電機組。模型中光伏電源額定功率為5 MW，風(fēng)力發(fā)電機額定功率為8 MW，系統(tǒng)平均負荷9 MW。SOC設(shè)置為0.2～0.8。系統(tǒng)允許最大頻率偏差為0.05 Hz。

按該地區(qū)典型月份的光照強度和風(fēng)速來設(shè)置參數(shù)，光照強度數(shù)據(jù)以日為步長，風(fēng)速數(shù)據(jù)以15 min為步長（圖2，3）。

圖2 典型月份光照強度Fig.2 Solar radiation in typical month

圖3 典型月份風(fēng)速Fig.3 Wind speed in typical month

根據(jù)典型月份的光照強度和風(fēng)速數(shù)據(jù)計算，可以得到典型月份每個時段的光伏與風(fēng)機出力，即可以得到如圖4所示的光電與風(fēng)機綜合出力曲線。

圖4 典型月份光電和風(fēng)機綜合出力Fig.4 Comprehensive output of photovoltaic and wind turbine in typical months

采用孤島微電網(wǎng)一次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化控制模式，計算得到各時間段系統(tǒng)配置出力模式。

①當(dāng)綜合出力小于9 MW時，光伏與風(fēng)電供給負荷，儲能調(diào)頻；

②當(dāng)綜合出力為9～10.2 MW時，光伏與風(fēng)電僅供給負荷，多余的能量轉(zhuǎn)入儲能，儲能調(diào)頻；

③當(dāng)綜合出力大于10.2 MW時，光伏與風(fēng)電同時供給負荷與調(diào)頻，多余的能量轉(zhuǎn)入儲能。

“風(fēng)-光-儲”系統(tǒng)中各組成部分的一次調(diào)頻備用成本如表1所示。

表1 一次調(diào)頻備用成本Table 1 Reserve cost of primary frequency modulation

取置信度為90%，迭代400次，得到的系統(tǒng)一次調(diào)頻備用最優(yōu)成本（圖5）。

圖5 一次調(diào)頻備用成本Fig.5 Reserve cost of primary frequency modulation

由圖5可知，一次調(diào)頻的最優(yōu)成本為1 232元。此時的優(yōu)化結(jié)果：光伏系統(tǒng)減載32.3%，其預(yù)留的一次調(diào)頻備用容量為461.72 kW；風(fēng)機系統(tǒng)減載22.8%，其預(yù)留的一次調(diào)頻備用容量為483.79 kW；系統(tǒng)配置的儲能功率為2.313 MW。當(dāng)置信度為60%～100%時，可以得到系統(tǒng)的一次調(diào)頻備用成本、儲能功率配置、光伏與風(fēng)機減載百分比如圖6，7所示。

圖6 一次調(diào)頻成本與儲能功率Fig.6 Primary frequency regulation reserve cost and energy storage power

圖7 光伏與風(fēng)電機組減載百分比Fig.7 Load shedding percentage of PV and wind turbine

由圖6，7可知：當(dāng)置信度為60%～85%時，一次調(diào)頻備用成本和儲能功率會隨置信度的增加而增加，而光伏與風(fēng)機的減載百分比固定；當(dāng)置信度為85%～100%時，一次調(diào)頻成本和儲能功率變得穩(wěn)定，減載百分比隨置信度增大而降低。由此可以判斷，當(dāng)置信度在85%以下時，調(diào)頻主要由光伏和風(fēng)機擔(dān)負，儲能配置較少；當(dāng)置信度高于85%時，配置的儲能功率達到了一定值而保持穩(wěn)定，已經(jīng)能基本滿足系統(tǒng)的調(diào)頻需求，成為系統(tǒng)調(diào)頻主力，光伏和風(fēng)機的減載比例變小，用于調(diào)頻的比例變小。因此，在實際應(yīng)用中，最優(yōu)置信水平的選擇應(yīng)在85%的基礎(chǔ)上，再根據(jù)實際情況制定計劃。

表2為不同置信度水平下，本文提出的基于“風(fēng)-光-儲”測量數(shù)據(jù)融合的孤島微電網(wǎng)一次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化方法與傳統(tǒng)的不考慮風(fēng)光調(diào)頻的方法調(diào)頻成本對比結(jié)果。可以看出，考慮數(shù)據(jù)測量方法能夠降低微電網(wǎng)的一次調(diào)頻備用成本。

表2 與傳統(tǒng)方案的調(diào)頻成本對比Table 2 FM cost comparison with traditional solutions

5 結(jié)論

根據(jù)電力系統(tǒng)靜態(tài)頻率特性，建立了含光伏電源、風(fēng)電機組的調(diào)頻系數(shù)及調(diào)頻容量模型。基于數(shù)據(jù)測量法對分布式電源的調(diào)頻參數(shù)進行修正。

考慮孤島微電網(wǎng)缺少同步機組和外電網(wǎng)的支撐，建立了以調(diào)頻備用容量最優(yōu)的分布式電源調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化模型。

基于機會約束規(guī)劃與拉丁超立方抽樣法，得到了不同置信度下微網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)頻參數(shù)。在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行與調(diào)頻需求的情況下，本文所建模型可降低一次調(diào)頻備用成本，同時保證孤島微電網(wǎng)的穩(wěn)定性與運行的經(jīng)濟性。