“源-網(wǎng)-儲”協(xié)調(diào)互動的風(fēng)電并網(wǎng)消納策略

萬玉良，吳 堅，顧 銳，劉福鎖

(1. 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

1 引言

為響應(yīng)國家“能源革命”、“清潔能源”戰(zhàn)略[1-2]，我國風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模持續(xù)增加[3-4]，2019 年全國風(fēng)電新增裝機 2574 萬kW，同比增長40%，累計風(fēng)電裝機容量達到2.1億kW[5]。目前我國發(fā)電仍以火電為主，截止2017年，我國火力發(fā)電占全部發(fā)電比例的70.92%[6]。由于火電機組爬坡能力有限，靈活性不足，對風(fēng)電消納能力有限，棄風(fēng)問題較為突出。2017 年我國棄風(fēng)電量為達到419 億 kW.h，平均棄風(fēng)率高達12%[7]，風(fēng)電消納形勢較為嚴峻，對電網(wǎng)運行靈活性提出了更高要求[8]。此外，我國特高壓直流輸電規(guī)模逐漸增大、隨著直流輸電工程的快速建設(shè)，多地區(qū)形成了典型的多饋入直流系統(tǒng)，以華東電網(wǎng)為例，截至2018年底共饋入11回直流，形成典型的交直流混聯(lián)系統(tǒng)。

針對高比例風(fēng)電并網(wǎng)問題國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究[9-11]。文獻[12]利用含儲熱系統(tǒng)的光熱電站與風(fēng)電站聯(lián)合并網(wǎng)，采用電加熱裝置將多余風(fēng)電儲存在儲熱系統(tǒng)，該方法有助于靈活調(diào)度，但光熱電站的轉(zhuǎn)換效率不夠高。文獻[13]提出了含儲熱的熱電聯(lián)產(chǎn)機組與電鍋爐的風(fēng)電消納協(xié)調(diào)調(diào)度模型，提升風(fēng)電消納能力，減少調(diào)度成本，但時間尺度太短，考慮因素不足。文獻[14]提出一種儲輔助火電機組深度調(diào)峰的分層優(yōu)化調(diào)度方案，可減少棄風(fēng)率，但沒有從根本上解決火電機組爬坡能力不足問題。文獻[15]考慮了水電聯(lián)調(diào)機制，提升系統(tǒng)風(fēng)電消納水平、降低整體運行成本，但風(fēng)電消納容量受限于水流量大小、地理位置等，調(diào)節(jié)靈活性存在不足。文獻[16]基于電轉(zhuǎn)氣提高電網(wǎng)消納風(fēng)電能力，但其安全性與可靠性有待提高。上述方法在風(fēng)電消納上已達到瓶頸，并未充分利用電網(wǎng)直流調(diào)節(jié)特性，進一步釋放電網(wǎng)對風(fēng)電的消納空間，因此，結(jié)合現(xiàn)有電網(wǎng)交直流混聯(lián)的結(jié)構(gòu)形態(tài)[17-18]，進一步提升電網(wǎng)對風(fēng)電的消納能力具有重要意義。

本文針對現(xiàn)有風(fēng)電消納方法存在的風(fēng)電消納水平不高、風(fēng)電消納空間有限等瓶頸，利用電網(wǎng)直流調(diào)節(jié)特性，進一步釋放電網(wǎng)風(fēng)電消納空間，提高電網(wǎng)對風(fēng)電消納的能力。首先介紹了電網(wǎng)直流調(diào)制的基本原理，研究了直流調(diào)制控制模型。然后，基于直流調(diào)制模型，以系統(tǒng)綜合成本最小為目標，構(gòu)建了“源-網(wǎng)-儲”協(xié)調(diào)互動的風(fēng)電消納模型。提出了“源-網(wǎng)-儲”協(xié)調(diào)互動的風(fēng)電消納策略，基于風(fēng)電的波動特性，充分利用火電機組、直流調(diào)制、以及儲能系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)運行特性，充分釋放電網(wǎng)消納風(fēng)電空間，減小火電機組爬坡壓力，提升電網(wǎng)調(diào)峰能力，提高風(fēng)電消納水平。最后，對IEEE-24節(jié)點系統(tǒng)進行了改進，并仿真驗證本文所提策略優(yōu)越性和有效性。

2 電網(wǎng)直流調(diào)制模型

2.1 直流調(diào)制原理

直流調(diào)制主要指當(dāng)電網(wǎng)受到擾動后，基于電網(wǎng)運行參數(shù)的變化，快速改變直流系統(tǒng)輸出有功功率，或者換流站在能量轉(zhuǎn)換過程中快速吸收無功功率，提高電網(wǎng)阻尼，維持電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性。本文利用直流調(diào)制的有功功率可調(diào)節(jié)特性，來應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的沖擊，提高對風(fēng)電的消納能力。

在整流側(cè)，改變電流調(diào)節(jié)整定值Id，實現(xiàn)功率調(diào)制。而直流功率的調(diào)制通常會疊加一個控制分量。若使用R-L電路調(diào)節(jié)，不考慮電容影響，直流線路中的穩(wěn)態(tài)電流為

(1)

式中Xcr為整流側(cè)電抗，Xci為逆變側(cè)電抗，Udr為整流器閥側(cè)空載電壓；Udi為逆變器的閥側(cè)空載電壓。

通過改變換流變壓器的分接頭調(diào)節(jié)Udr，Udi，設(shè)置α，γ為定值。在調(diào)節(jié)過程中要注意調(diào)節(jié)范圍，Id對Udr，Udi的調(diào)節(jié)反應(yīng)靈敏，會產(chǎn)生過電流引起電路元件損壞。Udr，Udi的調(diào)節(jié)響應(yīng)較慢，可以通過控制觸發(fā)相位角α的控制迅速調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)快速響應(yīng)。

2.2 直流調(diào)制控制模型

直流有功功率調(diào)節(jié)采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，比例-積分控制(PI)，其中比例環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)KP可減少調(diào)節(jié)偏差，積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)KI可消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，迅速跟蹤信號的變化。調(diào)節(jié)器控制方程如式(2)、式(3)所示

(2)

(3)

圖1 直流調(diào)制控制模型

3 “源-網(wǎng)-儲”協(xié)調(diào)互動模型

3.1 目標函數(shù)

綜合考慮負荷特性，直流調(diào)制、風(fēng)電、儲能與火電的調(diào)節(jié)能力，以“源-網(wǎng)-儲”系統(tǒng)綜合運行成本最小為目標，如式(4)所示

(4)

式中CGi為第i臺火電機組發(fā)電成本，CL為失負荷成本，CPW為棄風(fēng)懲罰成本，CC為儲能運行成本，CZ為直流調(diào)制成本，Cq為火電機組爬坡成本系數(shù)。PLlossj，t為負荷j在t時刻的失負荷功率。PGi，t為火電機組i在t時刻的發(fā)電功率，PWloss，t為t時刻風(fēng)電的棄風(fēng)功率，PC， t為t時刻儲能的充電功率，PD， t為t時刻儲能的放電功率，PZ0為直流不調(diào)制時饋入的功率，PZ， t為t時刻直流輸入功率。NG為火電機組數(shù)量，NL為負荷節(jié)點數(shù)，T為總的優(yōu)化時間。

3.2 約束條件

約束條件主要包括有用平衡約束、直流調(diào)制約束、風(fēng)力發(fā)電約束、儲能約束、火電機組約束、線路約束以及失負荷約束。

1)有功平衡約束。系統(tǒng)有功率要滿足平衡條件，如式(5)所示

(5)

2)直流調(diào)制約束。直流調(diào)制功率有一定范圍，如式(6)所示。本文直流調(diào)制為直流長期調(diào)制運行方式[19]

PZ，min

(6)

式中，最大調(diào)制功率PZ，max=1.1PZ0，最小調(diào)制功率PZ，min=0.9PZ0。

3)風(fēng)力發(fā)電約束。主要包括風(fēng)電爬坡約束和風(fēng)電棄風(fēng)約束，如式(7)所示

(7)

式中λPw，t為風(fēng)電爬坡率，λmin，t、λmax，t分別為風(fēng)電最小、最大爬坡率。Δt為t時刻兩個風(fēng)電功率間的時間間隔。PPW0，t為t時刻風(fēng)電出力。

(8)

4)儲能約束。主要包括儲能功率約束、儲能荷電率約束以及儲能容量約束。儲能功率約束如式(9)所示

(9)

式中PC，max為儲能最大充電功率，PD，max為儲能最大放電功率。

儲能荷電約束如式(10)所示，設(shè)置此項約束可以避免儲能過充、過放

(10)

式中SOCmax、SOCmin為儲能最大、最小荷電率，SOC0為儲能系統(tǒng)初始荷電率，Et為儲能容量。

儲能容量約束如式(11)所示，確保儲能每時每刻的儲能容量滿足要求。

(11)

式中，EMax，EMin分別為儲能容量上下限(這里分別取100%的額定容量與10%的額定容量)，Δt為時間間隔，η1，η2分別為儲能放電與充電的效率。

5)火電機組約束。主要包括運行約束和爬坡約束，如式(12)所示

(12)

6)失負荷約束。即系統(tǒng)中某節(jié)點失負荷功率不能大于該節(jié)點負荷功率，如式(13)所示

0≤PLlossj，t≤PLj，t

(13)

4 “源-網(wǎng)-儲”協(xié)調(diào)互動的風(fēng)電消納策略

本文所提風(fēng)電消納策略充分調(diào)動電網(wǎng)火電機組、電網(wǎng)直流調(diào)制以及儲能間的協(xié)調(diào)互動特性，對大規(guī)模并網(wǎng)的風(fēng)電功率進行消納，減小失負荷量，提高風(fēng)電的消納能力，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，具體如圖2所示。

圖2 “源-網(wǎng)-儲”協(xié)調(diào)互動的風(fēng)電消納策略

當(dāng)并網(wǎng)風(fēng)電在一定范圍內(nèi)波動，未出現(xiàn)爬坡事件時，由系統(tǒng)常規(guī)火電機組和儲能系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)、對并網(wǎng)風(fēng)電進行消納，此時直流調(diào)制不動作。

在并網(wǎng)風(fēng)電出力大幅下降，需要提高電網(wǎng)整體發(fā)電量時，先由常規(guī)火電機組和儲能機組調(diào)節(jié)，增加火電機組發(fā)電功率、儲能放電功率。當(dāng)火電機組上爬坡率達到極限，儲能放電功率達到極限值，而仍然不能平衡電網(wǎng)功率，即出現(xiàn)風(fēng)電爬坡事件時，直流調(diào)制開始動作，增加電網(wǎng)饋入功率，減小失負荷量，提高電網(wǎng)供電可靠性和安全穩(wěn)定性。

在并網(wǎng)風(fēng)電出力大幅上升，需要減小電網(wǎng)整體發(fā)電量時，先由常規(guī)火電機組和儲能機組調(diào)節(jié)，減小火電機組發(fā)電功率，儲能開始充電運行。當(dāng)火電機組上爬坡率達到極限，儲能充電功率達到極限值，但仍然不能平衡電網(wǎng)功率出現(xiàn)風(fēng)電爬坡事件時，直流調(diào)制動作，減小電網(wǎng)饋入功率，增加風(fēng)電消納功率，提高電網(wǎng)風(fēng)電消納水平。

在風(fēng)電功率出現(xiàn)急劇波動，需要快速平衡電網(wǎng)功率，而火電機組和儲能系統(tǒng)來不及動作時，利用直流調(diào)制的快速調(diào)節(jié)能力，對電網(wǎng)整體功率進行快速平衡，緩解風(fēng)電急劇波動對電網(wǎng)帶來的沖擊，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平的前提下，提高風(fēng)電消納量或較小失負荷量。

基于構(gòu)建的“源-網(wǎng)-儲”協(xié)調(diào)互動模型和風(fēng)電消納策略，借助MATLAB工具箱中的線性規(guī)劃單純性算法對模型進行求解，具體如圖3所示。

圖3 風(fēng)電消納策略

1)設(shè)置成本參數(shù)火電機組CGi、失負荷成本CL、棄風(fēng)懲罰成本CPW、儲能成本CC，機組爬坡成本Cq，直流調(diào)制成本CZ，時間T等。

3)分別計算風(fēng)電爬坡率λPW，t，火電機組爬坡率RGi，t，儲能充放電功率PC，t、PD，t，儲能容量Et。

5)準備線性模型中參數(shù)，如成本向量f′?；痣姟L(fēng)電爬坡功率系數(shù)矩陣A。儲能充放電約束向量b。線路有功等式約束和系統(tǒng)功率平衡約束系數(shù)矩陣Aeq。線路有功等式向量，系統(tǒng)負荷功率向量Beq?；痣姍C組發(fā)電功率、節(jié)點相角、線路熱穩(wěn)定功率、風(fēng)電功率、負荷功率、棄風(fēng)功率、直流調(diào)制功率、儲能充電放電功率、儲能荷電率、儲能容量上限，下限向量ub，lb。

6)設(shè)置或更新模型的初始可行解X(t)=(b1，b2…，bm，0，…，0)′，并對本時刻電網(wǎng)功率進行求解，然后計算下一時刻t=Δt+t最優(yōu)解。

7)若所有時刻均求出可行解，則輸出最優(yōu)解。

5 算例分析

5.1 仿真系統(tǒng)的搭建

為驗證本文所提策略的優(yōu)越性和有效性，借助MATLAB搭建了IEEE-24節(jié)點系統(tǒng)，并對其進行改進，在16號節(jié)點處接入800MW的直流，取代原16號、23號發(fā)電機節(jié)點。改進后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，對上述“源-網(wǎng)-儲”協(xié)調(diào)互動的風(fēng)電消納策略進行仿真分析和驗證。IEEE-24節(jié)點系統(tǒng)中火電機組的出力功率范圍如表1所示，爬坡率取為每分鐘調(diào)節(jié)2%的最大出力，采用對比分析：

策略1：借助傳統(tǒng)火電機組對并網(wǎng)風(fēng)電進行消納，直流不參加調(diào)制。

策略2：在策略1的基礎(chǔ)上，在19節(jié)點上接入儲能系統(tǒng)，借助傳統(tǒng)火電機組和儲能對并網(wǎng)風(fēng)電進行消納。

策略3：(本文所提策略)在策略2的基礎(chǔ)上，啟動直流調(diào)制，利用火電機組、儲能以及直流調(diào)制對并網(wǎng)進行消納。

表1 火電機組出力成本

圖4 改進的IEEE-24節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)電預(yù)測功率如圖5所示。爬坡率上、下限均為20MW/min，儲能系統(tǒng)運行成本系數(shù)為9＄ /MWh，直流調(diào)制成本系數(shù)設(shè)為11＄ /MWh。棄風(fēng)懲罰系數(shù)為35＄ /MWh，失負荷懲罰系數(shù)為1000＄ /MWh。火電機組爬坡成本因子取25。

圖5 風(fēng)電預(yù)測功率

基于提出的“源-網(wǎng)-儲”風(fēng)電并網(wǎng)消納策略，借助線性規(guī)劃單純形算法，利用MATLAB對模型進行求解，結(jié)果如下。

5.2 方法優(yōu)越性分析

圖6 風(fēng)電棄風(fēng)功率曲線

圖7 風(fēng)電滲透率曲線

由圖可以看出，各風(fēng)電功率增長比例下，策略3的棄風(fēng)功率低于策略2，策略2低于策略1；策略3的風(fēng)電滲透率高于策略2、策略2高于策略1。這是由于策略1僅依靠傳統(tǒng)火電機組對并網(wǎng)風(fēng)電進行消納，而火電機組爬坡能力有限，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，不得不丟棄部分風(fēng)電功率。策略2的風(fēng)儲系統(tǒng)對并網(wǎng)風(fēng)電功率進行適當(dāng)?shù)貎δ芎头烹?，減小棄風(fēng)功率，使其可以更多的被消納。策略3在火電機組爬坡率達到極限，儲能充放電功率達到極限時，利用直流調(diào)制，進一步對風(fēng)電進行消納，減小棄風(fēng)功率，提高風(fēng)電滲透率。

按比例逐漸增加圖5中風(fēng)電預(yù)測功率，分別對策略1、策略2、策略3下的失負荷量PLloss進行求解，結(jié)果如圖8所示。

圖8 失負荷量曲線

由圖可以策略3在各風(fēng)電增長比例下失負荷量為0，策略2的失負荷量低于策略1。這是由于在風(fēng)電功率出現(xiàn)大幅下降時，策略1中傳統(tǒng)火電機組爬坡率已經(jīng)極限值，無法在短時間內(nèi)快速增加出力，平衡電網(wǎng)功率，不得不切除部分負荷，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

策略2在策略1的基礎(chǔ)上，在火電機組無法再增加出力時，啟動儲能進行放電運行，增加電網(wǎng)發(fā)電功率，減小失負荷量。

策略3在策略2的基礎(chǔ)上，在火電機組、儲能系統(tǒng)達到極限時，進一步基于直流調(diào)制增加電網(wǎng)饋入功率，平衡電網(wǎng)功率，進一步減小失負荷量，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

按比例逐漸增加圖5中風(fēng)電預(yù)測功率，分別對策略1、策略2、策略3下的系統(tǒng)綜合成本進行求解，結(jié)果如圖9所示。

圖9 綜合成本曲線

由圖可以看出，不同風(fēng)電并網(wǎng)比例下，策略3的綜合成本始終低于策略2，策略2的綜合成本始終低于策略1。這是由于策略1的棄風(fēng)功率、機組爬坡壓力均高于策略2，策略3高于策略3；導(dǎo)致策略1的棄風(fēng)成本、機組爬坡成本高于策略2，策略2高于策略3。本文所提策略3有效降低了“源-網(wǎng)-儲”系統(tǒng)綜合成本，提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

5.3 方法有效性分析

經(jīng)過上述仿真驗證可知，策略3優(yōu)于策略1、2，在減小棄風(fēng)功率、提高風(fēng)電滲透率、減小失負荷量，降低系統(tǒng)綜合成本上具有一定優(yōu)勢，下面進一步分析策略3的有效性。

在1.4倍風(fēng)電預(yù)測功率情況下，對風(fēng)電消納功率PPW， t進行求解，結(jié)果如圖10所示。

圖10 風(fēng)電消納功率

由圖10可以看出，策略3的風(fēng)電消納功率高于策略1、2。這是由于在風(fēng)電出現(xiàn)大幅波動或快速波動時，火電機組爬坡率和儲能系統(tǒng)充放電功率達到極限值，或者火電機組和儲能系統(tǒng)來不及動作的情況下，策略3中直流調(diào)制可以進一步對大幅波動活快速波動的風(fēng)電進行消納，緩解火電機組爬坡壓力，釋放系統(tǒng)消納風(fēng)電空間，提高風(fēng)電消納比例。

在1.4倍風(fēng)電預(yù)測功率情況下，依據(jù)式(12)對不同策略下系統(tǒng)火電機組實際爬坡率RGi，t進行求解，結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，策略3下的火電機組實際爬坡率低于策略2，策略2低于策略1。這是由于在風(fēng)電發(fā)生較大波動時，直流調(diào)制利用其快速的功率調(diào)節(jié)特性，快速對波動的風(fēng)電功率進行消納，減小火電機組爬坡壓力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖11 火電機組爬坡率

在1.4倍風(fēng)電預(yù)測功率情況下，對不同策略下系統(tǒng)整體出力爬坡率RG，t進行求解，本文系統(tǒng)整體爬坡率RG，t按照系統(tǒng)相鄰總發(fā)電功率PZG，t之差與時間間隔Δt的比值計算，如式(14)所示，以表征系統(tǒng)整體爬坡能力，結(jié)果如圖12所示。

(14)

圖12 系統(tǒng)整體爬坡能力

由圖12可以看出，策略3的系統(tǒng)整體爬坡率高于策略1、2，這是由于策略3的直流調(diào)制在風(fēng)電功率出行急劇波動而火電機組和儲能系統(tǒng)爬坡率已經(jīng)達到極限、或來不及動作時，在短時間內(nèi)快速調(diào)節(jié)饋入電網(wǎng)功率，提高系統(tǒng)應(yīng)對風(fēng)電波動能力，整體爬坡能力和風(fēng)電消納能力。

6 結(jié)論

1)充分利用電網(wǎng)交直流混聯(lián)運行特性，釋放電網(wǎng)對風(fēng)電的消納空間，是探索風(fēng)電消納新模式，對提高電網(wǎng)風(fēng)電消納能力具有重要意義。

2)構(gòu)建的“源-網(wǎng)-儲”協(xié)調(diào)互動模型，充分結(jié)合電網(wǎng)交直流混聯(lián)運行特性，利用火電機組、直流調(diào)制以及儲能系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)運行特性，釋放風(fēng)電的消納空間，提高電網(wǎng)對風(fēng)電的消納能力。

3)構(gòu)建的“源-網(wǎng)-儲”協(xié)調(diào)互動的風(fēng)電消納策略，在提高風(fēng)電消納能力的同時，減小了電網(wǎng)失負荷量、火電機組爬坡壓力、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)壓壓力，提高了電網(wǎng)整體爬坡率和應(yīng)對風(fēng)電波動的能力，對保障交直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要的學(xué)術(shù)研究意義和工程實用價值。