面向微網(wǎng)的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”優(yōu)化控制策略研究

●周習(xí)祥

一、引言

近年來，我國加快了可再生能源的開發(fā)與利用，其中，以風(fēng)電和太陽能發(fā)電為代表的分布式間歇性可再生能源尤為突出，可再生能源發(fā)電量持續(xù)增長。據(jù)國家能源局發(fā)布的2020年全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2020年底，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到9.34億千瓦，同比增長約17.5%。其中，水電裝機(jī)3.7億千瓦（其中抽水蓄能0.3149億千瓦）、風(fēng)電裝機(jī)2.81億千瓦、光伏發(fā)電裝機(jī)2.53億千瓦、生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)0.2952億千瓦。風(fēng)電和光伏發(fā)電輸出功率隨時(shí)間、季節(jié)以及氣候變化而變化等特點(diǎn)，使發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率存在不連續(xù)、不穩(wěn)定和低密度等問題。當(dāng)它們大量接入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)對電網(wǎng)的電壓、頻率和相位產(chǎn)生較大的影響。因此，實(shí)施“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”變得尤為重要。2021年2月25日，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源規(guī)〔2021〕280號）中明確提出，利用存量常規(guī)電源，合理配置儲(chǔ)能，統(tǒng)籌各類電源規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營，優(yōu)先發(fā)展新能源，積極實(shí)施存量“風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化”提升，穩(wěn)妥推進(jìn)增量“風(fēng)光水（儲(chǔ)）一體化”，探索增量“風(fēng)光儲(chǔ)一體化”，嚴(yán)控增量“風(fēng)光火（儲(chǔ)）一體化”。

為響應(yīng)“十四五”期間構(gòu)建現(xiàn)代能源體系、“風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化”“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”戰(zhàn)略，我國加快了可再生能源開發(fā)與多元儲(chǔ)能項(xiàng)目開發(fā)，隨著分布式發(fā)電滲透率的不斷提高，源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)不夠和各類電源互補(bǔ)互濟(jì)不足等問題逐步顯現(xiàn)。因此，采用多元儲(chǔ)能促進(jìn)電網(wǎng)消納、平抑電網(wǎng)波動(dòng)和“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”協(xié)調(diào)控制等成為研究熱點(diǎn)，在此背景下，湖南安化仙溪芙蓉山抽水蓄能電站、大通湖區(qū)儲(chǔ)能電站等項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。據(jù)有關(guān)資料顯示，國內(nèi)外在“兩個(gè)一體化”控制策略研究問題上尚處起步階段，因此，研究面向微網(wǎng)的市（縣）級、園區(qū)級“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”控制策略，構(gòu)建面向微網(wǎng)的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”系統(tǒng)顯得尤為重要，在工程上具有前瞻戰(zhàn)略意義和廣泛的應(yīng)用前景。

二、源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)運(yùn)行現(xiàn)狀分析

（一）運(yùn)行方式現(xiàn)狀

微網(wǎng)是由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的微型發(fā)配電系統(tǒng)，它涵蓋了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、天然氣發(fā)電、小型水力發(fā)電及電力二次能源，涉及各配電網(wǎng)絡(luò)、分布式電源并網(wǎng)控制系統(tǒng)、用電負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、控制系統(tǒng)、保護(hù)設(shè)備及信息化可視平臺，以輸配電控制為核心，通過多能源互聯(lián)互補(bǔ)、信息能量耦合及市場需求引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化和自平衡。

目前，電力系統(tǒng)供電設(shè)備的容量主要以高峰電負(fù)荷為依據(jù)，過大地預(yù)留了系統(tǒng)裕度，系統(tǒng)未計(jì)及源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)的優(yōu)化運(yùn)行方式，造成規(guī)劃方案相對保守，當(dāng)電網(wǎng)不處于高峰電負(fù)荷時(shí)，會(huì)造成浪費(fèi)。因此，需做好用電行為預(yù)測，包括符合歷史、趨勢分析、近期電力預(yù)測及遠(yuǎn)景電力預(yù)測，根據(jù)預(yù)測做好規(guī)劃方案，強(qiáng)調(diào)運(yùn)行方式對規(guī)劃方案的有效反饋，使規(guī)劃—運(yùn)行—調(diào)整形成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)靈活調(diào)度、協(xié)同運(yùn)行。目前，“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”嵌入規(guī)劃主要包括：機(jī)組組合嵌入規(guī)劃、線路開斷嵌入規(guī)劃、需求側(cè)管理嵌入規(guī)劃和儲(chǔ)能調(diào)度嵌入規(guī)劃，這表明任意一個(gè)環(huán)節(jié)的最優(yōu)運(yùn)行方式只考慮了兩種設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行，未擴(kuò)展到綜合能源規(guī)劃，導(dǎo)致其他環(huán)節(jié)調(diào)度缺失。因此，規(guī)劃運(yùn)行方案應(yīng)考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)同步調(diào)度，制定“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”嵌入規(guī)劃，形成一體化嵌入運(yùn)行模型，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制與運(yùn)行。

（二）優(yōu)化架構(gòu)現(xiàn)狀

目前，電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃廣泛采用魯棒優(yōu)化，針對電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中因新能源出力波動(dòng)或凈負(fù)荷水平等參數(shù)的不確定性，在規(guī)劃階段作出預(yù)留，但魯棒架構(gòu)在自適應(yīng)和分布式方面還存在缺陷：一是自適應(yīng)性方面，魯棒優(yōu)化應(yīng)對的不確定性均為系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，但沒有通過應(yīng)對決策自身不確定性來實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案的自校正，自適應(yīng)魯棒優(yōu)化僅應(yīng)用于電力系統(tǒng)規(guī)劃，能源形態(tài)單一，源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)度與同步調(diào)度沒有嵌入自適應(yīng)魯棒優(yōu)化中。二是分布式魯棒優(yōu)化方面，因分布式與不確定性沒有同步考慮、分布式多優(yōu)化主體屬性等原因，使分布式魯棒優(yōu)化目前并不能應(yīng)用于能源規(guī)劃。因此，將分布式和自適應(yīng)結(jié)合，利用分布式自適應(yīng)魯棒優(yōu)化建立規(guī)劃模型，處理多能源、多設(shè)備之間的協(xié)同與決策自身的不確定性，成為優(yōu)化構(gòu)架的最佳選擇。

三、面向微網(wǎng)的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”優(yōu)化控制策略

（一）廣域“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同優(yōu)化架構(gòu)

如圖1所示，電力系統(tǒng)廣域“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同優(yōu)化架構(gòu)，主要包括：（1）供應(yīng)側(cè)，有集中能源供應(yīng)和分布式能源供應(yīng)兩類能源，集中能源主要包含中大型水電、火電、核電、光伏電場、風(fēng)電場等能源，分布式能源主要包括小型水電、分布式可再生能源、儲(chǔ)能設(shè)備等。（2）電網(wǎng)側(cè)，主要是多元智能輸送網(wǎng)絡(luò)。（3）用戶側(cè)，主要指電網(wǎng)系統(tǒng)各種用電單元，可分為節(jié)點(diǎn)型用電單元和聚合型用電單元。（4）能源調(diào)度控制系統(tǒng)，包括信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、智能信息分析處理系統(tǒng)、智能優(yōu)化控制系統(tǒng)和信息云端存儲(chǔ)系統(tǒng)，利用云端進(jìn)行信息儲(chǔ)存、分析、決策與控制。

圖1 廣域“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同優(yōu)化架構(gòu)

（二）微網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同優(yōu)化架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，微網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同優(yōu)化架構(gòu)，其主要目的是保證微網(wǎng)內(nèi)部能源供給側(cè)與用戶側(cè)實(shí)時(shí)平衡，系統(tǒng)優(yōu)化架構(gòu)設(shè)計(jì)原則是自發(fā)自用、余量上網(wǎng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測，多能源、多設(shè)備協(xié)同，優(yōu)化決策自身不確定性。該優(yōu)化架構(gòu)主要包括：集中能源供應(yīng)、輸配電網(wǎng)絡(luò)、微網(wǎng)、頂層能源調(diào)度控制系統(tǒng)和微網(wǎng)能源調(diào)度控制系統(tǒng)等。

圖2 微網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同優(yōu)化架構(gòu)

1.“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同優(yōu)化嵌入規(guī)劃

將源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)的優(yōu)化運(yùn)行取代最優(yōu)潮流，使之成為電力系統(tǒng)規(guī)劃的主要策略，這樣可以從規(guī)劃層面將能源供給側(cè)與需求側(cè)靈活引入，同時(shí)使各環(huán)節(jié)的協(xié)同優(yōu)化一體化，通過頂層能源調(diào)度控制系統(tǒng)與微網(wǎng)能源調(diào)度控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集信息，建立“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同優(yōu)化的運(yùn)行方式。將該方式嵌入規(guī)劃，形成現(xiàn)代能源規(guī)劃與運(yùn)行一體化模型。微網(wǎng)主要由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成，微網(wǎng)區(qū)域能源規(guī)劃是根據(jù)該區(qū)域管轄的小區(qū)、工廠、學(xué)校和農(nóng)村等地的發(fā)展，預(yù)測該區(qū)域不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)電力負(fù)荷，實(shí)施頂層能源調(diào)度，如果區(qū)域建有分布式發(fā)電、儲(chǔ)能裝置，微網(wǎng)能源調(diào)度控制系統(tǒng)通過微網(wǎng)信息采集，當(dāng)微網(wǎng)能源需求大于規(guī)劃值（規(guī)劃用電量＋分布式發(fā)電量）時(shí)，通過頂層能源調(diào)度控制系統(tǒng)調(diào)峰，實(shí)施多微網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行，保障微網(wǎng)政策運(yùn)行，當(dāng)微網(wǎng)能源需求低于規(guī)劃值（規(guī)劃用電量＋分布式發(fā)電量）時(shí)，將微網(wǎng)分布式發(fā)電能源余量上網(wǎng)，促進(jìn)清潔能源消納、保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.多微網(wǎng)協(xié)同策略

自適應(yīng)魯棒優(yōu)化主要目的是減輕決策的保守性。將規(guī)劃運(yùn)行一體化的魯棒優(yōu)化架構(gòu)由單階段分解為多階段滾動(dòng)式，并疊加自適應(yīng)策略，形成綜合能源自適應(yīng)魯棒規(guī)劃。針對區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)多微網(wǎng)之間的協(xié)作問題，采用微網(wǎng)群的能源或備用能源共享調(diào)度，基于自適應(yīng)魯棒優(yōu)化，建立單個(gè)微網(wǎng)和多個(gè)微網(wǎng)間的能源或備用能源調(diào)度模型，將多微網(wǎng)協(xié)作的收益合理有效地分配至各微網(wǎng)，保證多微網(wǎng)利益分配機(jī)制的穩(wěn)定性。

四、市、縣級儲(chǔ)能在線監(jiān)測及協(xié)同控制策略

儲(chǔ)能設(shè)備種類與儲(chǔ)能方式繁多，各儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行特性由于自身機(jī)理和控制方式的不同而各有差異。目前，儲(chǔ)能設(shè)備種類有超級電容器、鋰電池、液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池和抽水蓄能等，這些設(shè)備廣泛應(yīng)用于間歇性電源、電網(wǎng)中，而間歇性電源的運(yùn)行情況可分為并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行兩種模式，在不同運(yùn)行模式下，控制方式不盡相同。同時(shí)，由于各種儲(chǔ)能技術(shù)在響應(yīng)時(shí)間、功率范圍、轉(zhuǎn)化效率以及技術(shù)成熟度和成本等方面的差異，單一儲(chǔ)能技術(shù)很難兼顧多時(shí)間尺度上的微電網(wǎng)功率平衡目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性，需要各種互補(bǔ)性強(qiáng)的多類型儲(chǔ)能技術(shù)組合應(yīng)用，以最大程度發(fā)揮各種儲(chǔ)能的優(yōu)勢，包括提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出能力、延長放電時(shí)間、增加儲(chǔ)能設(shè)備壽命、降低系統(tǒng)的全壽命周期費(fèi)用等?！霸淳W(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”控制中最關(guān)鍵的是電網(wǎng)“削峰填谷”以及故障應(yīng)急。湖南益陽地區(qū)擬建湖南省容量最大的大通湖區(qū)儲(chǔ)能電站與安化縣仙溪鎮(zhèn)芙蓉山抽水蓄能電站，目前已建成多個(gè)風(fēng)力發(fā)電場、光伏電站，這些儲(chǔ)能電站及風(fēng)力、光伏電站的建成，能充分發(fā)揮其在電網(wǎng)“削峰填谷”以及故障應(yīng)急中的作用，因此，通過新建儲(chǔ)能在線監(jiān)測及協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，制定面向微網(wǎng)的儲(chǔ)能電站智能控制策略，讓儲(chǔ)能電站“源、網(wǎng)、荷”特性智能轉(zhuǎn)換，在新能源發(fā)電、電網(wǎng)負(fù)荷不足的情況下，使網(wǎng)內(nèi)新能源盡可能消納，提高電網(wǎng)能量的利用率。

市、縣級儲(chǔ)能在線監(jiān)測及協(xié)同控制系統(tǒng)如圖3所示，在線監(jiān)測與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)分為市級與縣級，縣調(diào)側(cè)在線監(jiān)測與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可從縣調(diào)EMS系統(tǒng)獲取電力系統(tǒng)設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、負(fù)荷情況和線路實(shí)時(shí)潮流以及分布式風(fēng)力、光伏電場實(shí)時(shí)出力、負(fù)荷實(shí)時(shí)信息等情況；將信息通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)傳送給市調(diào)側(cè)儲(chǔ)能在線監(jiān)測及協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，市調(diào)側(cè)儲(chǔ)能在線監(jiān)測及協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷預(yù)測情況、分布式風(fēng)力、光伏電場出力預(yù)測情況、市場交易平臺數(shù)據(jù)、電網(wǎng)線路出力潮流及故障實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)等，將計(jì)劃和指令信息通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)饋送給縣調(diào)EMS系統(tǒng)，從而決定是儲(chǔ)能還是釋放能量，是給縣本級供電還是調(diào)至其他縣、市，從而實(shí)現(xiàn)市、縣調(diào)兩級協(xié)同監(jiān)視及控制。

圖3 市、縣級儲(chǔ)能在線監(jiān)測及協(xié)同控制系統(tǒng)

五、結(jié)語

“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”是“十四五”期間國家能源戰(zhàn)略之一，分布式發(fā)電接入對電網(wǎng)影響、“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)不夠、各類電源互補(bǔ)互濟(jì)不足等問題，也是面向微網(wǎng)的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”協(xié)調(diào)控制亟待解決的問題，本文通過源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)運(yùn)行現(xiàn)狀分析，設(shè)計(jì)了廣域協(xié)同優(yōu)化架構(gòu)和微網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同優(yōu)化架構(gòu)，重點(diǎn)提出了市、縣級儲(chǔ)能在線監(jiān)測及協(xié)同控制策略，為實(shí)現(xiàn)市、縣調(diào)兩級協(xié)同監(jiān)視及控制提供思路。