雙碳目標下面向清潔能源消納的源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制

李 強，趙 峰，劉茂凱，趙林林

（1.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司，北京 102211；2.北京國網(wǎng)信通埃森哲信息技術有限公司，北京 100053）

目前，我國的微電網(wǎng)技術和自動需求響應技術得到了有效發(fā)展[1-2]，利用多種清潔能源進行發(fā)電，降低了其余能源的使用率，并提高了用戶終端用電效率。但是，多個發(fā)電單元存在時，可能會導致暫態(tài)電壓和儲能輸出功率波動，因此需要研究源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制方法來解決這些問題。

文獻[3]提出源網(wǎng)荷儲多元協(xié)調控制系統(tǒng)的研究及應用方法，針對源網(wǎng)荷儲的轉換模式構建了資源管理平臺，并結合多種融合決策技術，在實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲多場景支撐的情況下，完成了協(xié)調控制，但該方法協(xié)調控制效果存在一定不足。文獻[4]提出基于模糊與一致性復合智能算法的“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)同控制方法，分析源網(wǎng)荷儲的特性，構建協(xié)同控制優(yōu)化模型，利用該模型對源網(wǎng)荷儲實施協(xié)調控制，模糊策略對建立的模型求解，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲的協(xié)調控制，但該方法存在電壓暫態(tài)穩(wěn)定性差的問題。文獻[5]提出基于趨勢理論的源-網(wǎng)-荷協(xié)調性控制方法，從而實現(xiàn)整體控制研究，但該方法的分析效果差，存在儲能總功率輸出波動性強的問題。為了解決上述方法中存在的問題，本文提出雙碳目標下面向清潔能源消納的源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制方法。

1 源網(wǎng)荷儲數(shù)學模型構建

1.1 雙碳目標及清潔能源消納大背景

為實現(xiàn)碳中和需要將碳達峰、碳中和等納入我國生態(tài)文明建設布局內，并在此基礎上建造清潔能源消納且安全高效的能源體系，達到控制化石能源的目的，有效實現(xiàn)可再生能源的替代行動[6]。為有效實現(xiàn)雙碳目標，我國將能源排放作為主戰(zhàn)場，而電力排放作為主力軍，電網(wǎng)就是主力軍的排頭兵，因此電力電網(wǎng)的低碳排放會對中國雙碳目標產(chǎn)生影響，是推進可再生能源發(fā)電的關鍵。根據(jù)近幾年研究發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)負荷管控清潔能源消納可以有效管理負荷資源，從而實現(xiàn)電網(wǎng)運行的輔助服務。但由于涉及的方面較多，需要在雙碳目標及清潔能源消納背景下綜合考慮電網(wǎng)負荷控制環(huán)境及執(zhí)行條件。為此在雙碳目標及清潔能源消納背景下，進一步對源網(wǎng)荷儲開展協(xié)調控制研究。

1.2 源網(wǎng)荷儲單元模型

依據(jù)雙碳目標及清潔能源消納背景，構建源網(wǎng)荷儲關鍵單元的數(shù)學模型，其中包含風力發(fā)電機、光伏陣列、柴油發(fā)電機，以此實現(xiàn)系統(tǒng)響應特性的有效分析。

1.2.1 風力發(fā)電機系統(tǒng)模型

由于風速存在波動性及不確定性，而風力發(fā)電機的輸出功率是由風速和風機特性決定，針對多種動態(tài)特性的影響，在風速符合風機工作的狀態(tài)下構建風力發(fā)電機系統(tǒng)模型，結構如圖1 所示。

通過圖1 進一步計算風機的輸出功率[7]：

式中：PWT（t）表示t 時刻的輸出功率；A 表示風力發(fā)電機葉片面積；ηW表示功率系數(shù)；Vcutin表示風速切入；Vcutout表示風速切出；Vnom表示額定風速；V（t）表示t 時刻的風速；ρ 表示空氣密度；P 表示電功率。

1.2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

在多種能源形式中，太陽能是發(fā)展最快的一種能源形式，通常光伏陣列只需要光照就能生成可再生能源，因此光伏發(fā)電技術在新能源領域中有著較大優(yōu)勢。光伏發(fā)電系統(tǒng)模型結構如圖2 所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型結構圖Fig.2 Structure diagram of the photovoltaic power generation system model

由于電池的溫度、太陽能輻射產(chǎn)生出的最大功率點會對光伏陣列的輸出功率產(chǎn)生影響，所以該系統(tǒng)的溫度可用下式計算獲得：

式中：Tj（t）表示t 時刻的溫度；Tamp表示環(huán)境溫度；GT（t）表示太陽輻射；NOCT 表示電池板溫度。

根據(jù)式（2）進一步計算光伏陣列系統(tǒng)的輸出功率，定義如下：

式中：PPV，STC表示最大輸出功率；TjSTC表示參考溫度；NPV（s，p）表示串聯(lián)、并聯(lián)單元數(shù)；κ 表示功率-溫度系數(shù)；PPV（t）表示輸出功率。

1.2.3 柴油發(fā)電機模型

柴油發(fā)電機系統(tǒng)結構如圖3 所示。

圖3 柴油發(fā)電機系統(tǒng)結構圖Fig.3 System structure diagram of diesel generator

在電網(wǎng)中柴油發(fā)電機系統(tǒng)屬于重要的可控發(fā)電單元，為保證柴油發(fā)電機的有效運行，對其出力設定了最大約束和最小約束，表示如下：

式中：Pmin-DE表示最小出力約束；Pmax-DE表示最大出力約束；PDE（t）表示控制變量。

采用二次多項式對柴油發(fā)電機的能耗特性進行描述：

式中：x、y、z 均為系數(shù)。

由此建立柴油發(fā)電機響應特性的數(shù)學表達式：

式中：PDE，0表示響應前的輸出功率；PDE，1表示響應后的輸出功率。

通過構建源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)單元模型，有效分析出電網(wǎng)的運行特性，為后續(xù)的源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制奠定基礎。

2 源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制

2.1 獲取源網(wǎng)荷儲全局信息

以1.2 節(jié)構建的源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)數(shù)學模型為基礎，采用平均一致性算法獲取電網(wǎng)節(jié)點信息，通過矩陣形式定義：

式中：k 表示迭代次序；E 表示矩陣元素；Sk+1表示節(jié)點信息矩陣。

設定電網(wǎng)節(jié)點用i 表示，當電網(wǎng)節(jié)點i 初始化時，可利用下式獲取電網(wǎng)節(jié)點收斂時的平均值：

式中：Sai表示全局平均一致信息；n 表示節(jié)點數(shù)目。

若電網(wǎng)內部結構出現(xiàn)變化，那么電網(wǎng)節(jié)點序號在初始化過程中就會收斂到新的平均值，即i/（n+Δn）。當式（8）的功率變化量初始化時，電網(wǎng)在收斂期間會出現(xiàn)功率缺額的問題，而最終結果可利用節(jié)點數(shù)量和平均功率缺額的乘積獲取[8]，定義如下：

以此類推，在考慮負荷等級的情況下對電網(wǎng)實施減負荷處理，因此當式（8）的各級負載可切量初始化時，通過節(jié)點數(shù)量與可切負荷的平均值乘積，即可取得可切負荷總量，表示如下：

式中：εLy表示負載等級；SLy表示負載實際值表示平均可切負荷。

2.2 源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制策略

基于上述計算結果，通過頻率判斷制定源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制策略[9-10]，如圖4 所示。

圖4 協(xié)調控制策略Fig.4 Coordinating control strategy

源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制具體步驟如下：

（1）當電網(wǎng)與孤網(wǎng)脫離后，會產(chǎn)生一定功率缺額，若此時系統(tǒng)頻率低于50 Hz，系統(tǒng)發(fā)電機組就可以調節(jié)功率，使其保持平衡，從而恢復至初始頻率。為此利用下式計算出系統(tǒng)各個機組的協(xié)調增發(fā)實際值：

式中：Sfy表示備用容量；ΔSfy表示增發(fā)實際值表示功率缺額占比。

（2）電網(wǎng)局部孤網(wǎng)運行期間，會出現(xiàn)頻率下降的問題，且下降幅度較大，當下降至50 Hz 以下后，功率缺額就會變大，需要通過減負荷的方式實現(xiàn)協(xié)調控制。假設系統(tǒng)發(fā)電機組的控制結果與式（11）相同，為此在的基礎上提升發(fā)電機組出力，并利用下式計算出實際處理增加值：

式中：ΣΔSf表示實際出力增加值表示協(xié)調增發(fā)實際值的均值。

基于實際減載總量比值，進一步計算系統(tǒng)負荷的減載量，定義如下：

基于源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制策略，對源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)實施出力協(xié)調及多級負載減載等控制流程，保證了源網(wǎng)荷儲的穩(wěn)定性運行，以此實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲的協(xié)調控制。

3 實驗

實驗采用雙碳目標下面向清潔能源消納的源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制方法（方法1）、源網(wǎng)荷儲多元協(xié)調控制系統(tǒng)的研究及應用方法（方法2）和基于模糊與一致性復合智能算法的“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)同控制策略研究方法（方法3）進行測試。本次實驗選取源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)作為實驗對象，該源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)的參數(shù)如表1 所示。源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)結構如圖5 所示。

表1 源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of the source network load and storage system

圖5 源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)結構Fig.5 Structure of the source network loading and storage system

3.1 風機電壓暫態(tài)穩(wěn)定性

為了驗證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，對比分析了方法1、方法2 和方法3 控制性能，并模擬了風電、負荷突變。設定在實驗期間，2～4 s 時系統(tǒng)負荷出現(xiàn)突增情況，突增至150 kW，并在6～8 s 時投入150 kVar容性負荷?；谠O定條件，3 種方法下的雙饋風機電壓暫態(tài)穩(wěn)定性測試結果如圖6 所示。

圖6 雙饋風機電壓暫態(tài)穩(wěn)定性結果Fig.6 Voltage transient stability results of double-fed fan

分析圖6 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，雙饋風機功率爬坡期間，風機電壓會出現(xiàn)明顯升高，且電壓超出1.3 p.u.時會出現(xiàn)明顯振蕩。利用3 種方法控制雙饋風機電壓時，可見僅有方法1 在整個過程中的電壓保持在1.2 p.u.附近，且波動率較低，說明經(jīng)控制后，方法1 的風機電壓沒有產(chǎn)生振蕩且整體平穩(wěn)。反觀方法2 和方法3 經(jīng)控制后均超出1.3 p.u.，在整體測試期間風機出現(xiàn)的振蕩頻率較高，波動率大，此時的風機電壓暫態(tài)穩(wěn)定性低。

3.2 風機輸出無功功率暫態(tài)穩(wěn)定性

在上述實驗基礎上，進一步測試反饋風機輸出無功功率。3 種方法下反饋風機輸出無功功率穩(wěn)定性結果如圖7 所示。

圖7 反饋風機輸出無功功率穩(wěn)定性Fig.7 Reactive power stability of the feedback fan output

分析圖7 可知，方法1 控制后，反饋風機輸出無功功率運動軌跡較方法2、方法3 來說更加平穩(wěn)，而方法2、方法3 控制下的風機輸出無功功率曲線的波動幅度較大，說明在方法1 的控制下，反饋風機輸出無功功率暫態(tài)穩(wěn)定性強。

3.3 儲能系統(tǒng)總輸出功率穩(wěn)定性

選取源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)作為本次實驗測試對象，進一步對比方法1、方法2 和方法3 的儲能總輸出功率，根據(jù)控制后所產(chǎn)生的儲能出力波動性，分析不同方法的協(xié)調控制效果。3 種方法下儲能系統(tǒng)總輸出功率結果如圖8 所示。

圖8 儲能系統(tǒng)功率輸出結果Fig.8 Power output results of the energy storage system

根據(jù)圖8 中的測試結果發(fā)現(xiàn)，方法2、方法3 的出力波動起伏大，而方法1 的儲能出力波動性起伏較小，說明在整個過程中方法1 可以有效實現(xiàn)儲能協(xié)調控制，使源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，驗證了方法1 的控制效果高于方法2、方法3。

4 結語

為有效應用源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)，需提升源網(wǎng)荷儲在雙碳目標及清潔能源消納背景下的控制精度，為此提出雙碳目標下面向清潔能源消納的源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制方法。該方法首先提出雙碳目標及清潔能源消納背景，在該背景下構建源網(wǎng)荷儲數(shù)學模型，并進一步獲取源網(wǎng)荷儲全局信息，將其作為基礎制定源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制策略，從而實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制。