面向新型電力系統(tǒng)的儲能規(guī)劃與運(yùn)行控制技術(shù)

國網(wǎng)長春供電公司 黃峻航

1 新型電力系統(tǒng)儲能所面臨的問題

在全面促進(jìn)碳中和以及碳達(dá)峰的發(fā)展背景之下，促使電力能源應(yīng)用領(lǐng)域受到一定影響，在傳統(tǒng)電力供需視角下，不斷提高新能源滲透率的過程中促使電力系統(tǒng)的儲能表現(xiàn)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]，尤其是在2022年經(jīng)由國家發(fā)改委以及國家能源局聯(lián)合推出十四五新型儲能發(fā)展方案后，為電力系統(tǒng)中的用戶、電網(wǎng)以及電源等提出了多元化的儲能應(yīng)用意見。包括太陽能以及風(fēng)能在內(nèi)的各種清潔能源其不穩(wěn)定性、分散性以及波動性等相對較強(qiáng)，因此探索合理的儲能方案并對其加以控制成為促進(jìn)電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。電力系統(tǒng)儲能包括電力供需、電源及需求側(cè)的管理等，考慮到儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，對其展開合理的設(shè)計(jì)規(guī)劃至關(guān)重要，將直接影響新型電力系統(tǒng)是否能夠滿足當(dāng)前用電需求。

2 面向新型電力系統(tǒng)的儲能規(guī)劃

早期電力系統(tǒng)均以集中儲能電站為主，這樣的儲能系統(tǒng)規(guī)模相對較大且成本較高，在運(yùn)行使用過程中需消耗大量人力物力加以維護(hù)，均集中在電力公司以及政府部門的規(guī)劃之外。而本公司所提出的分布式儲能系統(tǒng)建設(shè)成本更加低廉且占地面積小，具有更加鮮明的應(yīng)用優(yōu)勢。與此同時(shí)，分布式儲能系統(tǒng)經(jīng)常用于電力能源的負(fù)荷應(yīng)急以及就地儲存等，不受電網(wǎng)控制，導(dǎo)致難以對電網(wǎng)調(diào)控起到直接參與作用，進(jìn)而影響其使用價(jià)值。為了更好的滿足當(dāng)前全新電力系統(tǒng)引用下的靈活配電網(wǎng)使用需求，本公司基于現(xiàn)有分布式儲能系統(tǒng)，結(jié)合環(huán)節(jié)電壓偏差、負(fù)荷管理以及削峰填谷等提出了一定的優(yōu)化建議，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一種全新的儲能規(guī)劃模型，目的是減小電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的儲能網(wǎng)絡(luò)損耗，進(jìn)而滿足負(fù)荷管理要求。

3 分布式儲能規(guī)劃與運(yùn)行控制實(shí)踐

針對以往新型電力系統(tǒng)應(yīng)用過程中的儲能系統(tǒng)出現(xiàn)電壓越限及網(wǎng)絡(luò)損耗等問題，影響配電網(wǎng)的運(yùn)行效率，本公司提出一種全新的假設(shè)，通過創(chuàng)建線性最優(yōu)潮流模型的方式，對以往配電網(wǎng)中R/X 建模準(zhǔn)確度不足的問題加以解決，通過分析配電網(wǎng)的潮流特性，以儲能規(guī)劃最小成本為目標(biāo)出發(fā)，提出分布式儲能系統(tǒng)的規(guī)劃模型，并根據(jù)配電網(wǎng)的不同運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于雙有源橋下的鉗位變換器結(jié)構(gòu)控制方案，并驗(yàn)證該方案是否能夠滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)用效果。

3.1 場景設(shè)定

基于分布式儲能規(guī)劃在電力系統(tǒng)中的分布方式，本質(zhì)上是通過區(qū)域到節(jié)點(diǎn)，對其中所有的不確定因素以及初步規(guī)劃問題等加以考慮。首先應(yīng)當(dāng)創(chuàng)建配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)模型（DLMP），隨后對電力系統(tǒng)配電網(wǎng)運(yùn)行過程中最為薄弱的區(qū)域加以定位，作為接引分布式儲能系統(tǒng)的后選位置，并利用價(jià)格信號對全新的電力資源合理配置[2]。

3.2 分布式儲能規(guī)劃

與傳統(tǒng)電力設(shè)備對電壓越限加以限制的行為不同，對電力資源加以應(yīng)用并管理配電網(wǎng)是最為有效的手段。而DLMP 概念在電力系統(tǒng)的儲能規(guī)劃中加以運(yùn)用，是考慮到成本價(jià)格信號的存在，以此為指標(biāo)規(guī)劃分布式儲能，則能夠?qū)π滦碗娏ο到y(tǒng)中可再生能源逐步滲透導(dǎo)致的電壓越限問題加以控制。因此對分布式儲能規(guī)劃中的初步描述可界定為不大確定的DLMP 邊界波動問題。根據(jù)信息薄弱區(qū)域?qū)Ψ植际絻δ芗右越右?，以期對其電能質(zhì)量起到改善作用。因此在本方案設(shè)計(jì)中，通過與典型最優(yōu)潮流方法相結(jié)合，提出了電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的解法，獲得了基于對分布式儲能初步規(guī)劃的DLMP 公式：

式中：λp、μi是相應(yīng)約束的拉格朗日乘子；p(z)表示等式約束；gi表示不等式約束；F(z)表示為儲能總量；L(z)為成本控制目標(biāo)。根據(jù)KKT 條件，則對于DLMP 展開的詳細(xì)定義如公式（5）所示，通過該公式可對分布式儲能規(guī)劃的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性等加以驗(yàn)證。需注意，在本方案設(shè)計(jì)中假設(shè)電力系統(tǒng)中的用戶可自主調(diào)整無功功率，因此在DLMP 中不考慮無功功率的存在[3]。則構(gòu)成了：

式中：λp表示為等式約束條件下的影子價(jià)格；Ptloss為t時(shí)刻下的有功損耗；load表示為額定損耗上限；res表示為配電網(wǎng)當(dāng)前受電功率；LCC表示為損耗成本分量；ECC表示為能量成本分量；B、N分別表示為發(fā)電機(jī)影子價(jià)格與發(fā)電機(jī)總數(shù)；i表示為發(fā)電機(jī)；t為時(shí)刻；j表示i發(fā)電機(jī)的對應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

通過DLMP 下的儲能成本估算模型，對電力系統(tǒng)儲能運(yùn)行過程中出現(xiàn)的超電壓限制以及超高網(wǎng)絡(luò)損耗等用電成本問題加以分析研究。基于實(shí)際角度來講，通常情況下DLMP 在配電網(wǎng)中的價(jià)格區(qū)間處于較為合理的范圍，而在公式（5）中則可以對配電網(wǎng)中的價(jià)格薄弱區(qū)域加以精準(zhǔn)界定，在配電網(wǎng)中的DLMP 超出合理價(jià)格范圍時(shí)，就相應(yīng)的衍生出了薄弱區(qū)域。事實(shí)上，可再生資源以及電力負(fù)荷等均會影響配電網(wǎng)價(jià)格成本的薄弱區(qū)域，并且在不斷增加調(diào)節(jié)參數(shù)的過程中，配電網(wǎng)的儲能調(diào)度也將會呈現(xiàn)出一定的惡劣情況，即表示為不確定參數(shù)對最壞情況加以限制。

因此，若具有越高的不確定調(diào)節(jié)參數(shù)，則會導(dǎo)致DLMP 出現(xiàn)劇烈的波動現(xiàn)象，薄弱區(qū)域更加突出，有利于對其加以劃定，證明通過分布式儲能規(guī)劃能夠充分滿足配電網(wǎng)的運(yùn)行需求。在對配電網(wǎng)最薄弱區(qū)域加以分析的過程中設(shè)計(jì)了三種方案，根據(jù)DLMP＞α 的原理可獲得配電網(wǎng)薄弱區(qū)域，則在本次設(shè)計(jì)中，方案一設(shè)計(jì)為DLMP＞α=45元/MWh 下配電網(wǎng)中的所有薄弱區(qū)域集合；方案二設(shè)計(jì)為DLMP＞α=$50/MWh 下配電網(wǎng)中的所有薄弱區(qū)域集合；而方案三則設(shè)計(jì)為當(dāng)DLMP＞α=45元/MWh 時(shí)所對應(yīng)的經(jīng)典薄弱區(qū)域，即表示為方案三中的薄弱區(qū)域?qū)儆谇皟烧咧械囊粋€(gè)子集[4]。

3.3 調(diào)節(jié)模型保守度

基于上文研究，在有關(guān)電力系統(tǒng)運(yùn)行保守性方面可通過Γ 對魯棒性加以優(yōu)化，選擇整數(shù)為基準(zhǔn)，則根據(jù)上文中的三種設(shè)計(jì)方案，選擇方案一的規(guī)劃內(nèi)容對不確定調(diào)節(jié)參數(shù)的保守度加以調(diào)節(jié)，設(shè)置Γ分別為0、6以及12。其中等于0的狀態(tài)則是表示輸出功率與標(biāo)稱值之間在任何時(shí)刻下均保持相一致的參數(shù)可界定確定性，而在不斷增大參數(shù)的過程中表示新型電力系統(tǒng)中的可再生電能不確定度增加，并提高電力系統(tǒng)負(fù)載，表示標(biāo)稱值以及輸出功率出現(xiàn)偏差的時(shí)刻相應(yīng)增多。

由于不確定調(diào)節(jié)參數(shù)提高，則在電力系統(tǒng)中的分布式系統(tǒng)將會對冗余的可再生電力能源加以調(diào)節(jié)，促使其提升資源分配利用效率，進(jìn)而在電力市場利潤上行的階段將冗余資源分撥為上層電網(wǎng)加以交易，促使自身的運(yùn)行成本有效降低。表1為在差異性不確定參數(shù)下的分布式儲能規(guī)劃對比。

表1 分布式儲能規(guī)劃影響結(jié)果

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可得，在進(jìn)一步增加Γ 的過程中分布式儲能規(guī)劃系統(tǒng)具有更加良好的處理能力，解決電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的不確定性，進(jìn)而促使投入成本相應(yīng)增加。在相關(guān)研究中表明，在魯棒優(yōu)化的決策中納入了最壞情況，進(jìn)而促使分布式儲能規(guī)劃具有更加良好的魯棒性。因此若電網(wǎng)具有越高的不確定調(diào)節(jié)參數(shù)，將會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性受到影響，進(jìn)而增強(qiáng)了風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對能力，即表示具有更高保守度[5]。

3.4 魯棒性與ARO 對比

根據(jù)文中內(nèi)容對比了傳統(tǒng)ARO 以及魯棒性優(yōu)化的隨機(jī)結(jié)果，如表2所示。經(jīng)過DLMP 模型可直觀的了解到通過魯棒性邊界加以描述，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)ARO 來講，在魯棒性優(yōu)化下的分布式儲能規(guī)劃隨機(jī)場景中的投入成本均低于前者，促使不確定性得以解決。

表2 魯棒性與ARO 對比結(jié)果

3.5 雙有源橋鉗位變換器控制

經(jīng)對本文所設(shè)計(jì)的方案選擇分布式儲能規(guī)劃在電力系統(tǒng)中加以運(yùn)行，能夠?qū)Σ淮_定參數(shù)加以調(diào)節(jié)，進(jìn)而獲得更加穩(wěn)定的運(yùn)行條件，降低成本并有效提升資源利用率，證明分布式儲能規(guī)劃有效。而在此基礎(chǔ)上需要對其展開合理的運(yùn)行控制，促使其充分發(fā)揮有效價(jià)值。鉗位控制器的原理則是通過給定開關(guān)S0的運(yùn)行周期以及占空比，基于d=TON/TO（式中：d表示為運(yùn)行周期；TO表示為運(yùn)行周期；TON為占空比）的定義，則可對開關(guān)S0定義為：λ1=1-d，式中：d表示為運(yùn)行周期；λ1表示為非運(yùn)行周期。同時(shí)也可通過開關(guān)運(yùn)行周期TO與變換器運(yùn)行周期Ts確定開關(guān)周期比：λ2=TO/Ts，式中：開關(guān)運(yùn)行周期TO；變換器運(yùn)行周期Ts。

基于此，則在變換器開關(guān)周期比以及鉗位開關(guān)占空比的作用下對變換器的PWN 移相加以控制，對有源橋的工作過程加以控制，形成更高自由度，進(jìn)而以傳輸功率表作為控制量，滿足動態(tài)化的高度自由控制效果，促使分布式儲能系統(tǒng)在前衛(wèi)變換器的作用下具有更加靈活的功率調(diào)節(jié)效果[6]。

綜上所述，在滿足雙碳發(fā)展的基礎(chǔ)上，新型電力系統(tǒng)也面臨著一定的困擾，儲能系統(tǒng)是決定各種新型清潔能源穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，因此應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)做好規(guī)劃與運(yùn)行控制。