含新能源的獨(dú)立電網(wǎng)儲能容量配置和運(yùn)行策略研究

王正輝

（中國電建集團(tuán)青海省電力設(shè)計(jì)院有限公司，青海 西寧 810008）

0 引 言

相比傳統(tǒng)互聯(lián)電網(wǎng)，利用新能源發(fā)電技術(shù)介入獨(dú)立電網(wǎng)，在規(guī)劃和運(yùn)行過程中受到不確定性因素的影響更加顯著。本文主要闡述了新能源發(fā)電接入電網(wǎng)類型以及運(yùn)行策略發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了多種獨(dú)立電網(wǎng)構(gòu)建方式和控制策略。

1 風(fēng)儲獨(dú)立電網(wǎng)儲能容量優(yōu)化

由于各地能源政策和環(huán)境差異，風(fēng)力發(fā)電過程中可以采用集中安裝和分散布置方式，因此儲能系統(tǒng)也可以采取分散安裝和集中安裝的方式。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲能安裝不同，可將風(fēng)電儲能電網(wǎng)劃分為如下四種方式。（1）風(fēng)力和儲能系統(tǒng)安裝在獨(dú)立電網(wǎng)中；（2）分散安裝風(fēng)電發(fā)電機(jī)，集中安裝儲能系統(tǒng)；（3）集中安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)和分散安裝儲能系統(tǒng)；（4）分散安裝儲能系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于儲能系統(tǒng)在分散安裝過程中成本較高，且規(guī)劃難度較大，因此本文采用的風(fēng)電儲能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是指由分散安裝和集中安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)共同構(gòu)成，如圖1所示。

集中安裝的儲能系統(tǒng)和風(fēng)電場電網(wǎng)中，某一區(qū)域范圍內(nèi)集中安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可形成風(fēng)電場。風(fēng)電場中存在多臺發(fā)電機(jī)，可以通過線路匯集并連接到相應(yīng)的輸電線路中，通過高壓線路將電能輸送到相應(yīng)的用戶側(cè)，經(jīng)降壓變能夠向用戶提供供電。此外，由于儲能系統(tǒng)在用戶側(cè)安裝，因此能夠減小系統(tǒng)升壓變尺寸，進(jìn)一步提升電能質(zhì)量，防止出現(xiàn)線路故障，保證用電的可靠性。分散安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)和集中安裝儲能系統(tǒng)時，低壓配電網(wǎng)中分散安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)靠近用戶一側(cè)，每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)可通過升壓變進(jìn)入到相應(yīng)的輸配電網(wǎng)中，而儲能系統(tǒng)能夠通過升壓變逆變器與發(fā)電機(jī)共同接入到地下配電網(wǎng)中。分散分布的發(fā)電機(jī)的輸出率更加穩(wěn)定，由于風(fēng)電場會受到氣候條件的影響，因此其輸出功率變化明顯。但是，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取分散安裝時規(guī)劃難度較高，因此目前針對大容量主要采用集中安裝的方式，而小容量在微電網(wǎng)中采取分散安裝的方式。

圖1 風(fēng)電儲能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

對于儲能容量優(yōu)化配置，大電網(wǎng)互聯(lián)能夠提升電網(wǎng)運(yùn)行效率，保障電力的可靠性。然而對于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于電網(wǎng)和主網(wǎng)間無互聯(lián)，因此很難保證供電可靠性。隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，以可再生能源作為電源配合儲能設(shè)備構(gòu)成獨(dú)立電網(wǎng)，能夠?yàn)槠h(yuǎn)地區(qū)解決能源輸送問題。當(dāng)主網(wǎng)與獨(dú)立電網(wǎng)無互聯(lián)時，可以采用孤島運(yùn)行供電；當(dāng)獨(dú)立電網(wǎng)與主網(wǎng)存在較弱的聯(lián)系時，獨(dú)立電網(wǎng)可以采用孤島運(yùn)行和聯(lián)網(wǎng)的模式，進(jìn)一步提升電網(wǎng)可靠性[1]。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電接入獨(dú)立電網(wǎng)中，雖然能夠提供天然能源，但由于其具備間歇性和隨機(jī)性，會對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。為保障系統(tǒng)安全運(yùn)行，接入風(fēng)電后需要配置備用容量和調(diào)頻電源。風(fēng)電場的不可調(diào)度性會給系統(tǒng)調(diào)度帶來難度，基于儲能系統(tǒng)的響應(yīng)特點(diǎn)，合理配置儲能系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電廠的可調(diào)度性。這也是目前解決風(fēng)電場聯(lián)網(wǎng)接入的有效辦法?？梢詫L(fēng)電儲能、電網(wǎng)和風(fēng)電儲能系統(tǒng)作為常規(guī)電源，在常規(guī)調(diào)度具有可行性的基礎(chǔ)上，盡可能降低備用電源和輔助調(diào)峰需求。

2 含新能源微電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用優(yōu)化

微電網(wǎng)是由負(fù)荷、分布式源共同構(gòu)成的，能夠向特定區(qū)域提供獨(dú)立的電網(wǎng)可控系統(tǒng)。微電網(wǎng)中，分布式源包括燃?xì)廨啓C(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)、儲能設(shè)備及風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。微電網(wǎng)具有分布式發(fā)電技術(shù)，尤其能夠分散可再生能源發(fā)電接入，具有良好的人機(jī)交互能力。分布式發(fā)電在與用戶側(cè)組網(wǎng)時能夠減小原距離的輸電損耗，提高配電能力，延緩電網(wǎng)升級壓力，降低投入成本。一方面，大電網(wǎng)面臨連鎖故障和自然災(zāi)害，導(dǎo)致存在停電事故的威脅，同時也暴露了在現(xiàn)有大電網(wǎng)機(jī)組情況下線路集中發(fā)輸電對系統(tǒng)可靠性影響程度較大的問題；另一方面，各國鼓勵采用新能源發(fā)電技術(shù)，以產(chǎn)生良好的綜合效益，同時為偏遠(yuǎn)地區(qū)解決供電問題?；诖?，建立微電網(wǎng)是目前最好的解決措施。孤島運(yùn)行和聯(lián)網(wǎng)模式切換能夠隔絕主網(wǎng)對微電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，提升供電安全性、可靠性，彌補(bǔ)大電網(wǎng)在互聯(lián)過程中存在的不足之處。

2.1 不確定性分布模型

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行中，為維持旋轉(zhuǎn)備用容量，確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)備用量采用確定性計(jì)算。這種方法相對比較簡便，系統(tǒng)不確定性主要考慮機(jī)組故障和負(fù)荷預(yù)測誤差，且負(fù)荷預(yù)測結(jié)果比較準(zhǔn)確，能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求，進(jìn)而得到廣泛應(yīng)用[2]。但是這種旋轉(zhuǎn)備用方法沒有考慮系統(tǒng)不確定性對旋轉(zhuǎn)備用產(chǎn)生的不利影響。尤其是微電網(wǎng)，分散接入可再生能源發(fā)電后發(fā)電功率的隨機(jī)性、波動性會增加微電網(wǎng)的不確定性運(yùn)行狀態(tài)。因此，準(zhǔn)確分析微電網(wǎng)不確定因素能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)微電網(wǎng)宣傳備用優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

例如，傳統(tǒng)電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測過程中，預(yù)測誤差其均值為零，是一種正態(tài)分布，由于大電網(wǎng)日負(fù)荷重復(fù)性較強(qiáng)，預(yù)測時長和誤差相關(guān)性小，所以利用標(biāo)準(zhǔn)差能夠假設(shè)與負(fù)荷實(shí)際成某種比例關(guān)系。由于供電負(fù)荷相對集中，負(fù)荷變化較大，導(dǎo)致誤差較大，因此在微電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測過程中需要將預(yù)測誤差均值設(shè)為零，其標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)分布為：

取t負(fù)荷中預(yù)測誤差分布標(biāo)準(zhǔn)差：

其中，t為時段，l為光照強(qiáng)度為光伏發(fā)電功率預(yù)測值，為光伏發(fā)電功率預(yù)測誤差。

微電網(wǎng)中，可控發(fā)電單元包括燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)。此外，還可以將主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線和微電網(wǎng)作為特殊可控發(fā)電單元。當(dāng)主網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送的功率為正值時，此時上主網(wǎng)輸送功率為負(fù)值，導(dǎo)致可控發(fā)電單元不確定性是由于設(shè)備故障停運(yùn)引起的功率偏差，選擇傳統(tǒng)大型發(fā)電機(jī)的停用模型，利用兩種狀態(tài)來描述微網(wǎng)內(nèi)可控發(fā)電單元的實(shí)際運(yùn)行情況。優(yōu)化中，一旦可控發(fā)電單元出現(xiàn)故障停止運(yùn)行，可認(rèn)為發(fā)電單元替換時間長，可以忽略發(fā)電單元修復(fù)的可能。因此，計(jì)算可控發(fā)電單元停運(yùn)替代功率時，可用式（3）表示：

其中，λr為可控發(fā)電單元r的停運(yùn)率，dr為各個優(yōu)化時間段時長，其可控發(fā)電單元不確定性離散分布，如表1所示。

表1 可控發(fā)電單元不確定性離散分布情況

2.2 微電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用的優(yōu)化模型

設(shè)置旋轉(zhuǎn)備用能夠減少因微電網(wǎng)功率不確定而出現(xiàn)的停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，但需要增加微電網(wǎng)運(yùn)行成本。增加旋轉(zhuǎn)設(shè)備的投入能夠減小系統(tǒng)停電概率，然而也會增加系統(tǒng)的整體成本。這主要是因?yàn)樵黾有D(zhuǎn)設(shè)備，不僅提高了成本，而且需要增加發(fā)電單元開機(jī)，使其他發(fā)電單元出力偏離最優(yōu)值。由于聯(lián)網(wǎng)和微電網(wǎng)孤島運(yùn)行過程中屬于不同的側(cè)重方向，對于微電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用，孤島模式的供電可靠性是關(guān)鍵因素。聯(lián)網(wǎng)模式下，實(shí)際上是基于主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線、保障供電可靠性的前提下，能夠使經(jīng)濟(jì)性成為旋轉(zhuǎn)備用設(shè)備的重點(diǎn)。

3 風(fēng)儲獨(dú)立電網(wǎng)孤島控制

圖2為廣東某聯(lián)絡(luò)線交換功率數(shù)據(jù)。

圖2 廣東某聯(lián)絡(luò)線交換功率數(shù)據(jù)

由于各地區(qū)存在多個風(fēng)電場，安裝大量風(fēng)機(jī)，并且沒有配置其他的儲能單元，聯(lián)絡(luò)線交換功率是用電功率和負(fù)荷的不平衡功率，因此可知功率差額和累計(jì)能量差額相對較大。采用傳統(tǒng)的控制策略會使孤島運(yùn)行儲能系統(tǒng)容量需求大，投入成本高，因此在以風(fēng)力發(fā)電為主的獨(dú)立電網(wǎng)中，基于配套儲能系統(tǒng)容量，可通過電荷和電源側(cè)的雙側(cè)協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率與負(fù)荷的平衡，擺脫過去利用可控發(fā)電單元進(jìn)行負(fù)荷波動和可再生能源發(fā)電。風(fēng)電儲能獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行控制時需要做好分層控制設(shè)計(jì)，控制好預(yù)測誤差。由于受到容量和儲能系統(tǒng)功率限制，完全采用儲能消納獨(dú)立電網(wǎng)負(fù)荷不平衡和風(fēng)電功率是不可行的，因此需要基于平衡功率將風(fēng)電儲能、電網(wǎng)控制策略劃分成雙層控制，即上級負(fù)荷側(cè)和風(fēng)電電源側(cè)控制、下級儲能系統(tǒng)功率補(bǔ)償。

4 結(jié) 論

利用新能源發(fā)電能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)區(qū)域獨(dú)立供電提供有效方法。由于風(fēng)力和光伏發(fā)電過程中存在間歇性和波動性，影響電能質(zhì)量，因此需要研究新能源獨(dú)立電網(wǎng)的規(guī)劃控制技術(shù)，使其滿足實(shí)際供電需求。