基于多源儲能節(jié)點拓?fù)涮卣鞯慕恢绷餍履茉措娋W(wǎng)功率平衡分區(qū)控制

冷歐陽， 回 茜， 左 浩， 劉 鑫

（1. 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2.國網(wǎng)遼寧營銷服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110004； 3.沈陽工業(yè)大學(xué)， 遼寧 沈陽 110870）

0 引言

隨著世界各國能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的提出和穩(wěn)步實施，電力系統(tǒng)中多種能源形式的負(fù)荷及儲能設(shè)備、單機(jī)大容量分布式的可再生能源發(fā)電設(shè)備等接入規(guī)模和占比也在快速增長[1]～[3]。 一方面，多種能源形式和可再生能源接入規(guī)模的增長在有效推進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)升級與可持續(xù)能源利用水平提升的同時，還可為電力系統(tǒng)提供更多更有效的動態(tài)和暫態(tài)功率控制手段；另一方面，多種能源形式間及負(fù)荷與儲能間的復(fù)雜拓?fù)渑c能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，可再生能源波動的隨機(jī)性，都將給交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)功率平衡能力與緊急功率控制帶來新的挑戰(zhàn)[4]～[6]。 因此，在交直流混聯(lián)的新能源電網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化控制過程中，如何根據(jù)不同的多能源儲能支撐能力及可再生能源波動特性對系統(tǒng)進(jìn)行分布式協(xié)調(diào)控制受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，也是目前能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱點和難點之一。

針對交直流混合系統(tǒng)的穩(wěn)定控制問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。 文獻(xiàn)[7]提出了交直流同質(zhì)化能量函數(shù)模型，可實現(xiàn)變換器在交流、直流子系統(tǒng)中按照自身容量特性承擔(dān)相應(yīng)功率。 文獻(xiàn)[8]，[9]提出了交直流互聯(lián)變換器的自適應(yīng)控制策略，使功率在子系統(tǒng)間合理地雙向流動，實現(xiàn)了交直流混合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。 文獻(xiàn)[10]，[11]計及大規(guī)?？稍偕茉床淮_定性， 提出了交直流混聯(lián)系統(tǒng)的魯棒控制方法。

儲能系統(tǒng)具有削峰填谷特性， 可為電網(wǎng)提供較高的靈活調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[12]針對超大規(guī)模儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的分布式接入特性， 研究電網(wǎng)全域范圍儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型， 建立了基于分布式交替方向乘子法的儲能系統(tǒng)集群優(yōu)化算法。 文獻(xiàn)[13] 針對分布式儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力提升問題， 研究了不同儲能電價激勵下分布式儲能參與需求側(cè)響應(yīng)、 電網(wǎng)調(diào)峰和新能源遠(yuǎn)距離輸送輔助服務(wù)成本優(yōu)化方法， 建立了基于多模式經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的分布式儲能協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[14]針對分布式儲能在不同應(yīng)用場景下的運行經(jīng)濟(jì)性評價問題， 對基于大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)模式下的分布式儲能參與電網(wǎng)優(yōu)化運行的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及運行策略進(jìn)行了研究和分析。

本文在現(xiàn)有國內(nèi)外研究成果基礎(chǔ)上，針對新能源高占比的交直流混聯(lián)送端電網(wǎng)在本地負(fù)荷和外送負(fù)荷波動下的電網(wǎng)功率平衡控制問題，研究基于分布式多能源儲能節(jié)點與交直流混合節(jié)點的拓?fù)湎嚓P(guān)度模型；在此基礎(chǔ)上研究基于各類節(jié)點同質(zhì)化尺度與節(jié)點間能量交互約束的動態(tài)電網(wǎng)節(jié)點分區(qū)的馬爾科夫能量場模型，進(jìn)而研究基于馬爾科夫先驗知識模型的交直流新能源電網(wǎng)功率擾動動態(tài)分區(qū)優(yōu)化控制算法；最后在東北某送端電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)及IEEE39 節(jié)點模型基礎(chǔ)上， 建立基于節(jié)點拓?fù)潢P(guān)聯(lián)度動態(tài)分區(qū)的電網(wǎng)功率擾動分區(qū)控制仿真模型。 仿真結(jié)果及分析表明，本文提出的電網(wǎng)功率不平衡擾動動態(tài)分區(qū)控制模型能夠有效減小火電機(jī)組和直流系統(tǒng)功率波動，提升送端電網(wǎng)功率平衡能力。

1 交直流電網(wǎng)節(jié)點關(guān)聯(lián)度模型

在對交直流混聯(lián)新能源電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)時，設(shè)由節(jié)點集合表示的電網(wǎng)為

式中：xs，xr∈X 是電網(wǎng)X 的任意兩個相鄰節(jié)點；S為電網(wǎng)的節(jié)點總數(shù)。

與xs，xr都存在能量交互的相鄰節(jié)點xu的能量交互越多，則兩節(jié)點的關(guān)聯(lián)度越大；反之，如果與兩個相鄰節(jié)點xs，xr都存在能量交互的相鄰節(jié)點xu的能量交互越少，則兩節(jié)點的關(guān)聯(lián)度越小。

本文參考文獻(xiàn)[15]的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)度模型，定義交直流混聯(lián)新能源電網(wǎng)兩個相鄰節(jié)點xs，xr的拓?fù)淠芰筷P(guān)聯(lián)度tsr為

由于交直流的能量可同質(zhì)化[7]，因此采用該模型可較好地表達(dá)出含大規(guī)模儲能的交直流系統(tǒng)不同節(jié)點的關(guān)聯(lián)程度。

由式（2）可知，電網(wǎng)X 中與兩個相鄰節(jié)點xs，xr都存在能量交互的節(jié)點xu的數(shù)量和能量交互量越大，那么交直流混聯(lián)新能源電網(wǎng)X 的拓?fù)淠芰筷P(guān)聯(lián)度tsr越大，反之則越小，且滿足0≤tsr≤1。則可得交直流混聯(lián)新能源電力系統(tǒng)的節(jié)點拓?fù)淠芰筷P(guān)聯(lián)矩陣為

在電力系統(tǒng)中只有具有支路連接的兩節(jié)點間才可能存在能量交互，因此式（3）的交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)節(jié)點拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣T（X）是一個對稱且非負(fù)矩陣。同時，交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)節(jié)點拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣T（X）還能夠?qū)㈦娋W(wǎng)中相鄰節(jié)點的可同質(zhì)化特性及儲能共享度等特征映射到多變量高階節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣中， 并利用高階關(guān)聯(lián)矩陣對電網(wǎng)節(jié)點的高階同質(zhì)化與儲能約束進(jìn)行描述， 從而實現(xiàn)對交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)引入多能源節(jié)點高階拓?fù)淇臻g相關(guān)性的表達(dá)， 最終實現(xiàn)對多能源節(jié)點接入后電網(wǎng)的局部空間特征的描述， 同時減少由于多能源儲能與交直流能量流數(shù)據(jù)異構(gòu)等帶來的交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)節(jié)點間相關(guān)性量化困難的問題。

2 交直流電網(wǎng)節(jié)點分區(qū)模型

設(shè)用等值電網(wǎng)節(jié)點表示的交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)中某局部區(qū)域為式中：S={s|s≤M×N} 表示交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)中的一個有限節(jié)點集， 且該節(jié)點集的容量為M×N；Os表示節(jié)點s 的有能量交互的相鄰節(jié)點集。

若已知一個交直流新能源電力系統(tǒng)：

式中：Ω= -1，［ ］

1 為電力系統(tǒng)中節(jié)點xs的儲能需求， 表示有多源儲能裝置接入的節(jié)點對儲能裝置運行方式的需求可能是從100%額定功率充能到100%額定功率放能之間變化。

設(shè)節(jié)點xs的注入能量為ys， 并將交直流新能源電網(wǎng)劃分為Λ={0，1，…，L}個區(qū)域，則可得到各區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的能量場

考慮式（6）的交直流新能源電網(wǎng)的分區(qū)能量場Y 為一個馬爾科夫隨機(jī)場，則在給定的電網(wǎng)運行方式X 下得到分區(qū)能量場Y 概率為

在電網(wǎng)運行狀態(tài)X 的切換過程中，電網(wǎng)分區(qū)能量場Y 的動態(tài)求解過程即轉(zhuǎn)化為求取其全局最優(yōu)估計解Y*。 這個全局最優(yōu)分區(qū)能量場Y*的估計問題又可轉(zhuǎn)化成節(jié)點能量不平衡的最小化問題：

3 節(jié)點動態(tài)分區(qū)先驗?zāi)Ｐ?/h2>

在交直流新能源電網(wǎng)的動態(tài)分區(qū)中， 電網(wǎng)局部區(qū)域中蘊含的全局能量平衡信息是進(jìn)行基于能量平衡優(yōu)化的分區(qū)動態(tài)調(diào)整的重要關(guān)鍵先驗知識。全局能量信息是基于電網(wǎng)節(jié)點間，尤其是電網(wǎng)多源儲能節(jié)點間的關(guān)聯(lián)度描述的。同時，簡單節(jié)點間能量交互關(guān)聯(lián)度難以全面反映交直流新能源電網(wǎng)局部的能量場空間特征。

令yr∈Os（ys）表示節(jié)點ys的區(qū)域節(jié)點集合的一個子集節(jié)點，Os（ys）表示節(jié)點ys的區(qū)域ws內(nèi)相鄰且有直接能量交互的節(jié)點集合， 則任意兩個相鄰節(jié)點xs，xr的能量關(guān)聯(lián)度tsr（xs，xr）為

式中：s≠r 時，asr表示節(jié)點xs，xr間的能量交互強(qiáng)度。

由式（9），（10）可知，如果相鄰節(jié)點xs，xr分別與其共享節(jié)點具有能量交互， 那么相鄰節(jié)點xs，xr的拓?fù)渲丿B測度tsr（xs，xr）的值更大，也就是說，對于兩個相鄰節(jié)點xs，xr，如果節(jié)點xs和其多個共享節(jié)點具有較高能量關(guān)聯(lián)度，節(jié)點xr也與這幾個共享節(jié)點具有較高能量關(guān)聯(lián)度。 根據(jù)節(jié)點能量傳遞性質(zhì)可知，這兩個相鄰節(jié)點xs，xr也具有較高能量關(guān)聯(lián)度，即能量關(guān)聯(lián)度tsr（xs，xr）具有更大的值，反之亦然。

若節(jié)點xr是一個新能源節(jié)點，那么無儲能節(jié)點xr與其共享節(jié)點具有較低能量關(guān)聯(lián)度，而有儲能節(jié)點xs與其共享節(jié)點相似性較高，則相鄰節(jié)點xs，xr的能量關(guān)聯(lián)度tsr（xs，xr）具有較小的值。

由式（9），（10）分析可知，基于多節(jié)點能量關(guān)聯(lián)度的節(jié)點間作用關(guān)系度量方法引入了交直流新能源電網(wǎng)局部區(qū)域節(jié)點的拓?fù)淇臻g關(guān)系， 因而該模型對新能源發(fā)電波動、交直流混合節(jié)點、多源儲能節(jié)點的協(xié)調(diào)具有魯棒性。

在交直流新能源電網(wǎng)局部區(qū)域ws內(nèi)節(jié)點關(guān)聯(lián)度的高階拓?fù)淇臻g先驗tws（xs，xos）為

式中：tN1（·），tN2（·），…，tNi（·） 分別為交直流新能源電網(wǎng)局部區(qū)域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點xs與其所有相鄰且具有能量交互的節(jié)點的拓?fù)淠芰筷P(guān)聯(lián)度，即交直流新能源電網(wǎng)局部區(qū)域ws的高階拓?fù)淇臻g能量交互關(guān)聯(lián)度先驗tws（xs，xOs）值為該區(qū)域中節(jié)點xs與其相鄰節(jié)點能量關(guān)聯(lián)度tNi（·）之和。

在某一現(xiàn)有交直流新能源電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)， 電網(wǎng)節(jié)點拓?fù)潢P(guān)聯(lián)度的高階先驗?zāi)芰繛?/p>

式中：Eh（xw|B）為交直流新能源電網(wǎng)分區(qū)ws內(nèi)的高階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)先驗?zāi)芰?；B=（ρ，γ） 為交直流新能源電網(wǎng)分區(qū)高階先驗?zāi)Ｐ蛥?shù)，ρ 為交直流及多能源同質(zhì)化尺度參數(shù)，γ 為相鄰且有直接能量交互節(jié)點間的能量越限懲罰因子。

由式（12）可知，基于交直流新能源電網(wǎng)分區(qū)節(jié)點拓?fù)潢P(guān)聯(lián)度的高階先驗?zāi)Ｐ停?在對電網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)分區(qū)時，首先在現(xiàn)有的分區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有分區(qū)節(jié)點的能量關(guān)聯(lián)度描述交直流新能源電網(wǎng)現(xiàn)有分區(qū)區(qū)域內(nèi)具有多能源儲能節(jié)點共享的相鄰節(jié)點間的能量關(guān)聯(lián)度， 并可在其基礎(chǔ)上構(gòu)建分區(qū)內(nèi)各節(jié)點的高階空間拓?fù)潢P(guān)系模型； 進(jìn)而利用交直流新能源電網(wǎng)分區(qū)空間拓?fù)潢P(guān)系對節(jié)點的高階拓?fù)淠芰筷P(guān)聯(lián)度進(jìn)行計算， 建立具有交直流新能源電網(wǎng)分區(qū)節(jié)點拓?fù)涓唠A空間相關(guān)性的多能源儲能節(jié)點關(guān)聯(lián)度先驗知識表達(dá)模型， 對交直流新能源電網(wǎng)現(xiàn)有分區(qū)區(qū)域內(nèi)蘊含的節(jié)點間復(fù)雜拓?fù)淇臻g結(jié)構(gòu)特征等高階先驗知識進(jìn)行描述。

4 交直流新能源電網(wǎng)分區(qū)算法

在前文的交直流新能源電網(wǎng)分區(qū)動態(tài)先驗知識模型中考慮了交直流同質(zhì)化節(jié)點、多能源同質(zhì)化節(jié)點及儲能節(jié)點在分區(qū)調(diào)整時的變化，所以分區(qū)的拓?fù)湎闰炛R能夠提供交直流新能源電網(wǎng)對新能源波動、負(fù)荷波動、多能源協(xié)調(diào)等方面的控制能力指標(biāo)。 因此，該模型可以降低新能源波動造成的節(jié)點間功率交互突變所帶來的節(jié)點間能量相關(guān)度畸變、 對電源和負(fù)荷擾動等影響，具有較強(qiáng)的魯棒性。

基于先驗知識模型的交直流新能源電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)模型具體算法如圖1 所示。

圖1 算法流程圖Fig.1 Algorithm flow char

基于先驗知識模型的交直流新能源電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)模型如下。

模型輸入： 包含多能源儲能的交直流新能源電網(wǎng)節(jié)點拓?fù)浼蟈={xs|xs∈Ω，s∈S}；

模型輸出： 交直流新能源電網(wǎng)分區(qū)動態(tài)高階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)先驗?zāi)芰縀h（X|B）。

5 仿真分析

根據(jù)東北某地區(qū)的接入分布式儲能，且以風(fēng)、光、 火電大規(guī)模交直流混合送出的送端電網(wǎng)中多能源運行數(shù)據(jù)及IEEE39 節(jié)點算例為基礎(chǔ)， 建立多源儲能與交直流電網(wǎng)仿真模型。 仿真系統(tǒng)模型如圖2 所示。由圖2 可見，在該系統(tǒng)中有6 個火電（GE） 電源、5 個風(fēng)電 （WP） 電源節(jié)點、4 個光伏（PV）電源、6 個多能源儲能（ES）節(jié)點，圖2 中的實線為交流線路，虛線為直流線路。

圖2 含多能源儲能的交直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of AC/DC hybrid grid with multi-energy storage

圖2 中交直流新能源電網(wǎng)負(fù)荷包括本地負(fù)荷和外送負(fù)荷。系統(tǒng)電源、儲能和直流輸電容量參數(shù)如表1 所示。

表1 交直流新能源電網(wǎng)參數(shù)Table 1 Parameters of new energy AC/DC hybrid grid

在交直流新能源電網(wǎng)中，風(fēng)電、光伏、火電及本地負(fù)荷、 外送負(fù)荷的典型日變化曲線如圖3 所示。 由圖3 可知，在不配置儲能系統(tǒng)時，由于電網(wǎng)中的新能源出力的波動特性， 當(dāng)電網(wǎng)總負(fù)荷需求發(fā)生變化時，為滿足功率平衡要求，火電機(jī)組出力必須根據(jù)總功率不平衡量進(jìn)行調(diào)節(jié)。由圖3 可知，可再生能源比例較高時， 會對常規(guī)火電機(jī)組造成較大的調(diào)峰壓力。

圖3 不配置儲能時交直流電網(wǎng)電源和負(fù)荷曲線Fig.3 Power supply and load curve of AC/DC hybrid grid without multi-energy storage

在配置多能源儲能后，新能源波動、火電出力波動、 電網(wǎng)總負(fù)荷及多能源儲能系統(tǒng)總儲放功率日變化曲線如圖4 所示。由圖4 可知，在交直流新能源電網(wǎng)中的多個節(jié)點配置了多能源儲能后，電網(wǎng)總的功率不平衡量可由多源儲能承擔(dān)較大部分。同時，由于在負(fù)荷峰谷時刻須要協(xié)調(diào)火電機(jī)組或儲能系統(tǒng)出力， 將可能導(dǎo)致與之相連的直流線路輸送功率發(fā)生變化。 電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差及新能源出力的反調(diào)峰特性越大， 直流功率變化的可能性也越大。

圖4 含多能源儲能的電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)曲線Fig.4 Grid power adjustment curve of AC/DC hybrid grid with multi-energy storage

采用本文提出的交直流新能源電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)協(xié)調(diào)優(yōu)化算法對圖2 系統(tǒng)的功率不平衡擾動進(jìn)行分區(qū)優(yōu)化控制仿真?？刂茀?shù)：多能源同質(zhì)化尺度參數(shù)ρ=0.33，能量越限懲罰因子γ=1.16。此時，新能源波動、火電出力波動、電網(wǎng)總負(fù)荷及多能源儲能系統(tǒng)總儲放功率日變化曲線如圖5 所示。

圖5 基于動態(tài)分區(qū)控制電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)曲線Fig.5 Grid power adjustment curve of AC/DC hybrid grid with proposed dynamic partition control

由圖5 可知， 在針對系統(tǒng)負(fù)荷波動及新能源出力波動特性采取動態(tài)分區(qū)的功率平衡策略后，原系統(tǒng)模型為10 個新能源節(jié)點和5 個多能源儲能節(jié)點出力在能量關(guān)聯(lián)度的高階先驗知識模型，采用本文所提算法能夠?qū)β什黄胶饬孔兓M(jìn)行分區(qū)協(xié)調(diào)。因此，在交直流新能源電網(wǎng)中相同的功率不平衡擾動下， 火電機(jī)組出力調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)容量，以及相應(yīng)的直流線路功率變化時間和容量，都有較大比例的下降。

為突出本文算法優(yōu)勢，與文獻(xiàn)[12]的LPV 魯棒優(yōu)化進(jìn)行對比分析， 最優(yōu)解的收斂曲線如圖6所示。

圖6 不同算法收斂曲線Fig.6 Different algorithms for the best values

6 結(jié)束語

本文針對交直流新能源電網(wǎng)在本地和外送負(fù)荷波動與新能源出力波動下的電網(wǎng)功率不平衡擾動優(yōu)化控制問題， 研究了考慮大規(guī)模多能源儲能節(jié)點與交直流混聯(lián)節(jié)點同質(zhì)化尺度參數(shù)及能量交互約束的電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)協(xié)調(diào)的功率平衡優(yōu)化控制算法。 主要結(jié)論如下。

①對比不配置儲能的交直流新能源電網(wǎng)，配置多源儲能能夠有效降低系統(tǒng)內(nèi)可再生能源的擾動，提升交直流新能源電網(wǎng)的靈活性調(diào)節(jié)能力。

②基于電網(wǎng)節(jié)點拓?fù)淠芰肯嚓P(guān)度的電網(wǎng)控制分區(qū)模型， 能夠在電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)過程中較好地協(xié)調(diào)多源儲能與交直流能量交互關(guān)系及能量同質(zhì)化特性。

③基于高階拓?fù)潢P(guān)聯(lián)度先驗知識模型的分區(qū)優(yōu)化算法， 能夠有效針對新能源與負(fù)荷波動的變化，對電網(wǎng)總功率不平衡實現(xiàn)較好的抑制。