以電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能提升高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)的可用輸電容量

陶 力，劉 建，王子涵，張 琳，王劍曉

（1.南瑞集團(tuán)有限公司 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210003；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100194；3.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

發(fā)展跨區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的可再生能源交易已成為全球共識(shí)，但可再生能源的隨機(jī)性、波動(dòng)性以及其高比例滲透，為區(qū)域系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)挑 戰(zhàn)[1]。 可 用 輸 電 容 量 （Available Transfer Capability，ATC）為輸電網(wǎng)絡(luò)中剩余可用于額外商業(yè)交易的傳輸容量，是保證自由和可靠的電力交易關(guān)鍵因素[2]。適量的ATC可以在多種系統(tǒng)條件下維持電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，以增強(qiáng)高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)的可靠性。

目前，關(guān)于ATC的研究主要集中在能量評(píng)估上。文獻(xiàn)[2]建立了適用于柔性交流輸電系統(tǒng)的指定輸電線路最大功率傳輸?shù)腁TC評(píng)估模型。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于迭代分布式算法的實(shí)時(shí)ATC評(píng)估方法。文獻(xiàn)[4]提出了考慮風(fēng)電不確定性的區(qū)域ATC概率評(píng)估模型。文獻(xiàn)[5]考慮到電-氣一體化能源系統(tǒng)的不確定性，對(duì)基于概率的ATC進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[6]通過(guò)基于非參數(shù)分析的在線測(cè)量模型，將最大輸電容量（Total Transfer Capability，TTC）計(jì)算出來(lái)。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，大多是基于非彈性負(fù)荷需求來(lái)評(píng)估電網(wǎng)的ATC。隨著儲(chǔ)能技術(shù)和其他形式的分布式能源的迅速發(fā)展，這些靈活的電力資源可以實(shí)現(xiàn)調(diào)峰，還能夠提高系統(tǒng)發(fā)電容量的充裕度，從而有效地提高高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)的ATC[7]。儲(chǔ)能技術(shù)在緩解峰值負(fù)荷、提高系統(tǒng)可靠性方面得到了廣泛的應(yīng)用。在高峰時(shí)段，儲(chǔ)能可以通過(guò)放電來(lái)降低高峰負(fù)荷，從而提高系統(tǒng)的ATC；在低谷時(shí)段，儲(chǔ)能可以存儲(chǔ)可再生能源（特別是夜間的風(fēng)電和水電）的剩余能量，提高可再生能源的消納[8]，[9]。然而，儲(chǔ)能對(duì)ATC的影響尚未得到系統(tǒng)的探討。

本文評(píng)估了儲(chǔ)能對(duì)高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)的可用輸電容量的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的兩階段ATC評(píng)估框架。該框架量化了儲(chǔ)能對(duì)高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)實(shí)時(shí)ATC的影響；同時(shí)，結(jié)合儲(chǔ)能的最優(yōu)調(diào)度，建立了一個(gè)日前機(jī)組組合實(shí)時(shí)ATC模型，能夠最大化日均聯(lián)絡(luò)線功率交易。

1 高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)ATC評(píng)估框架

高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)是指一個(gè)具備高比例可再生能源接入、電網(wǎng)潮流雙向化等特點(diǎn)的區(qū)域電力系統(tǒng)。隨著電力系統(tǒng)復(fù)雜性的增長(zhǎng)，由于輸電網(wǎng)絡(luò)中的輸電容量和可再生能源消納能力的控制裕度有限，區(qū)域系統(tǒng)的運(yùn)行成本和運(yùn)行可靠性問(wèn)題逐漸突出。在區(qū)域系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)中，ATC作為一種對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)中剩余傳輸容量的衡量指標(biāo)，可用來(lái)在已規(guī)劃的機(jī)組組合運(yùn)行范圍內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的電力交易，其表達(dá)式為

式 中 ：PATC，PTTC，PETC，PCBM和PTRM分 別 為 可 用 輸 電容量、最大輸電容量、現(xiàn)存輸電協(xié)議（Existing Transmission Commitments，ETC）、容 量 效 益 裕 度（Capacity Benefit Margin，CBM）和 輸 電 可 靠 性 裕度（Transmission Reliability Margin，TRM）。

考慮到在日前和實(shí)時(shí)階段的短時(shí)間內(nèi)，CBM與TRM不會(huì)發(fā)生變化，將其忽略，所以ATC為T(mén)TC與ETC的差值。

本文設(shè)計(jì)了考慮儲(chǔ)能的高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)實(shí)時(shí)ATC評(píng)估的兩階段框架。該框架如圖1所示。

圖1 兩階段ATC評(píng)估框架示意圖Fig.1 Schematic of the two-stage ATC evaluation framework

在日前市場(chǎng)中，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)組組合模型用來(lái)調(diào)度發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能。日前模型的目標(biāo)是在相應(yīng)的運(yùn)行約束下，實(shí)現(xiàn)總成本和聯(lián)絡(luò)線功率交易利潤(rùn)之間差值的最小化。在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中，以日前模型確定的機(jī)組啟/停狀態(tài)作為實(shí)時(shí)ATC評(píng)估的基礎(chǔ)解，ATC評(píng)估模型最大化日可交換容量。與火力發(fā)電機(jī)組相比，儲(chǔ)能系統(tǒng)能靈活地通過(guò)充放電以調(diào)節(jié)功率輸出，對(duì)提高實(shí)時(shí)ATC起著至關(guān)重要的作用。

在沒(méi)有儲(chǔ)能的情況下，日間的電力負(fù)荷很高，火電機(jī)組可增加功率的裕量很??；在夜間，由于可再生能源發(fā)電量高，但電力負(fù)荷低，火電機(jī)組必須關(guān)閉，以消納可再生能源。因此，實(shí)時(shí)的發(fā)電容量充裕度可能不足。然而，在有儲(chǔ)能的情況下，儲(chǔ)能可以將峰時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)換為谷時(shí)，從而改善火電機(jī)組日間的功率水平，并在夜間消納可再生能源。因此，在高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)中，引入儲(chǔ)能后，可以有效地提高發(fā)電容量充裕度和可用輸電容量。

2 高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)模型

2.1 階段1：日前機(jī)組組合

在日前市場(chǎng)中，本文構(gòu)建了一個(gè)機(jī)組組合模型，以協(xié)調(diào)火電機(jī)組、儲(chǔ)能和聯(lián)絡(luò)線功率交易：

2.2 階段2：實(shí)時(shí)ATC評(píng)估

由于火電機(jī)組的啟/停狀態(tài)可提前1 d確定，所以實(shí)時(shí)ATC取決于在線發(fā)電機(jī)組的容量和儲(chǔ)能。因此，為了評(píng)估儲(chǔ)能的影響，實(shí)時(shí)ATC模型的目標(biāo)是在日前機(jī)組組合的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)指定聯(lián)絡(luò)線的單日ATC均值的最大化，其表達(dá)式為

該模型須要滿足的約束條件：①火電機(jī)組的實(shí)時(shí)功率限制；②可再生能源發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)功率限制；③可再生能源的消納要求；④實(shí)時(shí)功率平衡；⑤輸電線路的實(shí)時(shí)潮流方程和功率限制；⑥實(shí)時(shí)儲(chǔ)能約束。

2.3 約束條件

模型中涉及到的約束條件如下。

①火電機(jī)組功率限制

式中：PRAMPUg，max為第g臺(tái)火 電機(jī)組 最小向 上爬坡能 力 ；PRAMPDg，max為 第g臺(tái) 火 電 機(jī) 組 最 大 向 下 爬 坡能力。

⑤可再生能源發(fā)電機(jī)的功率限制

式 （19），（20）為 充 電 和 放 電 功 率 限 制；式（21），（22）為儲(chǔ)能只能在同一時(shí)刻內(nèi)充電或放電；式（23）為儲(chǔ)能j所儲(chǔ)存電量的動(dòng)態(tài)變化；式（24）為 存 儲(chǔ) 能 量 的 限 制。式 中：αCHA/DISj，s，t為 充 電/放 電 狀態(tài) 的 二 進(jìn) 制 變 量；PESj為 儲(chǔ) 能j的 最 大 功 率；Ej，s，t為儲(chǔ)能j的存儲(chǔ)能量；ηj為儲(chǔ)能j的充放電效率；Ejmax為儲(chǔ)能j的容量；SOCjmin/max為荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）的最小值或最大值。

3 算例分析

本文算例軟件為Matlab R2016a，采用CPLEX 12.4求解。為刻畫(huà)可再生能源和負(fù)荷的不確定性，本文應(yīng)用k-means聚類(lèi)的方法從年度數(shù)據(jù)中生成10種典型日?qǐng)鼍?。算例?duì)具有24 h的IEEE 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)研究分析，其拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 IEEE 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.2 IEEE 14-bus system

該系統(tǒng)中有5臺(tái)火力發(fā)電機(jī)，對(duì)于每臺(tái)火力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)和關(guān)閉成本設(shè)置為1 000×Pgmax，并且每臺(tái)發(fā)電機(jī)的最小功率是其裝機(jī)容量的1/2。節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)7分別設(shè)有風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站。風(fēng)電和負(fù)荷分布數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)PJM市場(chǎng)，太陽(yáng)能數(shù)據(jù)從美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室獲取。風(fēng)電裝機(jī)容量為360 MW，光伏電站裝機(jī)容量為70 MW。節(jié)點(diǎn)7處引出一條聯(lián)絡(luò)線，交換電力售價(jià)為15$/（MW·h）。可再生能源的最低消納率為75%。圖3為通過(guò)k-means聚類(lèi)從年度數(shù)據(jù)中選出的10種典型日?qǐng)鼍跋碌目稍偕茉春拓?fù)荷數(shù)據(jù)。

圖3 可再生能源數(shù)據(jù)Fig.3 Data of renewable energy

節(jié)點(diǎn)10處設(shè)有儲(chǔ)能電站。儲(chǔ)能電站的參數(shù)見(jiàn)表1。其中，儲(chǔ)能的維持時(shí)間為96/12=8 h，該值表示儲(chǔ)能在最大功率放電時(shí)能維持的小時(shí)數(shù)。

表1 儲(chǔ)能參數(shù)Table 1 Parameters of energy storage

3.1 儲(chǔ)能對(duì)高比例新能源區(qū)域系統(tǒng)ATC的影響

圖4 比較了無(wú)、有儲(chǔ)能的單日ATC均值。

圖4 有無(wú)儲(chǔ)能情況下的單日ATC均值Fig.4 Daily ATC mean value with and without ES

與無(wú)儲(chǔ)能的情況相比，在有儲(chǔ)能的情況下，日間的ATC均值提高了1.03%，夜間的ATC均值提高了10.47%。日最大ATC由111.91 MW增加到114.15 MW，日最小ATC由45.19 MW增加到72.86 MW。利用儲(chǔ)能可以有效降低日間的負(fù)荷需求，如圖5所示。

圖5 有無(wú)儲(chǔ)能情況下的系統(tǒng)負(fù)荷變化Fig.5 System load with and without ES

與無(wú)儲(chǔ)能相比，有儲(chǔ)能的情況在日間降低了7.47 MW·h的負(fù)荷需求，從而顯著提高聯(lián)絡(luò)線功率交易的可靠性。

儲(chǔ)能的充放電功率和所儲(chǔ)電量如圖6所示。

圖6 儲(chǔ)能的充放電功率和所儲(chǔ)電量Fig.6 Charging/discharging power and stored energy of ES

由圖6可知：由于夜間可再生能源機(jī)組出力較小，儲(chǔ)能通過(guò)放電保證區(qū)域系統(tǒng)的功率平衡，而在可再生能源供應(yīng)充裕時(shí)，儲(chǔ)能進(jìn)行充電；儲(chǔ)能在日間放電，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷轉(zhuǎn)移，而當(dāng)可再生能源足夠充裕，區(qū)域系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可再生能源的完全消納時(shí)，儲(chǔ)能又會(huì)進(jìn)行充電。因此，利用儲(chǔ)能的響應(yīng)能力，可將單日內(nèi)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)ATC，可以進(jìn)一步提高可再生能源的消納水平。

可再生能源的消納率如圖7所示。

圖7 有無(wú)儲(chǔ)能情況下的可再生能源消納率Fig.7 Accommodation rates of renewable energy with and without ES

由圖7可知，儲(chǔ)能可以使單日可再生能源的消納量增加44.46 MW·h，消納率從75.00%提高到76.03%。相比無(wú)儲(chǔ)能的區(qū)域系統(tǒng)，具備儲(chǔ)能電站的高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)顯著提高了可再生能源的消納能力。

3.2 成本與效益分析

表2列出了發(fā)電成本和聯(lián)絡(luò)線功率交易的收益。其中，聯(lián)絡(luò)線電力交易成本的負(fù)值表明通過(guò)聯(lián)絡(luò)線功率交易可以獲得的利潤(rùn)。

表2 發(fā)電成本和聯(lián)絡(luò)線功率收益Table 2 Generation costs and profits from interchange power

由表2可以看出，引入儲(chǔ)能后，系統(tǒng)可有效降低54.05%的成本。在消納可再生能源的同時(shí)，火電機(jī)組的發(fā)電成本從165.53×103$下降到98.46×103$。更重要的是，儲(chǔ)能可以使區(qū)域系統(tǒng)的負(fù)載曲線變得平緩，從而避免火電機(jī)組頻繁啟停，從而大大降低啟動(dòng)和停機(jī)成本。

圖8為有、無(wú)儲(chǔ)能情況下的各時(shí)段在線火電機(jī)組容量。

圖8 在線火電機(jī)組容量Fig.8 Online capacity of thermal generators

由圖8可知，在有儲(chǔ)能的情況下，火力發(fā)電機(jī)不須要頻繁啟動(dòng)或關(guān)閉。但是，如果沒(méi)有儲(chǔ)能，2號(hào)和5號(hào)機(jī)組必須分別在23：00和7：00關(guān)閉以消納可再生能源，并分別在6：00和22：00啟動(dòng)以滿足高峰負(fù)荷的需求。通過(guò)引入儲(chǔ)能，高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)可以大大提高發(fā)電容量的充裕度，從而提高聯(lián)絡(luò)線的ATC。

為進(jìn)一步說(shuō)明所提方法在大規(guī)模算例系統(tǒng)中的有效性和可行性，本文基于IEEE 30節(jié)點(diǎn)算例進(jìn)行了分析，得到了與14節(jié)點(diǎn)算例類(lèi)似的結(jié)論，如圖9所示。設(shè)定風(fēng)電裝機(jī)容量為140 MW，光伏電站裝機(jī)容量為60 MW，系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)能電站的容量為50 MW·h。結(jié)果表明，引入儲(chǔ)能的方案能夠在增強(qiáng)系統(tǒng)ATC的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行成本的最小化。相比于無(wú)儲(chǔ)能的方案，有儲(chǔ)能的方案單日ATC的均值提高了15.85%，可再生能源的消納率提升了3.35%，進(jìn)一步地，系統(tǒng)在聯(lián)絡(luò)線交易上多獲取5.05%的收益，系統(tǒng)的總成本減少56.23%。

圖9 IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.9 IEEE 30-bus system

3.3 儲(chǔ)能持續(xù)時(shí)間的靈敏度分析

本文對(duì)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行靈敏度分析，并量化儲(chǔ)能充放電速度對(duì)ATC的影響。在IEEE 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中采用兩種類(lèi)型的儲(chǔ)能系統(tǒng)：①慢充儲(chǔ)能系統(tǒng)，其參數(shù)見(jiàn)表1；②持續(xù)時(shí)間為2 h的快充儲(chǔ)能系統(tǒng)。兩個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和效率是相同的，唯一的區(qū)別是快速充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大功率是慢速充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的4倍。表3比較了兩種儲(chǔ)能所在的區(qū)域系統(tǒng)的ATC和消納率。

表3 兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)的ATC與消納率Table 3 ATC and accommodation rates of two ES

與慢充儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，快充儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提高單日ETC均值，由130.06 MW提高到131.12 MW，從而獲得更多的聯(lián)絡(luò)線功率交易利潤(rùn)。然而，由于TTC的限制，單日ATC均值由89.13 MW略降至88.07 MW。另一方面，系統(tǒng)可多消納42.90 MW·h可再生能源，消納率由76.03%提高到77.03%。因此，在保證電網(wǎng)安全的同時(shí)，快速充電儲(chǔ)能系統(tǒng)在改善聯(lián)絡(luò)線功率交易和可再生能源消納方面也優(yōu)于慢速充電儲(chǔ)能系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文提出了一種結(jié)合儲(chǔ)能的兩階段ATC評(píng)估框架。在日前市場(chǎng)中，建立了一個(gè)機(jī)組組合模型來(lái)調(diào)度發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能；在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中，建立了聯(lián)絡(luò)線日平均傳輸容量最大化的ATC評(píng)估模型?；贗EEE 14節(jié)點(diǎn)及IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的實(shí)例研究表明：①與無(wú)儲(chǔ)能運(yùn)行相比，儲(chǔ)能可以顯著提高高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)的實(shí)時(shí)ATC，從而提高聯(lián)絡(luò)線功率交易的可靠性；②利用儲(chǔ)能的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力，不僅有助于避免發(fā)電機(jī)的頻繁啟停，還有助于可再生能源的消納；③較高的儲(chǔ)能充電速度可以進(jìn)一步增強(qiáng)高比例可再生能源區(qū)域系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力。本文將ATC影響的儲(chǔ)能電站的最優(yōu)容量和選址和考慮儲(chǔ)能對(duì)ATC影響的多區(qū)域電力系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，兩個(gè)問(wèn)題值得進(jìn)一步深入研究。