含電動(dòng)汽車的區(qū)域電網(wǎng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置及能量優(yōu)化策略研究

柳 丹，江克證，曹 侃

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，武漢 340077）

0 引言

隨著“碳中和、碳達(dá)峰”能源革命的不斷推進(jìn)，構(gòu)建清潔高效的能源供給體系已逐步成為世界各國研究的重點(diǎn)。我國已明確提出以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑，未來每年將至少新增12 GW 及以上的新能源裝機(jī)規(guī)模，電源也將呈現(xiàn)間歇性和波動(dòng)性的屬性。同時(shí)，以電動(dòng)汽車為代表的新型負(fù)荷不斷接入，負(fù)荷端變化使得負(fù)荷屬性也逐步發(fā)生改變，因此，源-荷兩端的雙重變化給電力系統(tǒng)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

電化學(xué)儲(chǔ)能是提升新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段，具備選址靈活、功率密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可用于破解規(guī)?；履茉春拓?fù)荷接入帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。在風(fēng)電和光伏為主的新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)以及規(guī)模化電動(dòng)汽車無序充電對(duì)電網(wǎng)帶來的雙重影響下，儲(chǔ)能的配置以及靈活性調(diào)節(jié)資源的聯(lián)合應(yīng)用顯得格外重要。國內(nèi)外眾多學(xué)者已圍繞風(fēng)光儲(chǔ)充的應(yīng)用場景、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、配置方法和調(diào)度策略開展研究。文獻(xiàn)［1］面向多源混合微電網(wǎng)儲(chǔ)能配置，通過建立風(fēng)電、光伏、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池儲(chǔ)能的數(shù)學(xué)模型，并梳理微網(wǎng)容量優(yōu)化的約束條件和目標(biāo)函數(shù)。文獻(xiàn)［2］針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)的容量優(yōu)化儲(chǔ)能配置方法，使小容量配置儲(chǔ)能在系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)供電的高可靠性，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)滿足負(fù)荷需求和平抑電源波動(dòng)。文獻(xiàn)［3］面向規(guī)?；潆姌叮岢鲆环N規(guī)?；妱?dòng)汽車參與微網(wǎng)運(yùn)行管理的優(yōu)化方法，提高微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域負(fù)荷的有效管理。在儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性約束背景下，眾多學(xué)者研究考慮通過其他的靈活性調(diào)節(jié)手段和技術(shù)以實(shí)現(xiàn)電源和負(fù)荷間的實(shí)時(shí)平衡［4］。柔性互聯(lián)作為其中一種調(diào)節(jié)資源，可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域間的電網(wǎng)互聯(lián)，對(duì)線路進(jìn)行功率調(diào)配和電壓支撐，進(jìn)一步提升電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。

基于上述背景，本文構(gòu)建了含風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和柔性互聯(lián)的源荷儲(chǔ)系統(tǒng)，通過儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和柔性互聯(lián)等多種靈活性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電、光伏的最大消納，提出系統(tǒng)的能量優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)存量儲(chǔ)能資源的充分利用，并提出了面向新能源最大消納情況下的最優(yōu)儲(chǔ)能配置。

1 源荷儲(chǔ)系統(tǒng)各元素運(yùn)行特性

1.1 風(fēng)力發(fā)電

目前，風(fēng)力發(fā)電主要以雙饋或全功率兩種類型并網(wǎng)，均是通過變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)互聯(lián)。傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組因?yàn)槠溥\(yùn)行方式，同時(shí)具備解決負(fù)荷變化引起不平衡功率的能力且可以“穿越”電網(wǎng)擾動(dòng)，因而具有較強(qiáng)的致穩(wěn)性和抗擾性［5］。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電等新能源作為區(qū)域電網(wǎng)唯一電源時(shí)，其對(duì)電網(wǎng)的頻率、電壓和電能質(zhì)量均存在影響，同時(shí)風(fēng)電功率具有波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn)，需要通過精準(zhǔn)的超短期、短期和中期來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)功率的準(zhǔn)確性和間接可調(diào)配性，針對(duì)源荷兩種形態(tài)來看，風(fēng)電的調(diào)峰具備正反調(diào)峰2種效應(yīng)，正調(diào)峰效應(yīng)是指風(fēng)電的日出力曲線與電網(wǎng)日負(fù)荷曲線正相關(guān)，風(fēng)電與負(fù)荷疊加可等效減小負(fù)荷峰谷差，反調(diào)峰效應(yīng)是指風(fēng)電的日出力曲線與電網(wǎng)日負(fù)荷曲線反相關(guān)，風(fēng)電與負(fù)荷疊加將等效增大負(fù)荷峰谷差。

1.2 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電受太陽輻射影響很大，晴朗白天太陽輻射強(qiáng)度高，陰雨天和夜間太陽輻射量很小，因此具有高度的不確定性。光伏電池輸出特性主要與光照強(qiáng)度和溫度有關(guān)，光伏電池輸出特性如圖1和圖2所示，圖1為溫度保持不變（T=25 ℃）時(shí)，光照強(qiáng)度G分別為300 W/m2、600 W/m2、800 W/m2和1 000 W/m2時(shí)的光伏電池輸出I-V曲線和P-V曲線；圖2為光照強(qiáng)度保持不變（G=1 000 W/m2）時(shí)，環(huán)境溫度T分別在5 ℃、15 ℃、25 ℃和50 ℃時(shí)的光伏電池輸出I-V曲線和P-V曲線。如圖1（b）和圖2（b）所示，光伏輸出P-V 曲線為一個(gè)單峰值曲線，當(dāng)電壓增大時(shí)存在唯一的電壓值對(duì)應(yīng)輸出功率最大值，該點(diǎn)為最大功率點(diǎn)（Vmpp，Pmpp），光照強(qiáng)度的變化對(duì)光伏電池輸出功率影響較大而受溫度影響較小。

圖1 溫度一定光照不同時(shí)的特性曲線Fig.1 The characteristic curves when the temperature is constant and the illumination is different

圖2 光照一定溫度不同時(shí)的特性曲線Fig.2 The characteristic curves when the illumination is constant and the temperature is different

圖3展示出某省光伏的日出力曲線，x軸表示全天1—24 h，y 軸表示全年1—365 d，z 軸表示光伏出力占裝機(jī)容量的比例，可以明顯看出光伏日曲線的輸出特性呈現(xiàn)典型的駱駝峰形式。

圖3 某省光伏電站不同季節(jié)下典型日出力曲線Fig.3 Typical daily output curves of photovoltaic power plants in different seasons in a province

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用貫穿于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、用電的各個(gè)環(huán)節(jié)［6］，不同環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能系統(tǒng)具備不同的應(yīng)用功能，其中，電源側(cè)儲(chǔ)能具備平抑波動(dòng)和跟蹤計(jì)劃出力能力，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能具備調(diào)峰、調(diào)頻和電壓支撐等能力，負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能具備對(duì)用戶側(cè)的保供電、優(yōu)化電能質(zhì)量等能力。

儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和能量取決于其配置，響應(yīng)速度取決于變流器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。一般來說，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)ms 級(jí)的響應(yīng)，而規(guī)?；膬?chǔ)能電站在AGS 指令下達(dá)后，在3 s 內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)全功率響應(yīng)，因此，儲(chǔ)能是具備雙向調(diào)節(jié)能力的靈活性資源，在一定經(jīng)濟(jì)范疇內(nèi)具備非常優(yōu)益的調(diào)節(jié)能力。

1.4 電動(dòng)汽車負(fù)荷

電動(dòng)汽車負(fù)荷特性主要與其充電規(guī)律相關(guān)聯(lián)，其主要對(duì)配電網(wǎng)層面產(chǎn)生影響，由于電動(dòng)汽車充電具有時(shí)空性和不確定性，因此，其對(duì)配網(wǎng)的電壓、諧波、三相不平衡等電能質(zhì)量存在影響，同時(shí)，也對(duì)配網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行網(wǎng)損和配變超容有影響［7—8］。

電動(dòng)汽車的具備快充和慢充的兩種充電方式，慢充是指采取小電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，充電時(shí)長通常是5～8 h，一般夜間采用慢充方式，快充是采用較大電流對(duì)蓄電池充電，充電時(shí)長通常在30～120 min，因此電動(dòng)汽車負(fù)荷的分布特點(diǎn)是在谷電時(shí)具有大部分的慢充用戶，而在非谷電階段擁有較多快充用戶。目前，通過電動(dòng)汽車有序充電的方式可以優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行的同時(shí)也降低用戶的充電成本，考慮未來運(yùn)行場景下電動(dòng)汽車均具備電網(wǎng)互動(dòng)（vehicle to grid，V2G）功能，電網(wǎng)可以統(tǒng)籌電動(dòng)汽車充放電和電力調(diào)度需求，實(shí)現(xiàn)汽車與電網(wǎng)間的能量互動(dòng)并參與輔助服務(wù)，電動(dòng)汽車負(fù)荷V2G示意圖如圖4所示。

圖4 電動(dòng)汽車負(fù)荷V2GFig.4 Electric vehicle V2G

1.5 柔性互聯(lián)

柔性互聯(lián)具備電壓變換、電壓隔離、提升電能質(zhì)量、能量雙向流動(dòng)的綜合調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)故障情況或系統(tǒng)需要，自主地實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)分離，提高電網(wǎng)的自愈性，能夠調(diào)節(jié)網(wǎng)內(nèi)的饋線潮流，實(shí)現(xiàn)功率的快速調(diào)節(jié)能力，因此，柔性互聯(lián)具備分布式新能源最大消納、改善電能質(zhì)量和優(yōu)化區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行的能力。

本場景下的柔性互聯(lián)主要用于區(qū)域間的電壓變換、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行調(diào)控、協(xié)調(diào)優(yōu)化控制、區(qū)域保護(hù)控制和自愈控制，根據(jù)調(diào)度要求可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷監(jiān)控、功率自動(dòng)調(diào)節(jié)、能量管理、潮流調(diào)度等電網(wǎng)需求。

如圖5所示，柔性互聯(lián)基于電力電子技術(shù)，采用AC/AC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)于高壓大功率應(yīng)用場景在變流器端也可采用模塊化級(jí)聯(lián)，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，可以進(jìn)行ms 級(jí)的功率響應(yīng)，同時(shí)具備應(yīng)對(duì)短路故障、完成低壓穿越等功能。

圖5 柔性互聯(lián)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 The basic topology of flexible interconnection

1.6 靈活性調(diào)節(jié)資源

儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車負(fù)荷和柔性互聯(lián)是靈活性調(diào)節(jié)，綜合來看，不同類型提升系統(tǒng)靈活性的技術(shù)路徑各具優(yōu)勢，針對(duì)不同場景均有一定的適應(yīng)范圍。在發(fā)展規(guī)模潛力方面，電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)和柔性互聯(lián)發(fā)展?jié)摿^大；在調(diào)節(jié)特性方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)和柔性互聯(lián)較優(yōu)；在響應(yīng)時(shí)間方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)較快；在經(jīng)濟(jì)性方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)和柔性互聯(lián)更為經(jīng)濟(jì)；在安全性方面，柔性互聯(lián)更為安全；在環(huán)保性方面，柔性互聯(lián)和電動(dòng)汽車能較為環(huán)保。不同類型提升系統(tǒng)靈活性技術(shù)路徑評(píng)價(jià)如表1所示。

表1 不同類型提升系統(tǒng)靈活性技術(shù)路徑評(píng)價(jià)Table 1 Technical path evaluation of different types of improving system flexibility

2 多元融合場景下儲(chǔ)能優(yōu)化配置原則

2.1 應(yīng)用場景

如圖6 所示，應(yīng)用場景的拓?fù)浒瑓^(qū)域電網(wǎng)1和區(qū)域電網(wǎng)2，其中區(qū)域電網(wǎng)1由含風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車負(fù)荷和柔性互聯(lián)組成的微電網(wǎng)與本地電網(wǎng)組成，區(qū)域電網(wǎng)1 和區(qū)域電網(wǎng)2 通過柔性互聯(lián)裝置實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，區(qū)域電網(wǎng)1 的微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車負(fù)荷和柔性互聯(lián)是調(diào)節(jié)性資源。

圖6 含風(fēng)-光-儲(chǔ)-電動(dòng)汽車-柔性互聯(lián)的應(yīng)用場景基本拓?fù)銯ig.6 The basic topology of WG-PV-ESS-EV-FI

2.2 配置目標(biāo)

考慮本地電網(wǎng)呈孤島模式運(yùn)行，且只通過柔性互聯(lián)實(shí)現(xiàn)與其他區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，且電動(dòng)汽車負(fù)荷需100%來自于本地電網(wǎng)的新能源發(fā)電，電動(dòng)汽車負(fù)荷具備V2G功能，但主要以有序充電作為調(diào)節(jié)手段［9］，而儲(chǔ)能和柔性互聯(lián)均可以實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)，但柔性互聯(lián)調(diào)節(jié)功率不超過區(qū)域電網(wǎng)中電源總裝機(jī)容量的50%。綜合考慮的靈活性調(diào)節(jié)資源的組合，結(jié)合系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能容量的最優(yōu)配置。

2.3 約束條件

計(jì)及含風(fēng)電、光伏、電動(dòng)汽車負(fù)荷和柔性互聯(lián)的多單元微電網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合儲(chǔ)能配置目標(biāo)，儲(chǔ)能優(yōu)化配置的約束條件將分別圍繞能量約束、運(yùn)行約束、可靠性約束和功率波動(dòng)約束等方面考慮［1—2］。

（1）考慮能量平衡約束條件

考慮以區(qū)域電網(wǎng)中微電網(wǎng)容量為約束條件時(shí)，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)中吸收和釋放的能量相等，如圖6 所示，其中區(qū)域電網(wǎng)1中微電網(wǎng)包含風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、柔性互聯(lián)和電動(dòng)汽車負(fù)荷，由此可以得出系統(tǒng)的能量平衡約束

式中:Ewind為相同時(shí)域下風(fēng)力發(fā)電的輸出電量；EPV為相同時(shí)域下光伏發(fā)電的輸出電量；EES為相同時(shí)域下儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)電量；EFI為相同時(shí)域下柔性互聯(lián)的調(diào)節(jié)電量；EEV為相同時(shí)域下電動(dòng)汽車負(fù)荷調(diào)節(jié)電量；Eload為相同時(shí)域下流向本地電網(wǎng)恒定電量，孤島運(yùn)行模式下為0。

（2）考慮運(yùn)行平衡約束條件

當(dāng)考慮以運(yùn)行平衡約束為主要條件時(shí)，此時(shí)以秒、分鐘和小時(shí)為元素，構(gòu)建功率的平衡關(guān)系，可以得到儲(chǔ)能充放電的配置約束條件

式中:Pwind(t) 為某時(shí)間點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電功率；PPV(t)為某時(shí)間點(diǎn)光伏發(fā)電的發(fā)電功率；PES(t)為某時(shí)間點(diǎn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率；PFI(t)為某時(shí)間點(diǎn)柔性互聯(lián)的調(diào)節(jié)功率；PEV(t)為某時(shí)間點(diǎn)電動(dòng)汽車負(fù)荷充放電功率；Pload(t)為某時(shí)間點(diǎn)流向本地電網(wǎng)的功率，孤島運(yùn)行模式下為0。

PES(t)、PFI(t)和PEV(t)均根據(jù)優(yōu)化策略進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)。定義儲(chǔ)能、柔性互聯(lián)和電動(dòng)汽車負(fù)荷為流向區(qū)域電網(wǎng)1為正，此時(shí)儲(chǔ)能正處于放電狀態(tài)，柔性互聯(lián)的功率流向?yàn)閰^(qū)域電網(wǎng)2流向區(qū)域電網(wǎng)1，電動(dòng)汽車負(fù)荷正向電網(wǎng)放電；同時(shí)儲(chǔ)能、柔性互聯(lián)和電動(dòng)汽車負(fù)荷為流出區(qū)域電網(wǎng)1 為負(fù)，此時(shí)儲(chǔ)能正處于充電狀態(tài)，柔性互聯(lián)的功率流向?yàn)閰^(qū)域電網(wǎng)1 流向區(qū)域電網(wǎng)2，電動(dòng)汽車負(fù)荷正向充電。

（3）考慮供電可靠性約束條件

含風(fēng)電、光伏、電動(dòng)汽車負(fù)荷和柔性互聯(lián)等多元系統(tǒng)其首要任務(wù)是滿足負(fù)荷的用電需求，因此，在滿足可靠性的前提下系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性才有意義，衡量系統(tǒng)供電可靠性的指標(biāo)包括負(fù)荷缺電概率（loss of power supply probability，LPSP）、失負(fù)荷時(shí)間期望（loss of load expectation，LOLE）、系統(tǒng)停電頻率或電量不足期望（expected energy not served，EENS），其中，負(fù)荷缺電概率是最常用的系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)。

負(fù)荷缺電概率fLPSP指在獨(dú)立運(yùn)行模式下發(fā)電單元發(fā)電量小于負(fù)荷需求的概率，在負(fù)荷確定的情況下，可表示為

式中:εG(t)是指電網(wǎng)最大的功率變化率。從輸電的友好性來看，該指標(biāo)越小越好，考慮到功率波動(dòng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)1 是消極波動(dòng)，而通過儲(chǔ)能柔性互聯(lián)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)2的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)屬于積極波動(dòng)，因此，理想場景下變化率應(yīng)該為0。

3 源荷儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

3.1 源-荷-儲(chǔ)多元系統(tǒng)控制架構(gòu)

含風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、柔性互聯(lián)和電動(dòng)汽車負(fù)荷的源-荷-儲(chǔ)多元系統(tǒng)控制架構(gòu)分為本地層和調(diào)度層，其中，本地層根據(jù)源荷儲(chǔ)間的差異化功能應(yīng)用，又針對(duì)性的分為新能源場站級(jí)控制、規(guī)?；?fù)荷級(jí)控制和靈活調(diào)節(jié)資源控制，其對(duì)應(yīng)分別由調(diào)度層的新能源場站的調(diào)度模塊和調(diào)節(jié)資源的聚合管控模塊分別控制，最終由電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)整體控制，并對(duì)本地層實(shí)現(xiàn)遙控、遙測和遙調(diào)，系統(tǒng)的控制架構(gòu)如圖7所示。

圖7 源-荷-儲(chǔ)系統(tǒng)控制架構(gòu)Fig.7 The control configuration of source-load-ESS

3.2 源-荷-儲(chǔ)多元系統(tǒng)優(yōu)化控制

源-荷-儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略如圖8 所示。源-荷-儲(chǔ)的多元系統(tǒng)控制方式主要依據(jù)各單元的控制方式，一般來說，單元的控制方式主要依托與電網(wǎng)的接口裝置來實(shí)現(xiàn)電壓源特性或是電流源特性，其中電壓源特性的控制方式為V/F控制，電流源特性的控制方式為PQ控制，系統(tǒng)中各單元控制方式如表2 所示。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，區(qū)域電網(wǎng)是電壓源，儲(chǔ)能、柔性互聯(lián)和電動(dòng)汽車負(fù)荷均是靈活性調(diào)節(jié)資源，當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)孤島運(yùn)行方式，此時(shí)儲(chǔ)能和柔性互聯(lián)均可以通過控制模式的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓控制，同時(shí)，系統(tǒng)也將被靈活性調(diào)節(jié)資源將被削弱。

圖8 源-荷-儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略Fig.8 The optimization control strategy of source-load-ESS system

表2 源-荷-儲(chǔ)多元控制模式Table 2 Multiple control mode of source-load-ESS system

考慮風(fēng)電和光伏是盡發(fā)盡用和零棄風(fēng)棄光率的原則，通過儲(chǔ)能、柔性互聯(lián)和電動(dòng)汽車負(fù)荷來逐級(jí)靈活調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的優(yōu)化控制。首先，考慮系統(tǒng)將調(diào)節(jié)資源的優(yōu)先級(jí)區(qū)分，柔性互聯(lián)調(diào)節(jié)優(yōu)先級(jí)最高，其次分別是儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車，分別采用最優(yōu)逼近方法分別對(duì)柔性互聯(lián)、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車給的最優(yōu)功率。

調(diào)度實(shí)時(shí)進(jìn)行發(fā)電功率和負(fù)荷功率的核算，若新能源發(fā)電功率大于負(fù)荷功率時(shí)，首先，判斷電動(dòng)汽車的可充容量并優(yōu)先對(duì)電動(dòng)汽車充電，以保證電動(dòng)汽車負(fù)荷的盡多消耗新能源發(fā)電；其次，當(dāng)電動(dòng)汽車負(fù)荷無可充電量時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)將判斷儲(chǔ)能的SOC值，當(dāng)SOC值小于90%時(shí)，將向儲(chǔ)能充電，當(dāng)SOC值大于90%時(shí)，將停止向儲(chǔ)能充電；再次，當(dāng)發(fā)電功率仍大于負(fù)荷功率，此時(shí)盈余功率將通過柔性互聯(lián)向區(qū)域電網(wǎng)2流動(dòng)。若新能源發(fā)電功率小于負(fù)荷功率，負(fù)荷的功率缺額量將通過柔性互聯(lián)實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)2向區(qū)域電網(wǎng)1的流動(dòng)，當(dāng)柔性互聯(lián)達(dá)到額定值時(shí)，若此時(shí)儲(chǔ)能SOC大于20%時(shí)，儲(chǔ)能向電網(wǎng)放電直至儲(chǔ)能SOC降至20%以下，若此時(shí)還存在發(fā)電小于負(fù)荷情況，則通過電動(dòng)汽車V2G功能實(shí)現(xiàn)放電。

柔性互聯(lián)將主要承擔(dān)基礎(chǔ)功率調(diào)節(jié)作用，通過采用最優(yōu)逼近法設(shè)置功率指令值，其原理是采用基本的電平來疊加出離參考電壓最近的電平，基礎(chǔ)功率外的功率需求將由儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 算例分析

選取某城市電力系統(tǒng)拓?fù)鋱D，如圖9所示，區(qū)域電網(wǎng)1 中包括2 個(gè)風(fēng)力發(fā)電基地、2 個(gè)光伏發(fā)電基地、1 個(gè)規(guī)?；妱?dòng)汽車負(fù)荷、1 個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)和1 個(gè)柔性互聯(lián)，并通過主用開關(guān)和備用開關(guān)實(shí)現(xiàn)線路的冗余合分閘。根據(jù)《國家能源局關(guān)于推進(jìn)新能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目建設(shè)的指導(dǎo)意見》［10］中明確要求“微電網(wǎng)內(nèi)可再生能源裝機(jī)功率與峰值負(fù)荷功率的比值原則上要達(dá)到50%”，區(qū)域電網(wǎng)1中的新能源發(fā)電量與規(guī)?；妱?dòng)汽車負(fù)荷的比例約50%。電動(dòng)汽車負(fù)荷、儲(chǔ)能和柔性互聯(lián)是區(qū)域電網(wǎng)1 的靈活性調(diào)節(jié)資源，區(qū)域電網(wǎng)1 的功率盈余或匱乏時(shí)可以通過柔性互聯(lián)實(shí)現(xiàn)與區(qū)域電網(wǎng)2間的互聯(lián)調(diào)度。

圖9 含風(fēng)-光-儲(chǔ)-電動(dòng)汽車-柔性互聯(lián)的案例Fig.9 The case configuration of WG-PV-ESS-EV-FI

本算例風(fēng)電場1、2 和光伏電站1、2 均接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)1，總裝機(jī)規(guī)模為50 MW，根據(jù)當(dāng)?shù)卣{(diào)度部門提供的風(fēng)電場和光伏基地的歷史數(shù)據(jù)，得到2 個(gè)風(fēng)電場和2個(gè)光伏基地的當(dāng)日分鐘級(jí)波形圖，如圖10所示，風(fēng)力發(fā)電隨機(jī)性和波動(dòng)性較大，且夜間出力相對(duì)較多，而光伏輸出波形呈現(xiàn)典型鴨嘴形態(tài)，中午出力較多，2 個(gè)風(fēng)電場和光伏電站的最大功率分別為19.3 MW、10.2 MW、14.3 MW和7.7 MW。

圖10 風(fēng)電場和光伏電站24 h輸出功率波形Fig.10 24-hour output power waveform of wind farm and photovoltaic power station

通過當(dāng)?shù)卣{(diào)度部門獲得電動(dòng)汽車24 h的分鐘級(jí)的充電負(fù)荷曲線，如圖11所示，電動(dòng)汽車負(fù)荷用電負(fù)荷具備隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)，整體的用電負(fù)荷相對(duì)較小，但仍存在用電負(fù)荷高峰，峰值負(fù)荷為114 MW。

圖11 電動(dòng)汽車負(fù)荷24 h充電負(fù)荷曲線Fig.11 24-hour charging power waveform of EV load

根據(jù)相同的應(yīng)用場景，考慮柔性互聯(lián)的最大功率調(diào)節(jié)為新能源裝機(jī)規(guī)模的50%，功率為25 MW，分別考慮采用單儲(chǔ)能調(diào)節(jié)、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車負(fù)荷調(diào)節(jié)、儲(chǔ)能和柔性互聯(lián)調(diào)節(jié)以及儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和柔性互聯(lián)對(duì)比分析風(fēng)電和光伏發(fā)電盈余時(shí)通過電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能和柔性互聯(lián)等靈活性調(diào)節(jié)資源共同實(shí)現(xiàn)功率和能量調(diào)節(jié)，分析不同調(diào)節(jié)資源下儲(chǔ)能的配置情況，隨著靈活調(diào)節(jié)資源的增多，儲(chǔ)能配置也呈逐步減小的趨勢，如表3所示。

表3 不同靈活性調(diào)節(jié)資源組合投入后的配置比較Table 3 Comparison of EES configuration based on diffenertial adjustment resource

當(dāng)電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能和柔性互聯(lián)等靈活性調(diào)節(jié)資源均投入使用后，若采用源-荷-儲(chǔ)優(yōu)化控制策略，可以進(jìn)一步降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置，達(dá)到19 MW/79 MWh，儲(chǔ)能配置可以降低至控制策略優(yōu)化前的16.4%，但同時(shí)也具備對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和高效性運(yùn)行的有力支撐。源-荷-儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略功率輸出如圖12所示。日內(nèi)的功率輸出波形，可以明顯看出控制策略優(yōu)化后，電動(dòng)汽車的負(fù)荷呈現(xiàn)有序利用狀態(tài)，柔性互聯(lián)根據(jù)調(diào)度并在自身功率上下限范圍內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)功率逼近調(diào)節(jié)，從而節(jié)約儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)次數(shù)和功率。

圖12 源-荷-儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略功率輸出Fig.12 The output power waveform with the source-load-ESS system optimial control

5 結(jié)束語

本文提出了含風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和柔性互聯(lián)的源-荷-儲(chǔ)系統(tǒng)，考慮能量平衡、運(yùn)行平衡、供電可靠性和功率波動(dòng)等約束條件，提出儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置目標(biāo)和約束條件，基于某地的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和當(dāng)?shù)仫L(fēng)光和電動(dòng)汽車的歷史數(shù)據(jù)，提出面向儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和柔性互聯(lián)的不同靈活性格調(diào)節(jié)資源的組合配置下的儲(chǔ)能最優(yōu)配置，同時(shí)，通過源荷儲(chǔ)的系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，可以大幅度降低儲(chǔ)能配置，由此可見，可以通過充分利用電動(dòng)汽車等存量化的靈活性調(diào)節(jié)資源，經(jīng)過有效的平臺(tái)管理和系統(tǒng)優(yōu)化，在相同調(diào)節(jié)效果的情況下，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)配置，從而減少增量儲(chǔ)能的配置和投資，提升社會(huì)資本利用效率。D