中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
本文亮點(diǎn)：考慮了光伏發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性增加所帶來(lái)的不確定性，通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功損耗并設(shè)置功率約束條件，能夠快速響應(yīng)光伏發(fā)電的波動(dòng)性，從而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)設(shè)置最優(yōu)性目標(biāo)，能夠根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整高比例光伏接入處的功率可調(diào)節(jié)范圍，從而實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能容量的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制。這使得所提方法在保證光伏高效出力和優(yōu)化分布式儲(chǔ)能配置方面表現(xiàn)出較好的效果。
摘 要 光伏發(fā)電具有一定的波動(dòng)性和不確定性，天氣、季節(jié)等因素會(huì)導(dǎo)致光伏功率的變化，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤、預(yù)測(cè)和調(diào)整以保持供需平衡，但波動(dòng)性和不確定性增加了控制的復(fù)雜性。為此，提出一種新的分布式儲(chǔ)能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法。計(jì)算接入高比例光伏電能后儲(chǔ)能無(wú)功損耗，設(shè)置功率約束條件，確保功率的穩(wěn)定性?；诖?，以電壓條件最優(yōu)、接入負(fù)荷和凈功率最低、高比例光伏接入處的功率可調(diào)節(jié)范圍最優(yōu)為調(diào)控目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高比例光伏接入的分布式儲(chǔ)能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，所提方法在控制效果方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的分布式儲(chǔ)能控制，并確保光伏的高效出力。
關(guān)鍵詞 高比例光伏接入；分布式儲(chǔ)能容量；有功功率；最優(yōu)潮流控制模型；網(wǎng)損
在電力系統(tǒng)中，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于平衡電網(wǎng)供需、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性，以及促進(jìn)可再生能源的有效利用。然而，當(dāng)前分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量可能難以滿(mǎn)足復(fù)雜電網(wǎng)需求的變化，導(dǎo)致儲(chǔ)能容量不足或過(guò)剩，從而影響了儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性。因此，研究人員提出了分布式儲(chǔ)能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制的概念，旨在通過(guò)智能控制和優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整和協(xié)調(diào)分布式儲(chǔ)能容量，以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的需求，并提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、靈活性和可靠性。這一研究背景推動(dòng)了對(duì)分布式儲(chǔ)能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法的深入研究和探索，為構(gòu)建可持續(xù)、智能、高效的電力系統(tǒng)提供了重要的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。
針對(duì)光伏接入后儲(chǔ)能的控制問(wèn)題展開(kāi)研究，文獻(xiàn)[1]給出一種光伏與儲(chǔ)能聯(lián)合的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性控制方法。建立有關(guān)分布式電能接入和儲(chǔ)存容量的電網(wǎng)穩(wěn)定性模型，根據(jù)電網(wǎng)在該模型中的表達(dá)特性建立光伏與儲(chǔ)能之間的協(xié)調(diào)性模型，計(jì)算在不同的電壓波動(dòng)環(huán)境下儲(chǔ)能充放電的最小目標(biāo)函數(shù)，以該函數(shù)值為約束條件完成自適應(yīng)控制。該方法在處理電網(wǎng)環(huán)境中的不確定性因素時(shí)的適應(yīng)能力較差。由于光伏發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性增加，對(duì)于電網(wǎng)環(huán)境中存在的各種不確定性因素，如天氣、負(fù)荷變化等，該方法的控制效果可能受到較大影響。文獻(xiàn)[2]則通過(guò)一種群間協(xié)調(diào)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，采用模塊度指標(biāo)方法對(duì)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)集群劃分，在分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電平衡狀態(tài)下計(jì)算儲(chǔ)能參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)實(shí)現(xiàn)分配控制。該方法忽略了配電網(wǎng)的網(wǎng)損和時(shí)序動(dòng)作功率對(duì)控制結(jié)果的影響。這些因素通常會(huì)對(duì)能量傳輸和供應(yīng)造成一定的影響，導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)的分配和調(diào)節(jié)控制不夠精確和準(zhǔn)確。
為此，提出一種高比例光伏接入的分布式儲(chǔ)能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法。考慮了光伏發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性增加所帶來(lái)的不確定性，通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功損耗并設(shè)置功率約束條件，能夠快速響應(yīng)光伏發(fā)電的波動(dòng)性，從而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)設(shè)置最優(yōu)性目標(biāo)，能夠根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整高比例光伏接入處的功率可調(diào)節(jié)范圍，從而實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能容量的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制。這使得所提方法在保證光伏高效出力和優(yōu)化分布式儲(chǔ)能配置方面表現(xiàn)出較好的效果。
1 接入高比例光伏電能后儲(chǔ)能無(wú)功損耗計(jì)算
無(wú)功損耗是指電力系統(tǒng)中由于無(wú)功功率的流動(dòng)而產(chǎn)生的能量損耗。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，無(wú)功損耗是衡量其效率和性能的重要指標(biāo)。通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算無(wú)功損耗，可以了解儲(chǔ)能系統(tǒng)在處理無(wú)功功率時(shí)的能力，進(jìn)而評(píng)估其對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。此外，無(wú)功損耗的計(jì)算還為優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略提供了重要依據(jù)。
有功損耗是由電流通過(guò)電阻導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱能損耗。根據(jù)電路理論，有功損耗可以通過(guò)測(cè)量流過(guò)支路的有功功率、無(wú)功功率和電阻值來(lái)計(jì)算。對(duì)于一個(gè)含有圖片條支路的配電網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，其有功損耗圖片為：
2 功率約束條件
根據(jù)上節(jié)分析可知，高比例光伏接入會(huì)引入較大的無(wú)功功率注入電網(wǎng)中，可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定或電網(wǎng)頻率波動(dòng)。因此，為優(yōu)化儲(chǔ)能容量控制的精度，先以不同類(lèi)型高比例光伏接入的實(shí)際情況為依據(jù)，設(shè)計(jì)功率約束條件。功率約束條件是對(duì)分布式儲(chǔ)能功率輸出的一種限制，旨在確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。通過(guò)設(shè)定合理的功率約束條件，可以避免電網(wǎng)因無(wú)功功率的大量注入而出現(xiàn)過(guò)電壓或欠電壓的情況，從而保護(hù)電網(wǎng)設(shè)備免受損壞。
在設(shè)計(jì)功率約束條件時(shí)，需要考慮不同類(lèi)型的高比例光伏接入情況。根據(jù)光伏接入的規(guī)模和容量，可以將光伏接入類(lèi)型分為小型、中型和大型。針對(duì)不同類(lèi)型的光伏接入，需要設(shè)定不同的功率約束條件。表1展示了不同類(lèi)型高比例光伏接入的并網(wǎng)功率限制要求。
表1 高比例光伏接入并網(wǎng)功率限制要求
若分布式儲(chǔ)能電站為中小型電站，針對(duì)1 min和10 min時(shí)間尺度功率限制的計(jì)算公式為：
3 分布式儲(chǔ)能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制
在高比例太陽(yáng)能接入下，意味著更多的太陽(yáng)能發(fā)電資源可以被利用。通過(guò)分布式儲(chǔ)能容量的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制，可以更好地平衡太陽(yáng)能發(fā)電的波動(dòng)性和負(fù)荷需求之間的差異，確保光伏發(fā)電功率的最大化利用。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將多余的太陽(yáng)能存儲(chǔ)起來(lái)，供晚上或天氣不好時(shí)使用，減少能源浪費(fèi)，提高系統(tǒng)的能源利用效率。
為了實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)控制，設(shè)定了以下調(diào)控目標(biāo)：
（1）電壓條件最優(yōu)：通過(guò)調(diào)整儲(chǔ)能容量，保持電網(wǎng)電壓在合理范圍內(nèi)，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備的正常運(yùn)行。
（2）接入負(fù)荷和凈功率最低：通過(guò)匹配光伏發(fā)電的波動(dòng)性與負(fù)荷需求，減少不必要的能源浪費(fèi)，提高系統(tǒng)整體效率。
（3）功率可調(diào)節(jié)范圍最優(yōu)：利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性，最大限度地利用光伏發(fā)電資源，提供靈活的功率調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)供需平衡和頻率穩(wěn)定。
設(shè)計(jì)高比例光伏接入的分布式儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析如圖1所示。
圖1 高比例光伏接入的分布式儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)示意圖
（1）電壓條件最優(yōu)控制
根據(jù)電壓條件函數(shù)，通過(guò)優(yōu)化儲(chǔ)能容量，控制光伏發(fā)電的功率注入，保持電網(wǎng)電壓在合理范圍內(nèi)。具體控制方法如公式(8)~式(12)所示。
根據(jù)以上內(nèi)容，繪制分布式儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制流程如圖2所示。
圖2 分布式儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制流程
為了確保分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效地應(yīng)對(duì)不斷變化的電網(wǎng)條件和負(fù)載需求，提供穩(wěn)定的電力輸出，并最大程度地利用清潔能源(如光伏發(fā)電)，通過(guò)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)電壓、負(fù)荷和功率數(shù)值，以及限制有功、無(wú)功功率的可調(diào)節(jié)范圍，可以更好地協(xié)調(diào)各個(gè)環(huán)節(jié)，保持系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)過(guò)電壓或欠電壓等問(wèn)題。利用電壓條件最優(yōu)、接入負(fù)荷和凈功率最低、功率可調(diào)節(jié)范圍最優(yōu)條件，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境變化，實(shí)時(shí)調(diào)整限制有功、無(wú)功功率的可調(diào)節(jié)范圍，以確保系統(tǒng)在各種情況下都能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。
4 性能測(cè)試
4.1 測(cè)試環(huán)境
為驗(yàn)證文中提出高比例光伏接入的分布式儲(chǔ)能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法實(shí)際應(yīng)用性能，算例采用220 V的配電網(wǎng)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為24 h，數(shù)據(jù)采集頻率為每分鐘一次，以獲取對(duì)電力系統(tǒng)性能的全面了解。為保證反饋數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性，通過(guò)一臺(tái)配電變壓器將分布式儲(chǔ)能電網(wǎng)電壓饋線(xiàn)相互連接，并在不同區(qū)域都放置傳感器用于采集實(shí)時(shí)的電力數(shù)據(jù)便于實(shí)驗(yàn)分析與理解。線(xiàn)路中一共包含6組光伏傳感接入設(shè)備，線(xiàn)路型號(hào)為L(zhǎng)J-60，分布式儲(chǔ)能配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。具體的傳感器布置如下：在分布式儲(chǔ)能配電網(wǎng)中的6個(gè)關(guān)鍵位置，放置了傳感器設(shè)備來(lái)采集實(shí)時(shí)的電力數(shù)據(jù)。這些傳感器分別位于A區(qū)域的變電站、B區(qū)域的太陽(yáng)能光伏發(fā)電站、C區(qū)域的儲(chǔ)能系統(tǒng)集中點(diǎn)、D區(qū)域的電力負(fù)荷中心、E區(qū)域的光伏發(fā)電接入點(diǎn)和F區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)路處。每個(gè)傳感器與其相應(yīng)位置的設(shè)備之間的距離大約為50 m，確保數(shù)據(jù)采集覆蓋到了關(guān)鍵位置。相關(guān)的電力參數(shù)如表2所示。
圖3 分布式儲(chǔ)能配電網(wǎng)
表2 電路相關(guān)詳細(xì)參數(shù)示意
4.2 分布式儲(chǔ)能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制效果
為進(jìn)一步驗(yàn)證協(xié)同控制方法實(shí)際應(yīng)用的有效性，未應(yīng)用方法對(duì)儲(chǔ)能控制的不同節(jié)點(diǎn)光伏出力和負(fù)荷出力結(jié)果如圖4所示。文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法以及研究方法分別控制下分布式儲(chǔ)能SOC的結(jié)果如圖5~7所示。
圖4 未控制前節(jié)點(diǎn)光伏和電負(fù)荷出力曲線(xiàn)
圖5 文獻(xiàn)[1]方法應(yīng)用下的分布式儲(chǔ)能SOC
圖6 文獻(xiàn)[2]方法應(yīng)用下的分布式儲(chǔ)能SOC
圖7 所提方法應(yīng)用下的分布式儲(chǔ)能SOC
從圖4中可以看出，在早上5：00的到下午17：00階段，此時(shí)光伏出力大，峰值在10~12 kW之間，而用戶(hù)負(fù)荷相對(duì)較小，整體保持在2.2 kW左右。這個(gè)時(shí)段內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)存在過(guò)電壓現(xiàn)象。而從傍晚17：00到第二天5：00，此時(shí)光伏不再出力，數(shù)值為0，儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)欠電壓現(xiàn)象。針對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行協(xié)同控制測(cè)試控制結(jié)果。
從圖5~7中可以看出，所提方法應(yīng)用下的分布式儲(chǔ)能SOC最大值為90%，有效解決了原始電網(wǎng)出現(xiàn)的電壓越限問(wèn)題，在5：00—11：00將多余的光伏能源儲(chǔ)存到系統(tǒng)中，分布式電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量充能到80%，用于改善過(guò)電壓?jiǎn)栴}；在17：00—第二天5：00的過(guò)電壓期間，通過(guò)釋放分布式儲(chǔ)能容量來(lái)彌補(bǔ)欠電壓?jiǎn)栴}；反觀(guān)文獻(xiàn)[1]方法應(yīng)用下的分布式儲(chǔ)能SOC最大值為68%，文獻(xiàn)[2]方法應(yīng)用下的分布式儲(chǔ)能SOC最大值為45%，兩種方法在補(bǔ)償區(qū)間的控制釋放容量不足，沒(méi)有合理改善欠電壓和過(guò)電壓?jiǎn)栴}。其中，光伏與儲(chǔ)能聯(lián)合方法的爬坡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)快速充放電，實(shí)際應(yīng)用性能較差。綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，所提方法針對(duì)電網(wǎng)的所有時(shí)間段都能實(shí)現(xiàn)高效的分布式儲(chǔ)能控制。這主要是因?yàn)檠芯糠椒ㄍㄟ^(guò)設(shè)定電壓條件的最優(yōu)目標(biāo)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能容量。當(dāng)高比例光伏電能接入時(shí)，會(huì)引入更多的無(wú)功功率注入電網(wǎng)中，可能導(dǎo)致電壓超過(guò)范圍。但通過(guò)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)可以控制自身的無(wú)功功率吸收或注入，以維持電壓在合理范圍內(nèi)。
以圖3中給出的電力拓?fù)鋱D進(jìn)行電壓穩(wěn)定測(cè)試，電壓的穩(wěn)定性也是驗(yàn)證控制效果的重要指標(biāo)之一，結(jié)果如圖8所示。
圖8 研究方法應(yīng)用下電壓穩(wěn)定性效果
從圖8中可以看出，在中午和晚上的過(guò)電壓和欠電壓時(shí)段，經(jīng)過(guò)所提方法控制后都得到了有效改善，在12：00左右只存在較小的過(guò)電壓，整體分布式儲(chǔ)能容量協(xié)調(diào)控制應(yīng)用效果較好，針對(duì)因光伏和用戶(hù)負(fù)荷出現(xiàn)的電力問(wèn)題都能通過(guò)協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)高效改善。這是因?yàn)樵谥形?，光照?qiáng)度較高，光伏發(fā)電容量大，可能會(huì)引起電網(wǎng)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。根據(jù)所提方法，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)情況計(jì)算出儲(chǔ)能無(wú)功損耗，設(shè)定功率約束條件，將多余的光伏電能儲(chǔ)存起來(lái)，降低注入電網(wǎng)的光伏功率，從而有效減緩電壓上升的速度，避免過(guò)電壓的發(fā)生。在晚上情況下，光伏發(fā)電會(huì)減少，可能導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)欠電壓?jiǎn)栴}。根據(jù)所提方法，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算的儲(chǔ)能無(wú)功損耗，通過(guò)釋放儲(chǔ)能來(lái)補(bǔ)充電網(wǎng)的無(wú)功需求，提供額外的無(wú)功功率支持，以提高電網(wǎng)電壓并避免欠電壓?jiǎn)栴}的發(fā)生。
5 結(jié) 論
由于高比例光伏接入的分布式儲(chǔ)能電網(wǎng)受接入電能、功率波動(dòng)以及其他環(huán)境因素的影響，具有很大的波動(dòng)性。為提高自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制的實(shí)用性，分析可能發(fā)生功率損耗并給出控制約束條件，功率損耗分析作為協(xié)調(diào)控制的首要步驟，其為后續(xù)控制提供了參照條件，得到儲(chǔ)能容量與功率損耗之間的變化關(guān)系。而約束條件作為協(xié)調(diào)控制的必要步驟，控制方法需以條件函數(shù)為基礎(chǔ)，保證協(xié)調(diào)結(jié)果符合實(shí)際情況提高精準(zhǔn)度。最終的控制方法以求得了不同儲(chǔ)能功率、狀態(tài)下內(nèi)部參數(shù)的關(guān)聯(lián)變化，計(jì)算得到每一次光伏接入的最佳條件，并求得決定參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)決定參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制?？刂平Y(jié)果準(zhǔn)確，方法效率高、魯棒性強(qiáng)。
