基于電壓穩定與限值的風/儲系統容量配置

熊雄，袁鐵江，楊水麗，修曉青

（1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047;2.中國電力科學研究院，北京100192）

風力發電的間歇性一直是制約大規模風電并網的瓶頸。其出力隨機性及不可控性將對區域電網電能質量和供電可靠性造成影響[1]。另一方面，大規模風電接入區域電網，將影響區域電網原有潮流分布[2]，嚴重時會惡化系統電壓、網損等指標，限制了區域電網接納并網風電的規模。

儲能系統因其“快速響應”、“功率雙向性”等特性，成為區域電網提高并網風電能力的有效途徑[3-4]。眾多研究站在平滑間歇性電源出力角度[5-6]，制定了相關控制策略[7-10]，計算接入儲能的容量，并沒考慮對系統穩定性的影響[11]及系統廣域接納風電能力。

因此，基于系統電壓穩定性并結合電壓限值，提出區域電網可接納風電能力判據，并以此計算提高特定風電接納能力所需的儲能系統最小容量是站在系統穩定性及經濟性之上的儲能系統容量優化配置。

1 區域電網接納風電能力計算

對某10節點配網算例做相應改進以代替待研究的區域電網，其結構圖及原始潮流數據見圖1。

算例中，將外網等值成為發電機，設為平衡節點，維持配網接入母線電壓的恒定，通過220/35 kV變壓器連接區域電網，等值額定容量為500 MVA。BUS9作為靜止無功補償點，補償無功為4 Mvar，另外9個節點為負荷節點，作為風電可能的接入位置。初始潮流數據見表1。

一定功率因素下，逐漸增加各節點有功功率，負荷節點電壓的幅值隨著該節點注入有功增加而升高，當隨著功率的增大而電壓降低時，認為電壓是不穩定的，而P-V曲線的拐點即為電壓穩定的臨界值，以此作為節點接納風電能力的判據之一。

現定義負荷節點臨界電壓U0對應的可接入最大風電容量限值作為判據一，具有最高優先級，各節點接入風電容量都不得超過各U0對應的風電接入容量限制，否則系統電壓將失穩。算例中P-V模擬曲線見圖2。

圖1 某10節點配網算例結構圖Fig.1 Structure diagram of a 10 node distribution network

表1 初始潮流數據Tab.1 Initial power flow data

圖2 負荷節點P-V曲線模擬圖Fig.2 Load node P-V curve diagram

根據P-V模擬曲線，可確定維持電壓穩定的節點最大接入功率。曲線中，節點4、8、10擁有較大的功率接入能力，但最大注入功率對應的臨界電壓可能會超過區域配網1.05的上限（圖3），這將削弱系統電壓質量，使得負荷中的眾多設備不能工作在額定電壓點，降低工作效率，同時還會增大電能在傳輸過程中產生的網損。

圖3 各節點臨界電壓Fig.3 Critical voltage of each node

圖3 中，原本可接入大規模風電的4、8、10節點對應的臨界電壓已越限，其中8、10號節點越限情況較為嚴重。同時，當節點8按最大接入容量接入風電后，算例中其他節點電壓值見表2。

因此，定義U0是否越限U0lim作為區域電網接納風電能力的判據二；同時，為保證選中風電接入節點在功率注入過程中其他節點不會越限，定義其他節點電壓是否越限Ulim作為判據三。

各節點三判據的優先級計算方法采用二進制計數法，計數越小的節點擁有更好地優先級。針對特定的風電接入容量，通過比較各節點分別接入所需風電規模后三個判據的優先級，可確定風電應接入的位置。例如系統接入150 MW風電，各節點三判據違背情況見表3。

表2 節點8接入最大風電容量時各節點電壓Tab.2 The node voltage when node 8 is connected under largest capacity of wind power circumstance

表3 最大風電接入容量與三判據之間關聯（“1”表征不滿足判據，“0”表征滿足判據）Tab.3 The correlation between largest capacity of wind power integration and three criterions("1"does not meet the criteria,"0"satisfies the criterion)

從關聯表中可知節點5優先級最好，計數最小，只有判據三不滿足條件；節點8優先級計數為13，優先級最差。因此節點5將作為風電接入的首選位置接入150 MW風電。而根據不同風電接入容量，節點優先級將發生變化，通過比較排序可確定對特定風電并網容量下的風電最佳接入位置。

2 提高風電接納能力的儲能系統容量配置

實際運行狀況下，風電接入容量往往不能遵循區域電網接納風電容量能力的約束，違背電壓三判據。這時加入儲能系統，基于電壓判據的優先級，依次恢復電壓三判據，提高原有的電網接納能力。現因實際需求在5號節點接納的150 MW風電容量基礎上增加30 MW容量，總接入風電容量為180 MW，這已超過節點5最大接入風電能力，違背判據一；同時存在U0lim及Ulim越限，違背判據二、三。加入儲能，使得節點5重新滿足判據，現按判據的優先級逐次確定儲能的容量。

2.1 滿足判據一時儲能容量配置

接入儲能，隨其容量不斷增大，節點5模擬P-V曲線見圖4。

圖4 節點5 P-V曲線Fig.4 The P-V curve of node 5

當接入的儲能容量逐漸增大，節點5P-V曲線右移，節點接納風電容量不斷增加，當接入儲能30 MW時，節點臨界電壓對應的最大接入容量達到180 MW，滿足判據一。

圖5 滿足判據一時各節點接納風電能力Fig.5 Thewind power accessability when criterion 1 ismet

與此同時，其他節點在判據一下可接納最大風電容量見圖5。各節點接納風電能力均有不同程度提升，提高了判據一的堅韌度。

2.2 滿足判據二、三時儲能容量配置

在30 MW的基礎上，繼續增加儲能容量，各負荷節點電壓見圖6。

圖6 儲能容量與節點電壓關系Fig.6 The relationship between energy storage capacities and node voltage

儲能系統接入容量在滿足判據一后，隨著進一步增加，各節點電壓有所降低，當加入儲能50 MW時，所有節點電壓均在上限以內，判據二、三被滿足。但是系統在運行時，一些節點電壓雖沒越限，但沒有理想的裕度，成為一些故障的隱患。因此現定義上升電壓裕度指標M1,下垂電壓裕度指標M2及裕度穩定指標L：

當M1、M2均大于0時，表明節點電壓在限制內，滿足判據二、三。裕度穩定指標L作為評判節點電壓靠近額定值的程度，L越小表明上升、下垂裕度相對平衡，距離額定值越近。

將節點電壓轉化為電壓裕度指標見圖7，詳表見附錄。

圖7 儲能容量與節點電壓裕度關系Fig.7 The relationship between energy storage capacities and voltage margin of node

2.3 特定需求下的儲能容量準確計算

若節點6所接負荷為一級負荷，擁有特殊設備，需嚴格控制電壓在額定電壓。控制節點6電壓穩定裕度L滿足，其中設為0.01。在50 MW儲能接入的基礎上繼續增加儲能容量，其電壓穩定裕度L見圖8。

圖8 節點6電壓穩定裕度Fig.8 The voltage stability margin of node 6

當加入儲能53 MW時，節點6電壓穩定裕度L維持在0.01以下，滿足了負荷節點6特定需求。

在實際運行中，可根據不同風電并網情況，在滿足判據一優先級情況下，考慮對節點電壓上升、下垂裕度及裕度穩定指標的不同需求，確定所需的儲能容量，充分利用儲能系統的最大可用容量，具有一定經濟性與擴展性。還可以系統線路傳輸裕度等為依據，或考慮多重因素裕度下計算接入儲能系統所需準確容量，并隨著儲能容量的增加計算其經濟性。

3 結論

通過對區域電網電壓三判據的研究，定義了電壓三判據及優先級，得到優先級計數小的節點擁有更強的接納風電能力。當接入風電容量違背3個判據或其中一、二個時，采用重新滿足優先級靠前的判據為步驟的方法逐層確定了所需儲能容量，并將第三判據轉化為裕度指標，根據負荷節點6對電壓穩定裕度的特定需求，計算出滿足相應需求的儲能系統準確容量，對方法的擴展做了簡要的展望。

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