基于余熱發電的微電網儲能優化配置研究

魏振洋

（國網陜西省電力公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

目前，隨著余熱發電技術的日益成熟及廣泛應用，建材企業的傳統水泥生產模式在加入余熱發電項目后，不僅對降低能耗、減少電費支出等方面具有積極的意義，同時對整個供電系統的可靠性、先進性也有很大的技術支撐。但同時應看到，隨著余熱發電項目的實施，整個系統的控制變得更為復雜：整個生產過程中的水、氣、塵等過程更加構成一個有機循環的整體。以供電系統為例，沒有余熱發電項目之前屬于純粹的受電系統，而在余熱發電加入后則變為典型的具有發、輸、配特征的微電網系統，特別是一個廠區內具有多條水泥生產線、余熱發電和生產線形成點對點關系更具有典型性；隨著售電市場的放開及直供市場的進一步優化，相信越來越多的建材企業將加入到構建自己的供電網絡大軍中來，因為這樣不僅可以自發自用節約成本，而且可以發揮更大的專業優勢，開展跨行業多種經營；對電力系統而言，最重要的就是各種故障的研判；對微電網而言就是基于故障研判基礎上的儲能設備優化配置。

國內外研究機構針對微電網中的儲能設備的優化配置問題進行了相關研究，將儲能系統應用到微電網中，其容量問題是不得不考慮的，因為容量小了不能為微電網提供經濟性，所需的靈活性以及可靠性要求，容量太大了將會增加系統的投資成本和維護費用[1]。因此必須對儲能設備的容量進行優化，以達到減少微電網的運行成本和投資。文獻[2]考慮電力系統可靠性要求，提出了一個確定系統備用儲能容量大小的分析方法，備用能源可以以電能或燃料形式存儲。文獻[3]研究了面對時段收費工業客戶的儲能容量問題。

1 支路勢能暫態能量函數

1.1 基于實際故障軌跡的支路暫態能量函數

在一多機電力系統中，在原來結構保留模型的電網中，加入代表虛擬的發電機的內電勢節點，形成一個結構保持的增廣系統，其能量函數為：

沿網絡實際軌跡構造能量函數時，整個網絡的動能就是每臺發電機的動能之和，整個網絡的勢能則可以表示為增廣系統中所有支路的暫態勢能和負荷的暫態勢能的之和。

1.2 微電網支路暫態能量函數

微電網結構保留模型能量函數的外勢能Vp可表示成如下形式：

根據上一節中系統支路暫態能量函數的構造方法，上式微電網系統的外勢能Vp可用每條支路能量來表示，即微電網支路暫態能量函數V′p，i-j表示如下：

2 基于微電網支路暫態能量函數的儲能優化方法

基于微電網支路暫態能量函數的儲能優化布局基本步驟如下。

2.1 微電網系統故障掃描

不管微電網系統是否穩定，其系統的外勢能總是會有一個最小的極值點Vpmin。系統Vpmin隨故障切除時間tcr的變化趨勢見圖1。

圖1 Vpmin隨tcr變化曲線

（1）系統故障后，其Vpmin曲線由接近線性的兩個部分構成，分別是系統的穩定和不穩定情況下的軌跡；

（2）不穩定情況下對應的軌跡相對比較陡，穩定軌跡情況下對應的軌跡相對比較平，并且數值也較小；

（3）系統故障后的Vpmin曲線有一拐點對應的是故障臨界切除時間tcr。

2.2 微電網系統暫態能量分布特性

通過觀察各支路暫態能量的分布情況，來分析系統的暫態穩定性。當一個微電網系統失穩時，它的某一條支路兩端的支路角就會變得很大，對應支路的暫態勢能就會在整個勢能中占的比重就會很大，系統也會在該支路上因失去穩定而發生解列。所以，把該支路當作系統的脆弱支路，相應的最大勢能支路就是系統的最脆弱支路。該最脆弱支路就被視為儲能設備的最優安裝位置。

3 仿真分析

為了驗證本章所提出的微電網系統儲能優化配置方法的有效性，本章在MATLAB/SIMULINK仿真環境中對所建立的模型進行了系統仿真實驗，一個3機9母線仿真系統見圖2。系統中每個逆變電源的額定功率為10kW，下垂系數為mi=le-5，ni=3e-4，i=1，2，3。

圖2 系統仿真結構圖

3.1 系統故障掃描

對該仿真系統的不同位置設置三相短路故障（3LG）、兩相接地短路故障（2LG）、兩相短路故障（2LS）和單相短路（1LG）故障，通過不斷改變故障切除時間tcl，求取在不同的類型故障狀態下系統的故障臨界切除時間tcr。

從表1可以看出，當在同一地點發生故障時，系統發生3LG故障時，tcr的值最小，發生1LG故障時，tcr的值最大。所以3LG故障是該系統最嚴重的故障類型。同時，當3LG故障發生在支路3-4時，tcr的值最小，也就是說，此時系統的暫態穩定性是最差的，即該故障狀態為系統的最嚴重故障。

表1 不同位置發生不同類型故障時系統tcr的值（ms）

3.2 系統暫態能量分布特性

從表1可知，對所有故障類型來說，故障發生在支路3-4是最嚴重的故障狀態。為了確定系統最脆弱支路，對于3LG、2LG和2LS故障，故障發生時刻為0.65s，故障切除時刻為0.77s，對于1LG故障，故障發生時刻為0.65s，故障切除時刻為1.08s。

如圖3所示，系統此時沒有達到穩定運行狀態。支路2-3上的暫態勢能值最大，也就是說在暫態過程中，該支路受到的暫態能量的沖擊是最嚴重的，系支路2-3就是該系統在此種失穩情況下的最薄弱支路。而支路3-4為次薄弱支路，并且對3LG，2LG，2LS故障來說，各支路暫態勢能比重分布情況是一樣的。所以將母線3作為儲能的最佳安裝位置。

表2描述了故障發生在支路3-4時的V′crp，2-3值大小，V′crp，2-3的值可以用來判斷系統的穩定程度以及儲能設備安裝在不同位置時對系統的穩定效果。

圖3 系統各支路暫態勢能分布圖

表2 支路3-4發生不同類型故障時V′crp，2-3

3.3 儲能設備優化布局

從表3可以看出，儲能設備安裝在母線3上時，對所有故障類型，其對系統暫態穩定性效果是最好的，支路2-3暫態勢能Vp，2-3和系統內勢能波動最小，而且數值趨向于0，說明在此種布局方案下，儲能設備對系統暫態能量的抑制作用最好，能夠有效地抑制故障向系統注入不穩定能量。而且從表3可以得到，對所有故障類型，當儲能設備安裝在母線3上時，V′maxp，i-j和IPE的值是最小的。所以儲能設備的最佳安裝位置是母線3。

表3 儲能設備安裝在不同母線上，支路3-4發生不同類型故障時V′maxp，i-j和IPE的值

4 結 論

本文首先學習了支路暫態能量函數的相關內容，構造了適合微電網環境的微電網支路暫態能量函數，基于該支路能量函數，將微電網暫態能量函數的外勢能等效到每一條支路上，即用支路能量表示系統外勢能。通過找尋支路勢能最大值的支路，來確定系統最薄弱支路，最后確定儲能設備的最佳安裝位置。設計了多微電網互聯系統的儲能優化配置方法。最后通過仿真實驗和結果分析，證明了所提方法是有效和可行的。

參考文獻：

[1]Bahramirad S，Reder W，Khodaei A. Reliability-constrained optimal sizing of energy storage system in a microgrid[J]. Smart Grid，IEEE Transactions on，2012，3（4）：2056-2062.

[2]Mitra J. Reliability-based sizing of backup storage[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2010，25（2）：1198-1199.

[3]Lee T Y，Chen N. Determination of optimal contract capacities and optimal sizes of battery energy storage systems for timeof-use rates industrial customers[J]. Energy Conversion，IEEE Transactions on，1995，10（3）：562-568.