面向高風電滲透系統調頻需求儲能UP的開發

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網遼寧省電力有限公司計量中心，遼寧 沈陽 110000；3.吉林松江河水力發電有限責任公司，吉林 白山 134504)

1 引言

大力開發利用風能是實現能源可持續供應的重要選擇，風電聯網是實現風能大規模開發利用的有效途徑，世界各國都將風電開發作為能源發展戰略的重要部分。我國風電裝機已躍居世界第一，裝機容量逾一億千瓦，規劃到2020年，裝機容量將達到2億千瓦。

我國風電主要分布于缺乏靈活功率調節能力的三北電網，大規模風電功率波動給電力系統功率調節造成了嚴峻挑戰。

風電機組采用最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制策略時，機組不響應電網頻率變化。隨著風電滲透率的增加，電網總慣性降低，電網抗功率擾動能力減弱，高風電滲透電網的調頻問題將顯得越來越突出。

儲能系統被認為是提高電網風電接納能力的有效手段。隨著儲能技術的不斷進步，大規模儲能成本將不斷下降。近期Lux Research的一份研究表明，車載電池組價格已經下降了35%，并在未來十年其成本仍將大幅度降低。因此，儲能系統在電力系統中的應用將更加廣泛。

PSASP(Power System Analysis Software Package)是國內應用最為廣泛的電力系統仿真計算軟件，所提供的用戶自定義程序接口(UPI)，使用戶能夠根據研究需要自由建模，增強了PSASP仿真功能。

目前，在UPI環境中進行儲能調頻仿真研究鮮有文獻報道。針對儲能系統參與高比例風電電力系統調頻率問題，研究了儲能系統參與電力系統調頻控制策略，研發了相應的PSASP-UPI模型，基于WSCC-9系統，仿真分析了儲能參與電網調頻性能，對所提出的控制策略及研發的UPI模型的有效性進行了驗證。

2 儲能系統參與電網調頻控制策略設計

儲能裝置以其快速調節功率、控制策略易于實現等特點，在緩解高比例風電接入后電力系統的頻率問題的應用愈顯關鍵。

2.1 UPI環境下儲能頻率應用數學模型

系統頻率波動是電力系統中供需能量不平衡導致能量形式改變的表現。當能量出現盈余時，由于電力系統需要保持能量供需的實時平衡，因此剩余的能量就需要轉化為系統內發電機轉子的動能，體現為系統頻率升高。因此，儲能模型可以選擇直接控制頻率偏差或者通過平抑風功率波動來進行頻率調節。

本文所建立的儲能調頻模型是以平抑風功率波動為目標，具體數學模型如下：

目標函數：

MinΔP=∑PG+PW+PStorage-PL

(1)

約束條件：

PStorage=VT·IT·cosθ

(2)

X=F(X,Y,U)

(3)

Y=G(X,Y,U)

(4)

Xi.min≤Xi≤Xi.max

(5)

Yi.min≤Yi≤Yi.max

(6)

Ui.min≤Ui≤Ui.max

(7)

其中：

ΔP—系統內有功功率的偏差量;

PG—系統內發電機組的有功出力;

PW—系統內風電機組總有功出力;

PStorage—系統內總負荷消耗的有功功率;

PL—系統內總負荷消耗的有功功率;

VT—儲能裝置接入點節點電壓幅值;

IT—儲能裝置注入到系統內的電流幅值;

θ—儲能裝置接入點節點電壓相角。

在PSASP暫態穩定計算中，外部注入功率需要以注入電流形式表達，因此，模型中將儲能系統的輸出用式(2)表示；其中的節點電壓矢量需要在PSASP暫態穩定計算結束后獲取，故模型中式(3)及式(4)表示暫態穩定計算中的線性網絡方程組及動態微分方程組，式(5)至式(7)是暫態穩定計算狀態量及控制變量取值范圍的約束。

目標函數中Pstorage所對應的VT和θ為式(3)和式(4)中進行暫態穩定計算中解得狀態量中的部分量；式(3)和式(4)中的控制變量U為式(2)中由注入功率所轉化得到的節點注入電流IT，因此，按照儲能UP開發邏輯將上述模型整理得：

UP：

(8)

PSASP/ST：

(9)

模型中較為復雜的求解微分方程由PSASP自帶的程序進行運算，這極大的減少了用戶UP程序的開發量，同時PSASP中自帶的求解方法也保證了計算的收斂性。

2.2 UPI環境下儲能UP的開發

本文實現儲能參與系統調頻功能共需要編寫3個UP程序，分別實現潮流初始計算、讀入風電功率波動數據、儲能系統動作三項功能。其中潮流初始計算是穩態潮流UP，其余兩項為暫態穩定UP，因此接口的設定規則略有不同。

對于潮流初始計算UP(UP.dll)，其功能是以風電波動初始時刻的功率為輸入量，計算得到初始的穩態潮流分布，作為后續暫穩計算的基礎。UP的描述信息中，由于UP并不需要從PSASP內取得變量，因此輸入信息，即UP.F1為空。而UP需要將風功率初始值輸入到PSASP主程序中，使其進行潮流計算，因此UP.F2風電功率P。PSASP的調用信息中，所設定的風功率注入母線為發電3母線，UP名稱及編號與程序內所設一致即可。

對于儲能動作UP(Storage.dll)，其功能是按設定的儲能控制策略進行充放電操作，注入到風電場所在母線。如2.1儲能模型中所分析的，PSASP暫穩計算主程序反饋量只能是有功電流及無功電流，因此需要計算出能與儲能輸出功率等效的有功、無功電流。出于對此的考慮，UP需要從主程序中取得功率注入母線電壓幅值及相角，以計算電流，故UP.F1為VT和θ。UP向PSASP主程序反饋量為等效儲能出力的有功電流及無功電流，因此UP.F2為注入電流IT生成有功分量ITR和無功分量ITI。PSASP的調用信息中，所設定的風功率注入母線為發電3母線，UP名稱及編號與程序內所設一致即可。

對于風功率讀入UP(Read.dll)，與儲能動作UP(Storage.dll)同為暫態穩定用戶自定義程序，因此其F1、F2設置選擇相同，且兩者的根本目的均為向網絡注入功率，故此UP的F1與F2設置量與前述一致。

2.3 儲能控制策略的制定

2.3.1 儲能控制策略制定思路

風電功率波動量是衡量風電并網的重要考核指標之一，采用儲能系統平滑風電功率波動也是當前常用的手段[9-11]。本文儲能UP所采用的是以風電輸出功率平均值為動作參考值，以平抑風電功率波動為目標的控制策略。其中考慮蓄電池荷電量、儲能系統充放電功率、儲能充放電效率以及儲能系統容量。

2.3.2 儲能控制策略的制定

由于電化學形式的儲能裝置，具有能量密度高、安裝布局靈活、維護較為方便、技術成熟等優點。因此當前已投運的儲能示范工程中所用的儲能形式多為電化學儲能。

受電化學電池工作原理影響，蓄電池并不適宜多次數的深度充放電。研究表明，當電池荷電狀態SOC處于10%到90%之間時，電池的適用性良好，而電池長時間工作在上限及下限10%SOC區間內，將導致電池電化學反應物濃度降低，甚至增加電極材料和電解液的性能衰退[12]。因此，在控制策略中首先對儲能裝置當前荷電狀態SOC進行判定，若SOC處在10%到90%區間，則允許儲能裝置動作。

在高風電滲透電網中大規模加入儲能裝置，根本上是為了提高系統實現能量實時平衡的能力。因此，需根據儲能裝置的最大充放電功率以及儲能裝置最大容量，判定當前儲能系統是否能完全平抑風電功率波動，再據此修正儲能系統實際應充放的電量。

綜上所述，具體儲能控制策略如下：

(1) 判定當前電池荷電狀態SOC；

表1 電池荷電狀態SOC判定表

(2) 若SOC處在10%到90%區間，以風電輸出功率平均值Pavr為標準，衡量系統有功功率偏差ΔP的正負來判定當前裝置需要充電還是放電；

(3) 比較儲能系統充放電速率及充放電容量限額與平抑當前波動量所需速率及容量大小，確定儲能充放電量。

其中：

(10)

ΔP=Pwind.i-Pavr

(11)

當ΔP>0，即儲能裝置需要充電時，控制策略如表2。

表2 儲能系統充電過程控制策略

其中：PS.C為儲能系統最大充電功率，SN為儲能系統額定容量。

SS.C=(0.9-SOC)·SN

(12)

(13)

ΔP1=ΔP

(14)

ΔP2=PS.C

(15)

(16)

(17)

當ΔP<0，即儲能裝置需要放電時，控制策略如表5所示。

表3 儲能系統放電過程控制策略

其中：PS.D為儲能系統最大放電功率。

ΔP5=|ΔP|

(18)

ΔP6=PS.D

(19)

(20)

(21)

3 UPI環境下用戶程序UP的應用原理

3.1 PSASP/UPI基本工作原理

PSASP提供用戶程序接口(UPI)環境，用戶可按照需求開發UP程序，使PSASP功能模塊和用戶程序模塊聯合運行，共同完成某一計算任務[13]。

在Windows操作系統中，可以借助其所提供的動態鏈接庫(DLL)支持，以實現計算機語言與邏輯控制的交互。用戶所編寫的UP是基于事先按照接口規約設置的控制數組(F1和F2)，完成UP程序與PSASP主程序之間的信息傳遞。在使用UPI功能時，需將已編譯好的UP程序生成所需的DLL文件，再進入PSASP界面中設定與F1和F2相對應的UPI接口參數，以實現PSASP對UP的調用，進而與程序聯合迭代。

3.2 用戶程序UP和PSASP主程序的接口原理

3.2.1 用戶程序與潮流程序的接口原理

常規潮流潮流計算(LP)的數學模型為非線性代數方程組：

F(X)=0

(22)

其中：X=(x1,x2,…,xn)為網絡方程求解的狀態變量；

在潮流計算中，針對非線性代數方程組一般均采用牛頓拉夫遜法、P-Q分解法等迭代法進行求解，迭代格式如下：

X(K+1)=G(X(K))

(23)

當考慮用戶程序，式(1)所示的非線性方程組改為[15]：

F(X,U)=0

(24)

用戶自定的UP數學模型表示為式4：

H(X,U)=0

(25)

其中：U=(u1,u2…,um)為用戶程序方程求解所得的控制變量。

上述PSASP中的潮流計算(LF)方程式(24)與用戶程序方程式(25)之間相互交替運算，在求解潮流方程式(24)時將控制變量U看作固定值，解得系統狀態變量X，選取X中UP需求量X*，作為PSASP的輸出信息F1數組，輸入到UP中；在求解用戶程序式(25)時將狀態變量X看作固定值，解得UP所得到控制變量U，選取U中潮流計算程序需求量U*，作為UP的輸出信息F2數組，輸入到潮流計算主程序中，兩者交互，直至LF和UP其中一只計算完成為止。兩者之間具體的交互關系如圖2所示，其中t表示LP和UP交替運算的次數。

3.2.2 用戶程序與暫穩計算程序的接口原理

暫態穩定計算(ST)的數學模型其中包括描述網絡結構的線性方程組、表征系統動態與案件及自動設備的微分方程組，因此，暫態穩定計算可歸結為線性網絡方程及微分方程的聯立求解：

圖1 LP&UP交互關系

(26)

若考慮用戶自定義程序方程，則將式修改為：

X=F(X,Y,U)

(27)

Y=G(X,Y,U)

(28)

U=H(X,Y,U)

(29)

暫態穩定計算ST與UP之間的交互關系與1.2.1中所述類似，式中所進行的暫態穩定計算是由PSASP所帶程序包獨立完成，在考慮用戶自定義程序UP時，先將式(27)及式(28)中控制變量U當做常數，解得狀態變量X、Y，再將UP所需要的部分狀態量X*、Y*作為F1數組輸入給UP方程式(29)，解得控制變量U，將ST所需部分控制變量U*作為F2數組反饋給ST，進而完成迭代過程，直至結束。PSASP的暫態穩定計算(ST)中，微分方程組按分步積分進行求解，積分步長DT可自行設定， ST與UP每一時段均交替計算一次，具體交互關系如圖2。

圖2 ST&UP交互關系

4 仿真算例及分析

為了驗證前文所提出的運用儲能系統參與高風電滲透系統調頻可行有效，本文以標準WSCC-9三機九節點系統為基礎，將其中母線3所接火電機組改為風電機組，構造算例系統。

圖3 算例系統單線圖

算例系統總負荷315MW，基準容量100MW，網絡圖中發電母線一為平衡節點，發電母線二接火電機組，實際出力為163MW，風電機組額定出力為85MW，風電出力占比為27%。

4.1 風電功率波動情況

風電大規模接入電網對電力系統一次調頻能力影響最大[12]。因此，算例中主要在一次調頻時間尺度下進行分析，仿真時間長度選擇為30s。設定風電波動場景，風電輸出功率波動如圖4所示。

圖4 風電輸出功率曲線

其中，風電功率基準值為100WM，最大輸出功率標幺值為0.48，最小輸出功率標幺值為0.34，最大變化率為10WM/s。

4.2 系統頻率隨風電功率波動變化情況

算例中，隨風電功率波動，與潮流初始值相比就產生正向或負向偏差，隨即出現了加速及減速功率，使系統頻率發生波動。將4.1中所示的風電功率加到算例系統中，所得系統頻率波動情況如圖5所示。

圖5 系統頻率隨風電功率波動變化曲線

由仿真結果可知，當系統受到圖3所示的風電擾動時，系統最大頻率偏差為0.228Hz，超過電力系統正常運行對系統頻率偏差要求的±0.2Hz。

4.3 儲能裝置參與系統頻率調節

本算例通過PSASP軟件進行仿真，開發儲能UP通過軟件自帶的UPI接口與PSASP潮流計算主程序進行交互。算例中所加的儲能系統容量為5WMh，充放電最大速率為4WM，充放電效率為0.8，儲能系統依照3.2中所述的控制策略進行動作。在算例系統風電功率波動不變情況下，加入儲能系統后系統頻率變化情況如圖6所示。

圖6 加入儲能后系統頻率變化曲線

由仿真結果可知，加入儲能裝置后，系統由于受到風電功率波動產生的頻率偏差最大值為0.018Hz，較儲能裝置前，系統頻率偏差顯著降低，證明在電力系統內加入儲能裝置對于頻率的改善有明顯幫助。

4.4 儲能裝置充放電功率對頻率改善影響

儲能裝置參與系統頻率調節，根本上是實現能量在時空上的平移。實際工程中，儲能系統的工作狀態經常在充與放之間切換，并不會長時間處于某一狀態，因此儲能系統的充放電功率就對頻率的調節效果產生顯著影響。算例系統自身容量較小，所加的儲能裝置容量也有限，故只討論儲能系統充放電功率對頻率調節效果的影響。

所選儲能系統功率為4WM，加入后，系統頻率偏差最大值減小為0.018Hz，而電力系統正常運行頻率允許偏差量為0.02Hz，故已經不需要再提高儲能充放電功率使系統頻差降低，下面討論功率降低時系統頻率偏差的變化情況。

當儲能系統充放電功率為3WM時，頻率偏差情況如圖7所示。

圖7 加入3WM儲能系統后頻率變化曲線

當儲能系統充放電功率為2WM時，頻率偏差情況如圖8所示。

圖8 加入2WM儲能系統后頻率變化曲線

由仿真結果可知，當儲能系統充放電功率降至3WM及2WM時，系統頻率偏差增加到了0.025Hz及0.039Hz。故當儲能容量一定時，增大的充放電功率可使系統頻率偏差降低。

5 結論及展望

本文基于PSASP軟件，在UPI環境下實現運用儲能參與高風電滲透系統調頻的功能。文中提出了一種以風電輸出功率平均值為動作參考值，以平抑風電功率波動為目標的蓄電池充放電控制策略，并采用用戶程序UP實現所提出的控制策略。而后在WSCC-9算例系統中進行仿真，結果證明儲能系統的運用可以有效降低高風電滲透系統中頻率的最大偏差量，且儲能充放電功率越大、效果更好。

本文的重點在于PSASP/UPI環境下實現儲能功能的開發，并未對儲能系統的優化配置進行深入的分析。對于從電路系統全局考慮的儲能裝置的配置，還需針對儲能配置地點進行研究。