孤網運行狀態下儲能系統容量配置研究

王衛國，朱俊飛，丁朝輝

（1.鎮江電力設計院有限公司，江蘇 鎮江 212000；2.國網鎮江供電公司，江蘇 鎮江 212000）

0 引 言

風能和太陽能是清潔能源的重要來源，但都具有波動性。隨著電力改革的進行，越來越多的企業自辦電廠自足自用。隨著孤網運行技術的成熟和推廣也使得很多自備電廠采取孤網運行方式或者是具備事故狀態下與外網斷開能孤網運行[1]。在孤網正常運行時，企業內部電網與地方電網相連，在外電網故障時，自備發電機組必須能夠維持孤網正常運行，保證企業內部電網的安全。因此，本文提出孤網運行狀態下儲能系統容量配置研究。

1 孤網運行狀態下儲能系統容量配置方法

儲能系統使利益相關者在發電、輸電、配電以及使用方面具有更大的靈活性。孤網運行狀態下儲能系統容量配置方法可以有效結合風力發電功率模型、光伏發電功率模型、儲能系統功率模型及其他電源功率模型，通過確定投資、運行成本，確定其的約束條件分別為經濟型和可靠型，進一步提出孤網運行狀態下儲能系統容量配置方案，實現儲能容量最佳配置。

1.1 建立容量配置模型

考慮到可再生能源發電如今已成為能源轉型的關鍵推動力。在孤網運行狀態下，建立容量配置模型。容量配置模型是儲能系統根據微網監控指令進行恒功率或恒流控制，給電池充電或放電，平滑風電、太陽能等波動性電源的輸出。在微網條件下，容量配置模型作為主電源提供微網的電壓和頻率支撐，微網中負荷以此電壓和頻率為基準工作[2]。carrent采用雙閉環控制和Model脈沖調制方法，能夠精確快速地調節輸出電壓、頻率、有功和無功功率。

1.2 構建容量目標函數

為整合孤網運行狀態下電網及新能源的經濟效益，就必須對儲能系統容量配置中的重要指標進行精確計算。本文重點針對如下4個指標進行計算，分別為儲能系統容量配置成本節約函數、儲能系統容量配置收入函數、瞬時功率經過儲能系統的平均函數和儲能系統容量配置的抗干擾函數[3]。求得構建主動孤網運行狀態下儲能系統容量最佳配置收益的多目標函數。

設孤網運行狀態下儲能系統容量最佳配置收益的多目標函數為maxE，可得公式：

其中：WLEgrid指的是儲能系統容量配置成本節約函數；W2Eloss指的是儲能系統容量配置收入函數；W3Ewind指的是瞬時功率經過儲能系統的平均函數；W4Esolae指的是儲能系統容量配置的抗干擾函數；Ω指的是約束條件下，目標函數可行解范圍；s指的是定義域；t指的是參數調節能源波動的時間，X指的是決策空間集合；H(X )指的是決策空間集合下能源波動干擾值。

在明確容量目標函數的基礎上，設定孤網運行狀態下儲能系統容量配置方法有功、無功滿足等式約束為：

其中：PGI指的是節點G與節點I的截止角頻率；Q指的是節點瞬時有功功率；N指的是節點瞬時無功功率；P指的是角頻率；UI指的是I節點的電壓與電流的分量；UIJ指的是第J時段I節點的電壓與電流的分量；θIJ指的是第J時段I節點的負荷消耗功率值；p指的是用電負荷平均值。

在式（2）、式（3）的基礎上可得，輸出電壓頻率和儲能系統容量幅值的下垂特性方程為：

其中：w指的是額定電壓；w1指的是參考無功功率；Yn指的是無功下垂系數；f指的是平均無功功率；fe指的是限定頻率；E指的是平均有功功率；E1指的是參考有功功率；Ln指的是有功下垂系數；R指的是電流參考值；Re指的是電壓的參考值。

結合公式來看，在一定的電壓范圍內，根據電壓的高低采用無功補償。構建容量目標函數，確立容量配置的數學模型，根據輸出電壓頻率和儲能系統容量幅值的下垂特性提高孤網運行狀態下儲能系統容量配置的抗干擾性。

1.3 建立映射關系

在建立容量配置模型和明確容量目標函數的基礎上，建立配置模型與目標函數最匹配的對應關系。假設孤網運行狀態下儲能系統容量配置為初始值，由于電網承受高峰負荷、低谷負荷特定持續的時間均非常有限，當儲能系統容量配置到達一定規模時，儲能系統處于負荷低谷時刻中自動補充電量，儲能系統處于負荷高峰時刻中自動輸出電量，可以有效抬高低谷負荷，最大限度地減小負荷峰谷差，松弛儲能系統容量向下調節空間，使儲能系統有能力接納更多容量的風電，從而提高儲能系統的容量。當儲能系統充、放電功率足夠大時，設配置的儲能容量為φr，每日充放電F次，求得削減高峰負荷，抬升低谷負荷的最佳值。以Fr表示充放電F次時的容量，tanφ表示削減高峰負荷值，那么，孤網運行狀態下儲能系統配置容量與負荷峰谷差之間的最佳映射關系為：

根據式（5）可知，求得最佳配置容量的儲能系統對負荷峰谷差的改善有著明顯的效果。具有能夠有效對孤網運行狀態下儲能系統容量配置低谷負荷的抬升能力，因此決定了儲能系統容量的技術水平。隨著儲能系統容量的不斷增加，對儲能系統容量的配置也會越來越高。當儲能系統低谷負荷被抬升到達一定高度時，如果對儲能系統繼續進行改善，儲能系統所需的容量會隨之增大。因此，建立配置模型與目標函數最匹配的對應關系，可以達到儲能系統最優配置方法。

2 對比實驗

2.1 實驗準備

為進一步驗證孤網運行狀態下儲能系統容量配置的優越性，設計如下對比實驗。針對儲能系統容量配置的抗干擾性進行實驗。為確保實驗結果的準確性，整體實驗均在統一電壓環境下進行，設置電路中負載有功功率50 kW，無功功率為40 kW，對比時間設定為5 s，以1 s為一個測試節點。首先采用傳統的儲能系統容量配置進行檢測，再采用文章設計的孤網運行狀態下儲能系統容量配置進行同樣的操作步驟，設置傳統的儲能系統容量配置為對照組。

2.2 實驗結果分析與結論

根據設計的對比實驗，采集5組實驗數據，將兩種儲能系統容量配置的抗干擾性進行對比，通過計算整理，實驗數據如表1所示。

表1 兩種儲能系統容量配置抗干擾性對比

通過表1可得出如下的結論：本文設計的孤網運行狀態下，儲能系統容量配置抗干擾能力明顯強于傳統的儲能系統容量配置。在相同電壓的情況下，采用孤網運行狀態下儲能系統容量配置，具有更加安全、穩定的優勢。因此，孤網運行狀態下儲能系統容量配置是風能和太陽能等清潔能源儲存的重要手段。有理由加大孤網運行狀態下儲能系統容量配置在風能和太陽能等清潔能源儲存中的應用，為風能和太陽能等清潔能源儲存工作指明發展方向。因此，本文設計的孤網運行狀態下儲能系統容量配置更符合對于清潔能源儲存穩定性的實際要求。

3 結 論

儲能系統是未來智能電網的重要組成部分，儲能技術在接納風電、太陽能發電等間歇性清潔能源入網方面也發揮著不可或缺的重要作用。在孤網運行狀態下對儲能系統容量配置進行研究，是真正影響未來能源大格局的重要研究。一旦儲能系統能夠實現技術上的突破，必將開啟清潔能源發展之路。雖面臨諸多困難，但卻是大勢所趨。因此，隨著新能源發電技術、虛擬同步機技術和壓縮空氣儲能技術的日漸成熟，儲能系統容量配置必將迎來更大發展。