儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同常規(guī)機(jī)組調(diào)峰控制策略研究

李艷生,藺 紅

（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047）

0 引言

隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中所占的比例增大，風(fēng)電具有的反調(diào)峰特性使電網(wǎng)的調(diào)峰壓力越來(lái)越大[1]，[2]，將儲(chǔ)能系統(tǒng)作為靈活的可調(diào)節(jié)資源參與電網(wǎng)調(diào)度，是解決含大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)調(diào)峰困難的有效途徑之一[3]，[4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外提出了考慮常規(guī)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行和爬坡工況的發(fā)電成本計(jì)算模型，建立了“風(fēng)、光、火、蓄、儲(chǔ)”多能源互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度模型[5]。大規(guī)模風(fēng)電接入使得電網(wǎng)在高峰運(yùn)行時(shí)段可能面臨較大的調(diào)峰與調(diào)頻壓力，文獻(xiàn)[6]提出了一種高峰運(yùn)行時(shí)段非自動(dòng)發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）機(jī)組、按期望運(yùn)行點(diǎn)調(diào)整型（Base Load Off-Regulated，BLO）AGC和按區(qū)域控制偏差（Area Control Error，ACE）自動(dòng)調(diào)節(jié)型（Base Load Regulated，BLR）AGC3類(lèi)機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[7]為加強(qiáng)非自動(dòng)發(fā)電控制（NONAGC）機(jī)組和BLO型AGC機(jī)組與BLR型AGC機(jī)組的協(xié)調(diào)，提高NON-AGC機(jī)組和BLO型AGC機(jī)組群體跟蹤負(fù)荷能力，并利于BLR型AGC機(jī)組的解困，在常規(guī)在線調(diào)度時(shí)間級(jí)中細(xì)分出超短時(shí)在線調(diào)度時(shí)間級(jí)，并提出了兩者協(xié)調(diào)的機(jī)制和策略。隨著風(fēng)電并網(wǎng)的容量增加，其隨機(jī)性和波動(dòng)性增大系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力，文獻(xiàn)[8]從負(fù)荷側(cè)考慮，提出源荷協(xié)調(diào)控制策略，在負(fù)荷低谷時(shí)段利用調(diào)節(jié)高載能負(fù)荷調(diào)峰，進(jìn)而提高風(fēng)電的消納。文獻(xiàn)[9]提出了一種電網(wǎng)調(diào)峰不足時(shí)調(diào)峰需求量的確定方法。文獻(xiàn)[10]提出一種基于減法聚類(lèi)和自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理（SCM-ANFIS）電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)和調(diào)峰目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃相結(jié)合的儲(chǔ)能電站調(diào)峰控制策略。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略，可有效減小負(fù)荷峰谷差。文獻(xiàn)[12]在負(fù)荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，提出以一個(gè)邊際負(fù)荷值來(lái)確定電站充放電運(yùn)行狀態(tài)的控制方案。以上研究成果未考慮如何將儲(chǔ)能與常規(guī)機(jī)組協(xié)調(diào)作用，共同參與電網(wǎng)調(diào)峰的問(wèn)題。

本文針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)調(diào)峰能力不足問(wèn)題，利用儲(chǔ)能靈活充放電特性補(bǔ)充AGC機(jī)組，NON-AGC機(jī)組調(diào)峰能力，建立了AGC機(jī)組向NON-AGC機(jī)組與儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)移功率模型，根據(jù)AGC機(jī)組與NON-AGC機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略，提出AGC機(jī)組、NON-AGC機(jī)組和電池儲(chǔ)能協(xié)調(diào)，共同參與調(diào)峰的控制策略。算例表明，本文提出的控制策略可以提高系統(tǒng)的調(diào)峰能力，減小棄風(fēng)，提高風(fēng)電消納，可以減少NON-AGC機(jī)組的啟停次數(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同常規(guī)機(jī)組調(diào)峰機(jī)制

風(fēng)電具有強(qiáng)隨機(jī)性，不確定性和反調(diào)峰特性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)使凈負(fù)荷（原始負(fù)荷減風(fēng)電出力）的峰谷差增大，加劇電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)峰主要是依靠自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）機(jī)組和非自動(dòng)發(fā)電控制（NON-AGC）機(jī)組之間的協(xié)調(diào)完成，在預(yù)調(diào)度時(shí)間級(jí)（一般為15 min）調(diào)整NON-AGC機(jī)組輸出功率保證電網(wǎng)安全運(yùn)行、在線調(diào)度時(shí)間級(jí)（一般為5 min）調(diào)整AGC輸出功率達(dá)到系統(tǒng)有功功率平衡。AGC機(jī)組調(diào)節(jié)速度比較快，但調(diào)節(jié)容量有限，NON-AGC機(jī)組調(diào)節(jié)速度較慢，調(diào)節(jié)容量充足，可以作為AGC機(jī)組的后備承擔(dān)一部分調(diào)峰任務(wù)。在線調(diào)度時(shí)間級(jí)只能給出NON-AGC機(jī)組集合一次固定的功率分配計(jì)劃。當(dāng)凈負(fù)荷變化速率較大時(shí)，數(shù)量和容量有限的AGC機(jī)組很容易失去調(diào)節(jié)容量，導(dǎo)致系統(tǒng)有功功率不平衡。在負(fù)荷低谷時(shí)段，當(dāng)機(jī)組調(diào)節(jié)余量不足時(shí)，電力系統(tǒng)會(huì)限制風(fēng)電的并網(wǎng)導(dǎo)致棄風(fēng)，或者啟停機(jī)組來(lái)調(diào)峰。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)提高系統(tǒng)調(diào)峰能力機(jī)理見(jiàn)圖1。

圖1 儲(chǔ)能參與調(diào)峰機(jī)理Fig.1 Energy storage involved in peaking mechanism

由圖1可知，在加儲(chǔ)能裝置前，凈負(fù)荷由P1下降到P2時(shí)段，此時(shí)AGC機(jī)組與NON-AGC機(jī)組協(xié)調(diào)調(diào)峰；當(dāng)凈負(fù)荷小于P2時(shí)，僅依靠AGC機(jī)組與NON-AGC機(jī)組兩者協(xié)調(diào)會(huì)出現(xiàn)機(jī)組啟?；蛘邨夛L(fēng)。為系統(tǒng)配置額定功率為PESS的電池儲(chǔ)能，相當(dāng)于AGC機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用容量增加了PESS，當(dāng)凈負(fù)荷小于P2時(shí)，為保證系統(tǒng)留有一定的可調(diào)余量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，AGC機(jī)組保留一定的余量情況下與NON-AGC機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)，滿(mǎn)足凈負(fù)荷的需求，使機(jī)組不必啟停或減小棄風(fēng)。

2 儲(chǔ)能與常規(guī)機(jī)組協(xié)調(diào)調(diào)峰控制策略

2.1 儲(chǔ)能與常規(guī)機(jī)組協(xié)調(diào)關(guān)系

儲(chǔ)能系統(tǒng)與AGC機(jī)組、NON-AGC機(jī)組協(xié)調(diào)配合調(diào)峰實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是時(shí)間級(jí)配合與調(diào)節(jié)余量的協(xié)調(diào)。

2.1.1時(shí)間級(jí)配合

為達(dá)到儲(chǔ)能與常規(guī)機(jī)組協(xié)調(diào)調(diào)峰，又避免儲(chǔ)能系統(tǒng)不必要的頻繁充放電，儲(chǔ)能系統(tǒng)改進(jìn)調(diào)度時(shí)間級(jí)設(shè)置為10 min，儲(chǔ)能（改進(jìn)調(diào)度時(shí)間級(jí)）與AGC機(jī)組（在線調(diào)度時(shí)間級(jí)）、NON-AGC機(jī)組（預(yù)調(diào)度時(shí)間級(jí)）時(shí)間級(jí)配合示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 時(shí)間級(jí)配合示意圖Fig.2 Schematic diagram of time division

NON-AGC機(jī)組每15 min啟動(dòng)一次，給出未來(lái)60 min的計(jì)劃調(diào)度指令。AGC機(jī)組每5 min跟隨凈負(fù)荷的變化，動(dòng)態(tài)修正計(jì)劃指令。儲(chǔ)能系統(tǒng)每10 min判斷AGC機(jī)組與NON-AGC機(jī)組調(diào)節(jié)余量，動(dòng)態(tài)修正計(jì)劃指令。每次實(shí)際執(zhí)行的只是第一時(shí)段的計(jì)劃指令，控制周期不同，控制目標(biāo)不同，實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)。

2.1.2調(diào)節(jié)余量協(xié)調(diào)

儲(chǔ)能與AGC機(jī)組、NON-AGC機(jī)組協(xié)調(diào)調(diào)峰，協(xié)調(diào)控制如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能與常規(guī)機(jī)組協(xié)調(diào)控制示意圖Fig.3 Schematic diagram of coordinated control of energy storage and conventional units

2.2 調(diào)節(jié)余量與功率轉(zhuǎn)移量的計(jì)算

2.2.1調(diào)節(jié)余量的計(jì)算

2.2.2功率轉(zhuǎn)移量的計(jì)算

①AGC機(jī)組向NON-AGC機(jī)組轉(zhuǎn)移功率

在凈負(fù)荷減小時(shí)段，AGC機(jī)組會(huì)出現(xiàn)下調(diào)容量不足的情況，為滿(mǎn)足下一個(gè)在線調(diào)度時(shí)間級(jí)AGC有足夠的調(diào)節(jié)容量，AGC機(jī)組須要把一部分功率轉(zhuǎn)移到NON-AGC機(jī)組上，AGC機(jī)組轉(zhuǎn)移到NON-AGC機(jī)組的功率為

②AGC機(jī)組向儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)移功率

同理，在凈負(fù)荷高峰時(shí)段，當(dāng)AGC機(jī)組與NON-AGC機(jī)組調(diào)節(jié)余量無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)需求時(shí)，為滿(mǎn)足AGC機(jī)組在改進(jìn)調(diào)度時(shí)間級(jí)有足夠的調(diào)節(jié)余量，AGC機(jī)組向儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移功率為

2.3 儲(chǔ)能與常規(guī)機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略

根據(jù)AGC機(jī)組與NON-AGC機(jī)組的協(xié)調(diào)機(jī)制，提出AGC機(jī)組、NON-AGC機(jī)組與儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制策略如下。

①ΔDt＜0時(shí)

2.4 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3 算例分析

以新疆某地區(qū)電網(wǎng)為分析對(duì)象，如圖4所示。

圖4 新疆某地區(qū)電網(wǎng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of a power grid in Xinjiang

圖4中風(fēng)電裝機(jī)為987 MW。該電網(wǎng)有8臺(tái)NON-AGC機(jī)組，4臺(tái)AGC機(jī)組，機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組參數(shù)Table 1 Thermal power unit parameters

為該電網(wǎng)配置100 MW·h的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能的初始SOC取50%，以5 min為采樣間隔，對(duì)負(fù)荷，風(fēng)電數(shù)據(jù)從0點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行采樣，得到的風(fēng)電數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)以及凈負(fù)荷的數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖5 新疆某地區(qū)日風(fēng)電出力、負(fù)荷和凈負(fù)荷圖Fig.5 Daily wind power output，load and net load map in a certain area of Xinjiang

由圖5知，通過(guò)對(duì)比負(fù)荷和凈負(fù)荷兩條曲線，可以看出凈負(fù)荷的峰谷差比負(fù)荷的峰谷差有明顯的增大，大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)增加了系統(tǒng)的調(diào)峰壓力。

該地區(qū)電網(wǎng)加入儲(chǔ)能系統(tǒng)之前，常規(guī)火電機(jī)組調(diào)峰空間如圖6所示。

圖6 加入儲(chǔ)能前電網(wǎng)調(diào)峰空間圖Fig.6 Peak space adjustment of the grid before adding energy storage

由圖6可知，在負(fù)荷谷值時(shí)段，電網(wǎng)會(huì)限制風(fēng)電的并網(wǎng)，造成棄風(fēng)。在負(fù)荷高峰時(shí)段，一般會(huì)啟動(dòng)另一臺(tái)機(jī)組來(lái)滿(mǎn)足凈負(fù)荷的需求。

AGC機(jī)組在線調(diào)度時(shí)間級(jí)頻繁調(diào)節(jié)自身出力來(lái)滿(mǎn)足負(fù)荷的需求，AGC機(jī)組每次調(diào)節(jié)余量不足都對(duì)應(yīng)一次的功率轉(zhuǎn)移，如圖7所示。

圖7 NON-AGC，AGC機(jī)組輸出功率曲線圖Fig.7 NON-AGC，AGCunit output power curve

AGC機(jī)組在預(yù)調(diào)度時(shí)間級(jí)與NON-AGC機(jī)組協(xié)調(diào)，當(dāng)常規(guī)機(jī)組調(diào)節(jié)余量不足時(shí)，AGC機(jī)組在改進(jìn)調(diào)度時(shí)間級(jí)與儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)，滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求。提出的儲(chǔ)能與AGC機(jī)組協(xié)調(diào)機(jī)制，使AGC機(jī)組在負(fù)荷峰值和谷值時(shí)段都保留一定的調(diào)節(jié)余量，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖8為儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率曲線。

圖8 儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率曲線圖Fig.8 Energy storage system output power curve

由圖8可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率變化速率較快，且放電次數(shù)較少，電池一天內(nèi)等效充放電兩次，充分發(fā)揮了儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)不必頻繁改變自身輸出功率。

圖9 儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC變化曲線圖Fig.9 Energy storage system SOC curve

圖10 加入儲(chǔ)能后電網(wǎng)調(diào)峰空間分析圖Fig.10 Analysis of the peaking space analysis of the power grid after energy storage

圖9為電池1 d中SOC的變化曲線。由圖可知，電池的SOC保持在一定的范圍內(nèi)，為電池參與調(diào)峰留了足夠的余量。加入儲(chǔ)能后，電網(wǎng)調(diào)峰空間如圖10所示。由圖可知，在負(fù)荷低谷時(shí)段，負(fù)荷的值小于常規(guī)機(jī)組的最小輸出功率與風(fēng)電出力值之和。但是，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的存在，儲(chǔ)能、AGC機(jī)組與NON-AGC協(xié)調(diào)，儲(chǔ)能吸收功率能夠滿(mǎn)足凈負(fù)荷的需求，因此電網(wǎng)不必采取棄風(fēng)措施，即可提高風(fēng)電消納。經(jīng)過(guò)計(jì)算，一天之中減少了棄風(fēng)28.337 MW·h。在負(fù)荷高峰時(shí)段，負(fù)荷的值大于常規(guī)機(jī)組的最大出力與風(fēng)電出力值之和。但是，由于儲(chǔ)能的存在，儲(chǔ)能與AGC機(jī)組、NON-AGC機(jī)組協(xié)調(diào)，釋放功率，能夠滿(mǎn)足負(fù)荷的需求，因此不必開(kāi)啟另一臺(tái)NON-AGC機(jī)組，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

算例分析結(jié)果顯示，本文所設(shè)計(jì)的AGC機(jī)組、NON-AGC機(jī)組與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)作用調(diào)峰的控制策略，在負(fù)荷的谷值與峰值時(shí)，使AGC機(jī)組保留一定調(diào)節(jié)余量，滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。電力系統(tǒng)不必棄風(fēng)，提高了風(fēng)電的消納。系統(tǒng)也不必開(kāi)啟另一臺(tái)NON-AGC機(jī)組來(lái)滿(mǎn)足負(fù)荷需求，大大提高了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，且充分發(fā)揮了儲(chǔ)能系統(tǒng)放電功率變化速度快的優(yōu)點(diǎn)，有效運(yùn)用了儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性。

4 結(jié)論

大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)，使電力系統(tǒng)調(diào)峰困難的問(wèn)題日益顯著。在低谷時(shí)段，凈負(fù)荷的最小值小于機(jī)組的最小輸出功率，電網(wǎng)可能會(huì)采取啟停機(jī)組或棄風(fēng)措施；在高峰時(shí)段，凈負(fù)荷的最大值大于風(fēng)電出力加機(jī)組的最大輸出功率，要采取啟動(dòng)另一臺(tái)NON-AGC機(jī)組才能保持有功功率的平衡。基于所設(shè)計(jì)的AGC機(jī)組、NON-AGC機(jī)組與電池儲(chǔ)能協(xié)調(diào)作用調(diào)峰的控制策略，從時(shí)間級(jí)配合和調(diào)節(jié)余量協(xié)調(diào)兩個(gè)方面考慮儲(chǔ)能與AGC機(jī)組、NON-AGC機(jī)組的協(xié)調(diào)，引入的改進(jìn)調(diào)度時(shí)間級(jí)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與常規(guī)機(jī)組時(shí)間協(xié)調(diào)配合?；趯?shí)際算例表明，該控制策略有效提高了系統(tǒng)的調(diào)峰能力，減小棄風(fēng)，提高風(fēng)電消納，也有效減少NON-AGC機(jī)組的啟動(dòng)次數(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。