儲能電源與電網調度協調控制系統

武曉峰，武萬才，李瑋，耿寧林，王維華

（國網吳忠供電公司電力調度控制中心，寧夏 吳忠 751100）

0 引言

目前，我國已成為世界上最大的能源消費國，但由于電網建設起步較晚，因此在經濟、生活等方面與其他發達國家相比，存在一定的差距；同時，電網結構的變化也影響了發電容量的大小及電壓等級的提高與穩定。本課題的研究有助于解決當前的電網規劃問題，具有十分深遠的理論價值[1-2]。

1 儲能電源與電網調度協調系統

在儲能裝置容量和溫度變化范圍內，為滿足電網的安全運行，需要對其進行合理的配置和優化控制。本章將介紹一種基于狀態空間模型的協調控制系統，并建立系統的數學建模，從而實現了系統的調度問題。（1）層次分析法層次分析法是用于解決復雜的系統描述性規劃研究的有效工具之一。它是將多目標決策問題轉化為一個單準則、多個方案的綜合體，通過分解各層的因素并給出各個指標的權重值，進而把若干個評價矩陣組合起來，形成一個多輸入單變量的模糊網絡。在利用層次分析法對問題有了深刻的理解之后，該方法就成為本文所采用的算法中的重要內容。（2）粒子群算法的應用及發展前景。由于目前的電力工業技術還不成熟，其計算量大，因此如何利用以圖軟件與數值計算機的優勢來完成多參數的求解也是本章的工作重點。

2 儲能電源與電網調度協調系統的運行方式

為了提高儲能電源與電網調度的協調控制效果，需要建立在一定的約束條件下，對系統的運行方式進行優化。（1）協調控制要求 在儲能裝置容量和規模一定的情況下，對系統的能量管理和負載平衡的要求也相應提高。在滿足系統的安全、穩定運行的前提下，對整個系統的綜合分析，使其具有良好的靈活性，經濟性，可靠性等。（2）協調控制的目標 在儲能設備容量的約束條件下，對不同的工況，要采取不一樣的調控方法。當系統中的工頻量大于最大限制值時，應采用集中調節；當系統中的低頻量高于臨界值時，應優先考慮分散調峰方式。如果要使分布式電源與可再生能源充分發揮其優勢，就要減少負荷的波動范圍，以實現二者之間的協調運作。所以需要建立一個可以根據需求變化而自動調整的調度控制器。（3）算法的設計原則及程序的簡單化。對于傳統的優化問題，一般是先進行模型的假設然后再求解，但是這種做法往往會增加計算的工作量，因此必須得通過簡化的數學工具來解決。

3 儲能電源與電網調度協調系統的影響因素

在儲能電源與電網協調控制過程中，影響系統的主要因素有： （1）負載特性。在實際的運行工況下，當儲能電源的容量和頻率都相同的情況下，其輸出功率的幅值大小是固定的；當負荷發生變化時，其輸入的有功無功將隨著電壓的波動而變化。因此，為了實現對電力系統的穩定和安全的供電，需要進行合理的規劃設計。（2）技術水平。由于不同地區的經濟發展狀況不一樣，所以對電能的需求也不完全相同。對于一些沿海發達的城市來說，其電網的建設比較完善，能夠滿足用戶的用電要求。而相反的，很多地方的市縣級電網的建設有所欠缺。（3）設備性能。如果要提高整個系統的效率以及穩定性，必須要考慮到各種電氣量的干擾等。

4 儲能電源與電網調度協調控制系統設計

目前，我國儲能系統主要采用的發電方式是火電機組帶動電網的運行模式，即由火電機組驅動的光伏、水電、風電場和潮汐轉輪等設備。由于風力發電機組的功率波動性較小，風能資源利用率較高，同時也可以有效的降低電網的峰谷差，提高了電網的穩定性和可靠性。但是，在實際的調度過程中，因為各種因素的影響以及不同的工況，所需的電源不可能完全相同，所以在對電源進行調度時，不能完全按照單一的容量來調度，必須要根據具體的情況來做出合理的安排并作出協調控制。

4.1 儲能電源與電網調度效益

對于儲能系統與電網調度的協調控制系統來說，其主要任務是在滿足控制對象（火電、可再生能源等）的約束條件下，使整個調度過程能夠達至既節能又環保的要求：

（1）降低運行成本。在保證目標函數的基礎上，對不同的工況，采取相應的優化算法，從而使其盡可能地節約發電和輸電設備的裝機容量和總的電能損耗。（2）提高負載率。當采用的儲能裝置容量小于需求的最大功率值時，則需要考慮到電網中的其他電源的消耗情況，通過合理的規劃和設計，來實現負荷的“多大分”。（3）減少電力能源的浪費及污染。由于目前的環境問題日益嚴峻，國家提倡綠色出行，因此必須大力發展新的清潔、低碳的生活方式，比如太陽能、風能等新的能源；而風電作為一種新型的可再生的資源可以有效的解決當前的空氣污染以及水土流失的嚴重現象。

4.2 系統實現

通過上文的分析與研究，儲能調度協調控制系統的功能包括：（1）對蓄電池進行管理。在滿廠蓄電池安全穩定運行的前提下，使其充放電過程更加可靠，并使系統的網絡結構更為簡單，便于實現。（2）對蓄電池的均衡控制。當系統負載發生變化時，調節控制器可以根據負荷的變化做出相應的調整措施，以保證整個電力系統的穩定性與經濟性。（3）對逆變器的保護和濾波。逆變器是一種非線性元件，其輸出特性與其工頻整流和濾波器的參數有關，因此需要設計一款具有濾波能力強，動態響應快的電流互感器，以確保開關管在發生故障時能準確動作，并為逆變器提供良好的隔離條件。同時還需考慮器件的耐壓性能，如采用低阻材料、低介電損耗的芯片等。（4）輔助設備的選型。為提高系統的可靠性及靈活性，需選用功率密度高的元器件，如電容、電感等。

4.3 電力網規劃

從供電可靠性和經濟性考慮，儲能系統的建立必須滿足以下條件：（1）電網的頻率在允許范圍之內。由于電網的功率波動較大，因此要求電壓的穩定。（2）網絡拓撲的變化要小。為了保證在不同的負荷下，儲能裝置的充放電，需要選擇合適的主次載流元件。（3）在主電路中，要有足夠的容量以使整個通信線路的負載均衡。當電力網的主接線發生故障時，通過備用電源可以迅速恢復。同時也減少了對其他器件的干擾和影響。（4）具有較高的抗擾動能力。當電力網的支路數較多時，會導致整個配電自動化統的穩定性降低。如果子接線錯誤，會造成子母線或配電設備損壞。所以應該盡量避免。此外還應注意的是，直流母線上可能存在一些不穩因素，如：母線上有大量的感性電器，以及轉子勵磁電流不正常。這些問題都將對電能質量產生不良后果。為此設計時，應充分了解各種情況，并采取相應措施。

4.4 配電變壓器

配電變壓器是變電站中的主要電氣設備之一，它承擔著電能的變換和輸送任務。其基本功能是轉換電壓，將電力系統中的交流電轉變為直流電，以降壓后的高壓交流功率向負載供電。在電網結構方面，配電變壓器的作用十分重要，其性能的好壞直接影響到整個電網的經濟運行的質量和效率。

（1）隔離故障。當發生工頻干擾、非安全操作等事故時，就需要配置相應的保護裝置，來保證對用戶的正常工作。（2）控制與調節。根據負荷變化，及時切換或切除工頻接線，以提高電網的可靠性；當出現停電的情況時，自動切斷并發出指令，使斷路器跳閘，恢復生產。（3）檢修。在主開關上安裝狀態監視器，以便隨時掌握主關的合態，并對主關進行遠程在線監測。通過觀察，可以了解主關的通斷電流，有無異常發熱現象。如果發現有短路的回路或短路的回路以上都有可能，應立即更換鐵心，以防造成損壞。

4.5 電壓調節

當電網的輸出功率大于負載的需求量，或電力系統的容量小于電源的能量時，采用不同的調節方式，使其在滿足控制目標的前提下，使其在安全范圍內，以獲得最佳的動態特性。

（1）改變調節方法 對電壓進行適當的調整是一種最常見的調控手段，也是目前應用最多的調節形式。例如：將大電流的交流調壓改為直流調壓，可提高電網的傳輸能力，改善電壓穩定性。（2）合理選擇調節時間和頻率，以取得最佳的調節效果。由于在實際中，負荷具有不確定性，因此，必須根據具體情況來靈活的配置各種電源的參數和相應的比例關系，通常包括：最大負荷波動、工頻比的變化、有功無功補償的影響等。這些因素都會對電壓的穩定產生一定的作用力，所以需要考慮到它們的相互作用，以及相互之間的聯系與制約。另外還應注意到，如果要想實現最優的開關組數，就得通過增加或減少控制器的數目來達到。

4.6 儲能系統參數確定

由于儲能系統與其他發電技術的不同在于，它具有能量密度高、功率大、體積小等特點。因此在設計中，需要考慮到這些特性。（1）容量：儲能系統的容量是一個有限的數量級，主要是根據其自身的最大輸出功率來估算。當儲能設備的運行時間超過其額定工作電流時，應通過相應的保護措施，防止發生嚴重的事故；當儲存電壓小于一定值時，應允許其進行充電或放電，以保證在正常負荷下持續供電。（2）溫度：在整個系統中，對于工況的變化有很大的影響因素，所以對工況的控制也有很高的要求；而對電力電子裝置來說，則要滿足穩態和熱穩定的性能指標。（3）負載：因為蓄電池的充放電過程與電網并網的情況有關，所以要充分利用蓄電池的充放能力，使其能夠承受較大的壓力和電暈。同時還要注意不可以直接產生電弧，以免造成起火和損壞。如果不能完全避免，還應該采取適當的安全防護措施。

5 結論

當今世界，能源和環境問題越來越嚴重，為了應對這一嚴峻的形勢和挑戰，我國大力發展新能源發電技術，儲能系統作為新的電力工業的重要組成部分，在提高電網安全運行水平、改善經濟效益等方面發揮著巨大的作用；本文對目前儲能調度協調控制系統中的模型進行了簡要的分析研究，提出了基于狀態反饋控制算法的多目標優化調度方法。