計及無功補償?shù)膱@區(qū)風(fēng)光儲系統(tǒng)穩(wěn)定協(xié)調(diào)策略研究

彭政，林錦杰

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司湘潭供電分公司，湖南 湘潭411100；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙410082)

0 引言

近年來，園區(qū)分布式能源發(fā)電在能源危機和環(huán)境問題的驅(qū)動下得到有效發(fā)展[1－4]，但高比例可再生能源滲透下的園區(qū)供配電系統(tǒng)面臨著系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低、自平衡能力和能源自協(xié)調(diào)能力下降等問題。先進儲能技術(shù)作為協(xié)調(diào)能量流分配的關(guān)鍵要素[5－7]，可實現(xiàn)以電能為核心的多能源柔性互聯(lián)、能量的雙向流動以及電網(wǎng)故障時的有功支撐，將是未來實現(xiàn)智能供需互動的重要研究方向。

目前，儲能系統(tǒng)(energy storage system，ESS)在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)[8]、能量管理[9]、功率和容量優(yōu)化分配[10]、調(diào)峰調(diào)頻[11－12]、入網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)及功能仿真[13]等多個方面都已取得相關(guān)研究成果。文獻[14]通過儲能調(diào)節(jié)公共節(jié)點的直流電壓，并運用虛擬同步機控制策略調(diào)節(jié)能源互聯(lián)網(wǎng)中的功率流向及大小。在園區(qū)分布能源并網(wǎng)中，可以通過控制混合節(jié)點的直流電壓穩(wěn)定來平衡分布式電源與大電網(wǎng)、負荷以及儲能系統(tǒng)互聯(lián)時的功率平衡。文獻[15]針對新能源發(fā)電過程中對并網(wǎng)母線電壓的沖擊，結(jié)合分布式能源并網(wǎng)功率的頻譜特性，提出一種與儲能出力功率、容量和初始SOC參數(shù)有關(guān)的平抑網(wǎng)絡(luò)功率波動儲能優(yōu)化配置方法，優(yōu)化了儲能容量規(guī)模和動態(tài)補償效果。文獻[16]介紹了利用儲能裝置調(diào)控分布式能源發(fā)電能源波動的控制算法及策略研究，同時以傳統(tǒng)控制方法為基礎(chǔ)，開發(fā)線性回歸預(yù)測算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)功率不平衡狀態(tài)采用兩段式預(yù)補償算法對儲能裝置進行預(yù)充電或預(yù)放電，有效地在穩(wěn)定分布式能源發(fā)電并網(wǎng)時降低儲能裝置的容量規(guī)模。

文獻[17]通過構(gòu)建一個具有多輸出多輸入端口的多能協(xié)調(diào)運行和綜合利用的微電網(wǎng)，提出一種基于能量流動的系統(tǒng)模型來描述能量模塊靜態(tài)關(guān)系，結(jié)合調(diào)度方式，對系統(tǒng)模型在不同能量流狀況下進行分析和優(yōu)化，整體上提升了能源的消納率，但是對于多能系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定性并未對比分析。文獻[18]針對風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)提出了一種主動電源協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，以系統(tǒng)頻率控制為目標，利用儲能的充放電特性穩(wěn)定公共電網(wǎng)的功率，有效地提升了分布式能源并網(wǎng)過程中的動態(tài)穩(wěn)定性，但未考慮整體協(xié)調(diào)控制能力，也未分析儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)補充的自身特性，系統(tǒng)整體經(jīng)濟運行效率差。文獻[19]從聯(lián)網(wǎng)型微電網(wǎng)和獨立微電網(wǎng)所需的儲能系統(tǒng)規(guī)模出發(fā)，依據(jù)微電網(wǎng)的最佳經(jīng)濟實時運行優(yōu)化配置方法，對分布式能源季節(jié)性發(fā)電特性提供了經(jīng)濟支撐，一方面優(yōu)化了儲能系統(tǒng)不同時間尺度規(guī)模大小，另一方面也增強了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性，但是其整體協(xié)調(diào)機制并未考慮分配問題。

本文提出一種應(yīng)用于園區(qū)風(fēng)光儲一體化并網(wǎng)系統(tǒng)的無功補償優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與粒子算法結(jié)合實時優(yōu)化算法對儲能系統(tǒng)的容量大小分目標求解分析，保證儲能系統(tǒng)對公共電網(wǎng)功率波動平衡控制的同時，也提升分布式能源并入園區(qū)公共電網(wǎng)時的并網(wǎng)友好性。最后通過園區(qū)風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)并入公共電網(wǎng)的運行模式，對儲能系統(tǒng)的容量配置分配和系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)控制情況分步驟分情況進行仿真驗證，驗證了儲能容量優(yōu)化角度下所提策略的正確性和有效性。

1 園區(qū)風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

為提高園區(qū)分布式能源“即插即用”的可靠性，靈活優(yōu)化配置儲能裝置的補償能量，采用如圖1所示的交直流混合供配電園區(qū)風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)。能量路由器對直流母線電壓側(cè)的有功功率進行一定補償，同時園區(qū)分布式能源以最大效率捕獲自然資源輸出功率，而儲能系統(tǒng)通過能量路由器與雙向DC/DC裝置的實時協(xié)調(diào)控制完成對園區(qū)供配電系統(tǒng)內(nèi)能量的“削峰填谷”和無功補償優(yōu)化。本文從分布式能源與園區(qū)供配電系統(tǒng)的儲能容量下不同能量協(xié)調(diào)機制出發(fā)，提升分布式能源消納率的同時，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖1 園區(qū)風(fēng)光儲系統(tǒng)的基本拓撲結(jié)構(gòu)

該園區(qū)風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)包含兩個等壓交流電網(wǎng)，并與此對應(yīng)通過直流鏈路進行級聯(lián)的不同性質(zhì)的三相三線制一般/重要交流負荷，以及儲能系統(tǒng)模塊和分布式能源發(fā)電裝置。儲能裝置補償主要通過雙向Buck－Boost變換對電池組充放電切換實現(xiàn)能量在直流母線電壓穩(wěn)定、功率交換上的靈活控制。

2 系統(tǒng)典型運行模式及功率流動分析

根據(jù)前述結(jié)構(gòu)，公共電網(wǎng)與儲能系統(tǒng)進行功率協(xié)調(diào)控制，其兩交流端口輸出功率由雙向電壓源型換流器(Voltage Source Converter，VSC)控制，在采用相同的控制策略下，確保電壓等級不一致的電網(wǎng)可以工作于并網(wǎng)/離網(wǎng)帶負載模式，儲能系統(tǒng)通過穩(wěn)定電網(wǎng)級聯(lián)時直流母線(鏈路)上的電壓確保功率流向穩(wěn)定和母線電能質(zhì)量優(yōu)化，達到分布式電源就地消納、友好并網(wǎng)以及系統(tǒng)關(guān)鍵負荷可靠運行的目的。根據(jù)功率流方向和大小將系統(tǒng)運行模式分為4種:①交直流混合配電模式；②分布式能源不足以支撐起整個系統(tǒng)負荷的正常運行，此時系統(tǒng)的動態(tài)平衡功率方程為:饋線柔性互聯(lián)模式；③潮流轉(zhuǎn)供模式；④自穩(wěn)定運行模式。各運行模式關(guān)系如圖2所示。

圖2 各運行模式及儲能變換器運行狀態(tài) 對應(yīng)關(guān)系圖

1)交直流混合配電模式

交直流混合配電模式為系統(tǒng)正常運行時的狀態(tài)，具體表現(xiàn)為:兩網(wǎng)之間單獨運行，互不干擾，并通過量路由器和DC/DC裝置協(xié)調(diào)將多余能量存儲到儲能系統(tǒng)內(nèi)。此時，系統(tǒng)的功率平衡方程為:

式中，PE＋為正值，表示網(wǎng)側(cè)1和網(wǎng)側(cè)2饋入儲能裝置的多余能量；PG1和PG2分別為電源1和電源2的出力；PWP為園區(qū)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)出力總和；PDC－Ld為園區(qū)內(nèi)直流負荷；PAC－Ld為園區(qū)內(nèi)交流負荷。

2)饋線柔性互聯(lián)模式

饋線柔性互聯(lián)模式具體表現(xiàn)為:電源1為交流負荷供電時，通過能量路由器與電源2實現(xiàn)饋線柔性互聯(lián)，為交流負荷2提供能量，電源2也是如此，直流母線接納分布式電源為直流負荷供電。由于此時潮流分布受分布式能源的影響很大，故分為兩種情況:

①分布式能源能夠支撐起整個電網(wǎng)負荷的正常運行，此時系統(tǒng)的動態(tài)功率平衡方程為:

式中，PE＋為正值，表示饋入儲能裝置的多余能量。

式中，PE－為負值，表示儲能裝置穩(wěn)定直流母線電壓時向園區(qū)電網(wǎng)1和電網(wǎng)2饋入的能量。

3)潮流轉(zhuǎn)供模式

潮流轉(zhuǎn)供模式與饋線柔性互聯(lián)模式①對應(yīng)互補，具體表現(xiàn)為:當電網(wǎng)面臨故障或能量路由器無法正常工作進而無法為負荷進行供電時，為保障系統(tǒng)的功率大小和方向守恒，電源2通過能量路由器、DC/DC裝置與分布式能源、儲能設(shè)備協(xié)調(diào)對交流負荷1和直流負荷供電，避免因故障帶來的負荷斷電和新能源投切。

4)自穩(wěn)定運行模式

自穩(wěn)定運行模式具體表現(xiàn)為:當電網(wǎng)停電或能量路由器控制離網(wǎng)時，此時需要儲能裝置放電以維持直流母線電壓穩(wěn)定，確保系統(tǒng)短時間內(nèi)對外功率守恒和交直流負荷的正常運行，待系統(tǒng)故障排除后，重新工作于交直流混合配電模式。此時優(yōu)先選擇蓄電池組放電，系統(tǒng)功率平衡方程為:

若園區(qū)分布式能源與儲能裝置無法對系統(tǒng)功率守恒進行維持，從負荷優(yōu)先等級考慮，切斷敏感性負荷。

3 儲能容量優(yōu)化及能量協(xié)調(diào)控制

3.1 儲能容量優(yōu)化分配算法

在園區(qū)風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)中，尤其是在兩網(wǎng)饋線柔性互聯(lián)時，不同規(guī)模的儲能裝置之間很可能因容量的大小出現(xiàn)互相充放電、系統(tǒng)潮流反向以及直流母線振蕩等不穩(wěn)定的情況，甚至分布式能源入網(wǎng)頻率失去穩(wěn)定，系統(tǒng)崩潰。在這種情況下，利用儲能裝置的容量配置去緩沖可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊，實現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和階梯利用[20]。

考慮到目前單一的智能算法無法解決儲能容量計算過程中園區(qū)風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)各變量之間的高度耦合問題[21]。結(jié)合現(xiàn)有的已知分布式能源出力條件下儲能容量求解方法，構(gòu)建如圖3所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)－粒子群結(jié)合算法的儲能容量迭代尋優(yōu)流程。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)－粒子群結(jié)合算法迭代求解 儲能容量流程

3.2 儲能系統(tǒng)容量目標函數(shù)

園區(qū)儲能系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)節(jié)點位置一致時，儲能裝置的容量大小在平抑網(wǎng)絡(luò)功率波動效果上以及在抑制線路損耗上為尋優(yōu)求解目標。

1)以網(wǎng)絡(luò)有功功率波動為優(yōu)化目標

考慮到電網(wǎng)頻率的變化對電力系統(tǒng)頻率的干擾，嚴重時會造成電力系統(tǒng)發(fā)電機組解列及其他電力電子設(shè)備故障，故在保證風(fēng)光儲并網(wǎng)運行期間電網(wǎng)功率波動范圍最小，確保電力系統(tǒng)安全運行的同時也降低設(shè)備維護成本。其函數(shù)表達式如下:

式中，Pnet＿min為公共電網(wǎng)波動瞬時功率最小值；PL為園區(qū)實時負荷值；PWP為園區(qū)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)輸出的實時功率；Pref為儲能裝置在補償周期TE內(nèi)輸出功率的平均值；Pgrid為園區(qū)供配電系統(tǒng)輸出的實時功率。

2)以網(wǎng)絡(luò)傳輸有功損耗為優(yōu)化目標

當儲能系統(tǒng)接入公共電網(wǎng)后，其容量的大小一方面保證了其響應(yīng)速度，另一方面能量傳輸過程中其充放電時間也必將造成能量傳輸?shù)恼麄€線路損耗。所以合理設(shè)計容量大小，不僅可以確保其響應(yīng)速度，也能避免儲能系統(tǒng)長時間充放電時給輸電線路規(guī)劃設(shè)計過程中帶來的電力冗余。其函數(shù)表達式如下:

式中，Ploss＿min為園區(qū)電能傳輸過程中的瞬時能量損耗最小值；U為園區(qū)供配電系統(tǒng)母線電壓有效值；φ為園區(qū)供配電系統(tǒng)的功率因素；R為儲能系統(tǒng)的內(nèi)阻。

根據(jù)園區(qū)風(fēng)光儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本運行原理，上述儲能系統(tǒng)在TE周期內(nèi)補償?shù)墓β蕿?

進一步考慮到儲能單元的荷電狀態(tài)(State of charge，SOC)而避免過充和過放，規(guī)定儲能單元的荷電狀態(tài)上限和下限為Cup和Clow(0≤Clow＜Cup≤1)。據(jù)此，儲能系統(tǒng)容量計算式為:

式中，P1(t)為公共網(wǎng)絡(luò)功率Pnet(t)與儲能系統(tǒng)輸出功率Pref(t)的輸出功率差值的絕對值。

3.3 園區(qū)風(fēng)光儲系統(tǒng)能量流協(xié)調(diào)策略

以儲能系統(tǒng)為調(diào)控優(yōu)化核心的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)，主要通過對儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)內(nèi)功率流的導(dǎo)流，減輕園區(qū)電力系統(tǒng)的供配電壓力，也為風(fēng)光儲一體化并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定提供支撐，系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)控制框圖如圖4所示。

圖4 園區(qū)風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)框圖

考慮到負荷的結(jié)構(gòu)和功率具有一定波動性，并且能源互聯(lián)過程中存在著能量互補耦合的關(guān)系，電網(wǎng)方面希望所并入的新能源出力足夠穩(wěn)定且波動幅度小，因此儲能系統(tǒng)對有功功率協(xié)調(diào)控制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性尤為關(guān)鍵。按照風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)的多能互補運行特性，當風(fēng)光電站的有功出力過大(Pnet＞0)時，此時儲能變流器檢測到公共電網(wǎng)的頻率過高進而觸發(fā)儲能單元工作于充電狀態(tài)，用于削除公共電網(wǎng)中多余有功功率，確保公共電網(wǎng)的安全，進而避免公共電網(wǎng)給風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時所造成的風(fēng)光投切離網(wǎng)。

另外，對于系統(tǒng)不平衡量Qnet的功率因素滯后和超前判斷，通過實時采樣比較并網(wǎng)點的實際電壓與標定額定電壓的差值，判斷其公共節(jié)點的無功不平衡狀態(tài)，進而促發(fā)雙向DC/DC進行相應(yīng)調(diào)整動作。

根據(jù)能量補償原理及過程，得到風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)雙向DC/DC與能量路由器整體協(xié)調(diào)控制，其控制框圖如圖5所示。

圖5 DC/DC換流器功率并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制框圖

同理，為實現(xiàn)園區(qū)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)在潮流轉(zhuǎn)供過程中園區(qū)公共電網(wǎng)穩(wěn)定運行，需要通過儲能裝置和能量路由器的協(xié)調(diào)功率平衡，采用如圖6所示的基于PQ無功補償改進控制策略。

圖6 能量路由器離網(wǎng)協(xié)調(diào)控制框圖

4 仿真驗證及分析

選取我國南方某地區(qū)(28°N，113°E)為研究對象，根據(jù)該地區(qū)的氣象歷史數(shù)據(jù)，該地屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，整體區(qū)域負荷波動及增長速度較為平穩(wěn)。為確保預(yù)測誤差最小以及功率曲線的擬合程度高，選取風(fēng)電場規(guī)模為10 MW、光伏電站為2 MW，公共電網(wǎng)電力負荷采取科研教育園區(qū)的波動數(shù)值，結(jié)合園區(qū)風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，構(gòu)建如圖7所示的Matlab/Simulink模型，主要電氣設(shè)備仿真模塊參數(shù)見表1。重點分析園區(qū)風(fēng)光儲并網(wǎng)系統(tǒng)下儲能容量不同優(yōu)化目標下對公共電網(wǎng)的能量補償狀況。

表1 仿真參數(shù)

圖7 計及無功補償?shù)膱@區(qū)風(fēng)光儲 系統(tǒng)仿真模型

首先結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)－粒子群算法對不同目標下的儲能容量尋優(yōu)迭代求解，并以此為條件對不同運行模式下的園區(qū)風(fēng)光儲系統(tǒng)的能量流優(yōu)化差異進行分析。根據(jù)求解流程，對兩種不同優(yōu)化目標下的函數(shù)迭代求解，得到如圖8、圖9所示的對比圖。

圖8 儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置對比運行圖

圖9 儲能容量優(yōu)化配置適應(yīng)度函數(shù) 曲線對比圖

由圖8的兩種運行計劃可以看出，在同等電力負荷運行計劃情況下，圖8(a)中的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的波動幅度比較大，而圖8(b)中風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的波動幅度相對較小，儲能系統(tǒng)的出力變化頻率相對較小。綜合上述結(jié)果，在忽略系統(tǒng)電能傳輸損耗以及在同等負荷調(diào)度運行計劃下，選取優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)損耗最小的儲能系統(tǒng)容量比較合理。

同時，在不同的容量迭代求取條件下，網(wǎng)絡(luò)有功功率波動值ΔPnet＝8.6%，網(wǎng)絡(luò)有功功率損耗ΔPloss＝1.7%，符合電網(wǎng)正常運行標準。

園區(qū)光伏出力及端電壓曲線如圖10所示，風(fēng)電端口出力及無功曲線如圖11所示，負荷曲線如圖12所示，公共電網(wǎng)功率波動及電壓偏差曲線如圖13所示。

圖10 園區(qū)光伏出力及端電壓曲線圖

圖11 園區(qū)風(fēng)電端口出力及無功曲線圖

圖12 園區(qū)負荷曲線圖

圖13 公共電網(wǎng)功率波動及電壓偏差曲線圖

根據(jù)上述風(fēng)電場、光伏電站和負荷的功率曲線圖，對儲能不同優(yōu)化目標下出力及公共電網(wǎng)功率波動狀態(tài)仿真，得到如圖14—17所示的波形數(shù)據(jù)。

圖14 平抑網(wǎng)絡(luò)功率時節(jié)點功率及電壓偏差圖

圖15 平抑網(wǎng)絡(luò)功率時節(jié)點三相電流及諧波圖

圖17 最小損耗時節(jié)點三相電流及諧波圖

綜合圖14和圖16中Pnet的波動狀況知，當儲能容量為最佳平滑網(wǎng)絡(luò)功率值時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功率波動程度相對于最小損耗時較佳，但是綜合其無功功率波動，公共電網(wǎng)在最小損耗儲能容量時響應(yīng)較為迅速，毛刺偏少，即分別測取并網(wǎng)節(jié)點三相電流及其諧波畸變率時，最小損耗容量的THD小于平抑波動容量值。另外通過與傳統(tǒng)運行下的圖11對比可知，儲能的作用有效提升了公共電網(wǎng)中的能量消納率，同時最小損耗時的儲能容量值降低了系統(tǒng)諧波電流所增設(shè)的附加損耗量。

圖16 最小損耗時節(jié)點功率及電壓偏差圖

由圖18知儲能單元和園區(qū)功率波動特性的規(guī)律一致，且出口電流平滑，有利于蓄電池的維護保養(yǎng)。由圖19和圖20知在風(fēng)電場、光伏電站與園區(qū)公共網(wǎng)柔性互聯(lián)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)換為離網(wǎng)時，儲能系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換動態(tài)，大幅度提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保了園區(qū)內(nèi)負荷的正常供電。而且根據(jù)圖18知，在離網(wǎng)運行期間，電網(wǎng)內(nèi)所竄流的無功功率變得平滑，即此時風(fēng)電場和光伏電站向電網(wǎng)所注入的無功功率偏少，另外有功功率的波動幅度也較小。在風(fēng)電場和光伏電站由離網(wǎng)轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)運行期間，電網(wǎng)內(nèi)有功功率出現(xiàn)了小幅的凸點，但是由于儲能系統(tǒng)的出力，系統(tǒng)的功率逐漸平滑，確保了系統(tǒng)內(nèi)功率的整體能量協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)定性。

圖18 無功優(yōu)化時儲能單元工作狀態(tài)圖

圖19 柔性互聯(lián)時電網(wǎng)功率及電壓波動狀態(tài)圖

圖20 柔性互聯(lián)時儲能單元工作狀態(tài)圖

5 結(jié)語

通過建立園區(qū)風(fēng)光儲一體化仿真模型，對園區(qū)風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)接入電網(wǎng)時的公共電網(wǎng)能量流進行仿真實驗，重點分析儲能系統(tǒng)引入園區(qū)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)后能量動態(tài)平衡以及公共電網(wǎng)的網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量情況。仿真結(jié)果表明含儲能系統(tǒng)的園區(qū)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)在與公共電網(wǎng)互動時可以有效提升風(fēng)光發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、儲能單元的充放電保護、公共電網(wǎng)內(nèi)的能量流動態(tài)協(xié)調(diào)，驗證了所構(gòu)建的風(fēng)光儲一體化系統(tǒng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)策略的有效性和正確性。