“源-網-儲”協調互動的風電并網消納策略

萬玉良，吳 堅，顧 銳，劉福鎖

(1. 國網內蒙古東部電力有限公司，內蒙古 呼和浩特 010000；2. 東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096；3. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

1 引言

為響應國家“能源革命”、“清潔能源”戰略[1-2]，我國風電并網規模持續增加[3-4]，2019 年全國風電新增裝機 2574 萬kW，同比增長40%，累計風電裝機容量達到2.1億kW[5]。目前我國發電仍以火電為主，截止2017年，我國火力發電占全部發電比例的70.92%[6]。由于火電機組爬坡能力有限，靈活性不足，對風電消納能力有限，棄風問題較為突出。2017 年我國棄風電量為達到419 億 kW.h，平均棄風率高達12%[7]，風電消納形勢較為嚴峻，對電網運行靈活性提出了更高要求[8]。此外，我國特高壓直流輸電規模逐漸增大、隨著直流輸電工程的快速建設，多地區形成了典型的多饋入直流系統，以華東電網為例，截至2018年底共饋入11回直流，形成典型的交直流混聯系統。

針對高比例風電并網問題國內外學者進行了大量研究[9-11]。文獻[12]利用含儲熱系統的光熱電站與風電站聯合并網，采用電加熱裝置將多余風電儲存在儲熱系統，該方法有助于靈活調度，但光熱電站的轉換效率不夠高。文獻[13]提出了含儲熱的熱電聯產機組與電鍋爐的風電消納協調調度模型，提升風電消納能力，減少調度成本，但時間尺度太短，考慮因素不足。文獻[14]提出一種儲輔助火電機組深度調峰的分層優化調度方案，可減少棄風率，但沒有從根本上解決火電機組爬坡能力不足問題。文獻[15]考慮了水電聯調機制，提升系統風電消納水平、降低整體運行成本，但風電消納容量受限于水流量大小、地理位置等，調節靈活性存在不足。文獻[16]基于電轉氣提高電網消納風電能力，但其安全性與可靠性有待提高。上述方法在風電消納上已達到瓶頸，并未充分利用電網直流調節特性，進一步釋放電網對風電的消納空間，因此，結合現有電網交直流混聯的結構形態[17-18]，進一步提升電網對風電的消納能力具有重要意義。

本文針對現有風電消納方法存在的風電消納水平不高、風電消納空間有限等瓶頸，利用電網直流調節特性，進一步釋放電網風電消納空間，提高電網對風電消納的能力。首先介紹了電網直流調制的基本原理，研究了直流調制控制模型。然后，基于直流調制模型，以系統綜合成本最小為目標，構建了“源-網-儲”協調互動的風電消納模型。提出了“源-網-儲”協調互動的風電消納策略，基于風電的波動特性，充分利用火電機組、直流調制、以及儲能系統間的協調運行特性，充分釋放電網消納風電空間，減小火電機組爬坡壓力，提升電網調峰能力，提高風電消納水平。最后，對IEEE-24節點系統進行了改進，并仿真驗證本文所提策略優越性和有效性。

2 電網直流調制模型

2.1 直流調制原理

直流調制主要指當電網受到擾動后，基于電網運行參數的變化，快速改變直流系統輸出有功功率，或者換流站在能量轉換過程中快速吸收無功功率，提高電網阻尼，維持電網穩定性和可靠性。本文利用直流調制的有功功率可調節特性，來應對大規模風電并網給電網帶來的沖擊，提高對風電的消納能力。

在整流側，改變電流調節整定值Id，實現功率調制。而直流功率的調制通常會疊加一個控制分量。若使用R-L電路調節，不考慮電容影響，直流線路中的穩態電流為

(1)

式中Xcr為整流側電抗，Xci為逆變側電抗，Udr為整流器閥側空載電壓；Udi為逆變器的閥側空載電壓。

通過改變換流變壓器的分接頭調節Udr，Udi，設置α，γ為定值。在調節過程中要注意調節范圍，Id對Udr，Udi的調節反應靈敏，會產生過電流引起電路元件損壞。Udr，Udi的調節響應較慢，可以通過控制觸發相位角α的控制迅速調節電流實現快速響應。

2.2 直流調制控制模型

直流有功功率調節采用閉環調節，比例-積分控制(PI)，其中比例環節調節KP可減少調節偏差，積分環節調節KI可消除系統的穩態誤差，迅速跟蹤信號的變化。調節器控制方程如式(2)、式(3)所示

(2)

(3)

圖1 直流調制控制模型

3 “源-網-儲”協調互動模型

3.1 目標函數

綜合考慮負荷特性，直流調制、風電、儲能與火電的調節能力，以“源-網-儲”系統綜合運行成本最小為目標，如式(4)所示

(4)

式中CGi為第i臺火電機組發電成本，CL為失負荷成本，CPW為棄風懲罰成本，CC為儲能運行成本，CZ為直流調制成本，Cq為火電機組爬坡成本系數。PLlossj，t為負荷j在t時刻的失負荷功率。PGi，t為火電機組i在t時刻的發電功率，PWloss，t為t時刻風電的棄風功率，PC， t為t時刻儲能的充電功率，PD， t為t時刻儲能的放電功率，PZ0為直流不調制時饋入的功率，PZ， t為t時刻直流輸入功率。NG為火電機組數量，NL為負荷節點數，T為總的優化時間。

3.2 約束條件

約束條件主要包括有用平衡約束、直流調制約束、風力發電約束、儲能約束、火電機組約束、線路約束以及失負荷約束。

1)有功平衡約束。系統有功率要滿足平衡條件，如式(5)所示

(5)

2)直流調制約束。直流調制功率有一定范圍，如式(6)所示。本文直流調制為直流長期調制運行方式[19]

PZ，min

(6)

式中，最大調制功率PZ，max=1.1PZ0，最小調制功率PZ，min=0.9PZ0。

3)風力發電約束。主要包括風電爬坡約束和風電棄風約束，如式(7)所示

(7)

式中λPw，t為風電爬坡率，λmin，t、λmax，t分別為風電最小、最大爬坡率。Δt為t時刻兩個風電功率間的時間間隔。PPW0，t為t時刻風電出力。

(8)

4)儲能約束。主要包括儲能功率約束、儲能荷電率約束以及儲能容量約束。儲能功率約束如式(9)所示

(9)

式中PC，max為儲能最大充電功率，PD，max為儲能最大放電功率。

儲能荷電約束如式(10)所示，設置此項約束可以避免儲能過充、過放

(10)

式中SOCmax、SOCmin為儲能最大、最小荷電率，SOC0為儲能系統初始荷電率，Et為儲能容量。

儲能容量約束如式(11)所示，確保儲能每時每刻的儲能容量滿足要求。

(11)

式中，EMax，EMin分別為儲能容量上下限(這里分別取100%的額定容量與10%的額定容量)，Δt為時間間隔，η1，η2分別為儲能放電與充電的效率。

5)火電機組約束。主要包括運行約束和爬坡約束，如式(12)所示

(12)

6)失負荷約束。即系統中某節點失負荷功率不能大于該節點負荷功率，如式(13)所示

0≤PLlossj，t≤PLj，t

(13)

4 “源-網-儲”協調互動的風電消納策略

本文所提風電消納策略充分調動電網火電機組、電網直流調制以及儲能間的協調互動特性，對大規模并網的風電功率進行消納，減小失負荷量，提高風電的消納能力，保障電網安全穩定運行，具體如圖2所示。

圖2 “源-網-儲”協調互動的風電消納策略

當并網風電在一定范圍內波動，未出現爬坡事件時，由系統常規火電機組和儲能系統進行調節、對并網風電進行消納，此時直流調制不動作。

在并網風電出力大幅下降，需要提高電網整體發電量時，先由常規火電機組和儲能機組調節，增加火電機組發電功率、儲能放電功率。當火電機組上爬坡率達到極限，儲能放電功率達到極限值，而仍然不能平衡電網功率，即出現風電爬坡事件時，直流調制開始動作，增加電網饋入功率，減小失負荷量，提高電網供電可靠性和安全穩定性。

在并網風電出力大幅上升，需要減小電網整體發電量時，先由常規火電機組和儲能機組調節，減小火電機組發電功率，儲能開始充電運行。當火電機組上爬坡率達到極限，儲能充電功率達到極限值，但仍然不能平衡電網功率出現風電爬坡事件時，直流調制動作，減小電網饋入功率，增加風電消納功率，提高電網風電消納水平。

在風電功率出現急劇波動，需要快速平衡電網功率，而火電機組和儲能系統來不及動作時，利用直流調制的快速調節能力，對電網整體功率進行快速平衡，緩解風電急劇波動對電網帶來的沖擊，在保障電網安全穩定水平的前提下，提高風電消納量或較小失負荷量。

基于構建的“源-網-儲”協調互動模型和風電消納策略，借助MATLAB工具箱中的線性規劃單純性算法對模型進行求解，具體如圖3所示。

圖3 風電消納策略

1)設置成本參數火電機組CGi、失負荷成本CL、棄風懲罰成本CPW、儲能成本CC，機組爬坡成本Cq，直流調制成本CZ，時間T等。

3)分別計算風電爬坡率λPW，t，火電機組爬坡率RGi，t，儲能充放電功率PC，t、PD，t，儲能容量Et。

5)準備線性模型中參數，如成本向量f′。火電、風電爬坡功率系數矩陣A。儲能充放電約束向量b。線路有功等式約束和系統功率平衡約束系數矩陣Aeq。線路有功等式向量，系統負荷功率向量Beq。火電機組發電功率、節點相角、線路熱穩定功率、風電功率、負荷功率、棄風功率、直流調制功率、儲能充電放電功率、儲能荷電率、儲能容量上限，下限向量ub，lb。

6)設置或更新模型的初始可行解X(t)=(b1，b2…，bm，0，…，0)′，并對本時刻電網功率進行求解，然后計算下一時刻t=Δt+t最優解。

7)若所有時刻均求出可行解，則輸出最優解。

5 算例分析

5.1 仿真系統的搭建

為驗證本文所提策略的優越性和有效性，借助MATLAB搭建了IEEE-24節點系統，并對其進行改進，在16號節點處接入800MW的直流，取代原16號、23號發電機節點。改進后系統結構如圖4所示，對上述“源-網-儲”協調互動的風電消納策略進行仿真分析和驗證。IEEE-24節點系統中火電機組的出力功率范圍如表1所示，爬坡率取為每分鐘調節2%的最大出力，采用對比分析：

策略1：借助傳統火電機組對并網風電進行消納，直流不參加調制。

策略2：在策略1的基礎上，在19節點上接入儲能系統，借助傳統火電機組和儲能對并網風電進行消納。

策略3：(本文所提策略)在策略2的基礎上，啟動直流調制，利用火電機組、儲能以及直流調制對并網進行消納。

表1 火電機組出力成本

圖4 改進的IEEE-24節點系統結構

風電預測功率如圖5所示。爬坡率上、下限均為20MW/min，儲能系統運行成本系數為9＄ /MWh，直流調制成本系數設為11＄ /MWh。棄風懲罰系數為35＄ /MWh，失負荷懲罰系數為1000＄ /MWh。火電機組爬坡成本因子取25。

圖5 風電預測功率

基于提出的“源-網-儲”風電并網消納策略，借助線性規劃單純形算法，利用MATLAB對模型進行求解，結果如下。

5.2 方法優越性分析

圖6 風電棄風功率曲線

圖7 風電滲透率曲線

由圖可以看出，各風電功率增長比例下，策略3的棄風功率低于策略2，策略2低于策略1；策略3的風電滲透率高于策略2、策略2高于策略1。這是由于策略1僅依靠傳統火電機組對并網風電進行消納，而火電機組爬坡能力有限，為保證系統穩定運行，不得不丟棄部分風電功率。策略2的風儲系統對并網風電功率進行適當地儲能和放電，減小棄風功率，使其可以更多的被消納。策略3在火電機組爬坡率達到極限，儲能充放電功率達到極限時，利用直流調制，進一步對風電進行消納，減小棄風功率，提高風電滲透率。

按比例逐漸增加圖5中風電預測功率，分別對策略1、策略2、策略3下的失負荷量PLloss進行求解，結果如圖8所示。

圖8 失負荷量曲線

由圖可以策略3在各風電增長比例下失負荷量為0，策略2的失負荷量低于策略1。這是由于在風電功率出現大幅下降時，策略1中傳統火電機組爬坡率已經極限值，無法在短時間內快速增加出力，平衡電網功率，不得不切除部分負荷，保障電網安全穩定運行。

策略2在策略1的基礎上，在火電機組無法再增加出力時，啟動儲能進行放電運行，增加電網發電功率，減小失負荷量。

策略3在策略2的基礎上，在火電機組、儲能系統達到極限時，進一步基于直流調制增加電網饋入功率，平衡電網功率，進一步減小失負荷量，保障電網安全穩定運行。

按比例逐漸增加圖5中風電預測功率，分別對策略1、策略2、策略3下的系統綜合成本進行求解，結果如圖9所示。

圖9 綜合成本曲線

由圖可以看出，不同風電并網比例下，策略3的綜合成本始終低于策略2，策略2的綜合成本始終低于策略1。這是由于策略1的棄風功率、機組爬坡壓力均高于策略2，策略3高于策略3；導致策略1的棄風成本、機組爬坡成本高于策略2，策略2高于策略3。本文所提策略3有效降低了“源-網-儲”系統綜合成本，提高系統運行經濟性。

5.3 方法有效性分析

經過上述仿真驗證可知，策略3優于策略1、2，在減小棄風功率、提高風電滲透率、減小失負荷量，降低系統綜合成本上具有一定優勢，下面進一步分析策略3的有效性。

在1.4倍風電預測功率情況下，對風電消納功率PPW， t進行求解，結果如圖10所示。

圖10 風電消納功率

由圖10可以看出，策略3的風電消納功率高于策略1、2。這是由于在風電出現大幅波動或快速波動時，火電機組爬坡率和儲能系統充放電功率達到極限值，或者火電機組和儲能系統來不及動作的情況下，策略3中直流調制可以進一步對大幅波動活快速波動的風電進行消納，緩解火電機組爬坡壓力，釋放系統消納風電空間，提高風電消納比例。

在1.4倍風電預測功率情況下，依據式(12)對不同策略下系統火電機組實際爬坡率RGi，t進行求解，結果如圖11所示。由圖11可以看出，策略3下的火電機組實際爬坡率低于策略2，策略2低于策略1。這是由于在風電發生較大波動時，直流調制利用其快速的功率調節特性，快速對波動的風電功率進行消納，減小火電機組爬坡壓力，提高系統穩定性。

圖11 火電機組爬坡率

在1.4倍風電預測功率情況下，對不同策略下系統整體出力爬坡率RG，t進行求解，本文系統整體爬坡率RG，t按照系統相鄰總發電功率PZG，t之差與時間間隔Δt的比值計算，如式(14)所示，以表征系統整體爬坡能力，結果如圖12所示。

(14)

圖12 系統整體爬坡能力

由圖12可以看出，策略3的系統整體爬坡率高于策略1、2，這是由于策略3的直流調制在風電功率出行急劇波動而火電機組和儲能系統爬坡率已經達到極限、或來不及動作時，在短時間內快速調節饋入電網功率，提高系統應對風電波動能力，整體爬坡能力和風電消納能力。

6 結論

1)充分利用電網交直流混聯運行特性，釋放電網對風電的消納空間，是探索風電消納新模式，對提高電網風電消納能力具有重要意義。

2)構建的“源-網-儲”協調互動模型，充分結合電網交直流混聯運行特性，利用火電機組、直流調制以及儲能系統間的協調運行特性，釋放風電的消納空間，提高電網對風電的消納能力。

3)構建的“源-網-儲”協調互動的風電消納策略，在提高風電消納能力的同時，減小了電網失負荷量、火電機組爬坡壓力、電網調峰調壓壓力，提高了電網整體爬坡率和應對風電波動的能力，對保障交直流電網安全穩定運行具有重要的學術研究意義和工程實用價值。