基于余熱發(fā)電的微電網(wǎng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置研究

魏振洋

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

目前，隨著余熱發(fā)電技術(shù)的日益成熟及廣泛應(yīng)用，建材企業(yè)的傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)模式在加入余熱發(fā)電項(xiàng)目后，不僅對(duì)降低能耗、減少電費(fèi)支出等方面具有積極的意義，同時(shí)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性、先進(jìn)性也有很大的技術(shù)支撐。但同時(shí)應(yīng)看到，隨著余熱發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施，整個(gè)系統(tǒng)的控制變得更為復(fù)雜：整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的水、氣、塵等過(guò)程更加構(gòu)成一個(gè)有機(jī)循環(huán)的整體。以供電系統(tǒng)為例，沒(méi)有余熱發(fā)電項(xiàng)目之前屬于純粹的受電系統(tǒng)，而在余熱發(fā)電加入后則變?yōu)榈湫偷木哂邪l(fā)、輸、配特征的微電網(wǎng)系統(tǒng)，特別是一個(gè)廠區(qū)內(nèi)具有多條水泥生產(chǎn)線、余熱發(fā)電和生產(chǎn)線形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)關(guān)系更具有典型性；隨著售電市場(chǎng)的放開(kāi)及直供市場(chǎng)的進(jìn)一步優(yōu)化，相信越來(lái)越多的建材企業(yè)將加入到構(gòu)建自己的供電網(wǎng)絡(luò)大軍中來(lái)，因?yàn)檫@樣不僅可以自發(fā)自用節(jié)約成本，而且可以發(fā)揮更大的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展跨行業(yè)多種經(jīng)營(yíng)；對(duì)電力系統(tǒng)而言，最重要的就是各種故障的研判；對(duì)微電網(wǎng)而言就是基于故障研判基礎(chǔ)上的儲(chǔ)能設(shè)備優(yōu)化配置。

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)化配置問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究，將儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用到微電網(wǎng)中，其容量問(wèn)題是不得不考慮的，因?yàn)槿萘啃×瞬荒転槲㈦娋W(wǎng)提供經(jīng)濟(jì)性，所需的靈活性以及可靠性要求，容量太大了將會(huì)增加系統(tǒng)的投資成本和維護(hù)費(fèi)用[1]。因此必須對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的容量進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到減少微電網(wǎng)的運(yùn)行成本和投資。文獻(xiàn)[2]考慮電力系統(tǒng)可靠性要求，提出了一個(gè)確定系統(tǒng)備用儲(chǔ)能容量大小的分析方法，備用能源可以以電能或燃料形式存儲(chǔ)。文獻(xiàn)[3]研究了面對(duì)時(shí)段收費(fèi)工業(yè)客戶的儲(chǔ)能容量問(wèn)題。

1 支路勢(shì)能暫態(tài)能量函數(shù)

1.1 基于實(shí)際故障軌跡的支路暫態(tài)能量函數(shù)

在一多機(jī)電力系統(tǒng)中，在原來(lái)結(jié)構(gòu)保留模型的電網(wǎng)中，加入代表虛擬的發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢(shì)節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)保持的增廣系統(tǒng)，其能量函數(shù)為：

沿網(wǎng)絡(luò)實(shí)際軌跡構(gòu)造能量函數(shù)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)能就是每臺(tái)發(fā)電機(jī)的動(dòng)能之和，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的勢(shì)能則可以表示為增廣系統(tǒng)中所有支路的暫態(tài)勢(shì)能和負(fù)荷的暫態(tài)勢(shì)能的之和。

1.2 微電網(wǎng)支路暫態(tài)能量函數(shù)

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)保留模型能量函數(shù)的外勢(shì)能Vp可表示成如下形式：

根據(jù)上一節(jié)中系統(tǒng)支路暫態(tài)能量函數(shù)的構(gòu)造方法，上式微電網(wǎng)系統(tǒng)的外勢(shì)能Vp可用每條支路能量來(lái)表示，即微電網(wǎng)支路暫態(tài)能量函數(shù)V′p，i-j表示如下：

2 基于微電網(wǎng)支路暫態(tài)能量函數(shù)的儲(chǔ)能優(yōu)化方法

基于微電網(wǎng)支路暫態(tài)能量函數(shù)的儲(chǔ)能優(yōu)化布局基本步驟如下。

2.1 微電網(wǎng)系統(tǒng)故障掃描

不管微電網(wǎng)系統(tǒng)是否穩(wěn)定，其系統(tǒng)的外勢(shì)能總是會(huì)有一個(gè)最小的極值點(diǎn)Vpmin。系統(tǒng)Vpmin隨故障切除時(shí)間tcr的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 Vpmin隨tcr變化曲線

（1）系統(tǒng)故障后，其Vpmin曲線由接近線性的兩個(gè)部分構(gòu)成，分別是系統(tǒng)的穩(wěn)定和不穩(wěn)定情況下的軌跡；

（2）不穩(wěn)定情況下對(duì)應(yīng)的軌跡相對(duì)比較陡，穩(wěn)定軌跡情況下對(duì)應(yīng)的軌跡相對(duì)比較平，并且數(shù)值也較小；

（3）系統(tǒng)故障后的Vpmin曲線有一拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是故障臨界切除時(shí)間tcr。

2.2 微電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)能量分布特性

通過(guò)觀察各支路暫態(tài)能量的分布情況，來(lái)分析系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)一個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)，它的某一條支路兩端的支路角就會(huì)變得很大，對(duì)應(yīng)支路的暫態(tài)勢(shì)能就會(huì)在整個(gè)勢(shì)能中占的比重就會(huì)很大，系統(tǒng)也會(huì)在該支路上因失去穩(wěn)定而發(fā)生解列。所以，把該支路當(dāng)作系統(tǒng)的脆弱支路，相應(yīng)的最大勢(shì)能支路就是系統(tǒng)的最脆弱支路。該最脆弱支路就被視為儲(chǔ)能設(shè)備的最優(yōu)安裝位置。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本章所提出的微電網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法的有效性，本章在MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境中對(duì)所建立的模型進(jìn)行了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，一個(gè)3機(jī)9母線仿真系統(tǒng)見(jiàn)圖2。系統(tǒng)中每個(gè)逆變電源的額定功率為10kW，下垂系數(shù)為mi=le-5，ni=3e-4，i=1，2，3。

圖2 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

3.1 系統(tǒng)故障掃描

對(duì)該仿真系統(tǒng)的不同位置設(shè)置三相短路故障（3LG）、兩相接地短路故障（2LG）、兩相短路故障（2LS）和單相短路（1LG）故障，通過(guò)不斷改變故障切除時(shí)間tcl，求取在不同的類型故障狀態(tài)下系統(tǒng)的故障臨界切除時(shí)間tcr。

從表1可以看出，當(dāng)在同一地點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生3LG故障時(shí)，tcr的值最小，發(fā)生1LG故障時(shí)，tcr的值最大。所以3LG故障是該系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障類型。同時(shí)，當(dāng)3LG故障發(fā)生在支路3-4時(shí)，tcr的值最小，也就是說(shuō)，此時(shí)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性是最差的，即該故障狀態(tài)為系統(tǒng)的最嚴(yán)重故障。

表1 不同位置發(fā)生不同類型故障時(shí)系統(tǒng)tcr的值（ms）

3.2 系統(tǒng)暫態(tài)能量分布特性

從表1可知，對(duì)所有故障類型來(lái)說(shuō)，故障發(fā)生在支路3-4是最嚴(yán)重的故障狀態(tài)。為了確定系統(tǒng)最脆弱支路，對(duì)于3LG、2LG和2LS故障，故障發(fā)生時(shí)刻為0.65s，故障切除時(shí)刻為0.77s，對(duì)于1LG故障，故障發(fā)生時(shí)刻為0.65s，故障切除時(shí)刻為1.08s。

如圖3所示，系統(tǒng)此時(shí)沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。支路2-3上的暫態(tài)勢(shì)能值最大，也就是說(shuō)在暫態(tài)過(guò)程中，該支路受到的暫態(tài)能量的沖擊是最嚴(yán)重的，系支路2-3就是該系統(tǒng)在此種失穩(wěn)情況下的最薄弱支路。而支路3-4為次薄弱支路，并且對(duì)3LG，2LG，2LS故障來(lái)說(shuō)，各支路暫態(tài)勢(shì)能比重分布情況是一樣的。所以將母線3作為儲(chǔ)能的最佳安裝位置。

表2描述了故障發(fā)生在支路3-4時(shí)的V′crp，2-3值大小，V′crp，2-3的值可以用來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定程度以及儲(chǔ)能設(shè)備安裝在不同位置時(shí)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定效果。

圖3 系統(tǒng)各支路暫態(tài)勢(shì)能分布圖

表2 支路3-4發(fā)生不同類型故障時(shí)V′crp，2-3

3.3 儲(chǔ)能設(shè)備優(yōu)化布局

從表3可以看出，儲(chǔ)能設(shè)備安裝在母線3上時(shí)，對(duì)所有故障類型，其對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性效果是最好的，支路2-3暫態(tài)勢(shì)能Vp，2-3和系統(tǒng)內(nèi)勢(shì)能波動(dòng)最小，而且數(shù)值趨向于0，說(shuō)明在此種布局方案下，儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)能量的抑制作用最好，能夠有效地抑制故障向系統(tǒng)注入不穩(wěn)定能量。而且從表3可以得到，對(duì)所有故障類型，當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備安裝在母線3上時(shí)，V′maxp，i-j和IPE的值是最小的。所以儲(chǔ)能設(shè)備的最佳安裝位置是母線3。

表3 儲(chǔ)能設(shè)備安裝在不同母線上，支路3-4發(fā)生不同類型故障時(shí)V′maxp，i-j和IPE的值

4 結(jié) 論

本文首先學(xué)習(xí)了支路暫態(tài)能量函數(shù)的相關(guān)內(nèi)容，構(gòu)造了適合微電網(wǎng)環(huán)境的微電網(wǎng)支路暫態(tài)能量函數(shù)，基于該支路能量函數(shù)，將微電網(wǎng)暫態(tài)能量函數(shù)的外勢(shì)能等效到每一條支路上，即用支路能量表示系統(tǒng)外勢(shì)能。通過(guò)找尋支路勢(shì)能最大值的支路，來(lái)確定系統(tǒng)最薄弱支路，最后確定儲(chǔ)能設(shè)備的最佳安裝位置。設(shè)計(jì)了多微電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)的儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析，證明了所提方法是有效和可行的。

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