含新能源的獨立電網儲能容量配置和運行策略研究

王正輝

（中國電建集團青海省電力設計院有限公司，青海 西寧 810008）

0 引 言

相比傳統互聯電網，利用新能源發電技術介入獨立電網，在規劃和運行過程中受到不確定性因素的影響更加顯著。本文主要闡述了新能源發電接入電網類型以及運行策略發展現狀，詳細分析了多種獨立電網構建方式和控制策略。

1 風儲獨立電網儲能容量優化

由于各地能源政策和環境差異，風力發電過程中可以采用集中安裝和分散布置方式，因此儲能系統也可以采取分散安裝和集中安裝的方式。根據風力發電機和儲能安裝不同，可將風電儲能電網劃分為如下四種方式。（1）風力和儲能系統安裝在獨立電網中；（2）分散安裝風電發電機，集中安裝儲能系統；（3）集中安裝風力發電機和分散安裝儲能系統；（4）分散安裝儲能系統和風力發電機。由于儲能系統在分散安裝過程中成本較高，且規劃難度較大，因此本文采用的風電儲能電網結構實際上是指由分散安裝和集中安裝的風力發電機和儲能系統共同構成，如圖1所示。

集中安裝的儲能系統和風電場電網中，某一區域范圍內集中安裝風力發電機，可形成風電場。風電場中存在多臺發電機，可以通過線路匯集并連接到相應的輸電線路中，通過高壓線路將電能輸送到相應的用戶側，經降壓變能夠向用戶提供供電。此外，由于儲能系統在用戶側安裝，因此能夠減小系統升壓變尺寸，進一步提升電能質量，防止出現線路故障，保證用電的可靠性。分散安裝風力發電機和集中安裝儲能系統時，低壓配電網中分散安裝風力發電機靠近用戶一側，每臺風力發電機可通過升壓變進入到相應的輸配電網中，而儲能系統能夠通過升壓變逆變器與發電機共同接入到地下配電網中。分散分布的發電機的輸出率更加穩定，由于風電場會受到氣候條件的影響，因此其輸出功率變化明顯。但是，由于風力發電機采取分散安裝時規劃難度較高，因此目前針對大容量主要采用集中安裝的方式，而小容量在微電網中采取分散安裝的方式。

圖1 風電儲能電網結構示意圖

對于儲能容量優化配置，大電網互聯能夠提升電網運行效率，保障電力的可靠性。然而對于一些偏遠地區，由于電網和主網間無互聯，因此很難保證供電可靠性。隨著可再生能源發電技術的發展，以可再生能源作為電源配合儲能設備構成獨立電網，能夠為偏遠地區解決能源輸送問題。當主網與獨立電網無互聯時，可以采用孤島運行供電；當獨立電網與主網存在較弱的聯系時，獨立電網可以采用孤島運行和聯網的模式，進一步提升電網可靠性[1]。當風力發電接入獨立電網中，雖然能夠提供天然能源，但由于其具備間歇性和隨機性，會對系統穩定性產生不利影響。為保障系統安全運行，接入風電后需要配置備用容量和調頻電源。風電場的不可調度性會給系統調度帶來難度，基于儲能系統的響應特點，合理配置儲能系統，能夠實現電廠的可調度性。這也是目前解決風電場聯網接入的有效辦法。可以將風電儲能、電網和風電儲能系統作為常規電源，在常規調度具有可行性的基礎上，盡可能降低備用電源和輔助調峰需求。

2 含新能源微電網旋轉備用優化

微電網是由負荷、分布式源共同構成的，能夠向特定區域提供獨立的電網可控系統。微電網中，分布式源包括燃氣輪機、熱電聯產、儲能設備及風力發電機等。微電網具有分布式發電技術，尤其能夠分散可再生能源發電接入，具有良好的人機交互能力。分布式發電在與用戶側組網時能夠減小原距離的輸電損耗，提高配電能力，延緩電網升級壓力，降低投入成本。一方面，大電網面臨連鎖故障和自然災害，導致存在停電事故的威脅，同時也暴露了在現有大電網機組情況下線路集中發輸電對系統可靠性影響程度較大的問題；另一方面，各國鼓勵采用新能源發電技術，以產生良好的綜合效益，同時為偏遠地區解決供電問題。基于此，建立微電網是目前最好的解決措施。孤島運行和聯網模式切換能夠隔絕主網對微電網產生的影響，提升供電安全性、可靠性，彌補大電網在互聯過程中存在的不足之處。

2.1 不確定性分布模型

傳統電力系統運行中，為維持旋轉備用容量，確保系統實現安全穩定運行，旋轉備用量采用確定性計算。這種方法相對比較簡便，系統不確定性主要考慮機組故障和負荷預測誤差，且負荷預測結果比較準確，能夠滿足系統運行需求，進而得到廣泛應用[2]。但是這種旋轉備用方法沒有考慮系統不確定性對旋轉備用產生的不利影響。尤其是微電網，分散接入可再生能源發電后發電功率的隨機性、波動性會增加微電網的不確定性運行狀態。因此，準確分析微電網不確定因素能夠為實現微電網宣傳備用優化提供基礎。

例如，傳統電網負荷預測過程中，預測誤差其均值為零，是一種正態分布，由于大電網日負荷重復性較強，預測時長和誤差相關性小，所以利用標準差能夠假設與負荷實際成某種比例關系。由于供電負荷相對集中，負荷變化較大，導致誤差較大，因此在微電網負荷預測過程中需要將預測誤差均值設為零，其標準差的正態分布為：

取t負荷中預測誤差分布標準差：

其中，t為時段，l為光照強度為光伏發電功率預測值，為光伏發電功率預測誤差。

微電網中，可控發電單元包括燃料電池、微型燃氣輪機。此外，還可以將主網聯絡線和微電網作為特殊可控發電單元。當主網向微電網輸送的功率為正值時，此時上主網輸送功率為負值，導致可控發電單元不確定性是由于設備故障停運引起的功率偏差，選擇傳統大型發電機的停用模型，利用兩種狀態來描述微網內可控發電單元的實際運行情況。優化中，一旦可控發電單元出現故障停止運行，可認為發電單元替換時間長，可以忽略發電單元修復的可能。因此，計算可控發電單元停運替代功率時，可用式（3）表示：

其中，λr為可控發電單元r的停運率，dr為各個優化時間段時長，其可控發電單元不確定性離散分布，如表1所示。

表1 可控發電單元不確定性離散分布情況

2.2 微電網旋轉備用的優化模型

設置旋轉備用能夠減少因微電網功率不確定而出現的停運風險，但需要增加微電網運行成本。增加旋轉設備的投入能夠減小系統停電概率，然而也會增加系統的整體成本。這主要是因為增加旋轉設備，不僅提高了成本，而且需要增加發電單元開機，使其他發電單元出力偏離最優值。由于聯網和微電網孤島運行過程中屬于不同的側重方向，對于微電網旋轉備用，孤島模式的供電可靠性是關鍵因素。聯網模式下，實際上是基于主網聯絡線、保障供電可靠性的前提下，能夠使經濟性成為旋轉備用設備的重點。

3 風儲獨立電網孤島控制

圖2為廣東某聯絡線交換功率數據。

圖2 廣東某聯絡線交換功率數據

由于各地區存在多個風電場，安裝大量風機，并且沒有配置其他的儲能單元，聯絡線交換功率是用電功率和負荷的不平衡功率，因此可知功率差額和累計能量差額相對較大。采用傳統的控制策略會使孤島運行儲能系統容量需求大，投入成本高，因此在以風力發電為主的獨立電網中，基于配套儲能系統容量，可通過電荷和電源側的雙側協調控制實現風電功率與負荷的平衡，擺脫過去利用可控發電單元進行負荷波動和可再生能源發電。風電儲能獨立電網運行控制時需要做好分層控制設計，控制好預測誤差。由于受到容量和儲能系統功率限制，完全采用儲能消納獨立電網負荷不平衡和風電功率是不可行的，因此需要基于平衡功率將風電儲能、電網控制策略劃分成雙層控制，即上級負荷側和風電電源側控制、下級儲能系統功率補償。

4 結 論

利用新能源發電能夠為實現區域獨立供電提供有效方法。由于風力和光伏發電過程中存在間歇性和波動性，影響電能質量，因此需要研究新能源獨立電網的規劃控制技術，使其滿足實際供電需求。