基于暫態下電網脆弱點辨識的儲能電池選址方法

陳長青，楊 嫻

(湖南城市學院 機械與電氣工程學院，湖南 益陽 413000)

由于ESB 技術的快速發展和其特有性質，在電力系統中的運用備受關注﹒但不同運行工況下，ESB 對電網影響不同，其選址定容的方法也不盡相同﹒因此，如何科學合理地選址已成為當今熱點問題﹒

目前，國內外對ESB 接入電力系統的選址研究主要是針對電網某一特性進行分析，尚未構成完整的選址指標體系﹒文獻[1-2]指出電網中節點功率變化對系統的影響與其靈敏度成正比，這些節點可作為功率調節設備的最佳安裝地點﹒文獻[3]中將網絡損耗作為優化目標，將儲能視為負荷，利用網絡損耗靈敏度分析方法，對儲能裝置進行容量優化和選址﹒文獻[4]通過分析CBEST 的安裝地點對其功率補償效果的影響來選擇CBEST的最佳安裝地點；通過不同工況下的故障設置驗證其有效性和可行性﹒文獻[5]以日內儲能投資成本和運行成本之和最小為目標，考慮儲能荷電量時段間耦合約束，構建儲能選址定容模型﹒文獻[6]在考慮儲能效益與成本的基礎上，建立了系統節點電壓波動、負荷波動及儲能裝置總容量為目標的多目標優化模型，并提出一種基于改進多目標粒子群算法的配網儲能選址定容方法﹒文獻 [7]研究了儲能電站接入配電網后對原有電流保護的影響，采用多維編碼法對節點進行編碼，以網損與電壓偏移最小為優化目標，在約束條件中考慮了配電網和儲能電站輸出電流，來進行儲能電站的選址定容﹒以上研究都僅從不同的單一角度分析了儲能接入之后對電網的影響，均未構建完整的選址評價指標體系﹒

電網是一個相互制約和影響的整體，不是由孤立節點簡單連接而成，且在不同運行工況下接入儲能，其作用不一樣，選址方法也不盡相同﹒因此，本研究從電網脆弱性角度來分析ESB 在緊急暫態控制下的選址方案﹒文獻[8]分析了基于脆弱性評價指標體系的儲能規劃新方法的可行性，并提出了基于脆弱性理論的主動配電網儲能規劃方法，但未考慮儲能對暫態穩定性的影響﹒文獻[9]在風電消納工況下構建評價指標體系，通過該指標體系對ESB 進行選址研究，并對該選址方法的可行性進行了驗證﹒文獻[10]從安全、穩定和經濟性這3 個方面建立指標評估模型，對比分析儲能系統各接入位置的優劣，從而進行合理地選址，其僅從電網層面考慮的指標選取比較粗略，并未根據實際運行工況進行深入分析﹒文獻[11]在建立計及超導儲能裝置接入的電網最大輸電能力計算模型基礎上，以接入超導儲能裝置后系統凈收益最大為目標函數，通過遺傳算法求解得到超導儲能裝置的優化安裝地點和容量，并進一步提出了基于靈敏度分析的SMES 優化配置方法，但將其轉化成了多目標尋優方法，忽視了電網地理及電氣結構特點﹒綜上，如何在不同的運行工況下，建立更符合電力系統特點的ESB 選址評價指標，是一個亟待解決的問題﹒

大面積停電事故一般由個別元件故障開始并最終導致全系統崩潰[12-13]，其中起到推波助瀾作用的往往是極少數具有長程連接的線路[14-15]﹒因此，從電網脆弱性出發尋找電網關鍵節點，首先利用電氣節點耦合度指標描述中心節點，其次考慮節點負荷經濟性及負荷等級，使該指標能有效反應節點的經濟和社會影響，從而能更全面地反映出節點故障對系統的影響程度﹒基于ESB 其快速的功率吞吐能力和靈活控制的特點，來驗證分析當節點受到攻擊而致使電網處于緊急暫態工況下，ESB 能否有效維持電網穩定，為ESB 的選址研究提供新思路﹒

1 構建脆弱性暫態選址指標體系

目前，電力系統發生暫態問題時，主要通過切機與切負荷使系統過渡到新的或恢復到原來穩態狀態，這嚴重影響電能質量和供電可靠性，甚至會引起電網崩潰﹒而ESB 具有快速功率吞吐能力和靈活控制的特點，可有效緩解切機量和減少切負荷量，提高暫態功角穩定性﹒因為電網的暫態問題一般是由于個別元件或節點發生故障后引起的，所以通過系統脆弱性分析，找出系統脆弱節點及重要節點，當其發生故障時，儲能可快速響應而減少對電網影響的思路切實可行﹒

為將實際電網簡化，利用電網拓撲結構表述，將發電機、負荷及變電站等效成節點，邊為傳輸線路，其詳細網絡拓撲化原則見文獻[14]﹒

1.1 節點脆弱度指標選取

對電力系統節點進行脆弱度分析時，高度數節點并不一定是網絡的脆弱點[16]；電力系統中也存在少量節點擁有較高介數，但這些節點的缺失不會引起潮流重新分布﹒因此，不能僅僅考慮節點的介數和度數，更應該考慮節點承擔的功率及故障時造成的負荷損失率﹒

其中：Li為節點的負荷；m 為節點故障后退出系統的集合；L 為系統負荷﹒

由于隨著時間的推移，系統元件將會不同程度的老化，從而影響脆弱度﹒基于此，研究引入設備老化失效故障概率模型[17]﹒老化過程通常服從威爾布(Weibull)分布，設備在最大設計溫度下的故障概率表示為

其中：t 為設備服役時間；n 為形狀參數；T 為最大溫度下運行時間﹒

綜合考慮設備達到老化程度之后，能更有效地從設備故障層面綜合反映節點脆弱度，其脆弱度可定義為負荷損失率與老化故障概率之積，即

其中：Ci為考慮設備老化程度之后的綜合脆弱度，該指標能綜合反應某節點故障時，對電網造成的負荷損失影響﹒

1.2 社會經濟影響指標選取

在電力系統中，不同節點故障造成不同負荷等級(重要度)切除量不同，致使造成的經濟損失和社會影響程度也不同﹒文獻[18]雖指出了不同負荷節點的經濟因子不同，但并未對負荷進行等級劃分，且節點處的負荷可以全部切除，這與實際電路運行不符﹒因此，根據節點所接負荷等級不同，設定不同的經濟影響因子，當節點發生故障時，根據需要切除的不同等級負荷計算出社會經濟影響值﹒

其中：Ji為i 節點故障時造成的社會經濟影響；a1，a2和a3分別為1 級負荷、2 級負荷和3 級負荷影響因子；Plost1，Plost2和 Plost3分別為1 級負荷、2 級負荷和3 級負荷切除量﹒

其中：Mi為電網中單元i 的綜合脆弱性指標﹒

綜上，電力系統的脆弱強度不僅與自身運行參數相關，還與其網絡結構緊密聯系﹒基于暫態穩定下，電網為維持系統穩定運行，需采用切機或切負荷手段，故從負荷側對節點進行分析，計算出各節點故障時綜合社會影響排序，將排序靠前的節點定義為脆弱節點﹒

2 基于脆弱度的儲能選址方法

暫態緊急控制中，由于某一節點故障，將導致機組失穩解列，失去部分供電能力，為了維持系統穩定，需要進行減載﹒這不僅影響系統供電可靠性，同時影響用戶用電舒適度和造成產品損失﹒因此，在系統故障時，儲能能有效減少切機造成的供電缺額﹒

復雜網絡脆弱性評估實質是對電網結構脆弱性的評估，是指電網中某一節點或某一些節點退出或相繼退出后，電網保持其拓撲結構穩定的能力﹒而在暫態工況下分析脆弱性，主要是考慮節點退出后，對負荷及機組的影響﹒因此，基于上節構建的評估指標對電網暫態進行選址，主要從負荷側層面進行研究，對比分析節點移除后，對電網社會經濟影響的程度，評估電網的重要節點，即為脆弱節點及儲能的安裝位置﹒暫態下脆弱性節點的選址流程見圖1，判斷步驟如下：

1)根據式(1)計算i 節點故障時負荷損失率；

2)根據式(2)計算i 節點元件故障概率；

3)根據式(4)計算i 節點負荷損失的社會經濟影響值；

4)根據式(5)計算i 節點的綜合脆弱度，并排序，確定脆弱節點集，即為儲能安裝位置﹒

圖1 選址程序流程

3 算例及其分析

3.1 算例系統

使用PSASP 6.2 對IEEE 39 節點系統進行時域仿真分析，首先，0.2 s 時在各重要節點母線上設置三相短路接地故障，0.3 s 時清除故障，記錄每個節點故障時系統的總負荷損失量；然后改變系統設備故障率及負荷等級的經濟影響因子，假設節點20，23，25 和39 為1 級負荷節點(可直接由雙電源供電)，其余節點負荷均為2 級和3 級負荷，且各占50%，因國內目前還未對各等級負荷缺失造成的社會經濟影響進行量化，為說明問題，此處假設經濟影響因子分別為3.0，0.8 和0.3﹒

3.2 仿真分析

3.2.1 IEEE 39 節點系統儲能位置確定分析

根據第1 節構建的指標體系，對IEEE 39 節點系統儲能位置確定分析結果列于表1，不同情形下的脆弱度節點見表2﹒由表2 可知，在不考慮設備故障率時，IEEE 39 節點系統脆弱節點均處于系統電氣連接結構的樞紐位置或是耦合度數較高的節點，這與參考文獻[16]基本符合；同時與其它母線相比，故障發生在此類節點上時，更易蔓延而引發全局性的事故﹒當改變節點的老化率時，其節點脆弱度將會轉移，此時節點9，28，17，16，4 和15 脆弱度較大，其中節點9 和28在不考慮設備老化率時，負荷損失量較小，但當這些節點設備老化率較大時，其累計影響較大，這說明設備老化程度對節點的脆弱度有一定的影響﹒因此，電網中重要節點的刷選不僅需要考慮電網拓撲結構，還需綜合考慮節點在電網中所處的位置、設備老化及其累計影響﹒

假設節點老化程度指標一致，當改變節點負荷等級時，各節點的脆弱度將有明顯變化﹒節點17，4，15，25，23 和3 的社會經濟影響程度較大，但這些節點度數均不是最高；17，4 和15 節點處于系統的樞紐位置，負荷損失量較大；23 和25 節點雖然損失負荷率較小，但由于是重要負荷節點，因此其綜合社會影響值較大，脆弱度也較大；節點17，9，4，15，16 和25 綜合脆弱度較大，節點9 受設備老化程度影響最大，節點25 是重要負荷﹒因此與拓撲度相比，考慮負荷等級能識別出那些處于電網樞紐地段或接有重要負荷的節點，而忽略負荷等級作用，只考慮節點度數的電網脆弱性分析很難滿足復雜電網脆弱度分析﹒

表1 考慮節點負荷等級的IEEE 39 節點綜合脆弱度

表2 IEEE 39 脆弱度節點

3.2.2 ESB 接入后對暫態影響分析

由上節可知，當考慮負荷等級時，節點17，9，4，15，16 和25 社會經濟影響程度較大﹒因此，在該節點處接入ESB，暫不考慮儲能電站容量，記錄該運行方式下5 s 內(為清楚地觀察故障情況，總時長設置為15 s)，節點17(一般負荷節點)和25(重要負荷節點)受到故障后系統發電機功角變化曲線和系統母線電壓曲線分別如圖2 和圖3 所示﹒當接入儲能后，節點17 和節點25 發生故障時，其發電機功角變化曲線見圖4，電壓恢復曲線見圖5﹒

由圖2~圖5 可知，系統未接入ESB 時，無論是一般負荷節點還是重要負荷節點故障，為維持系統穩定，需要切除部分機組和負荷；接入ESB之后，負荷節點故障時，ESB 可以快速響應，充當電源，對系統進行恒功率放電，因此可以減少切負荷量；當ESB 足夠大時，甚至不需要切除負荷，也能有效恢復系統機組功角和電壓穩定﹒這驗證了ESB 的接入能有效緩解系統故障時負荷側的緊急暫態問題﹒

圖2 未接入儲能時發電機功角曲線

圖3 未接入儲能時母線電壓曲線

圖4 儲能接入脆弱點后發電機功角曲線

圖5 儲能接入后母線電壓曲線

4 結語

通過綜合考慮節點故障切除后對社會經濟造成的影響、元件老化以及節點在電網中所處位置等因素，構建了ESB 選址指標體系﹒根據該指標體系計算各節點重要度，從而選擇重要度高的作為ESB 安裝位置﹒研究發現，若將儲能安裝在重要度較高的節點位置，當系統發生故障，ESB 可在大擾動時提供緊急有功支撐，以緩解受端機組減速和減少切負荷量，提高暫態功角穩定性，這也驗證了所構建的選址指標體系的有效性﹒