含新能源接入的配電網中分布式儲能系統控制策略

董新偉，裴晨晨，鄧薇，李濱，戴暉

(1.中國礦業大學電氣與動力工程學院，江蘇省徐州市 221116；2.國網湖北省電力有限公司 武漢供電分公司，武漢市 430077；3.國網江蘇省電力有限公司豐縣供電分公司，江蘇省徐州市 221700；4.國網江蘇省電力有限公司淮安供電分公司，江蘇省淮安市 223001)

0 引 言

風電、光伏等間歇性新能源的規模化并網，使得大量電力電子設備投入使用，導致了諧波污染、電壓波動等一系列問題，對配網的運行控制帶來了極大影響[1-4]。為解決因新能源并網造成的電壓波動問題，目前常采用可投切電容器、有載調壓變壓器、儲能系統或是其他柔性設備進行調壓，而分布式儲能系統(distributed energy storage system，DESS)因其響應速度快，可雙向調節，能提高新能源消納能力等優勢，得到了廣泛應用[5-7]。

針對配電網的不同運行要求，提出相適應的控制策略，是充分發揮DESS調節作用的關鍵。為實現含新能源并入的配電網的安全穩定運行，現已有大量文獻對DESS的控制策略進行了研究。文獻[8]提出兩段式電壓協調控制策略，第一階段以傳統調壓設備為控制對象，網損最小為目標函數建立優化模型，第二階段基于電壓靈敏度對DESS的有功-無功輸出進行控制。文獻[9]將控制過程劃分為不同時間尺度執行，通過對光伏有功-無功出力的協調控制來保證配電網的安全穩定運行。文獻[10]在考慮配電網運行控制策略的基礎上，提出了儲能系統的雙層優化配置策略，以提高配電網對新能源的消納能力。上述文獻都采用了分層分段式的控制方式，但是沒有將儲能電站群的控制、配網的電壓穩定與經濟運行相結合。文獻[11-12]都提出了儲能系統充放電控制策略，來平抑光伏帶來的功率波動，維持配電網的電壓穩定，但沒有考慮儲能系統的無功調節與新能源的利用率。文獻[13-15]針對新能源并網后帶來的配電網電壓穩定問題，提出改善方案，但沒有結合DESS提出相應的控制策略。

綜上所述，本文提出分時間尺度執行的DESS雙層控制策略，以提高配電網電壓穩定性及運行經濟性。雙層控制的上層為穩定控制層，確定各節點滿足電壓安全運行條件且電壓偏差最小時儲能系統總有功/無功功率，下層為優化控制層，對上層結果進行優化分配，利用粒子群算法(particle swarm optimization，PSO)求解配電網經濟性最優、新能源利用率最高時各儲能單元的功率。最后通過IEEE 33節點系統對所提出的控制方式進行驗證。

1 基于雙層控制提高配電網穩定性的控制策略

1.1 基于多時間尺度的雙層控制

本文提出的控制策略為內外環嵌套控制，外環以時間為尺度縱向執行，執行結果限制內環的運行結果；內環由單層控制與雙層控制方式組成，分時間尺度橫向選擇執行上層或雙層控制，為外環提供反饋及運行結果參考量，其中上層控制可作為電壓是否安全運行的判斷控制層單獨運行。具體執行過程如圖1所示。

圖1 多時間尺度的雙層控制過程框架圖

所謂雙層包含穩定控制層和優化控制層，在輸入新能源、儲能電站、負荷等初始狀態信息后，穩定控制層在滿足電壓安全運行的基礎上以電壓偏差值最小為目標函數，確定儲能電站群總的有功/無功出力，作為優化控制層的輸入參考值；優化控制層則實現配電網整體的經濟運行，以配電網運行時網絡損耗最小、新能源利用率最高為經濟目標，對上層運行結果進行功率分配，確定各儲能電站功率解集，其中有功網絡損耗率、新能源損耗率為相對應的2項經濟指標參與運算。

執行時間尺度分為時間間隔為ΔT的長時間尺度與時間間隔為Δt的短時間尺度，長時間尺度執行雙層控制，執行結果上傳至儲能檢測控制模塊；短時間尺度首先執行穩定控制層，當發生電壓越限時，立即執行雙層控制，確定此時各儲能單元的最優功率分配，并上傳至儲能檢測控制模塊，修正長時間尺度的運行結果。由于運行時是向儲能電站下發此時刻的運行指令，長時間尺度運行結果是對ΔT時間內儲能功率分配的預測值，短時間尺度運行結果最終決定這一時刻的功率分配。開始時刻以長時間尺度功率分配結果作為模塊參考值，Δt后短時間尺度開始運行。

儲能檢測控制模塊在未發生電壓越限情況下，以長時間尺度的執行結果為參考值，根據DESS上傳的實時狀態信息，確定儲能單元的工作模式及功率分配。當出現電壓越限時，控制各儲能單元首先進行無功調節，若是電壓波動改善不明顯，再通過儲能有功功率進行協調控制。

1.2 儲能電站的工作模式

儲能檢測控制模塊設有5種工作模式，分別是充電模式、放電模式、充電速率減緩模式、放電速率減緩模式、正常模式。儲能檢測控制模塊會根據各儲能電站當前時刻的運行狀態及剩余容量狀態，確定下一時刻的充放電功率及運行模式，并向各儲能電站的能量管理系統下發調度指令。各工作模式具體執行過程如下：

(1)

式中：SOCnow、SOCmax、SOCmin分別為儲能電站此時刻的荷電狀態值大小、荷電狀態最大值及荷電狀態最小值。

(2)

2 雙層控制模型

2.1 穩定控制層模型

穩定控制層以儲能電站群的有功/無功功率總量為優化目標，根據新能源出力以及負荷狀態，得出節點電壓偏差值最小時的目標值。

2.1.1穩定控制層目標函數

1)節點電壓偏差值可表示為：

(3)

式中：Vm_tr為節點m電壓的真實值；VN為額定電壓；Y為配電網系統節點個數。

2)電壓偏差判斷矩陣Nju：

(4)

式中：ΔUm_flu(m=1,2,…,Y)表示節點m電壓越限情況，當|Vm_tr-VN|>δVN時，ΔUm_flu=1,當|Vm_tr-VN|≤δVN時，ΔUm_flu=0，δ為允許電壓偏離額定值百分比。

2.1.2約束條件

1)儲能電站一般通過逆變器并網，而逆變器可向配電網提供一定的無功支撐，儲能電站無功功率Qj_bess滿足如下約束條件：

(5)

2)儲能電站充放電功率及荷電狀態SOC需滿足如下控制條件：

Pjmin_ch≤Pj_ch≤Pjmax_ch

(6)

Pjmin_dis≤Pj_dis≤Pjmax_dis

(7)

SOCj_min≤SOCj≤SOCj_max

(8)

式中：Pjmin_ch、Pjmax_ch為儲能電站j充電功率最小值、最大值；Pjmin_dis、Pjmax_dis為儲能電站j放電功率最小值、最大值；Pj_ch、Pj_dis為儲能電站j充、放電功率；SOCj_min、SOCj_max為儲能電站jSOC最小值、最大值；SOCj為儲能電站j的荷電狀態。

3)儲能電站i時刻的荷電狀態與i+1時刻的荷電狀態需滿足以下條件：

(9)

式中：Ej_bess指儲能電站j的額定容量；ηch、ηdis分別指充、放電效率；ρ為儲能電站的自放電率；Δi為i與i+1間的時間間隔。

4)系統中各節點功率平衡約束：

Pm+Pm_new+rPm_bess-Pm_load=Um·

(10)

Qm+Qm_new+rQm_bess-Qm_load=Um·

(11)

式中：Pm_new、Qm_new為節點m新能源注入的有功、無功功率；Pm_bess、Qm_bess為節點m儲能系統注入的有功、無功功率；Pm、Qm分別為節點m其他方式注入的有功、無功功率；Um、Un為節點m、n的電壓；θmn為節點m、n間的相角差；Gmn、Bmn分別為節點導納矩陣m行n列的實部和虛部；儲能系統充電時為負荷，儲能系統放電時為電源，r的具體數值如下：

(12)

5)儲能電站j在i時刻的容量滿足如下控制條件：

(13)

2.2 優化控制層模型

優化控制層將上層運行結果儲能電站群的功率總量作為初始條件，求解配電網經濟性最優、新能源利用率最高時各儲能單元的有功/無功功率。配電網經濟性最優即有功網絡損耗率最小，新能源利用率最高即新能源損耗率最低，以此為目標函數進行優化求解。

1)有功網絡損耗率ploss最小：

(14)

式中：N為儲能電站的個數。

2)新能源損耗率wm_new最小：

(15)

3)多目標優化函數F：

F=ω1ploss+ω2wm_new

(16)

式中：ω1、ω2為慣性權重，慣性權重的確定采用德爾菲法，通過反復匿名征求及統計專家意見，由專家根據經驗對各指標的重要性及權重進行評定[17]，確定有功網絡損耗率和新能源損耗率的權重系數。

3 粒子群雙層控制算法求解流程

PSO雙層優化算法求解流程如圖2所示，具體如下：

圖2 PSO雙層控制算法求解流程

1)輸入初始條件，判斷節點電壓是否越限；

2)若節點電壓出現越限，執行上層計算，儲能電站群總有功/無功功率為求解的粒子值，遍尋滿足電壓在0.95～1.05 pu粒子中電壓偏差最小的粒子值，作為下層優化參考值；

3)下層運算將多目標優化函數F作為適應度函數對上層運行結果進行優化分配，求解出各儲能電站的功率解集；

4)判斷儲能電站只進行無功調節時，各節點電壓是否能在安全范圍內運行，若可以，輸出各儲能電站無功調節量，反之則輸出有功、無功調節量，返回步驟1)，等待下一時刻執行命令；

5)若電壓未越限，不進行無功優化，執行步驟2)、步驟3)中的上下層功率分配計算程序，輸出各儲能電站的充放電功率，返回步驟1)，等待下一時刻執行命令。

4 算例分析

4.1 算例仿真系統

本文以改進的IEEE 33節點系統為例進行算例仿真驗證，系統拓撲如圖3所示。基準電壓為12.66 kV，節點電壓允許范圍為0.95～1.05 pu，在節點6、節點25接入光伏發電系統，額定功率為300 kW；節點11接入風能發電系統，額定功率為400 kW；為了能充分體現儲能電站對系統電壓波動可作出即時反饋的優勢，在新能源并網附近電壓易波動的關鍵節點7、12、26分別接入容量為600 kW·h的儲能系統，最大充放電功率為300 kW，自放電率為0.05，充放電效率為0.95。通常系統中會接入其他無功補償設備，以保證系統整體電壓水平波動在可控范圍內，本系統在節點27、31分別接入4組單組額定容量為60 kV·A的可投切電容器。

圖3 IEEE 33節點仿真系統圖

本文提出的控制方式中長時間尺度運行時間間隔為1 h，運行結果作為儲能檢測控制系統下發調度指令的參考值；短時間尺度運行時間間隔為15 min，首先運行電壓穩定控制層，檢測系統中的電壓狀態，電壓正常狀態下，不改變長時間尺度運行結果，若檢測出電壓越限，需更新儲能檢測控制模塊指令參考值，對各儲能系統的有功/無功功率重新分配。

4.2 仿真結果分析

新能源并網節點由于其并網功率的不確定性，節點電壓波動比較劇烈，因此，選取節點6、11、25處的電壓進行對比討論，結果如圖4—6所示。由圖4可以看出，儲能電站未參與調節時，節點6在01:00、19:00—20:00、21:00—24:00，節點11、25在18:00—24:00電壓均低于0.95 pu，此時光伏出力為0，且在19:00—22:00負荷用電量較大，易導致電壓不足的情況發生，影響用戶用電質量。當儲能電站僅進行充放電的有功調節時，雖在一定程度上可以提高電壓水平，但01:00、18:00—19:00、24:00仍出現電壓低于0.95 pu的情況，且電壓波動幅度和波動頻率改善不明顯。當儲能電站采用本文提出的控制策略，有功無功協調控制時，電壓在各個時刻都在0.95～1.05 pu范圍內，且電壓波動幅度及波動頻率在相同節點不同調節措施中都是最小的。

圖4 儲能參與前后節點6電壓變化對比

圖5 儲能參與前后節點11電壓變化對比

圖6 儲能參與前后節點25電壓變化對比

從節點6、11、25電壓的波動曲線可以看出，在18:00—22:00間易出現電壓不足的情況，因此主要列出此期間儲能電站的有功無功出力情況，結果如圖7—10所示。以節點6為例，如圖7所示，18:00時節點電壓越限，儲能電站此時發出無功功率進行調節，電壓控制在安全范圍內，15 min后短時間尺度運行的穩定控制層發現電壓仍有越限行為，繼續完成雙層控制，重新進行功率分配，并將結果上傳至儲能檢測控制模塊，更新儲能電站功率調度參考值，繼續下達儲能電站發出無功的指令，電壓水平提升至安全范圍內，18:30、18:45繼續采用儲能電站無功調節，19:00時通過計算判斷電壓正常，儲能檢測控制模塊根據更新的有功分配結果及儲能SOC下發調度指令。在短時間尺度下運算時，電壓出現越限行為更新長時間尺度執行結果。

圖7 DESS1有功無功出力

圖8 DESS2有功無功出力

圖9 DESS3有功無功出力

圖10為各儲能電站未采用所提控制方式，以15 min為其動作時間尺度時的充放電功率。由圖10可看出，各儲能電站充放電次數較采用多時間尺度雙層控制方式頻繁，易滿充滿放，對儲能電站的使用壽命產生不利影響，且不能充分發揮其作用。

圖10 儲能電站充放電功率

表1 各儲能電站的工作模式

本文提出的雙層控制方式，可提高配電網的運行經濟性，結果如圖11、12所示。儲能電站采用所提控制方式參與調控后，有功網絡損耗率ploss得到有效降低，其值基本位于2.5%～4%之間(而未采用本文控制方式時則大多位于4%～5%之間，或超過5%)，提高了系統有功的有效利用率。儲能電站參與調節相較于未配置儲能時，有功網損得到大幅度降低，有效減少了因網損引起的經濟損失。

圖11 有功網絡損耗率對比

新能源損耗率如圖13所示，由圖13可以看出，在采用文本提出的控制方式后，新能源損耗率wm_new最高為20.7%，其他時刻除17:00出現過15.5%外，其余都在5%以下，而未采用本文此控制方式時wm_new在相同時刻下均大于或等于采用本文所提控制方式下的wm_new，且有1/3時刻都在15%以上。圖14為儲能電站參與前后新能源出力損耗情況，由圖14可以看出，與儲能電站參與調控前相比，光伏、風電功率出力值與實際并網功率值的差值減小，儲能電站有效提高新能源的消納，減少了風電、光伏的能源浪費。

圖12 儲能參與前后有功網損對比

圖13 新能源損耗率對比

圖14 儲能參與前后新能源出力損耗對比

5 結 論

本文針對含新能源并網的配電網提出了一種分時間尺度執行的DESS雙層控制策略，使系統更加安全經濟地運行。通過算例分析可知，相較于以往儲能系統僅用來進行削峰填谷來說，采用此控制策略后可有效提高儲能電站利用率。并且可以看到，在相同運行情況下，未采用本文控制策略時任一儲能電站每隔15 min都會進行一次充放電，而采用本文控制策略后節點7、12、26處儲能電站充放電次數均為3次，儲能電站的充放電頻率得到了有效降低。

當間歇性新能源出力或負荷突變造成電壓失穩，儲能電站的參與不僅能夠實現快速響應，還可增加新能源消納率，減少有功損耗。儲能電站采用本文控制方式前后的新能源損耗率均值分別為8.10%、2.54%，下降了5.56%，有功網絡損耗率均值分別為4.5%、3.3%，下降了1.2%。此控制策略中短時間尺度控制先進行電壓穩定判斷再決定是否執行雙層控制的方式，可減少系統計算復雜度，節省數據占用空間。