雙碳目標下面向清潔能源消納的源網荷儲協調控制

李 強，趙 峰，劉茂凱，趙林林

（1.國網信息通信產業集團有限公司，北京 102211；2.北京國網信通埃森哲信息技術有限公司，北京 100053）

目前，我國的微電網技術和自動需求響應技術得到了有效發展[1-2]，利用多種清潔能源進行發電，降低了其余能源的使用率，并提高了用戶終端用電效率。但是，多個發電單元存在時，可能會導致暫態電壓和儲能輸出功率波動，因此需要研究源網荷儲協調控制方法來解決這些問題。

文獻[3]提出源網荷儲多元協調控制系統的研究及應用方法，針對源網荷儲的轉換模式構建了資源管理平臺，并結合多種融合決策技術，在實現源網荷儲多場景支撐的情況下，完成了協調控制，但該方法協調控制效果存在一定不足。文獻[4]提出基于模糊與一致性復合智能算法的“源-網-荷-儲”協同控制方法，分析源網荷儲的特性，構建協同控制優化模型，利用該模型對源網荷儲實施協調控制，模糊策略對建立的模型求解，實現源網荷儲的協調控制，但該方法存在電壓暫態穩定性差的問題。文獻[5]提出基于趨勢理論的源-網-荷協調性控制方法，從而實現整體控制研究，但該方法的分析效果差，存在儲能總功率輸出波動性強的問題。為了解決上述方法中存在的問題，本文提出雙碳目標下面向清潔能源消納的源網荷儲協調控制方法。

1 源網荷儲數學模型構建

1.1 雙碳目標及清潔能源消納大背景

為實現碳中和需要將碳達峰、碳中和等納入我國生態文明建設布局內，并在此基礎上建造清潔能源消納且安全高效的能源體系，達到控制化石能源的目的，有效實現可再生能源的替代行動[6]。為有效實現雙碳目標，我國將能源排放作為主戰場，而電力排放作為主力軍，電網就是主力軍的排頭兵，因此電力電網的低碳排放會對中國雙碳目標產生影響，是推進可再生能源發電的關鍵。根據近幾年研究發現，電網負荷管控清潔能源消納可以有效管理負荷資源，從而實現電網運行的輔助服務。但由于涉及的方面較多，需要在雙碳目標及清潔能源消納背景下綜合考慮電網負荷控制環境及執行條件。為此在雙碳目標及清潔能源消納背景下，進一步對源網荷儲開展協調控制研究。

1.2 源網荷儲單元模型

依據雙碳目標及清潔能源消納背景，構建源網荷儲關鍵單元的數學模型，其中包含風力發電機、光伏陣列、柴油發電機，以此實現系統響應特性的有效分析。

1.2.1 風力發電機系統模型

由于風速存在波動性及不確定性，而風力發電機的輸出功率是由風速和風機特性決定，針對多種動態特性的影響，在風速符合風機工作的狀態下構建風力發電機系統模型，結構如圖1 所示。

通過圖1 進一步計算風機的輸出功率[7]：

式中：PWT（t）表示t 時刻的輸出功率；A 表示風力發電機葉片面積；ηW表示功率系數；Vcutin表示風速切入；Vcutout表示風速切出；Vnom表示額定風速；V（t）表示t 時刻的風速；ρ 表示空氣密度；P 表示電功率。

1.2.2 光伏發電系統模型

在多種能源形式中，太陽能是發展最快的一種能源形式，通常光伏陣列只需要光照就能生成可再生能源，因此光伏發電技術在新能源領域中有著較大優勢。光伏發電系統模型結構如圖2 所示。

圖2 光伏發電系統模型結構圖Fig.2 Structure diagram of the photovoltaic power generation system model

由于電池的溫度、太陽能輻射產生出的最大功率點會對光伏陣列的輸出功率產生影響，所以該系統的溫度可用下式計算獲得：

式中：Tj（t）表示t 時刻的溫度；Tamp表示環境溫度；GT（t）表示太陽輻射；NOCT 表示電池板溫度。

根據式（2）進一步計算光伏陣列系統的輸出功率，定義如下：

式中：PPV，STC表示最大輸出功率；TjSTC表示參考溫度；NPV（s，p）表示串聯、并聯單元數；κ 表示功率-溫度系數；PPV（t）表示輸出功率。

1.2.3 柴油發電機模型

柴油發電機系統結構如圖3 所示。

圖3 柴油發電機系統結構圖Fig.3 System structure diagram of diesel generator

在電網中柴油發電機系統屬于重要的可控發電單元，為保證柴油發電機的有效運行，對其出力設定了最大約束和最小約束，表示如下：

式中：Pmin-DE表示最小出力約束；Pmax-DE表示最大出力約束；PDE（t）表示控制變量。

采用二次多項式對柴油發電機的能耗特性進行描述：

式中：x、y、z 均為系數。

由此建立柴油發電機響應特性的數學表達式：

式中：PDE，0表示響應前的輸出功率；PDE，1表示響應后的輸出功率。

通過構建源網荷儲系統單元模型，有效分析出電網的運行特性，為后續的源網荷儲協調控制奠定基礎。

2 源網荷儲協調控制

2.1 獲取源網荷儲全局信息

以1.2 節構建的源網荷儲系統數學模型為基礎，采用平均一致性算法獲取電網節點信息，通過矩陣形式定義：

式中：k 表示迭代次序；E 表示矩陣元素；Sk+1表示節點信息矩陣。

設定電網節點用i 表示，當電網節點i 初始化時，可利用下式獲取電網節點收斂時的平均值：

式中：Sai表示全局平均一致信息；n 表示節點數目。

若電網內部結構出現變化，那么電網節點序號在初始化過程中就會收斂到新的平均值，即i/（n+Δn）。當式（8）的功率變化量初始化時，電網在收斂期間會出現功率缺額的問題，而最終結果可利用節點數量和平均功率缺額的乘積獲取[8]，定義如下：

以此類推，在考慮負荷等級的情況下對電網實施減負荷處理，因此當式（8）的各級負載可切量初始化時，通過節點數量與可切負荷的平均值乘積，即可取得可切負荷總量，表示如下：

式中：εLy表示負載等級；SLy表示負載實際值表示平均可切負荷。

2.2 源網荷儲協調控制策略

基于上述計算結果，通過頻率判斷制定源網荷儲協調控制策略[9-10]，如圖4 所示。

圖4 協調控制策略Fig.4 Coordinating control strategy

源網荷儲協調控制具體步驟如下：

（1）當電網與孤網脫離后，會產生一定功率缺額，若此時系統頻率低于50 Hz，系統發電機組就可以調節功率，使其保持平衡，從而恢復至初始頻率。為此利用下式計算出系統各個機組的協調增發實際值：

式中：Sfy表示備用容量；ΔSfy表示增發實際值表示功率缺額占比。

（2）電網局部孤網運行期間，會出現頻率下降的問題，且下降幅度較大，當下降至50 Hz 以下后，功率缺額就會變大，需要通過減負荷的方式實現協調控制。假設系統發電機組的控制結果與式（11）相同，為此在的基礎上提升發電機組出力，并利用下式計算出實際處理增加值：

式中：ΣΔSf表示實際出力增加值表示協調增發實際值的均值。

基于實際減載總量比值，進一步計算系統負荷的減載量，定義如下：

基于源網荷儲協調控制策略，對源網荷儲系統實施出力協調及多級負載減載等控制流程，保證了源網荷儲的穩定性運行，以此實現源網荷儲的協調控制。

3 實驗

實驗采用雙碳目標下面向清潔能源消納的源網荷儲協調控制方法（方法1）、源網荷儲多元協調控制系統的研究及應用方法（方法2）和基于模糊與一致性復合智能算法的“源-網-荷-儲”協同控制策略研究方法（方法3）進行測試。本次實驗選取源網荷儲系統作為實驗對象，該源網荷儲系統的參數如表1 所示。源網荷儲系統結構如圖5 所示。

表1 源網荷儲系統參數Tab.1 Parameters of the source network load and storage system

圖5 源網荷儲系統結構Fig.5 Structure of the source network loading and storage system

3.1 風機電壓暫態穩定性

為了驗證系統的暫態穩定性，對比分析了方法1、方法2 和方法3 控制性能，并模擬了風電、負荷突變。設定在實驗期間，2～4 s 時系統負荷出現突增情況，突增至150 kW，并在6～8 s 時投入150 kVar容性負荷。基于設定條件，3 種方法下的雙饋風機電壓暫態穩定性測試結果如圖6 所示。

圖6 雙饋風機電壓暫態穩定性結果Fig.6 Voltage transient stability results of double-fed fan

分析圖6 中的數據可以發現，雙饋風機功率爬坡期間，風機電壓會出現明顯升高，且電壓超出1.3 p.u.時會出現明顯振蕩。利用3 種方法控制雙饋風機電壓時，可見僅有方法1 在整個過程中的電壓保持在1.2 p.u.附近，且波動率較低，說明經控制后，方法1 的風機電壓沒有產生振蕩且整體平穩。反觀方法2 和方法3 經控制后均超出1.3 p.u.，在整體測試期間風機出現的振蕩頻率較高，波動率大，此時的風機電壓暫態穩定性低。

3.2 風機輸出無功功率暫態穩定性

在上述實驗基礎上，進一步測試反饋風機輸出無功功率。3 種方法下反饋風機輸出無功功率穩定性結果如圖7 所示。

圖7 反饋風機輸出無功功率穩定性Fig.7 Reactive power stability of the feedback fan output

分析圖7 可知，方法1 控制后，反饋風機輸出無功功率運動軌跡較方法2、方法3 來說更加平穩，而方法2、方法3 控制下的風機輸出無功功率曲線的波動幅度較大，說明在方法1 的控制下，反饋風機輸出無功功率暫態穩定性強。

3.3 儲能系統總輸出功率穩定性

選取源網荷儲系統中的儲能系統作為本次實驗測試對象，進一步對比方法1、方法2 和方法3 的儲能總輸出功率，根據控制后所產生的儲能出力波動性，分析不同方法的協調控制效果。3 種方法下儲能系統總輸出功率結果如圖8 所示。

圖8 儲能系統功率輸出結果Fig.8 Power output results of the energy storage system

根據圖8 中的測試結果發現，方法2、方法3 的出力波動起伏大，而方法1 的儲能出力波動性起伏較小，說明在整個過程中方法1 可以有效實現儲能協調控制，使源網荷儲系統能夠穩定運行，驗證了方法1 的控制效果高于方法2、方法3。

4 結語

為有效應用源網荷儲系統，需提升源網荷儲在雙碳目標及清潔能源消納背景下的控制精度，為此提出雙碳目標下面向清潔能源消納的源網荷儲協調控制方法。該方法首先提出雙碳目標及清潔能源消納背景，在該背景下構建源網荷儲數學模型，并進一步獲取源網荷儲全局信息，將其作為基礎制定源網荷儲協調控制策略，從而實現源網荷儲協調控制。