高比例風電接入的電力系統源網荷儲協同規劃模擬分析

魏斯典 劉宇

摘 要：建立以新能源為主體的電力系統是實現雙碳目標的重要手段。以風光為主體的新能源高比例接入，對傳統電力系統規劃提出了挑戰。為解決電力系統供應側和需求側協同的問題，深入分析源網荷儲四要素數值模型、電壓質量數值模型后，構建源網荷儲協同規劃的數值模型。由于數值模型的賦權是一個動態化過程，需采用動態加權的多目標粒子群優化算法進行求解。數值模擬結果表明，在高比例風電接入電力系統后，提出的方法能有效實現電力系統源網荷儲協同規劃。

關鍵詞：高比例風電；電力系統；源網荷儲；協同；規劃；運行

中圖分類號：TM715；TK89? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）03-0021-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.005

0? ? 引言

能源是社會發展的重要基礎保障，而以化石燃料為主的能源消費結構對全球環境帶來了巨大影響。為推動我國經濟高質量發展，同時基于雙碳目標的背景，我國提出了建設以新能源為主體的新型電力系統，力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值[1]。而不斷提高新能源占比，是實現雙碳目標的有效措施。風力發電是新能源發電方式之一，高比例接入是未來電力發展的趨勢[2]。但風力發電具有出力波動性和不確定性，難以精確預測，給電力系統調峰與備用配置帶來了巨大的挑戰。隨著風電機組裝機規模不斷增長，傳統“源隨荷動”的調度方式已不再適用，正逐步向源網荷儲協同的電力平衡方式轉變[3]。目前，國內已有不少學者對源網荷儲協同規劃展開了廣泛研究，并取得了一些成果。

楊雍琦[4]提出了源網荷儲協調優化的規劃環節，有效提升了電力系統運行的安全性。張振宇等[5]給出了一種新能源納入備用方法，以新能源納入備用比例為決策變量，為高比例新能源系統的備用提供了可行方案。陳哲等[6]提出了風電機組的出力與備用方式，優化配置旋轉備用容量，實現旋轉備用資源經濟最優。黃煜等[7]根據風電的不確定性作自適應調整，提出在線路上預留容量，緩解了高比例風電接入引發的線路阻塞問題。孫惠等[8]提出了一種發布調峰需求的源網荷儲資源綜合管理平臺系統，可以調整電網的峰谷差，保證電力系統安全運行。上述研究表明，高比例新能源接入電力系統后，源網荷儲協同規劃已有成效，但缺乏電力系統運行示范應用，為源網荷儲協同規劃的平衡效果提供參考。因此，本文針對高比例新能源接入的電力系統，開展源網荷儲協同規劃模型深入研究，并通過數值模擬驗證了源網荷儲協同規劃的成效。

1? ? 高比例風電接入的電力系統源網荷儲四要素數值模型

以源網荷儲協同規劃為目標，分別對源、網、荷、儲四要素[9]進行數值模擬，實現對高比例風電接入的電力系統源網荷儲的協調控制。四要素內容具體如表1所示。

1.1? ? 源要素數值模型

電源設備采用可調度同步風機，有功功率頻率變化為負響應，可調度同步風機一次調節形式如下：

P=P*+αΔf（1）

式中：P為輸出功率；P*為有功功率；α為頻率特征系數；Δf為實際頻率與額定頻率的偏差。

1.2? ? 網要素數值模型

由于高比例風電的接入，電力系統電能傳輸和穩態潮流分布發生變化[10]。而相應大電網與風電網之間交互成本也發生變化，變化關系如下：

CJ =[Cb（t）m（t）+Cs（t）n（t）]（2）

式中：CJ為交互成本；N為調度時段總數；t為時段；Cb（t）為購電狀態；m（t）為售電狀態；Cs（t）為購電價格；n（t）為售電價格。

1.3? ? 荷要素數值模型

接入高比例風電，電力系統的負荷發生變化，與電壓、頻率具有負相關性，變化關系如下：

P=PNP1+P2+P3（1+ΔfLf）（3）

式中：P為負荷下的功率；PN為額定功率；P1為負荷下恒定阻抗；P2為負荷下電流；P3為有功功率；V為實時電壓；V0為初始電壓；Δf為頻率變化；Lf為有功功率變化。

1.4? ? 儲要素數值模型

在電源側，儲能可以降低運行成本，同時還可以促進風電的消納。儲能變化模型描述如下：

Es（t）=（1-δs）Es（t-1）+Psc（t）ηsc-Δt（4）

式中：Es為儲能容量；t為時段；δs為儲能自放電率；Psc為充電功率；ηsc為充電效率；Psd為放電功率；ηsd為放電效率；Δt為時間變化。

2? ? 高比例風電接入的電力系統電壓質量數值模型

以放射狀配電饋線為研究對象，當高比例風電接入i節點時，饋線上相鄰節點的電壓差值計算如下：

ΔUi=-RiPm+XiQmUi-1（5）

式中：ΔUi為電壓差值；i為某節點；Ri為等效電阻；Pm為有功負荷；Xi為等效電抗；Qm為無功負荷；Ui-1為相鄰節點電壓。

饋線上某節點相鄰兩節點間電壓差值計算如下：

ΔU′i=-RiPm+XiQmU′i-1（6）

饋線上任意兩節點之間的電壓差值計算如下：

ΔUi″=-Ri（Pm-Ppv）+XiQmU″i-1（7）

由公式（5）（6）（7）得知，高比例風電接入電力系統，接入點的電壓始終處于最高值，同時影響饋線上電壓的分布情況。

3? ? 高比例風電接入的電力系統源網荷儲協同規劃數值模型

3.1? ? 模型建立

接入高比例風電后，為保證電力系統風電接入容量最大、配電網有功損耗最小、運行成本最低，建立源網荷儲協同規劃數值模型，模型見公式（8）（9）（10）：

max F1=SPVi（8）

式中：max F1為風電最大接入容量；N為風電接入數量；i為風電接入次序；SPVi為風電接入容量。

min F2=Gh，ij（U2 h，i+U2 h，j-2Uh，iUh，jcos δij）（9）

式中：min F2為最小有功損耗；M為支路數；h為支路；Gh，ij為支路電導；Uh，i為i節點電壓；Uh，j為j節點電壓；δij為兩端電壓相位差。

min F3=min（Cg F+CF g，op）·Gg F+cw·qw，t+?cd（i，t）+cR（o，t）（10）

式中：min F3為最低運行成本；g為可調度同步機組；Cg F為發電成本；CF g，op為運行成本；Gg F為發電量；cw為風機發電成本；qw，t為風機發電出力均值；i為用戶；t為時段；cd（i，t）為削減負荷成本；cR（o，t）為調用儲能成本。

利用線性加權組合法，對上述3個數值模型進行歸一化，得出源網荷儲協同規劃總模型，見下式：

max F=F1ω1-F2ω2-F3ω3（11）

式中：ω1為風電接入容量權重；ω2為有功損耗權重；ω3為運行成本權重。

3.2? ? 模型求解

針對源網荷儲協同規劃數值模型的賦權過程，采用動態加權的多目標粒子群優化算法進行求解[11]。F1、F2、F3對應的權重求解如下：

ω1（N）=cos（12）

ω2（N）=cos（13）

ω3（N）=1-ω1（N）-ω2（N）（14）

式中：N為迭代次數；ζ為慣性常數。

在迭代過程中，為迅速過濾可行域中的不可行解，需要不斷更新模型的權重，因此需要計算迭代更新粒子的運動速度和位置，計算過程如下：

vl，N+1=ζ（N）vl，N+φ1[ε1（Pbl-Pl（N））]+φ2[ε2（Gb-Pl（N））]（15）

式中：vl，N+1為迭代更新粒子的運動速度；ζ（N）為慣性常數；vl，N為正在迭代中粒子的速度；φ1、φ2為加速常數；ε1、ε2為0～1的隨機數；Pbl為粒子當前最佳位置；Pl（N）為正在迭代中粒子的位置；Gb為全局最佳位置。

Pl，N+1=Pl，N+vl，N+1（16）

式中：Pl，N+1為迭代更新粒子的位置。

為確保源網荷儲協同規劃數值模型的解集的多樣性，在求解過程中可引入存檔機制[12]。

4? ? 試驗測試

4.1? ? 試驗設計

為了測試源網荷儲協同規劃數值模型的有效性，對某高比例風電接入的電力系統進行數值模擬分析，仿真拓撲圖如圖1所示。電力系統共包括1個可調度同步機組、3個風電系統、1個儲能系統、25個負荷節點，利用MATLAB軟件實現仿真模擬。主電網和風電接入區利用公共耦合點連接，交流負荷和直流負荷利用ILC指令編程格式連接。

4.2? ? 試驗結果與分析

4.2.1? ? 源網荷儲協同規劃對電力系統運行參數的優化

為了測試模型的效果，隨機在電力系統選取接入節點，記錄某時刻的運行參數實測值。按照上述源網荷儲協同規劃數值模型的求解方法，對該電力系統進行求解，得出規劃結果。將運行參數實測值與規劃模型結果進行對比，如表2、表3所示。

電壓偏差和電壓波動的國際規定限值分別為1.07 p.u.和3%[13]。由表2數據結果得知，當接入高比例風電后，電力系統部分節點的運行參數存在超限問題。而經源網荷儲協同規劃后，能改善電壓偏差和電壓波動的超限問題。

由表3數據結果得知，經源網荷儲協同規劃后，該電力系統的線路有功損耗降低，風電接入容量得到有效提升。

4.2.2? ? 源網荷儲協同規劃對電力系統出力的優化

為了驗證源網荷儲協同規劃的效果，對電力系統出力變化情況進行統計分析，結果如圖2所示。

由圖2趨勢得知，隨著負荷的變化，可調度同步機組出力、高比例風電出力也發生變化，且趨勢一致。當負荷較低時，風電出力基本很低，可調度同步機組出力即可滿足負荷需求。當負荷較高時，可調度同步機組出力與風電出力疊加不僅能夠滿足負荷，同時還可以將出力降到最低。

4.2.3? ? 源網荷儲協同規劃對儲能系統的優化

為進一步研究源網荷儲協同規劃的效果，對電力系統儲能系統的變化情況進行統計分析，結果如圖3所示。由圖3趨勢得知，當負荷較低時，充放電功率與儲能系統能量均處于高位；當負荷較高時，充放電功率與儲能系統能量均處于低位。該變化情況主要是由于儲能系統與電力系統可以相互協調，根據實際情況進行充放電操作并提供負荷使用。

5? ? 結論

為適應高比例風電接入電力系統的發展需求，提出源網荷儲協同規劃方法。從研究結果中得到以下結論：1）風電最大接入容量、最小有功損耗、最低運行成本三個模型的單位不同，需利用線性加權組合法，對三個數值模型進行歸一化，最終得出源網荷儲協同規劃總模型。2）針對數值模型的動態化賦權過程，需采用動態加權的多目標粒子群優化算法進行求解，實現可行域中不可行解的迅速過濾。3）通過數值模擬分析結果得知，源網荷儲協同規劃可以解決電壓偏差和電壓波動的超限問題，降低線路有功損耗，提升風電接入容量，優化電力系統出力以及儲能系統，從而驗證了該方法的有效性。

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收稿日期：2023-09-27

作者簡介：魏斯典（2001—），男，陜西安康人，研究方向：電力系統及其自動化。

通信作者：劉宇（1990—），男，江蘇人，副教授、博士生導師，研究方向：電力系統規劃、運行與控制，需求側態勢感知，非侵入式負荷量測與分析等。