潘星辰，王曉文，黃 勁

（沈陽(yáng)工程學(xué)院a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增加，風(fēng)電滲透率不斷提高，其高不確定性與強(qiáng)波動(dòng)性的影響不斷加?。?］。在電力系統(tǒng)中，儲(chǔ)能可視為一種在不同時(shí)間尺度下均能夠靈活響應(yīng)的電源，其規(guī)?；瘧?yīng)用可解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)消納問(wèn)題［2-4］，因此儲(chǔ)能在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊［5］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)儲(chǔ)能配套風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電做了大量研究：文獻(xiàn)［6］基于某風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電功率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)VRB 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性及調(diào)峰能力進(jìn)行系統(tǒng)分析，驗(yàn)證了儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)參與系統(tǒng)調(diào)峰的有效性和可用性；文獻(xiàn)［7］闡述了在電力系統(tǒng)短期預(yù)測(cè)中儲(chǔ)能的應(yīng)用，研究表明儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用不僅會(huì)減緩風(fēng)速變化帶來(lái)的功率波動(dòng)，還能提高風(fēng)功率預(yù)報(bào)精度。

本文從對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)加入分散式風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，以總網(wǎng)損最小為指標(biāo)選址，容量配置轉(zhuǎn)換為能源損失問(wèn)題，并利用IEEE14 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證了所提出策略的可行性。

1 分散式風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)特性分析

1.1 分散式風(fēng)電場(chǎng)架構(gòu)

分散式風(fēng)電場(chǎng)建立在負(fù)荷中心附近，系統(tǒng)的裝機(jī)容量根據(jù)負(fù)荷需求的不同具有差異性，一般總裝機(jī)容量不大于50 MW。分散式風(fēng)電場(chǎng)中建立儲(chǔ)能系統(tǒng)，改善了整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出特性，有效地實(shí)現(xiàn)了能量及功率時(shí)間、空間上的轉(zhuǎn)移［8-9］，有效地提高儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的合理性，有效地提高風(fēng)電場(chǎng)可調(diào)度性，實(shí)現(xiàn)快速的調(diào)頻調(diào)壓，為電網(wǎng)提供無(wú)功支撐。加入儲(chǔ)能系統(tǒng)的分散式風(fēng)電場(chǎng)架構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 分散式風(fēng)電場(chǎng)架構(gòu)

1.2 分散式風(fēng)電場(chǎng)中并入儲(chǔ)能系統(tǒng)后的總網(wǎng)損

分散式風(fēng)電場(chǎng)中并入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，并網(wǎng)點(diǎn)輸出的有功功率Pbx及無(wú)功功率Qbx為

式中，ai=±tan(cos-1φx)為功率因數(shù)因子；φx為第x條母線接入點(diǎn)的功率相位差值；Pfx_i為分散式風(fēng)電場(chǎng)中第i個(gè)風(fēng)電機(jī)組向第x條母線輸出的有功功率；PESx_i為分散式電場(chǎng)中第i個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)向第x條母線輸出的有功功率；PMx_i為第x條母線負(fù)荷輸出的有功功率；Qfx_i為分散式風(fēng)電場(chǎng)向第x條母線輸出的無(wú)功功率；QESx_i為分散式電場(chǎng)中集中式儲(chǔ)能第x條母線輸出的無(wú)功功率；QMx_i為第x條母線負(fù)荷輸出的無(wú)功功率。

計(jì)算分散式風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有功功率損耗PMf和無(wú)功網(wǎng)損QMf分別為

其中，αxy、βxy、γxy和ξxy分別為第x、y條母線之間的功率損耗系數(shù)，具體表達(dá)式為

式中，Rxy為第x、y條母線節(jié)點(diǎn)之間饋線的阻抗；Xxy為第x、y條母線節(jié)點(diǎn)之間饋線的感抗；Ux為第x條母線的電壓值；Uy為第y條母線的電壓值；φx、φy為第x、y條母線的相位角。

2 分散式風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)選址定容

2.1 基于權(quán)重的網(wǎng)損為目標(biāo)函數(shù)選址

為了考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后對(duì)配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，確定分散式風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝位置，建立了包括有功功率及無(wú)功功率在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)損耗目標(biāo)函數(shù)，具體表達(dá)式為

由于分散式風(fēng)電場(chǎng)需要對(duì)配網(wǎng)提供有功和無(wú)功支持，因此在考慮總體網(wǎng)絡(luò)損耗過(guò)程中需要對(duì)各條母線的損耗設(shè)置權(quán)重系數(shù)。根據(jù)分散式風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)作用調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)，求取整個(gè)分散式風(fēng)電場(chǎng)的總網(wǎng)損最小的優(yōu)化目標(biāo)為

式中，σPx_i為有功網(wǎng)損的權(quán)重系數(shù)，σPx_i∈［0，1］；σQx_i為無(wú)功網(wǎng)損的權(quán)重系數(shù)，σQx_i∈［0，1］；σPx_i和σQx_i滿足

以網(wǎng)絡(luò)損耗最小為優(yōu)化目標(biāo)確定各個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝位置。

2.2 基于能源損失為目標(biāo)函數(shù)定容

由于風(fēng)電出力具有隨機(jī)性，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)得出風(fēng)電場(chǎng)出力的極限值和平均值，采用魯棒優(yōu)化方法確定出力的最差情況，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)在優(yōu)化配置中更為準(zhǔn)確地滿足并網(wǎng)要求。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中存在風(fēng)電出力突變等情況，會(huì)帶來(lái)短期出力預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的情況，進(jìn)而導(dǎo)致偏差修正不準(zhǔn)確等問(wèn)題，因此可以通過(guò)聚類的方式提取經(jīng)典場(chǎng)景得出出力的極限。

建立分散式風(fēng)電場(chǎng)基于出力不確定場(chǎng)景的魯棒自適應(yīng)數(shù)學(xué)模型，具體表達(dá)式為

為了更準(zhǔn)確地求解目標(biāo)函數(shù)，在分散式風(fēng)電場(chǎng)中根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置λfx_i，t和θf(wàn)x_i，t的取值，并從時(shí)間和空間兩個(gè)層面設(shè)定不確定度來(lái)實(shí)現(xiàn)魯棒優(yōu)化的保守性。

采用魯棒自適應(yīng)調(diào)度策略修正式（7），將風(fēng)力發(fā)電短期預(yù)測(cè)最大值用可調(diào)度功率輸出的最大值修正，以能源損失為優(yōu)化目標(biāo)，具體為

式中，δfx_i為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能源損失成本系數(shù)。

找出每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最差出力場(chǎng)景，將儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置問(wèn)題轉(zhuǎn)化成求取能源損失成本的最大-最小問(wèn)題，具體的目標(biāo)函數(shù)如下：

根據(jù)式（6）～（8），計(jì)算得出最優(yōu)儲(chǔ)能系統(tǒng)個(gè)數(shù)及各個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量需求，具體的表達(dá)式為

考慮分散式風(fēng)電場(chǎng)中各個(gè)儲(chǔ)能容量配置時(shí)考慮的約束條件如下：

1）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出力約束

式中，Qfx_i，tmin和Qfx_i，tmax分別是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)i在時(shí)段t的無(wú)功出力的下限和上限。

2）節(jié)點(diǎn)電壓幅值約束

式中，Uy，tmin和Uy，tmax分別是節(jié)點(diǎn)y在時(shí)段t的電壓的下限和上限。

3）儲(chǔ)能系統(tǒng)出力約束

式中，PESx_j，tmin和PESx_j，tmax分別是第j個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在時(shí)段t出力的下限和上限；PESx_j，t為儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率值。

2.3 選址定容規(guī)劃流程

考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后分散式風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，以系統(tǒng)總網(wǎng)損最小為目標(biāo)確定儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝位置，并建立分散式風(fēng)電場(chǎng)基于出力不確定場(chǎng)景的魯棒自適應(yīng)數(shù)學(xué)模型，以能源損失為優(yōu)化目標(biāo)確定儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，具體步驟如下：

步驟1：根據(jù)式（1）計(jì)算分散式風(fēng)電場(chǎng)并入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，并網(wǎng)點(diǎn)輸出的有功功率Pbx及無(wú)功功率Qbx值；

步驟2：根據(jù)式（2）進(jìn)一步整理出并網(wǎng)后整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有功功率損耗PMf和無(wú)功網(wǎng)損QMf；

步驟3：根據(jù)式（4）確定分散式風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝位置，建立包括有功功率及無(wú)功功率在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)損耗目標(biāo)函數(shù)；

步驟4：根據(jù)分布式并網(wǎng)要求，初始化有功網(wǎng)損權(quán)重系數(shù)，根據(jù)式（5）計(jì)算出總網(wǎng)絡(luò)損耗最小時(shí)對(duì)應(yīng)的線路的感抗和阻抗，進(jìn)一步確定儲(chǔ)能系統(tǒng)位置；

步驟5：根據(jù)式（6）建立分散式風(fēng)電場(chǎng)基于出力不確定場(chǎng)景的魯棒自適應(yīng)數(shù)學(xué)模型；

步驟6：采用魯棒自適應(yīng)調(diào)度策略修正式（7），以能源損失為優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)；

步驟7：確定每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最差出力場(chǎng)景，將儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置問(wèn)題轉(zhuǎn)化成求取能源損失成本的最大-最小問(wèn)題；

步驟8：根據(jù)式（8）計(jì)算各個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出及配置個(gè)數(shù)；

步驟9：完成儲(chǔ)能系統(tǒng)在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)合理的容量?jī)?yōu)化配置。

3 算例分析

以遼寧某地的分散式風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，風(fēng)電場(chǎng)中包含31 臺(tái)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為1.5 MW，風(fēng)電場(chǎng)布局在4 個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組通過(guò)10 kV 集電線并入66 kV 的變電站，并在母線上并入5 MVA 的無(wú)功補(bǔ)償裝置。通過(guò)mat‐lab 和DIgSILENT PowerFactory 建立分散式風(fēng)電場(chǎng)電氣模型，并將其接入IEEE14 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)中共有20 條支路，選取9 節(jié)點(diǎn)為SVC 節(jié)點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)中的4個(gè)區(qū)域分別選取5、6、9、14節(jié)點(diǎn)，設(shè)置節(jié)點(diǎn)電壓上下限為［0.95，1.10］，根據(jù)分散式風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝位置和容量。

東北電網(wǎng)用電高峰時(shí)段為7：30～11：30、17：30～21：00，高峰持續(xù)時(shí)間分別為4 h、3.5 h；平時(shí)用電時(shí)段為5：00～7：30、11：30～17：30、21：00～22：00，平時(shí)用電持續(xù)時(shí)間分別為2.5 h、6 h、1 h；用電谷時(shí)為22：00～5：00，持續(xù)時(shí)間為7 h。東北電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)政策情況如圖2所示。

在分散式風(fēng)電場(chǎng)選址定容過(guò)程中，首先考慮分時(shí)電價(jià)政策對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的影響，選取谷時(shí)和平時(shí)進(jìn)行充電，按風(fēng)電場(chǎng)剩余電量的90%和50%進(jìn)行充電［10］；然后設(shè)置權(quán)重，并對(duì)包含有功和無(wú)功的總損耗進(jìn)行優(yōu)化求解，確定分散式風(fēng)電場(chǎng)中儲(chǔ)能裝置的安裝位置，根據(jù)風(fēng)電出力隨機(jī)性的魯棒優(yōu)化確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝容量。

圖2 東北電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)政策

根據(jù)圖3 中得到的分散式風(fēng)電場(chǎng)典型出力場(chǎng)景中風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度值和實(shí)際預(yù)測(cè)出力偏差，考慮風(fēng)電場(chǎng)的本地消耗按總風(fēng)電場(chǎng)出力的20%計(jì)算。

圖3 分散式風(fēng)電場(chǎng)源典型出力場(chǎng)景曲線

求取分散式風(fēng)電場(chǎng)總損耗，用以確定分散式風(fēng)電場(chǎng)位置。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)置有功網(wǎng)損和無(wú)功網(wǎng)損的權(quán)重系數(shù)0.5，其中，σPx_i=σQx_i滿足σPx_i、σQx_i∈［0，1］，確定整個(gè)分散式風(fēng)電場(chǎng)有功損耗、無(wú)功損耗及總損耗值，如圖4所示。

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)置有功網(wǎng)損和無(wú)功網(wǎng)損的權(quán)重系數(shù)為其中，σPx_i=σPx_i+1、σQx_i=σQx_i+1滿足σPx_i、σQx_i∈［0，1］。設(shè)置不同的權(quán)重確定整個(gè)分散式風(fēng)電場(chǎng)有功損耗、無(wú)功損耗及總損耗值如圖5所示。

圖4 分散式風(fēng)電場(chǎng)典型日損耗曲線（σPx=0.5）

圖5 分散式風(fēng)電場(chǎng)典型日損耗曲線（σPx=0.8）

根據(jù)圖4、圖5典型損耗確定風(fēng)電場(chǎng)布局在4個(gè)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電機(jī)組總運(yùn)行和損耗情況，合理配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，具體配置情況如表1、表2所示。

表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置（σPx=0.5）

表2 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置（σPx=0.8）

從表1和表2可以看出，設(shè)置關(guān)于損耗的不同權(quán)重系數(shù)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的選址定容產(chǎn)生一定的影響，權(quán)重不同，容量配置的大小和位置存在一定的差異性。

4 結(jié)論

分析了分散式風(fēng)電場(chǎng)加入儲(chǔ)能以后對(duì)網(wǎng)損的影響，并提出一種考慮最大接入容量和運(yùn)行功率因數(shù)的分散式風(fēng)電并網(wǎng)選址定容規(guī)劃方法。通過(guò)仿真驗(yàn)證得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)分時(shí)電價(jià)政策，確定分散式風(fēng)電場(chǎng)充放電特性，通過(guò)設(shè)置權(quán)重系數(shù)，考慮有功損耗和無(wú)功損耗比重對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的影響。

2）通過(guò)魯棒自適應(yīng)優(yōu)化方法，能夠確定分散式風(fēng)電場(chǎng)出力的不確定場(chǎng)景，更為準(zhǔn)確地配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，有效地提高了風(fēng)電消納能力，保證了整個(gè)分散式風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。