李 強(qiáng)，趙 峰，劉茂凱，趙林林

（1.國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 102211；2.北京國(guó)網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司，北京 100053）

目前，我國(guó)的微電網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)得到了有效發(fā)展[1-2]，利用多種清潔能源進(jìn)行發(fā)電，降低了其余能源的使用率，并提高了用戶(hù)終端用電效率。但是，多個(gè)發(fā)電單元存在時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致暫態(tài)電壓和儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)，因此需要研究源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制方法來(lái)解決這些問(wèn)題。

文獻(xiàn)[3]提出源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用方法，針對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換模式構(gòu)建了資源管理平臺(tái)，并結(jié)合多種融合決策技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)多場(chǎng)景支撐的情況下，完成了協(xié)調(diào)控制，但該方法協(xié)調(diào)控制效果存在一定不足。文獻(xiàn)[4]提出基于模糊與一致性復(fù)合智能算法的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)同控制方法，分析源網(wǎng)荷儲(chǔ)的特性，構(gòu)建協(xié)同控制優(yōu)化模型，利用該模型對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)實(shí)施協(xié)調(diào)控制，模糊策略對(duì)建立的模型求解，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)的協(xié)調(diào)控制，但該方法存在電壓暫態(tài)穩(wěn)定性差的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]提出基于趨勢(shì)理論的源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)性控制方法，從而實(shí)現(xiàn)整體控制研究，但該方法的分析效果差，存在儲(chǔ)能總功率輸出波動(dòng)性強(qiáng)的問(wèn)題。為了解決上述方法中存在的問(wèn)題，本文提出雙碳目標(biāo)下面向清潔能源消納的源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制方法。

1 源網(wǎng)荷儲(chǔ)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

1.1 雙碳目標(biāo)及清潔能源消納大背景

為實(shí)現(xiàn)碳中和需要將碳達(dá)峰、碳中和等納入我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)布局內(nèi)，并在此基礎(chǔ)上建造清潔能源消納且安全高效的能源體系，達(dá)到控制化石能源的目的，有效實(shí)現(xiàn)可再生能源的替代行動(dòng)[6]。為有效實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，我國(guó)將能源排放作為主戰(zhàn)場(chǎng)，而電力排放作為主力軍，電網(wǎng)就是主力軍的排頭兵，因此電力電網(wǎng)的低碳排放會(huì)對(duì)中國(guó)雙碳目標(biāo)產(chǎn)生影響，是推進(jìn)可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵。根據(jù)近幾年研究發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)負(fù)荷管控清潔能源消納可以有效管理負(fù)荷資源，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的輔助服務(wù)。但由于涉及的方面較多，需要在雙碳目標(biāo)及清潔能源消納背景下綜合考慮電網(wǎng)負(fù)荷控制環(huán)境及執(zhí)行條件。為此在雙碳目標(biāo)及清潔能源消納背景下，進(jìn)一步對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)開(kāi)展協(xié)調(diào)控制研究。

1.2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)單元模型

依據(jù)雙碳目標(biāo)及清潔能源消納背景，構(gòu)建源網(wǎng)荷儲(chǔ)關(guān)鍵單元的數(shù)學(xué)模型，其中包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、柴油發(fā)電機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)特性的有效分析。

1.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型

由于風(fēng)速存在波動(dòng)性及不確定性，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率是由風(fēng)速和風(fēng)機(jī)特性決定，針對(duì)多種動(dòng)態(tài)特性的影響，在風(fēng)速符合風(fēng)機(jī)工作的狀態(tài)下構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

通過(guò)圖1 進(jìn)一步計(jì)算風(fēng)機(jī)的輸出功率[7]：

式中：PWT（t）表示t 時(shí)刻的輸出功率；A 表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片面積；ηW表示功率系數(shù)；Vcutin表示風(fēng)速切入；Vcutout表示風(fēng)速切出；Vnom表示額定風(fēng)速；V（t）表示t 時(shí)刻的風(fēng)速；ρ 表示空氣密度；P 表示電功率。

1.2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

在多種能源形式中，太陽(yáng)能是發(fā)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(fā)電技術(shù)在新能源領(lǐng)域中有著較大優(yōu)勢(shì)。光伏發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the photovoltaic power generation system model

由于電池的溫度、太陽(yáng)能輻射產(chǎn)生出的最大功率點(diǎn)會(huì)對(duì)光伏陣列的輸出功率產(chǎn)生影響，所以該系統(tǒng)的溫度可用下式計(jì)算獲得：

式中：Tj（t）表示t 時(shí)刻的溫度；Tamp表示環(huán)境溫度；GT（t）表示太陽(yáng)輻射；NOCT 表示電池板溫度。

根據(jù)式（2）進(jìn)一步計(jì)算光伏陣列系統(tǒng)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(lián)、并聯(lián)單元數(shù)；κ 表示功率-溫度系數(shù)；PPV（t）表示輸出功率。

1.2.3 柴油發(fā)電機(jī)模型

柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure diagram of diesel generator

在電網(wǎng)中柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)屬于重要的可控發(fā)電單元，為保證柴油發(fā)電機(jī)的有效運(yùn)行，對(duì)其出力設(shè)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(xiàng)式對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的能耗特性進(jìn)行描述：

式中：x、y、z 均為系數(shù)。

由此建立柴油發(fā)電機(jī)響應(yīng)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：PDE，0表示響應(yīng)前的輸出功率；PDE，1表示響應(yīng)后的輸出功率。

通過(guò)構(gòu)建源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)單元模型，有效分析出電網(wǎng)的運(yùn)行特性，為后續(xù)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制奠定基礎(chǔ)。

2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制

2.1 獲取源網(wǎng)荷儲(chǔ)全局信息

以1.2 節(jié)構(gòu)建的源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用平均一致性算法獲取電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息，通過(guò)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(jié)點(diǎn)信息矩陣。

設(shè)定電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)用i 表示，當(dāng)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i 初始化時(shí)，可利用下式獲取電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收斂時(shí)的平均值：

式中：Sai表示全局平均一致信息；n 表示節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

若電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，那么電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)序號(hào)在初始化過(guò)程中就會(huì)收斂到新的平均值，即i/（n+Δn）。當(dāng)式（8）的功率變化量初始化時(shí)，電網(wǎng)在收斂期間會(huì)出現(xiàn)功率缺額的問(wèn)題，而最終結(jié)果可利用節(jié)點(diǎn)數(shù)量和平均功率缺額的乘積獲取[8]，定義如下：

以此類(lèi)推，在考慮負(fù)荷等級(jí)的情況下對(duì)電網(wǎng)實(shí)施減負(fù)荷處理，因此當(dāng)式（8）的各級(jí)負(fù)載可切量初始化時(shí)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量與可切負(fù)荷的平均值乘積，即可取得可切負(fù)荷總量，表示如下：

式中：εLy表示負(fù)載等級(jí)；SLy表示負(fù)載實(shí)際值表示平均可切負(fù)荷。

2.2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略

基于上述計(jì)算結(jié)果，通過(guò)頻率判斷制定源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略[9-10]，如圖4 所示。

圖4 協(xié)調(diào)控制策略Fig.4 Coordinating control strategy

源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制具體步驟如下：

（1）當(dāng)電網(wǎng)與孤網(wǎng)脫離后，會(huì)產(chǎn)生一定功率缺額，若此時(shí)系統(tǒng)頻率低于50 Hz，系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組就可以調(diào)節(jié)功率，使其保持平衡，從而恢復(fù)至初始頻率。為此利用下式計(jì)算出系統(tǒng)各個(gè)機(jī)組的協(xié)調(diào)增發(fā)實(shí)際值：

式中：Sfy表示備用容量；ΔSfy表示增發(fā)實(shí)際值表示功率缺額占比。

（2）電網(wǎng)局部孤網(wǎng)運(yùn)行期間，會(huì)出現(xiàn)頻率下降的問(wèn)題，且下降幅度較大，當(dāng)下降至50 Hz 以下后，功率缺額就會(huì)變大，需要通過(guò)減負(fù)荷的方式實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。假設(shè)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的控制結(jié)果與式（11）相同，為此在的基礎(chǔ)上提升發(fā)電機(jī)組出力，并利用下式計(jì)算出實(shí)際處理增加值：

式中：ΣΔSf表示實(shí)際出力增加值表示協(xié)調(diào)增發(fā)實(shí)際值的均值。

基于實(shí)際減載總量比值，進(jìn)一步計(jì)算系統(tǒng)負(fù)荷的減載量，定義如下：

基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略，對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)施出力協(xié)調(diào)及多級(jí)負(fù)載減載等控制流程，保證了源網(wǎng)荷儲(chǔ)的穩(wěn)定性運(yùn)行，以此實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)的協(xié)調(diào)控制。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用雙碳目標(biāo)下面向清潔能源消納的源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制方法（方法1）、源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用方法（方法2）和基于模糊與一致性復(fù)合智能算法的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)同控制策略研究方法（方法3）進(jìn)行測(cè)試。本次實(shí)驗(yàn)選取源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)的參數(shù)如表1 所示。源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

表1 源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of the source network load and storage system

圖5 源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of the source network loading and storage system

3.1 風(fēng)機(jī)電壓暫態(tài)穩(wěn)定性

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，對(duì)比分析了方法1、方法2 和方法3 控制性能，并模擬了風(fēng)電、負(fù)荷突變。設(shè)定在實(shí)驗(yàn)期間，2～4 s 時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷出現(xiàn)突增情況，突增至150 kW，并在6～8 s 時(shí)投入150 kVar容性負(fù)荷?；谠O(shè)定條件，3 種方法下的雙饋風(fēng)機(jī)電壓暫態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 雙饋風(fēng)機(jī)電壓暫態(tài)穩(wěn)定性結(jié)果Fig.6 Voltage transient stability results of double-fed fan

分析圖6 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，雙饋風(fēng)機(jī)功率爬坡期間，風(fēng)機(jī)電壓會(huì)出現(xiàn)明顯升高，且電壓超出1.3 p.u.時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯振蕩。利用3 種方法控制雙饋風(fēng)機(jī)電壓時(shí)，可見(jiàn)僅有方法1 在整個(gè)過(guò)程中的電壓保持在1.2 p.u.附近，且波動(dòng)率較低，說(shuō)明經(jīng)控制后，方法1 的風(fēng)機(jī)電壓沒(méi)有產(chǎn)生振蕩且整體平穩(wěn)。反觀方法2 和方法3 經(jīng)控制后均超出1.3 p.u.，在整體測(cè)試期間風(fēng)機(jī)出現(xiàn)的振蕩頻率較高，波動(dòng)率大，此時(shí)的風(fēng)機(jī)電壓暫態(tài)穩(wěn)定性低。

3.2 風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率暫態(tài)穩(wěn)定性

在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測(cè)試反饋風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率。3 種方法下反饋風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率穩(wěn)定性結(jié)果如圖7 所示。

圖7 反饋風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率穩(wěn)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(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率運(yùn)動(dòng)軌跡較方法2、方法3 來(lái)說(shuō)更加平穩(wěn)，而方法2、方法3 控制下的風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率曲線的波動(dòng)幅度較大，說(shuō)明在方法1 的控制下，反饋風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功功率暫態(tài)穩(wěn)定性強(qiáng)。

3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)總輸出功率穩(wěn)定性

選取源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)作為本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象，進(jìn)一步對(duì)比方法1、方法2 和方法3 的儲(chǔ)能總輸出功率，根據(jù)控制后所產(chǎn)生的儲(chǔ)能出力波動(dòng)性，分析不同方法的協(xié)調(diào)控制效果。3 種方法下儲(chǔ)能系統(tǒng)總輸出功率結(jié)果如圖8 所示。

圖8 儲(chǔ)能系統(tǒng)功率輸出結(jié)果Fig.8 Power output results of the energy storage system

根據(jù)圖8 中的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，方法2、方法3 的出力波動(dòng)起伏大，而方法1 的儲(chǔ)能出力波動(dòng)性起伏較小，說(shuō)明在整個(gè)過(guò)程中方法1 可以有效實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制，使源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了方法1 的控制效果高于方法2、方法3。

4 結(jié)語(yǔ)

為有效應(yīng)用源網(wǎng)荷儲(chǔ)系統(tǒng)，需提升源網(wǎng)荷儲(chǔ)在雙碳目標(biāo)及清潔能源消納背景下的控制精度，為此提出雙碳目標(biāo)下面向清潔能源消納的源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制方法。該方法首先提出雙碳目標(biāo)及清潔能源消納背景，在該背景下構(gòu)建源網(wǎng)荷儲(chǔ)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步獲取源網(wǎng)荷儲(chǔ)全局信息，將其作為基礎(chǔ)制定源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略，從而實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制。