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本文亮點：考慮了光伏發(fā)電的波動性和隨機性增加所帶來的不確定性，通過計算儲能系統(tǒng)的無功損耗并設(shè)置功率約束條件，能夠快速響應(yīng)光伏發(fā)電的波動性，從而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過設(shè)置最優(yōu)性目標，能夠根據(jù)實際情況調(diào)整高比例光伏接入處的功率可調(diào)節(jié)范圍，從而實現(xiàn)分布式儲能容量的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制。這使得所提方法在保證光伏高效出力和優(yōu)化分布式儲能配置方面表現(xiàn)出較好的效果。
摘 要 光伏發(fā)電具有一定的波動性和不確定性，天氣、季節(jié)等因素會導(dǎo)致光伏功率的變化，需要儲能系統(tǒng)實時跟蹤、預(yù)測和調(diào)整以保持供需平衡，但波動性和不確定性增加了控制的復(fù)雜性。為此，提出一種新的分布式儲能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法。計算接入高比例光伏電能后儲能無功損耗，設(shè)置功率約束條件，確保功率的穩(wěn)定性?；诖?，以電壓條件最優(yōu)、接入負荷和凈功率最低、高比例光伏接入處的功率可調(diào)節(jié)范圍最優(yōu)為調(diào)控目標，實現(xiàn)高比例光伏接入的分布式儲能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制。實驗數(shù)據(jù)證明，所提方法在控制效果方面具有顯著優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的分布式儲能控制，并確保光伏的高效出力。
關(guān)鍵詞 高比例光伏接入；分布式儲能容量；有功功率；最優(yōu)潮流控制模型；網(wǎng)損
在電力系統(tǒng)中，分布式儲能系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于平衡電網(wǎng)供需、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性，以及促進可再生能源的有效利用。然而，當前分布式儲能系統(tǒng)的容量可能難以滿足復(fù)雜電網(wǎng)需求的變化，導(dǎo)致儲能容量不足或過剩，從而影響了儲能系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性。因此，研究人員提出了分布式儲能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制的概念，旨在通過智能控制和優(yōu)化算法實現(xiàn)實時調(diào)整和協(xié)調(diào)分布式儲能容量，以滿足電力系統(tǒng)的需求，并提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、靈活性和可靠性。這一研究背景推動了對分布式儲能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法的深入研究和探索，為構(gòu)建可持續(xù)、智能、高效的電力系統(tǒng)提供了重要的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。
針對光伏接入后儲能的控制問題展開研究，文獻[1]給出一種光伏與儲能聯(lián)合的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性控制方法。建立有關(guān)分布式電能接入和儲存容量的電網(wǎng)穩(wěn)定性模型，根據(jù)電網(wǎng)在該模型中的表達特性建立光伏與儲能之間的協(xié)調(diào)性模型，計算在不同的電壓波動環(huán)境下儲能充放電的最小目標函數(shù)，以該函數(shù)值為約束條件完成自適應(yīng)控制。該方法在處理電網(wǎng)環(huán)境中的不確定性因素時的適應(yīng)能力較差。由于光伏發(fā)電的波動性和隨機性增加，對于電網(wǎng)環(huán)境中存在的各種不確定性因素，如天氣、負荷變化等，該方法的控制效果可能受到較大影響。文獻[2]則通過一種群間協(xié)調(diào)方法來實現(xiàn)控制，采用模塊度指標方法對配電網(wǎng)實現(xiàn)集群劃分，在分布式儲能系統(tǒng)荷電平衡狀態(tài)下計算儲能參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)實現(xiàn)分配控制。該方法忽略了配電網(wǎng)的網(wǎng)損和時序動作功率對控制結(jié)果的影響。這些因素通常會對能量傳輸和供應(yīng)造成一定的影響，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)的分配和調(diào)節(jié)控制不夠精確和準確。
為此，提出一種高比例光伏接入的分布式儲能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法?？紤]了光伏發(fā)電的波動性和隨機性增加所帶來的不確定性，通過計算儲能系統(tǒng)的無功損耗并設(shè)置功率約束條件，能夠快速響應(yīng)光伏發(fā)電的波動性，從而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過設(shè)置最優(yōu)性目標，能夠根據(jù)實際情況調(diào)整高比例光伏接入處的功率可調(diào)節(jié)范圍，從而實現(xiàn)分布式儲能容量的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制。這使得所提方法在保證光伏高效出力和優(yōu)化分布式儲能配置方面表現(xiàn)出較好的效果。
1 接入高比例光伏電能后儲能無功損耗計算
無功損耗是指電力系統(tǒng)中由于無功功率的流動而產(chǎn)生的能量損耗。對于儲能系統(tǒng)而言，無功損耗是衡量其效率和性能的重要指標。通過準確計算無功損耗，可以了解儲能系統(tǒng)在處理無功功率時的能力，進而評估其對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。此外，無功損耗的計算還為優(yōu)化儲能系統(tǒng)的控制策略提供了重要依據(jù)。
有功損耗是由電流通過電阻導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱能損耗。根據(jù)電路理論，有功損耗可以通過測量流過支路的有功功率、無功功率和電阻值來計算。對于一個含有圖片條支路的配電網(wǎng)絡(luò)來說，其有功損耗圖片為：
2 功率約束條件
根據(jù)上節(jié)分析可知，高比例光伏接入會引入較大的無功功率注入電網(wǎng)中，可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定或電網(wǎng)頻率波動。因此，為優(yōu)化儲能容量控制的精度，先以不同類型高比例光伏接入的實際情況為依據(jù)，設(shè)計功率約束條件。功率約束條件是對分布式儲能功率輸出的一種限制，旨在確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。通過設(shè)定合理的功率約束條件，可以避免電網(wǎng)因無功功率的大量注入而出現(xiàn)過電壓或欠電壓的情況，從而保護電網(wǎng)設(shè)備免受損壞。
在設(shè)計功率約束條件時，需要考慮不同類型的高比例光伏接入情況。根據(jù)光伏接入的規(guī)模和容量，可以將光伏接入類型分為小型、中型和大型。針對不同類型的光伏接入，需要設(shè)定不同的功率約束條件。表1展示了不同類型高比例光伏接入的并網(wǎng)功率限制要求。
表1 高比例光伏接入并網(wǎng)功率限制要求
若分布式儲能電站為中小型電站，針對1 min和10 min時間尺度功率限制的計算公式為：
3 分布式儲能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制
在高比例太陽能接入下，意味著更多的太陽能發(fā)電資源可以被利用。通過分布式儲能容量的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制，可以更好地平衡太陽能發(fā)電的波動性和負荷需求之間的差異，確保光伏發(fā)電功率的最大化利用。儲能系統(tǒng)可以將多余的太陽能存儲起來，供晚上或天氣不好時使用，減少能源浪費，提高系統(tǒng)的能源利用效率。
為了實現(xiàn)分布式儲能系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)控制，設(shè)定了以下調(diào)控目標：
（1）電壓條件最優(yōu)：通過調(diào)整儲能容量，保持電網(wǎng)電壓在合理范圍內(nèi)，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備的正常運行。
（2）接入負荷和凈功率最低：通過匹配光伏發(fā)電的波動性與負荷需求，減少不必要的能源浪費，提高系統(tǒng)整體效率。
（3）功率可調(diào)節(jié)范圍最優(yōu)：利用儲能系統(tǒng)的靈活性，最大限度地利用光伏發(fā)電資源，提供靈活的功率調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)供需平衡和頻率穩(wěn)定。
設(shè)計高比例光伏接入的分布式儲能結(jié)構(gòu)進行分析如圖1所示。
圖1 高比例光伏接入的分布式儲能結(jié)構(gòu)示意圖
（1）電壓條件最優(yōu)控制
根據(jù)電壓條件函數(shù)，通過優(yōu)化儲能容量，控制光伏發(fā)電的功率注入，保持電網(wǎng)電壓在合理范圍內(nèi)。具體控制方法如公式(8)~式(12)所示。
根據(jù)以上內(nèi)容，繪制分布式儲能協(xié)調(diào)控制流程如圖2所示。
圖2 分布式儲能協(xié)調(diào)控制流程
為了確保分布式儲能系統(tǒng)能夠有效地應(yīng)對不斷變化的電網(wǎng)條件和負載需求，提供穩(wěn)定的電力輸出，并最大程度地利用清潔能源(如光伏發(fā)電)，通過優(yōu)化節(jié)點電壓、負荷和功率數(shù)值，以及限制有功、無功功率的可調(diào)節(jié)范圍，可以更好地協(xié)調(diào)各個環(huán)節(jié)，保持系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下的穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)過電壓或欠電壓等問題。利用電壓條件最優(yōu)、接入負荷和凈功率最低、功率可調(diào)節(jié)范圍最優(yōu)條件，根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)和環(huán)境變化，實時調(diào)整限制有功、無功功率的可調(diào)節(jié)范圍，以確保系統(tǒng)在各種情況下都能夠保持穩(wěn)定運行。
4 性能測試
4.1 測試環(huán)境
為驗證文中提出高比例光伏接入的分布式儲能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法實際應(yīng)用性能，算例采用220 V的配電網(wǎng)進行分析。實驗持續(xù)時間為24 h，數(shù)據(jù)采集頻率為每分鐘一次，以獲取對電力系統(tǒng)性能的全面了解。為保證反饋數(shù)據(jù)的實時性和精準性，通過一臺配電變壓器將分布式儲能電網(wǎng)電壓饋線相互連接，并在不同區(qū)域都放置傳感器用于采集實時的電力數(shù)據(jù)便于實驗分析與理解。線路中一共包含6組光伏傳感接入設(shè)備，線路型號為LJ-60，分布式儲能配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。具體的傳感器布置如下：在分布式儲能配電網(wǎng)中的6個關(guān)鍵位置，放置了傳感器設(shè)備來采集實時的電力數(shù)據(jù)。這些傳感器分別位于A區(qū)域的變電站、B區(qū)域的太陽能光伏發(fā)電站、C區(qū)域的儲能系統(tǒng)集中點、D區(qū)域的電力負荷中心、E區(qū)域的光伏發(fā)電接入點和F區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線路處。每個傳感器與其相應(yīng)位置的設(shè)備之間的距離大約為50 m，確保數(shù)據(jù)采集覆蓋到了關(guān)鍵位置。相關(guān)的電力參數(shù)如表2所示。
圖3 分布式儲能配電網(wǎng)
表2 電路相關(guān)詳細參數(shù)示意
4.2 分布式儲能容量自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制效果
為進一步驗證協(xié)同控制方法實際應(yīng)用的有效性，未應(yīng)用方法對儲能控制的不同節(jié)點光伏出力和負荷出力結(jié)果如圖4所示。文獻[1]方法、文獻[2]方法以及研究方法分別控制下分布式儲能SOC的結(jié)果如圖5~7所示。
圖4 未控制前節(jié)點光伏和電負荷出力曲線
圖5 文獻[1]方法應(yīng)用下的分布式儲能SOC
圖6 文獻[2]方法應(yīng)用下的分布式儲能SOC
圖7 所提方法應(yīng)用下的分布式儲能SOC
從圖4中可以看出，在早上5：00的到下午17：00階段，此時光伏出力大，峰值在10~12 kW之間，而用戶負荷相對較小，整體保持在2.2 kW左右。這個時段內(nèi)，儲能系統(tǒng)存在過電壓現(xiàn)象。而從傍晚17：00到第二天5：00，此時光伏不再出力，數(shù)值為0，儲能系統(tǒng)出現(xiàn)欠電壓現(xiàn)象。針對該現(xiàn)象進行協(xié)同控制測試控制結(jié)果。
從圖5~7中可以看出，所提方法應(yīng)用下的分布式儲能SOC最大值為90%，有效解決了原始電網(wǎng)出現(xiàn)的電壓越限問題，在5：00—11：00將多余的光伏能源儲存到系統(tǒng)中，分布式電網(wǎng)儲能系統(tǒng)容量充能到80%，用于改善過電壓問題；在17：00—第二天5：00的過電壓期間，通過釋放分布式儲能容量來彌補欠電壓問題；反觀文獻[1]方法應(yīng)用下的分布式儲能SOC最大值為68%，文獻[2]方法應(yīng)用下的分布式儲能SOC最大值為45%，兩種方法在補償區(qū)間的控制釋放容量不足，沒有合理改善欠電壓和過電壓問題。其中，光伏與儲能聯(lián)合方法的爬坡時間過長，不能實現(xiàn)快速充放電，實際應(yīng)用性能較差。綜合對比發(fā)現(xiàn)，所提方法針對電網(wǎng)的所有時間段都能實現(xiàn)高效的分布式儲能控制。這主要是因為研究方法通過設(shè)定電壓條件的最優(yōu)目標，分布式儲能系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)的實際情況來調(diào)節(jié)儲能容量。當高比例光伏電能接入時，會引入更多的無功功率注入電網(wǎng)中，可能導(dǎo)致電壓超過范圍。但通過自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制，分布式儲能系統(tǒng)可以控制自身的無功功率吸收或注入，以維持電壓在合理范圍內(nèi)。
以圖3中給出的電力拓撲圖進行電壓穩(wěn)定測試，電壓的穩(wěn)定性也是驗證控制效果的重要指標之一，結(jié)果如圖8所示。
圖8 研究方法應(yīng)用下電壓穩(wěn)定性效果
從圖8中可以看出，在中午和晚上的過電壓和欠電壓時段，經(jīng)過所提方法控制后都得到了有效改善，在12：00左右只存在較小的過電壓，整體分布式儲能容量協(xié)調(diào)控制應(yīng)用效果較好，針對因光伏和用戶負荷出現(xiàn)的電力問題都能通過協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)高效改善。這是因為在中午，光照強度較高，光伏發(fā)電容量大，可能會引起電網(wǎng)的過電壓問題。根據(jù)所提方法，分布式儲能系統(tǒng)會根據(jù)實時情況計算出儲能無功損耗，設(shè)定功率約束條件，將多余的光伏電能儲存起來，降低注入電網(wǎng)的光伏功率，從而有效減緩電壓上升的速度，避免過電壓的發(fā)生。在晚上情況下，光伏發(fā)電會減少，可能導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)欠電壓問題。根據(jù)所提方法，分布式儲能系統(tǒng)會根據(jù)實時計算的儲能無功損耗，通過釋放儲能來補充電網(wǎng)的無功需求，提供額外的無功功率支持，以提高電網(wǎng)電壓并避免欠電壓問題的發(fā)生。
5 結(jié) 論
由于高比例光伏接入的分布式儲能電網(wǎng)受接入電能、功率波動以及其他環(huán)境因素的影響，具有很大的波動性。為提高自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制的實用性，分析可能發(fā)生功率損耗并給出控制約束條件，功率損耗分析作為協(xié)調(diào)控制的首要步驟，其為后續(xù)控制提供了參照條件，得到儲能容量與功率損耗之間的變化關(guān)系。而約束條件作為協(xié)調(diào)控制的必要步驟，控制方法需以條件函數(shù)為基礎(chǔ)，保證協(xié)調(diào)結(jié)果符合實際情況提高精準度。最終的控制方法以求得了不同儲能功率、狀態(tài)下內(nèi)部參數(shù)的關(guān)聯(lián)變化，計算得到每一次光伏接入的最佳條件，并求得決定參數(shù)，通過調(diào)節(jié)決定參數(shù)來實現(xiàn)有效自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制。控制結(jié)果準確，方法效率高、魯棒性強。
