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高比例光伏接入的分布式儲能容量自適應協(xié)調(diào)控制方法

作者:柳長發(fā) 付立衡 張增麗 李宏勝 古敬彬 來源:儲能科學與技術 發(fā)布時間:2024-09-20 瀏覽:

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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)的無功損耗并設置功率約束條件,能夠快速響應光伏發(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)等因素會導致光伏功率的變化,需要儲能系統(tǒng)實時跟蹤、預測和調(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雜性。為此,提出一種新的分布式儲能容量自適應協(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,設置功率約束條件,確保功率的穩(wěn)定性?;诖耍噪妷簵l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,能夠實現(xiàn)高效的分布式儲能控制,并確保光伏的高效出力。

  關鍵詞 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雜電網(wǎng)需求的變化,導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協(xié)調(diào)控制方法的深入研究和探索,為構建可持續(xù)、智能、高效的電力系統(tǒng)提供了重要的理論和應用基礎。

  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果的影響。這些因素通常會對能量傳輸和供應造成一定的影響,導致儲能系統(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)的無功損耗并設置功率約束條件,能夠快速響應光伏發(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)設備免受損壞。

  在設計功率約束條件時,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。

  設計高比例光伏接入的分布式儲能結構進行分析如圖1所示。

圖1 高比例光伏接入的分布式儲能結構示意圖

  (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協(xié)調(diào)控制方法實際應用性能,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組光伏傳感接入設備,線路型號為LJ-60,分布式儲能配電網(wǎng)的拓撲結構如圖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個關鍵位置,放置了傳感器設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)絡線路處。每個傳感器與其相應位置的設備之間的距離大約為50 m,確保數(shù)據(jù)采集覆蓋到了關鍵位置。相關的電力參數(shù)如表2所示。

圖3 分布式儲能配電網(wǎng)

表2 電路相關詳細參數(shù)示意

  4.2 分布式儲能容量自適應協(xié)調(diào)控制效果

  為進一步驗證協(xié)同控制方法實際應用的有效性,未應用方法對儲能控制的不同節(jié)點光伏出力和負荷出力結果如圖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的結果如圖5~7所示。

圖片

圖4 未控制前節(jié)點光伏和電負荷出力曲線

圖5 文獻[1]方法應用下的分布式儲能SOC

圖6 文獻[2]方法應用下的分布式儲能SOC

圖7 所提方法應用下的分布式儲能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)同控制測試控制結果。

  從圖5~7中可以看出,所提方法應用下的分布式儲能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]方法應用下的分布式儲能SOC最大值為68%,文獻[2]方法應用下的分布式儲能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,可能導致電壓超過范圍。但通過自適應協(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,結果如圖8所示。

圖8 研究方法應用下電壓穩(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 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,保證協(xié)調(diào)結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)有效自適應協(xié)調(diào)控制??刂平Y果準確,方法效率高、魯棒性強。


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關鍵字:儲能

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