含新能源的独立电网储能容量配置和运行策略研究

王正辉

（中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海 西宁 810008）

0 引 言

相比传统互联电网，利用新能源发电技术介入独立电网，在规划和运行过程中受到不确定性因素的影响更加显著。本文主要阐述了新能源发电接入电网类型以及运行策略发展现状，详细分析了多种独立电网构建方式和控制策略。

1 风储独立电网储能容量优化

由于各地能源政策和环境差异，风力发电过程中可以采用集中安装和分散布置方式，因此储能系统也可以采取分散安装和集中安装的方式。根据风力发电机和储能安装不同，可将风电储能电网划分为如下四种方式。（1）风力和储能系统安装在独立电网中；（2）分散安装风电发电机，集中安装储能系统；（3）集中安装风力发电机和分散安装储能系统；（4）分散安装储能系统和风力发电机。由于储能系统在分散安装过程中成本较高，且规划难度较大，因此本文采用的风电储能电网结构实际上是指由分散安装和集中安装的风力发电机和储能系统共同构成，如图1所示。

集中安装的储能系统和风电场电网中，某一区域范围内集中安装风力发电机，可形成风电场。风电场中存在多台发电机，可以通过线路汇集并连接到相应的输电线路中，通过高压线路将电能输送到相应的用户侧，经降压变能够向用户提供供电。此外，由于储能系统在用户侧安装，因此能够减小系统升压变尺寸，进一步提升电能质量，防止出现线路故障，保证用电的可靠性。分散安装风力发电机和集中安装储能系统时，低压配电网中分散安装风力发电机靠近用户一侧，每台风力发电机可通过升压变进入到相应的输配电网中，而储能系统能够通过升压变逆变器与发电机共同接入到地下配电网中。分散分布的发电机的输出率更加稳定，由于风电场会受到气候条件的影响，因此其输出功率变化明显。但是，由于风力发电机采取分散安装时规划难度较高，因此目前针对大容量主要采用集中安装的方式，而小容量在微电网中采取分散安装的方式。

图1 风电储能电网结构示意图

对于储能容量优化配置，大电网互联能够提升电网运行效率，保障电力的可靠性。然而对于一些偏远地区，由于电网和主网间无互联，因此很难保证供电可靠性。随着可再生能源发电技术的发展，以可再生能源作为电源配合储能设备构成独立电网，能够为偏远地区解决能源输送问题。当主网与独立电网无互联时，可以采用孤岛运行供电；当独立电网与主网存在较弱的联系时，独立电网可以采用孤岛运行和联网的模式，进一步提升电网可靠性[1]。当风力发电接入独立电网中，虽然能够提供天然能源，但由于其具备间歇性和随机性，会对系统稳定性产生不利影响。为保障系统安全运行，接入风电后需要配置备用容量和调频电源。风电场的不可调度性会给系统调度带来难度，基于储能系统的响应特点，合理配置储能系统，能够实现电厂的可调度性。这也是目前解决风电场联网接入的有效办法。可以将风电储能、电网和风电储能系统作为常规电源，在常规调度具有可行性的基础上，尽可能降低备用电源和辅助调峰需求。

2 含新能源微电网旋转备用优化

微电网是由负荷、分布式源共同构成的，能够向特定区域提供独立的电网可控系统。微电网中，分布式源包括燃气轮机、热电联产、储能设备及风力发电机等。微电网具有分布式发电技术，尤其能够分散可再生能源发电接入，具有良好的人机交互能力。分布式发电在与用户侧组网时能够减小原距离的输电损耗，提高配电能力，延缓电网升级压力，降低投入成本。一方面，大电网面临连锁故障和自然灾害，导致存在停电事故的威胁，同时也暴露了在现有大电网机组情况下线路集中发输电对系统可靠性影响程度较大的问题；另一方面，各国鼓励采用新能源发电技术，以产生良好的综合效益，同时为偏远地区解决供电问题。基于此，建立微电网是目前最好的解决措施。孤岛运行和联网模式切换能够隔绝主网对微电网产生的影响，提升供电安全性、可靠性，弥补大电网在互联过程中存在的不足之处。

2.1 不确定性分布模型

传统电力系统运行中，为维持旋转备用容量，确保系统实现安全稳定运行，旋转备用量采用确定性计算。这种方法相对比较简便，系统不确定性主要考虑机组故障和负荷预测误差，且负荷预测结果比较准确，能够满足系统运行需求，进而得到广泛应用[2]。但是这种旋转备用方法没有考虑系统不确定性对旋转备用产生的不利影响。尤其是微电网，分散接入可再生能源发电后发电功率的随机性、波动性会增加微电网的不确定性运行状态。因此，准确分析微电网不确定因素能够为实现微电网宣传备用优化提供基础。

例如，传统电网负荷预测过程中，预测误差其均值为零，是一种正态分布，由于大电网日负荷重复性较强，预测时长和误差相关性小，所以利用标准差能够假设与负荷实际成某种比例关系。由于供电负荷相对集中，负荷变化较大，导致误差较大，因此在微电网负荷预测过程中需要将预测误差均值设为零，其标准差的正态分布为：

取t负荷中预测误差分布标准差：

其中，t为时段，l为光照强度为光伏发电功率预测值，为光伏发电功率预测误差。

微电网中，可控发电单元包括燃料电池、微型燃气轮机。此外，还可以将主网联络线和微电网作为特殊可控发电单元。当主网向微电网输送的功率为正值时，此时上主网输送功率为负值，导致可控发电单元不确定性是由于设备故障停运引起的功率偏差，选择传统大型发电机的停用模型，利用两种状态来描述微网内可控发电单元的实际运行情况。优化中，一旦可控发电单元出现故障停止运行，可认为发电单元替换时间长，可以忽略发电单元修复的可能。因此，计算可控发电单元停运替代功率时，可用式（3）表示：

其中，λr为可控发电单元r的停运率，dr为各个优化时间段时长，其可控发电单元不确定性离散分布，如表1所示。

表1 可控发电单元不确定性离散分布情况

2.2 微电网旋转备用的优化模型

设置旋转备用能够减少因微电网功率不确定而出现的停运风险，但需要增加微电网运行成本。增加旋转设备的投入能够减小系统停电概率，然而也会增加系统的整体成本。这主要是因为增加旋转设备，不仅提高了成本，而且需要增加发电单元开机，使其他发电单元出力偏离最优值。由于联网和微电网孤岛运行过程中属于不同的侧重方向，对于微电网旋转备用，孤岛模式的供电可靠性是关键因素。联网模式下，实际上是基于主网联络线、保障供电可靠性的前提下，能够使经济性成为旋转备用设备的重点。

3 风储独立电网孤岛控制

图2为广东某联络线交换功率数据。

图2 广东某联络线交换功率数据

由于各地区存在多个风电场，安装大量风机，并且没有配置其他的储能单元，联络线交换功率是用电功率和负荷的不平衡功率，因此可知功率差额和累计能量差额相对较大。采用传统的控制策略会使孤岛运行储能系统容量需求大，投入成本高，因此在以风力发电为主的独立电网中，基于配套储能系统容量，可通过电荷和电源侧的双侧协调控制实现风电功率与负荷的平衡，摆脱过去利用可控发电单元进行负荷波动和可再生能源发电。风电储能独立电网运行控制时需要做好分层控制设计，控制好预测误差。由于受到容量和储能系统功率限制，完全采用储能消纳独立电网负荷不平衡和风电功率是不可行的，因此需要基于平衡功率将风电储能、电网控制策略划分成双层控制，即上级负荷侧和风电电源侧控制、下级储能系统功率补偿。

4 结 论

利用新能源发电能够为实现区域独立供电提供有效方法。由于风力和光伏发电过程中存在间歇性和波动性，影响电能质量，因此需要研究新能源独立电网的规划控制技术，使其满足实际供电需求。