储能电源与电网调度协调控制系统

武晓峰，武万才，李玮，耿宁林，王维华

（国网吴忠供电公司电力调度控制中心，宁夏 吴忠 751100）

0 引言

目前，我国已成为世界上最大的能源消费国，但由于电网建设起步较晚，因此在经济、生活等方面与其他发达国家相比，存在一定的差距；同时，电网结构的变化也影响了发电容量的大小及电压等级的提高与稳定。本课题的研究有助于解决当前的电网规划问题，具有十分深远的理论价值[1-2]。

1 储能电源与电网调度协调系统

在储能装置容量和温度变化范围内，为满足电网的安全运行，需要对其进行合理的配置和优化控制。本章将介绍一种基于状态空间模型的协调控制系统，并建立系统的数学建模，从而实现了系统的调度问题。（1）层次分析法层次分析法是用于解决复杂的系统描述性规划研究的有效工具之一。它是将多目标决策问题转化为一个单准则、多个方案的综合体，通过分解各层的因素并给出各个指标的权重值，进而把若干个评价矩阵组合起来，形成一个多输入单变量的模糊网络。在利用层次分析法对问题有了深刻的理解之后，该方法就成为本文所采用的算法中的重要内容。（2）粒子群算法的应用及发展前景。由于目前的电力工业技术还不成熟，其计算量大，因此如何利用以图软件与数值计算机的优势来完成多参数的求解也是本章的工作重点。

2 储能电源与电网调度协调系统的运行方式

为了提高储能电源与电网调度的协调控制效果，需要建立在一定的约束条件下，对系统的运行方式进行优化。（1）协调控制要求 在储能装置容量和规模一定的情况下，对系统的能量管理和负载平衡的要求也相应提高。在满足系统的安全、稳定运行的前提下，对整个系统的综合分析，使其具有良好的灵活性，经济性，可靠性等。（2）协调控制的目标 在储能设备容量的约束条件下，对不同的工况，要采取不一样的调控方法。当系统中的工频量大于最大限制值时，应采用集中调节；当系统中的低频量高于临界值时，应优先考虑分散调峰方式。如果要使分布式电源与可再生能源充分发挥其优势，就要减少负荷的波动范围，以实现二者之间的协调运作。所以需要建立一个可以根据需求变化而自动调整的调度控制器。（3）算法的设计原则及程序的简单化。对于传统的优化问题，一般是先进行模型的假设然后再求解，但是这种做法往往会增加计算的工作量，因此必须得通过简化的数学工具来解决。

3 储能电源与电网调度协调系统的影响因素

在储能电源与电网协调控制过程中，影响系统的主要因素有： （1）负载特性。在实际的运行工况下，当储能电源的容量和频率都相同的情况下，其输出功率的幅值大小是固定的；当负荷发生变化时，其输入的有功无功将随着电压的波动而变化。因此，为了实现对电力系统的稳定和安全的供电，需要进行合理的规划设计。（2）技术水平。由于不同地区的经济发展状况不一样，所以对电能的需求也不完全相同。对于一些沿海发达的城市来说，其电网的建设比较完善，能够满足用户的用电要求。而相反的，很多地方的市县级电网的建设有所欠缺。（3）设备性能。如果要提高整个系统的效率以及稳定性，必须要考虑到各种电气量的干扰等。

4 储能电源与电网调度协调控制系统设计

目前，我国储能系统主要采用的发电方式是火电机组带动电网的运行模式，即由火电机组驱动的光伏、水电、风电场和潮汐转轮等设备。由于风力发电机组的功率波动性较小，风能资源利用率较高，同时也可以有效的降低电网的峰谷差，提高了电网的稳定性和可靠性。但是，在实际的调度过程中，因为各种因素的影响以及不同的工况，所需的电源不可能完全相同，所以在对电源进行调度时，不能完全按照单一的容量来调度，必须要根据具体的情况来做出合理的安排并作出协调控制。

4.1 储能电源与电网调度效益

对于储能系统与电网调度的协调控制系统来说，其主要任务是在满足控制对象（火电、可再生能源等）的约束条件下，使整个调度过程能够达至既节能又环保的要求：

（1）降低运行成本。在保证目标函数的基础上，对不同的工况，采取相应的优化算法，从而使其尽可能地节约发电和输电设备的装机容量和总的电能损耗。（2）提高负载率。当采用的储能装置容量小于需求的最大功率值时，则需要考虑到电网中的其他电源的消耗情况，通过合理的规划和设计，来实现负荷的“多大分”。（3）减少电力能源的浪费及污染。由于目前的环境问题日益严峻，国家提倡绿色出行，因此必须大力发展新的清洁、低碳的生活方式，比如太阳能、风能等新的能源；而风电作为一种新型的可再生的资源可以有效的解决当前的空气污染以及水土流失的严重现象。

4.2 系统实现

通过上文的分析与研究，储能调度协调控制系统的功能包括：（1）对蓄电池进行管理。在满厂蓄电池安全稳定运行的前提下，使其充放电过程更加可靠，并使系统的网络结构更为简单，便于实现。（2）对蓄电池的均衡控制。当系统负载发生变化时，调节控制器可以根据负荷的变化做出相应的调整措施，以保证整个电力系统的稳定性与经济性。（3）对逆变器的保护和滤波。逆变器是一种非线性元件，其输出特性与其工频整流和滤波器的参数有关，因此需要设计一款具有滤波能力强，动态响应快的电流互感器，以确保开关管在发生故障时能准确动作，并为逆变器提供良好的隔离条件。同时还需考虑器件的耐压性能，如采用低阻材料、低介电损耗的芯片等。（4）辅助设备的选型。为提高系统的可靠性及灵活性，需选用功率密度高的元器件，如电容、电感等。

4.3 电力网规划

从供电可靠性和经济性考虑，储能系统的建立必须满足以下条件：（1）电网的频率在允许范围之内。由于电网的功率波动较大，因此要求电压的稳定。（2）网络拓扑的变化要小。为了保证在不同的负荷下，储能装置的充放电，需要选择合适的主次载流元件。（3）在主电路中，要有足够的容量以使整个通信线路的负载均衡。当电力网的主接线发生故障时，通过备用电源可以迅速恢复。同时也减少了对其他器件的干扰和影响。（4）具有较高的抗扰动能力。当电力网的支路数较多时，会导致整个配电自动化统的稳定性降低。如果子接线错误，会造成子母线或配电设备损坏。所以应该尽量避免。此外还应注意的是，直流母线上可能存在一些不稳因素，如：母线上有大量的感性电器，以及转子励磁电流不正常。这些问题都将对电能质量产生不良后果。为此设计时，应充分了解各种情况，并采取相应措施。

4.4 配电变压器

配电变压器是变电站中的主要电气设备之一，它承担着电能的变换和输送任务。其基本功能是转换电压，将电力系统中的交流电转变为直流电，以降压后的高压交流功率向负载供电。在电网结构方面，配电变压器的作用十分重要，其性能的好坏直接影响到整个电网的经济运行的质量和效率。

（1）隔离故障。当发生工频干扰、非安全操作等事故时，就需要配置相应的保护装置，来保证对用户的正常工作。（2）控制与调节。根据负荷变化，及时切换或切除工频接线，以提高电网的可靠性；当出现停电的情况时，自动切断并发出指令，使断路器跳闸，恢复生产。（3）检修。在主开关上安装状态监视器，以便随时掌握主关的合态，并对主关进行远程在线监测。通过观察，可以了解主关的通断电流，有无异常发热现象。如果发现有短路的回路或短路的回路以上都有可能，应立即更换铁心，以防造成损坏。

4.5 电压调节

当电网的输出功率大于负载的需求量，或电力系统的容量小于电源的能量时，采用不同的调节方式，使其在满足控制目标的前提下，使其在安全范围内，以获得最佳的动态特性。

（1）改变调节方法 对电压进行适当的调整是一种最常见的调控手段，也是目前应用最多的调节形式。例如：将大电流的交流调压改为直流调压，可提高电网的传输能力，改善电压稳定性。（2）合理选择调节时间和频率，以取得最佳的调节效果。由于在实际中，负荷具有不确定性，因此，必须根据具体情况来灵活的配置各种电源的参数和相应的比例关系，通常包括：最大负荷波动、工频比的变化、有功无功补偿的影响等。这些因素都会对电压的稳定产生一定的作用力，所以需要考虑到它们的相互作用，以及相互之间的联系与制约。另外还应注意到，如果要想实现最优的开关组数，就得通过增加或减少控制器的数目来达到。

4.6 储能系统参数确定

由于储能系统与其他发电技术的不同在于，它具有能量密度高、功率大、体积小等特点。因此在设计中，需要考虑到这些特性。（1）容量：储能系统的容量是一个有限的数量级，主要是根据其自身的最大输出功率来估算。当储能设备的运行时间超过其额定工作电流时，应通过相应的保护措施，防止发生严重的事故；当储存电压小于一定值时，应允许其进行充电或放电，以保证在正常负荷下持续供电。（2）温度：在整个系统中，对于工况的变化有很大的影响因素，所以对工况的控制也有很高的要求；而对电力电子装置来说，则要满足稳态和热稳定的性能指标。（3）负载：因为蓄电池的充放电过程与电网并网的情况有关，所以要充分利用蓄电池的充放能力，使其能够承受较大的压力和电晕。同时还要注意不可以直接产生电弧，以免造成起火和损坏。如果不能完全避免，还应该采取适当的安全防护措施。

5 结论

当今世界，能源和环境问题越来越严重，为了应对这一严峻的形势和挑战，我国大力发展新能源发电技术，储能系统作为新的电力工业的重要组成部分，在提高电网安全运行水平、改善经济效益等方面发挥着巨大的作用；本文对目前储能调度协调控制系统中的模型进行了简要的分析研究，提出了基于状态反馈控制算法的多目标优化调度方法。