“源-网-储”协调互动的风电并网消纳策略

万玉良，吴 坚，顾 锐，刘福锁

(1. 国网内蒙古东部电力有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000；2. 东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096；3. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

1 引言

为响应国家“能源革命”、“清洁能源”战略[1-2]，我国风电并网规模持续增加[3-4]，2019 年全国风电新增装机 2574 万kW，同比增长40%，累计风电装机容量达到2.1亿kW[5]。目前我国发电仍以火电为主，截止2017年，我国火力发电占全部发电比例的70.92%[6]。由于火电机组爬坡能力有限，灵活性不足，对风电消纳能力有限，弃风问题较为突出。2017 年我国弃风电量为达到419 亿 kW.h，平均弃风率高达12%[7]，风电消纳形势较为严峻，对电网运行灵活性提出了更高要求[8]。此外，我国特高压直流输电规模逐渐增大、随着直流输电工程的快速建设，多地区形成了典型的多馈入直流系统，以华东电网为例，截至2018年底共馈入11回直流，形成典型的交直流混联系统。

针对高比例风电并网问题国内外学者进行了大量研究[9-11]。文献[12]利用含储热系统的光热电站与风电站联合并网，采用电加热装置将多余风电储存在储热系统，该方法有助于灵活调度，但光热电站的转换效率不够高。文献[13]提出了含储热的热电联产机组与电锅炉的风电消纳协调调度模型，提升风电消纳能力，减少调度成本，但时间尺度太短，考虑因素不足。文献[14]提出一种储辅助火电机组深度调峰的分层优化调度方案，可减少弃风率，但没有从根本上解决火电机组爬坡能力不足问题。文献[15]考虑了水电联调机制，提升系统风电消纳水平、降低整体运行成本，但风电消纳容量受限于水流量大小、地理位置等，调节灵活性存在不足。文献[16]基于电转气提高电网消纳风电能力，但其安全性与可靠性有待提高。上述方法在风电消纳上已达到瓶颈，并未充分利用电网直流调节特性，进一步释放电网对风电的消纳空间，因此，结合现有电网交直流混联的结构形态[17-18]，进一步提升电网对风电的消纳能力具有重要意义。

本文针对现有风电消纳方法存在的风电消纳水平不高、风电消纳空间有限等瓶颈，利用电网直流调节特性，进一步释放电网风电消纳空间，提高电网对风电消纳的能力。首先介绍了电网直流调制的基本原理，研究了直流调制控制模型。然后，基于直流调制模型，以系统综合成本最小为目标，构建了“源-网-储”协调互动的风电消纳模型。提出了“源-网-储”协调互动的风电消纳策略，基于风电的波动特性，充分利用火电机组、直流调制、以及储能系统间的协调运行特性，充分释放电网消纳风电空间，减小火电机组爬坡压力，提升电网调峰能力，提高风电消纳水平。最后，对IEEE-24节点系统进行了改进，并仿真验证本文所提策略优越性和有效性。

2 电网直流调制模型

2.1 直流调制原理

直流调制主要指当电网受到扰动后，基于电网运行参数的变化，快速改变直流系统输出有功功率，或者换流站在能量转换过程中快速吸收无功功率，提高电网阻尼，维持电网稳定性和可靠性。本文利用直流调制的有功功率可调节特性，来应对大规模风电并网给电网带来的冲击，提高对风电的消纳能力。

在整流侧，改变电流调节整定值Id，实现功率调制。而直流功率的调制通常会叠加一个控制分量。若使用R-L电路调节，不考虑电容影响，直流线路中的稳态电流为

(1)

式中Xcr为整流侧电抗，Xci为逆变侧电抗，Udr为整流器阀侧空载电压；Udi为逆变器的阀侧空载电压。

通过改变换流变压器的分接头调节Udr，Udi，设置α，γ为定值。在调节过程中要注意调节范围，Id对Udr，Udi的调节反应灵敏，会产生过电流引起电路元件损坏。Udr，Udi的调节响应较慢，可以通过控制触发相位角α的控制迅速调节电流实现快速响应。

2.2 直流调制控制模型

直流有功功率调节采用闭环调节，比例-积分控制(PI)，其中比例环节调节KP可减少调节偏差，积分环节调节KI可消除系统的稳态误差，迅速跟踪信号的变化。调节器控制方程如式(2)、式(3)所示

(2)

(3)

图1 直流调制控制模型

3 “源-网-储”协调互动模型

3.1 目标函数

综合考虑负荷特性，直流调制、风电、储能与火电的调节能力，以“源-网-储”系统综合运行成本最小为目标，如式(4)所示

(4)

式中CGi为第i台火电机组发电成本，CL为失负荷成本，CPW为弃风惩罚成本，CC为储能运行成本，CZ为直流调制成本，Cq为火电机组爬坡成本系数。PLlossj，t为负荷j在t时刻的失负荷功率。PGi，t为火电机组i在t时刻的发电功率，PWloss，t为t时刻风电的弃风功率，PC， t为t时刻储能的充电功率，PD， t为t时刻储能的放电功率，PZ0为直流不调制时馈入的功率，PZ， t为t时刻直流输入功率。NG为火电机组数量，NL为负荷节点数，T为总的优化时间。

3.2 约束条件

约束条件主要包括有用平衡约束、直流调制约束、风力发电约束、储能约束、火电机组约束、线路约束以及失负荷约束。

1)有功平衡约束。系统有功率要满足平衡条件，如式(5)所示

(5)

2)直流调制约束。直流调制功率有一定范围，如式(6)所示。本文直流调制为直流长期调制运行方式[19]

PZ，min

(6)

式中，最大调制功率PZ，max=1.1PZ0，最小调制功率PZ，min=0.9PZ0。

3)风力发电约束。主要包括风电爬坡约束和风电弃风约束，如式(7)所示

(7)

式中λPw，t为风电爬坡率，λmin，t、λmax，t分别为风电最小、最大爬坡率。Δt为t时刻两个风电功率间的时间间隔。PPW0，t为t时刻风电出力。

(8)

4)储能约束。主要包括储能功率约束、储能荷电率约束以及储能容量约束。储能功率约束如式(9)所示

(9)

式中PC，max为储能最大充电功率，PD，max为储能最大放电功率。

储能荷电约束如式(10)所示，设置此项约束可以避免储能过充、过放

(10)

式中SOCmax、SOCmin为储能最大、最小荷电率，SOC0为储能系统初始荷电率，Et为储能容量。

储能容量约束如式(11)所示，确保储能每时每刻的储能容量满足要求。

(11)

式中，EMax，EMin分别为储能容量上下限(这里分别取100%的额定容量与10%的额定容量)，Δt为时间间隔，η1，η2分别为储能放电与充电的效率。

5)火电机组约束。主要包括运行约束和爬坡约束，如式(12)所示

(12)

6)失负荷约束。即系统中某节点失负荷功率不能大于该节点负荷功率，如式(13)所示

0≤PLlossj，t≤PLj，t

(13)

4 “源-网-储”协调互动的风电消纳策略

本文所提风电消纳策略充分调动电网火电机组、电网直流调制以及储能间的协调互动特性，对大规模并网的风电功率进行消纳，减小失负荷量，提高风电的消纳能力，保障电网安全稳定运行，具体如图2所示。

图2 “源-网-储”协调互动的风电消纳策略

当并网风电在一定范围内波动，未出现爬坡事件时，由系统常规火电机组和储能系统进行调节、对并网风电进行消纳，此时直流调制不动作。

在并网风电出力大幅下降，需要提高电网整体发电量时，先由常规火电机组和储能机组调节，增加火电机组发电功率、储能放电功率。当火电机组上爬坡率达到极限，储能放电功率达到极限值，而仍然不能平衡电网功率，即出现风电爬坡事件时，直流调制开始动作，增加电网馈入功率，减小失负荷量，提高电网供电可靠性和安全稳定性。

在并网风电出力大幅上升，需要减小电网整体发电量时，先由常规火电机组和储能机组调节，减小火电机组发电功率，储能开始充电运行。当火电机组上爬坡率达到极限，储能充电功率达到极限值，但仍然不能平衡电网功率出现风电爬坡事件时，直流调制动作，减小电网馈入功率，增加风电消纳功率，提高电网风电消纳水平。

在风电功率出现急剧波动，需要快速平衡电网功率，而火电机组和储能系统来不及动作时，利用直流调制的快速调节能力，对电网整体功率进行快速平衡，缓解风电急剧波动对电网带来的冲击，在保障电网安全稳定水平的前提下，提高风电消纳量或较小失负荷量。

基于构建的“源-网-储”协调互动模型和风电消纳策略，借助MATLAB工具箱中的线性规划单纯性算法对模型进行求解，具体如图3所示。

图3 风电消纳策略

1)设置成本参数火电机组CGi、失负荷成本CL、弃风惩罚成本CPW、储能成本CC，机组爬坡成本Cq，直流调制成本CZ，时间T等。

3)分别计算风电爬坡率λPW，t，火电机组爬坡率RGi，t，储能充放电功率PC，t、PD，t，储能容量Et。

5)准备线性模型中参数，如成本向量f′。火电、风电爬坡功率系数矩阵A。储能充放电约束向量b。线路有功等式约束和系统功率平衡约束系数矩阵Aeq。线路有功等式向量，系统负荷功率向量Beq。火电机组发电功率、节点相角、线路热稳定功率、风电功率、负荷功率、弃风功率、直流调制功率、储能充电放电功率、储能荷电率、储能容量上限，下限向量ub，lb。

6)设置或更新模型的初始可行解X(t)=(b1，b2…，bm，0，…，0)′，并对本时刻电网功率进行求解，然后计算下一时刻t=Δt+t最优解。

7)若所有时刻均求出可行解，则输出最优解。

5 算例分析

5.1 仿真系统的搭建

为验证本文所提策略的优越性和有效性，借助MATLAB搭建了IEEE-24节点系统，并对其进行改进，在16号节点处接入800MW的直流，取代原16号、23号发电机节点。改进后系统结构如图4所示，对上述“源-网-储”协调互动的风电消纳策略进行仿真分析和验证。IEEE-24节点系统中火电机组的出力功率范围如表1所示，爬坡率取为每分钟调节2%的最大出力，采用对比分析：

策略1：借助传统火电机组对并网风电进行消纳，直流不参加调制。

策略2：在策略1的基础上，在19节点上接入储能系统，借助传统火电机组和储能对并网风电进行消纳。

策略3：(本文所提策略)在策略2的基础上，启动直流调制，利用火电机组、储能以及直流调制对并网进行消纳。

表1 火电机组出力成本

图4 改进的IEEE-24节点系统结构

风电预测功率如图5所示。爬坡率上、下限均为20MW/min，储能系统运行成本系数为9＄ /MWh，直流调制成本系数设为11＄ /MWh。弃风惩罚系数为35＄ /MWh，失负荷惩罚系数为1000＄ /MWh。火电机组爬坡成本因子取25。

图5 风电预测功率

基于提出的“源-网-储”风电并网消纳策略，借助线性规划单纯形算法，利用MATLAB对模型进行求解，结果如下。

5.2 方法优越性分析

图6 风电弃风功率曲线

图7 风电渗透率曲线

由图可以看出，各风电功率增长比例下，策略3的弃风功率低于策略2，策略2低于策略1；策略3的风电渗透率高于策略2、策略2高于策略1。这是由于策略1仅依靠传统火电机组对并网风电进行消纳，而火电机组爬坡能力有限，为保证系统稳定运行，不得不丢弃部分风电功率。策略2的风储系统对并网风电功率进行适当地储能和放电，减小弃风功率，使其可以更多的被消纳。策略3在火电机组爬坡率达到极限，储能充放电功率达到极限时，利用直流调制，进一步对风电进行消纳，减小弃风功率，提高风电渗透率。

按比例逐渐增加图5中风电预测功率，分别对策略1、策略2、策略3下的失负荷量PLloss进行求解，结果如图8所示。

图8 失负荷量曲线

由图可以策略3在各风电增长比例下失负荷量为0，策略2的失负荷量低于策略1。这是由于在风电功率出现大幅下降时，策略1中传统火电机组爬坡率已经极限值，无法在短时间内快速增加出力，平衡电网功率，不得不切除部分负荷，保障电网安全稳定运行。

策略2在策略1的基础上，在火电机组无法再增加出力时，启动储能进行放电运行，增加电网发电功率，减小失负荷量。

策略3在策略2的基础上，在火电机组、储能系统达到极限时，进一步基于直流调制增加电网馈入功率，平衡电网功率，进一步减小失负荷量，保障电网安全稳定运行。

按比例逐渐增加图5中风电预测功率，分别对策略1、策略2、策略3下的系统综合成本进行求解，结果如图9所示。

图9 综合成本曲线

由图可以看出，不同风电并网比例下，策略3的综合成本始终低于策略2，策略2的综合成本始终低于策略1。这是由于策略1的弃风功率、机组爬坡压力均高于策略2，策略3高于策略3；导致策略1的弃风成本、机组爬坡成本高于策略2，策略2高于策略3。本文所提策略3有效降低了“源-网-储”系统综合成本，提高系统运行经济性。

5.3 方法有效性分析

经过上述仿真验证可知，策略3优于策略1、2，在减小弃风功率、提高风电渗透率、减小失负荷量，降低系统综合成本上具有一定优势，下面进一步分析策略3的有效性。

在1.4倍风电预测功率情况下，对风电消纳功率PPW， t进行求解，结果如图10所示。

图10 风电消纳功率

由图10可以看出，策略3的风电消纳功率高于策略1、2。这是由于在风电出现大幅波动或快速波动时，火电机组爬坡率和储能系统充放电功率达到极限值，或者火电机组和储能系统来不及动作的情况下，策略3中直流调制可以进一步对大幅波动活快速波动的风电进行消纳，缓解火电机组爬坡压力，释放系统消纳风电空间，提高风电消纳比例。

在1.4倍风电预测功率情况下，依据式(12)对不同策略下系统火电机组实际爬坡率RGi，t进行求解，结果如图11所示。由图11可以看出，策略3下的火电机组实际爬坡率低于策略2，策略2低于策略1。这是由于在风电发生较大波动时，直流调制利用其快速的功率调节特性，快速对波动的风电功率进行消纳，减小火电机组爬坡压力，提高系统稳定性。

图11 火电机组爬坡率

在1.4倍风电预测功率情况下，对不同策略下系统整体出力爬坡率RG，t进行求解，本文系统整体爬坡率RG，t按照系统相邻总发电功率PZG，t之差与时间间隔Δt的比值计算，如式(14)所示，以表征系统整体爬坡能力，结果如图12所示。

(14)

图12 系统整体爬坡能力

由图12可以看出，策略3的系统整体爬坡率高于策略1、2，这是由于策略3的直流调制在风电功率出行急剧波动而火电机组和储能系统爬坡率已经达到极限、或来不及动作时，在短时间内快速调节馈入电网功率，提高系统应对风电波动能力，整体爬坡能力和风电消纳能力。

6 结论

1)充分利用电网交直流混联运行特性，释放电网对风电的消纳空间，是探索风电消纳新模式，对提高电网风电消纳能力具有重要意义。

2)构建的“源-网-储”协调互动模型，充分结合电网交直流混联运行特性，利用火电机组、直流调制以及储能系统间的协调运行特性，释放风电的消纳空间，提高电网对风电的消纳能力。

3)构建的“源-网-储”协调互动的风电消纳策略，在提高风电消纳能力的同时，减小了电网失负荷量、火电机组爬坡压力、电网调峰调压压力，提高了电网整体爬坡率和应对风电波动的能力，对保障交直流电网安全稳定运行具有重要的学术研究意义和工程实用价值。