溫 鑫 姚文瑩 何圣川 馮興興

（廣東電網(wǎng)廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著當今世界人口的過度增長以及石油、煤炭等常規(guī)化石能源日益枯竭，能源危機已經(jīng)成為世界各國發(fā)展面臨的首要問題。我國已將發(fā)展清潔能源作為應(yīng)對能源危機與環(huán)境惡化的有效手段之一，其中新能源的合理利用成為國內(nèi)外的研究重點，分布式光伏與風電并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為未來能源發(fā)展的必然方向。如圖1所示，我國新能源并網(wǎng)裝機和消納總量高速增長，但隨之也帶來很多問題亟需解決[1]。

圖1 我國風電和太陽能裝機容量示意圖

現(xiàn)有的文獻研究中，針對新能源消納能力提升方面的研究主要集中于兩方面：一方面，對新能源節(jié)點接入的電網(wǎng)進行網(wǎng)架改造，主要在功角穩(wěn)定下科學建模后進行仿真分析，剖析新能源裝機容量上升對電網(wǎng)的影響，仿真結(jié)果表明，合理降低系統(tǒng)最小允許負荷水平是現(xiàn)階段增強電力系統(tǒng)消納光伏電源能力的主要方法，但實際此類方法并不被電網(wǎng)企業(yè)采納，原因在于一來其與供電企業(yè)的定位和鼓勵用電促進地區(qū)經(jīng)濟增長的愿景不符，二來有新能源并網(wǎng)的電力系統(tǒng)負荷特性與凈負荷特性在時間尺度上并不匹配。因此，降低系統(tǒng)最小允許負荷實際上不能有效解決電網(wǎng)對新能源消納能力受限的問題。另一方面，通過改善電網(wǎng)負荷特征提高電網(wǎng)對分布式新能源的消納能力，改善電網(wǎng)負荷特征主要可分為儲能技術(shù)結(jié)合應(yīng)用與轉(zhuǎn)移負荷兩個方面。轉(zhuǎn)移負荷方法是以用戶需求作為出發(fā)點，將價格響應(yīng)、激勵響應(yīng)作為調(diào)節(jié)機制，爭取最大程度上調(diào)整甚至改變用戶的傳統(tǒng)用電行為，實際上轉(zhuǎn)移負荷的方法并不能提高區(qū)域電網(wǎng)的消納能力，另外，此方法成本過高，因而并不被電網(wǎng)企業(yè)所采用。鑒于此，需要采用儲能技術(shù)解決電力系統(tǒng)對新能源接納能力不足的問題，本文著重對這方面展開分析。

1 新能源消納空間理論分析

假如本地區(qū)的電力系統(tǒng)潮流無發(fā)、輸、配、變、用五個方面的安全約束，無事故N-1原則下的出力約束，無斷面過載等特殊情況，新能源發(fā)電系統(tǒng)只需滿足發(fā)電機組與負荷消耗的動態(tài)平衡、區(qū)域電力系統(tǒng)發(fā)電曲線的下限約束、聯(lián)絡(luò)線路上的通道輸送安全約束，并對事故情況留有一定容量的正備用，則理論上新能源最大消納空間位于負荷曲線與電力系統(tǒng)發(fā)電曲線的下限約束之間，如圖2所示。

圖2 地區(qū)電網(wǎng)新能源消納空間示意圖

本地區(qū)的電力系統(tǒng)在t時刻可消納新能源最大空間出力的功率約束[2]為：

式中：PDG.i（t）為t時刻第i臺分布式新能源注入電網(wǎng)的有功功率；Pf（t）為t時刻電網(wǎng)中負荷消耗功率；Pl（t）為t時刻電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)線外送的有功功率；R+為t時刻電網(wǎng)中事故正備用留下的有功功率常數(shù)；Pg.i（t）為t時刻電網(wǎng)中第i臺常規(guī)機組的有功功率；m為本地區(qū)的電力系統(tǒng)所有的分布式新能源數(shù)量和；N為本地區(qū)的電力系統(tǒng)所有的常規(guī)機組的數(shù)量和。

顯然，在考慮最大程度消納新能源的情況下，地區(qū)調(diào)度應(yīng)降低事故正備用，讓調(diào)節(jié)速度快的機組盡可能參與運行，減少常規(guī)機組開機。

本地區(qū)電力系統(tǒng)可消納新能源最大空間應(yīng)是功率約束式（1）對時間的曲線積分：

從積分曲線來看，孤立系統(tǒng)的新能源消納能力主要取決于電源的總體調(diào)節(jié)性能、負荷電量以及負荷峰谷差。電源調(diào)節(jié)性能越好，負荷電量越高，峰谷差越小。儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)在需求側(cè)做出響應(yīng)剛好可以提高上包圍積分曲線，下降下約束曲線，從而擴大新能源的消納空間，本文下一節(jié)將針對新能源消納能力進行具體分析。

2 配置儲能系統(tǒng)下的新能源消納能力分析

現(xiàn)有文獻主要研究通過常規(guī)機組為系統(tǒng)提供備用調(diào)節(jié)容量來解決風光等新能源出力波動的問題，從而提高新能源的消納能力；或研究在源側(cè)配置儲能系統(tǒng)，抑制新能源出力波動的同時，使得新能源具有一定的可控性，從而提高片區(qū)對可再生新能源的消納水平。本文利用儲能系統(tǒng)獨特的電源和負荷雙重屬性，通過降低負荷峰谷差，跟蹤新能源發(fā)電，平抑新能源并網(wǎng)波動，來提升地區(qū)電網(wǎng)對新能源的消納能力。在新能源出力功率高于負荷時，儲能系統(tǒng)可作為儲存負荷將多余功率進行存儲，減少棄光棄風，從而提高新能源的利用率；而在新能源發(fā)電不足時，儲能可充當電源，將原本儲存的能量釋放出來，為饋線上的負荷供電。

在進行安全性運行約束條件計算時，分布式新能源和并網(wǎng)的配電網(wǎng)有功功率應(yīng)滿足系統(tǒng)運行的功率平衡約束，假定其公式如下：

式中：PDG.i、QDG.i為分布式新能源注入電網(wǎng)的有功功率和無功功率；n為某一節(jié)點上所有的分布式新能源數(shù)量和；PDW、QDW為電網(wǎng)注入的有功功率和無功功率；PL、QL為電網(wǎng)負載有功功率和無功功率；PLoss、QLoss為電網(wǎng)有功功率損耗和無功功率損耗。

配電網(wǎng)中大量的分布式新能源并網(wǎng)使得配網(wǎng)的消納能力受到了一定的限制，存在如母線電壓越限、饋線載流量越限等風險，故電壓的安全性運行約束條件為[3]：

式中：Ui、UN為節(jié)點電壓值與電網(wǎng)電壓額定值；Uimin、Uimax為節(jié)點電壓值最小值與最大值；α為電壓偏移系數(shù)，一般取7%。

10 kV饋線以及升壓變壓器的載流量需防止并網(wǎng)線路長時間過載運行，故電流的安全性運行約束條件為：

式中：Ii、IiE為線路負載電流值與線路負載電流額定值；Si、SiE為變壓器負載容量與變壓器負載容量額定值。

儲能系統(tǒng)跟蹤節(jié)點電壓的變化進行無功功率的動態(tài)輸出，當節(jié)點電壓Ui大于儲能電壓上限Ui.cnmax時應(yīng)該減少輸出的無功功率；當節(jié)點電壓Ui小于儲能電壓下限Ui.cnmin時應(yīng)該增大輸出的無功功率；當節(jié)點電壓處于儲能電壓上限與下限之間時，儲能輸出的無功功率QCN維持設(shè)定值QSD不變。故儲能無功功率的安全性運行約束條件為：

儲能系統(tǒng)跟蹤節(jié)點電壓的變化率dUi進行有功功率PCN的動態(tài)輸出，且儲能放電功率與充電功率需要保持一定的平衡，一定時間內(nèi)的放電次數(shù)也需滿足要求，故儲能有功功率的安全性運行約束條件為：

式中：dUqdi.cn為儲能電壓變化率啟動閾值；WF、WC為儲能放電與充電平均功率；TF、TC為儲能放電與充電周期；ηF、ηC為儲能放電與充電效率。

從調(diào)度SCADA系統(tǒng)中獲取某地區(qū)6月—9月的負荷數(shù)據(jù)與儲能系統(tǒng)的充放電曲線，代入上式進行條件約束，得到儲能系統(tǒng)充放電主動消納曲線，如圖3所示。圖3中前兩個時段未計及儲能系統(tǒng)；后兩個時段按照調(diào)度指令主動消納電能，降低網(wǎng)架重載運行的風險，獲取當前電網(wǎng)的模型和各項出力數(shù)據(jù)進行電量平衡計算與配電網(wǎng)潮流計算，然后判斷是否滿足安全性運行約束條件，不滿足時下發(fā)指令調(diào)整儲能進行充放電參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。不難發(fā)現(xiàn)，儲能技術(shù)能平穩(wěn)有效地抑制地區(qū)負荷的峰谷差，提高新能源最大利用發(fā)電效率，進而實現(xiàn)發(fā)電、用電在時空上的解耦，有效緩解電力供需之間的矛盾。

圖3 雙碳目標下儲能系統(tǒng)充放電主動消納曲線

3 結(jié)語

我國明確提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標，而電力降碳是實現(xiàn)這個目標的關(guān)鍵因素，因此當前的首要任務(wù)就是推動發(fā)電側(cè)轉(zhuǎn)型，減少火力發(fā)電，提倡水電或新能源的并網(wǎng)接入。但現(xiàn)階段的電網(wǎng)非正常運行方式下，新能源機組常常因其出力的間接性、隨機性或故障區(qū)段未供電面臨主動或被動制約出力，導致片區(qū)內(nèi)可再生能源利用率大打折扣的問題。本文針對以上現(xiàn)狀及問題提出在發(fā)電側(cè)配置儲能系統(tǒng)的措施，融合SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)給出一種基于儲能調(diào)節(jié)模式的電網(wǎng)新能源消納方法，并進行了實時曲線分析。結(jié)果表明，儲能參與電網(wǎng)新能源消納調(diào)節(jié)，可使電網(wǎng)消納分布式電源發(fā)電的能力得到明顯提高。