基于电压稳定与限值的风/储系统容量配置

熊雄，袁铁江，杨水丽，修晓青

（1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047;2.中国电力科学研究院，北京100192）

风力发电的间歇性一直是制约大规模风电并网的瓶颈。其出力随机性及不可控性将对区域电网电能质量和供电可靠性造成影响[1]。另一方面，大规模风电接入区域电网，将影响区域电网原有潮流分布[2]，严重时会恶化系统电压、网损等指标，限制了区域电网接纳并网风电的规模。

储能系统因其“快速响应”、“功率双向性”等特性，成为区域电网提高并网风电能力的有效途径[3-4]。众多研究站在平滑间歇性电源出力角度[5-6]，制定了相关控制策略[7-10]，计算接入储能的容量，并没考虑对系统稳定性的影响[11]及系统广域接纳风电能力。

因此，基于系统电压稳定性并结合电压限值，提出区域电网可接纳风电能力判据，并以此计算提高特定风电接纳能力所需的储能系统最小容量是站在系统稳定性及经济性之上的储能系统容量优化配置。

1 区域电网接纳风电能力计算

对某10节点配网算例做相应改进以代替待研究的区域电网，其结构图及原始潮流数据见图1。

算例中，将外网等值成为发电机，设为平衡节点，维持配网接入母线电压的恒定，通过220/35 kV变压器连接区域电网，等值额定容量为500 MVA。BUS9作为静止无功补偿点，补偿无功为4 Mvar，另外9个节点为负荷节点，作为风电可能的接入位置。初始潮流数据见表1。

一定功率因素下，逐渐增加各节点有功功率，负荷节点电压的幅值随着该节点注入有功增加而升高，当随着功率的增大而电压降低时，认为电压是不稳定的，而P-V曲线的拐点即为电压稳定的临界值，以此作为节点接纳风电能力的判据之一。

现定义负荷节点临界电压U0对应的可接入最大风电容量限值作为判据一，具有最高优先级，各节点接入风电容量都不得超过各U0对应的风电接入容量限制，否则系统电压将失稳。算例中P-V模拟曲线见图2。

图1 某10节点配网算例结构图Fig.1 Structure diagram of a 10 node distribution network

表1 初始潮流数据Tab.1 Initial power flow data

图2 负荷节点P-V曲线模拟图Fig.2 Load node P-V curve diagram

根据P-V模拟曲线，可确定维持电压稳定的节点最大接入功率。曲线中，节点4、8、10拥有较大的功率接入能力，但最大注入功率对应的临界电压可能会超过区域配网1.05的上限（图3），这将削弱系统电压质量，使得负荷中的众多设备不能工作在额定电压点，降低工作效率，同时还会增大电能在传输过程中产生的网损。

图3 各节点临界电压Fig.3 Critical voltage of each node

图3 中，原本可接入大规模风电的4、8、10节点对应的临界电压已越限，其中8、10号节点越限情况较为严重。同时，当节点8按最大接入容量接入风电后，算例中其他节点电压值见表2。

因此，定义U0是否越限U0lim作为区域电网接纳风电能力的判据二；同时，为保证选中风电接入节点在功率注入过程中其他节点不会越限，定义其他节点电压是否越限Ulim作为判据三。

各节点三判据的优先级计算方法采用二进制计数法，计数越小的节点拥有更好地优先级。针对特定的风电接入容量，通过比较各节点分别接入所需风电规模后三个判据的优先级，可确定风电应接入的位置。例如系统接入150 MW风电，各节点三判据违背情况见表3。

表2 节点8接入最大风电容量时各节点电压Tab.2 The node voltage when node 8 is connected under largest capacity of wind power circumstance

表3 最大风电接入容量与三判据之间关联（“1”表征不满足判据，“0”表征满足判据）Tab.3 The correlation between largest capacity of wind power integration and three criterions("1"does not meet the criteria,"0"satisfies the criterion)

从关联表中可知节点5优先级最好，计数最小，只有判据三不满足条件；节点8优先级计数为13，优先级最差。因此节点5将作为风电接入的首选位置接入150 MW风电。而根据不同风电接入容量，节点优先级将发生变化，通过比较排序可确定对特定风电并网容量下的风电最佳接入位置。

2 提高风电接纳能力的储能系统容量配置

实际运行状况下，风电接入容量往往不能遵循区域电网接纳风电容量能力的约束，违背电压三判据。这时加入储能系统，基于电压判据的优先级，依次恢复电压三判据，提高原有的电网接纳能力。现因实际需求在5号节点接纳的150 MW风电容量基础上增加30 MW容量，总接入风电容量为180 MW，这已超过节点5最大接入风电能力，违背判据一；同时存在U0lim及Ulim越限，违背判据二、三。加入储能，使得节点5重新满足判据，现按判据的优先级逐次确定储能的容量。

2.1 满足判据一时储能容量配置

接入储能，随其容量不断增大，节点5模拟P-V曲线见图4。

图4 节点5 P-V曲线Fig.4 The P-V curve of node 5

当接入的储能容量逐渐增大，节点5P-V曲线右移，节点接纳风电容量不断增加，当接入储能30 MW时，节点临界电压对应的最大接入容量达到180 MW，满足判据一。

图5 满足判据一时各节点接纳风电能力Fig.5 Thewind power accessability when criterion 1 ismet

与此同时，其他节点在判据一下可接纳最大风电容量见图5。各节点接纳风电能力均有不同程度提升，提高了判据一的坚韧度。

2.2 满足判据二、三时储能容量配置

在30 MW的基础上，继续增加储能容量，各负荷节点电压见图6。

图6 储能容量与节点电压关系Fig.6 The relationship between energy storage capacities and node voltage

储能系统接入容量在满足判据一后，随着进一步增加，各节点电压有所降低，当加入储能50 MW时，所有节点电压均在上限以内，判据二、三被满足。但是系统在运行时，一些节点电压虽没越限，但没有理想的裕度，成为一些故障的隐患。因此现定义上升电压裕度指标M1,下垂电压裕度指标M2及裕度稳定指标L：

当M1、M2均大于0时，表明节点电压在限制内，满足判据二、三。裕度稳定指标L作为评判节点电压靠近额定值的程度，L越小表明上升、下垂裕度相对平衡，距离额定值越近。

将节点电压转化为电压裕度指标见图7，详表见附录。

图7 储能容量与节点电压裕度关系Fig.7 The relationship between energy storage capacities and voltage margin of node

2.3 特定需求下的储能容量准确计算

若节点6所接负荷为一级负荷，拥有特殊设备，需严格控制电压在额定电压。控制节点6电压稳定裕度L满足，其中设为0.01。在50 MW储能接入的基础上继续增加储能容量，其电压稳定裕度L见图8。

图8 节点6电压稳定裕度Fig.8 The voltage stability margin of node 6

当加入储能53 MW时，节点6电压稳定裕度L维持在0.01以下，满足了负荷节点6特定需求。

在实际运行中，可根据不同风电并网情况，在满足判据一优先级情况下，考虑对节点电压上升、下垂裕度及裕度稳定指标的不同需求，确定所需的储能容量，充分利用储能系统的最大可用容量，具有一定经济性与扩展性。还可以系统线路传输裕度等为依据，或考虑多重因素裕度下计算接入储能系统所需准确容量，并随着储能容量的增加计算其经济性。

3 结论

通过对区域电网电压三判据的研究，定义了电压三判据及优先级，得到优先级计数小的节点拥有更强的接纳风电能力。当接入风电容量违背3个判据或其中一、二个时，采用重新满足优先级靠前的判据为步骤的方法逐层确定了所需储能容量，并将第三判据转化为裕度指标，根据负荷节点6对电压稳定裕度的特定需求，计算出满足相应需求的储能系统准确容量，对方法的扩展做了简要的展望。

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