面向微网的“源网荷储一体化”优化控制策略研究

●周习祥

一、引言

近年来，我国加快了可再生能源的开发与利用，其中，以风电和太阳能发电为代表的分布式间歇性可再生能源尤为突出，可再生能源发电量持续增长。据国家能源局发布的2020年全国电力工业统计数据，截至2020年底，我国可再生能源发电装机达到9.34亿千瓦，同比增长约17.5%。其中，水电装机3.7亿千瓦（其中抽水蓄能0.3149亿千瓦）、风电装机2.81亿千瓦、光伏发电装机2.53亿千瓦、生物质发电装机0.2952亿千瓦。风电和光伏发电输出功率随时间、季节以及气候变化而变化等特点，使发电系统的输出功率存在不连续、不稳定和低密度等问题。当它们大量接入电网时，会对电网的电压、频率和相位产生较大的影响。因此，实施“源网荷储一体化”变得尤为重要。2021年2月25日，国家发改委、国家能源局发布的《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》（发改能源规〔2021〕280号）中明确提出，利用存量常规电源，合理配置储能，统筹各类电源规划、设计、建设和运营，优先发展新能源，积极实施存量“风光水火储一体化”提升，稳妥推进增量“风光水（储）一体化”，探索增量“风光储一体化”，严控增量“风光火（储）一体化”。

为响应“十四五”期间构建现代能源体系、“风光水火储一体化”“源网荷储一体化”战略，我国加快了可再生能源开发与多元储能项目开发，随着分布式发电渗透率的不断提高，源、网、荷、储各环节协调不够和各类电源互补互济不足等问题逐步显现。因此，采用多元储能促进电网消纳、平抑电网波动和“源网荷储一体化”协调控制等成为研究热点，在此背景下，湖南安化仙溪芙蓉山抽水蓄能电站、大通湖区储能电站等项目应运而生。据有关资料显示，国内外在“两个一体化”控制策略研究问题上尚处起步阶段，因此，研究面向微网的市（县）级、园区级“源网荷储一体化”控制策略，构建面向微网的“源网荷储一体化”系统显得尤为重要，在工程上具有前瞻战略意义和广泛的应用前景。

二、源、网、荷、储运行现状分析

（一）运行方式现状

微网是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的微型发配电系统，它涵盖了风力发电、光伏发电、天然气发电、小型水力发电及电力二次能源，涉及各配电网络、分布式电源并网控制系统、用电负荷、储能装置、控制系统、保护设备及信息化可视平台，以输配电控制为核心，通过多能源互联互补、信息能量耦合及市场需求引导，实现“源网荷储”协调优化和自平衡。

目前，电力系统供电设备的容量主要以高峰电负荷为依据，过大地预留了系统裕度，系统未计及源、网、荷、储各环节的优化运行方式，造成规划方案相对保守，当电网不处于高峰电负荷时，会造成浪费。因此，需做好用电行为预测，包括符合历史、趋势分析、近期电力预测及远景电力预测，根据预测做好规划方案，强调运行方式对规划方案的有效反馈，使规划—运行—调整形成闭环，实现源网荷储灵活调度、协同运行。目前，“源网荷储”嵌入规划主要包括：机组组合嵌入规划、线路开断嵌入规划、需求侧管理嵌入规划和储能调度嵌入规划，这表明任意一个环节的最优运行方式只考虑了两种设备的协同运行，未扩展到综合能源规划，导致其他环节调度缺失。因此，规划运行方案应考虑源网荷储同步调度，制定“源网荷储”嵌入规划，形成一体化嵌入运行模型，使系统实现精准控制与运行。

（二）优化架构现状

目前，电力系统运行规划广泛采用鲁棒优化，针对电力系统实际运行过程中因新能源出力波动或净负荷水平等参数的不确定性，在规划阶段作出预留，但鲁棒架构在自适应和分布式方面还存在缺陷：一是自适应性方面，鲁棒优化应对的不确定性均为系统参数的不确定性，但没有通过应对决策自身不确定性来实现规划方案的自校正，自适应鲁棒优化仅应用于电力系统规划，能源形态单一，源、网、荷、储各个环节的调度与同步调度没有嵌入自适应鲁棒优化中。二是分布式鲁棒优化方面，因分布式与不确定性没有同步考虑、分布式多优化主体属性等原因，使分布式鲁棒优化目前并不能应用于能源规划。因此，将分布式和自适应结合，利用分布式自适应鲁棒优化建立规划模型，处理多能源、多设备之间的协同与决策自身的不确定性，成为优化构架的最佳选择。

三、面向微网的“源网荷储一体化”优化控制策略

（一）广域“源网荷储”协同优化架构

如图1所示，电力系统广域“源网荷储”协同优化架构，主要包括：（1）供应侧，有集中能源供应和分布式能源供应两类能源，集中能源主要包含中大型水电、火电、核电、光伏电场、风电场等能源，分布式能源主要包括小型水电、分布式可再生能源、储能设备等。（2）电网侧，主要是多元智能输送网络。（3）用户侧，主要指电网系统各种用电单元，可分为节点型用电单元和聚合型用电单元。（4）能源调度控制系统，包括信息互联网络、智能信息分析处理系统、智能优化控制系统和信息云端存储系统，利用云端进行信息储存、分析、决策与控制。

图1 广域“源网荷储”协同优化架构

（二）微网“源网荷储”协同优化架构设计

如图2所示，微网“源网荷储”协同优化架构，其主要目的是保证微网内部能源供给侧与用户侧实时平衡，系统优化架构设计原则是自发自用、余量上网和实时监测，多能源、多设备协同，优化决策自身不确定性。该优化架构主要包括：集中能源供应、输配电网络、微网、顶层能源调度控制系统和微网能源调度控制系统等。

图2 微网“源网荷储”协同优化架构

1.“源网荷储”协同优化嵌入规划

将源网荷储各环节的优化运行取代最优潮流，使之成为电力系统规划的主要策略，这样可以从规划层面将能源供给侧与需求侧灵活引入，同时使各环节的协同优化一体化，通过顶层能源调度控制系统与微网能源调度控制系统实时采集信息，建立“源网荷储”协同优化的运行方式。将该方式嵌入规划，形成现代能源规划与运行一体化模型。微网主要由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成，微网区域能源规划是根据该区域管辖的小区、工厂、学校和农村等地的发展，预测该区域不同时间节点电力负荷，实施顶层能源调度，如果区域建有分布式发电、储能装置，微网能源调度控制系统通过微网信息采集，当微网能源需求大于规划值（规划用电量＋分布式发电量）时，通过顶层能源调度控制系统调峰，实施多微网协同运行，保障微网政策运行，当微网能源需求低于规划值（规划用电量＋分布式发电量）时，将微网分布式发电能源余量上网，促进清洁能源消纳、保证系统安全稳定运行。

2.多微网协同策略

自适应鲁棒优化主要目的是减轻决策的保守性。将规划运行一体化的鲁棒优化架构由单阶段分解为多阶段滚动式，并叠加自适应策略，形成综合能源自适应鲁棒规划。针对区域配电网内多微网之间的协作问题，采用微网群的能源或备用能源共享调度，基于自适应鲁棒优化，建立单个微网和多个微网间的能源或备用能源调度模型，将多微网协作的收益合理有效地分配至各微网，保证多微网利益分配机制的稳定性。

四、市、县级储能在线监测及协同控制策略

储能设备种类与储能方式繁多，各储能设备的运行特性由于自身机理和控制方式的不同而各有差异。目前，储能设备种类有超级电容器、锂电池、液流电池、钠硫电池、铅酸电池和抽水蓄能等，这些设备广泛应用于间歇性电源、电网中，而间歇性电源的运行情况可分为并网运行和孤网运行两种模式，在不同运行模式下，控制方式不尽相同。同时，由于各种储能技术在响应时间、功率范围、转化效率以及技术成熟度和成本等方面的差异，单一储能技术很难兼顾多时间尺度上的微电网功率平衡目标和经济性，需要各种互补性强的多类型储能技术组合应用，以最大程度发挥各种储能的优势，包括提高储能系统的功率输出能力、延长放电时间、增加储能设备寿命、降低系统的全寿命周期费用等。“源网荷储一体化”控制中最关键的是电网“削峰填谷”以及故障应急。湖南益阳地区拟建湖南省容量最大的大通湖区储能电站与安化县仙溪镇芙蓉山抽水蓄能电站，目前已建成多个风力发电场、光伏电站，这些储能电站及风力、光伏电站的建成，能充分发挥其在电网“削峰填谷”以及故障应急中的作用，因此，通过新建储能在线监测及协调控制系统，制定面向微网的储能电站智能控制策略，让储能电站“源、网、荷”特性智能转换，在新能源发电、电网负荷不足的情况下，使网内新能源尽可能消纳，提高电网能量的利用率。

市、县级储能在线监测及协同控制系统如图3所示，在线监测与协调控制系统分为市级与县级，县调侧在线监测与协调控制系统，可从县调EMS系统获取电力系统设备、储能设备、负荷情况和线路实时潮流以及分布式风力、光伏电场实时出力、负荷实时信息等情况；将信息通过调度数据网传送给市调侧储能在线监测及协调控制系统，市调侧储能在线监测及协调控制系统根据负荷预测情况、分布式风力、光伏电场出力预测情况、市场交易平台数据、电网线路出力潮流及故障实时监测数据等，将计划和指令信息通过调度数据网馈送给县调EMS系统，从而决定是储能还是释放能量，是给县本级供电还是调至其他县、市，从而实现市、县调两级协同监视及控制。

图3 市、县级储能在线监测及协同控制系统

五、结语

“源网荷储一体化”是“十四五”期间国家能源战略之一，分布式发电接入对电网影响、“源网荷储”各环节协调不够、各类电源互补互济不足等问题，也是面向微网的“源网荷储一体化”协调控制亟待解决的问题，本文通过源、网、荷、储运行现状分析，设计了广域协同优化架构和微网“源网荷储”协同优化架构，重点提出了市、县级储能在线监测及协同控制策略，为实现市、县调两级协同监视及控制提供思路。