双碳目标下面向清洁能源消纳的源网荷储协调控制

李 强，赵 峰，刘茂凯，赵林林

（1.国网信息通信产业集团有限公司，北京 102211；2.北京国网信通埃森哲信息技术有限公司，北京 100053）

目前，我国的微电网技术和自动需求响应技术得到了有效发展[1-2]，利用多种清洁能源进行发电，降低了其余能源的使用率，并提高了用户终端用电效率。但是，多个发电单元存在时，可能会导致暂态电压和储能输出功率波动，因此需要研究源网荷储协调控制方法来解决这些问题。

文献[3]提出源网荷储多元协调控制系统的研究及应用方法，针对源网荷储的转换模式构建了资源管理平台，并结合多种融合决策技术，在实现源网荷储多场景支撑的情况下，完成了协调控制，但该方法协调控制效果存在一定不足。文献[4]提出基于模糊与一致性复合智能算法的“源-网-荷-储”协同控制方法，分析源网荷储的特性，构建协同控制优化模型，利用该模型对源网荷储实施协调控制，模糊策略对建立的模型求解，实现源网荷储的协调控制，但该方法存在电压暂态稳定性差的问题。文献[5]提出基于趋势理论的源-网-荷协调性控制方法，从而实现整体控制研究，但该方法的分析效果差，存在储能总功率输出波动性强的问题。为了解决上述方法中存在的问题，本文提出双碳目标下面向清洁能源消纳的源网荷储协调控制方法。

1 源网荷储数学模型构建

1.1 双碳目标及清洁能源消纳大背景

为实现碳中和需要将碳达峰、碳中和等纳入我国生态文明建设布局内，并在此基础上建造清洁能源消纳且安全高效的能源体系，达到控制化石能源的目的，有效实现可再生能源的替代行动[6]。为有效实现双碳目标，我国将能源排放作为主战场，而电力排放作为主力军，电网就是主力军的排头兵，因此电力电网的低碳排放会对中国双碳目标产生影响，是推进可再生能源发电的关键。根据近几年研究发现，电网负荷管控清洁能源消纳可以有效管理负荷资源，从而实现电网运行的辅助服务。但由于涉及的方面较多，需要在双碳目标及清洁能源消纳背景下综合考虑电网负荷控制环境及执行条件。为此在双碳目标及清洁能源消纳背景下，进一步对源网荷储开展协调控制研究。

1.2 源网荷储单元模型

依据双碳目标及清洁能源消纳背景，构建源网荷储关键单元的数学模型，其中包含风力发电机、光伏阵列、柴油发电机，以此实现系统响应特性的有效分析。

1.2.1 风力发电机系统模型

由于风速存在波动性及不确定性，而风力发电机的输出功率是由风速和风机特性决定，针对多种动态特性的影响，在风速符合风机工作的状态下构建风力发电机系统模型，结构如图1 所示。

通过图1 进一步计算风机的输出功率[7]：

式中：PWT（t）表示t 时刻的输出功率；A 表示风力发电机叶片面积；ηW表示功率系数；Vcutin表示风速切入；Vcutout表示风速切出；Vnom表示额定风速；V（t）表示t 时刻的风速；ρ 表示空气密度；P 表示电功率。

1.2.2 光伏发电系统模型

在多种能源形式中，太阳能是发展最快的一种能源形式，通常光伏阵列只需要光照就能生成可再生能源，因此光伏发电技术在新能源领域中有着较大优势。光伏发电系统模型结构如图2 所示。

图2 光伏发电系统模型结构图Fig.2 Structure diagram of the photovoltaic power generation system model

由于电池的温度、太阳能辐射产生出的最大功率点会对光伏阵列的输出功率产生影响，所以该系统的温度可用下式计算获得：

式中：Tj（t）表示t 时刻的温度；Tamp表示环境温度；GT（t）表示太阳辐射；NOCT 表示电池板温度。

根据式（2）进一步计算光伏阵列系统的输出功率，定义如下：

式中：PPV，STC表示最大输出功率；TjSTC表示参考温度；NPV（s，p）表示串联、并联单元数；κ 表示功率-温度系数；PPV（t）表示输出功率。

1.2.3 柴油发电机模型

柴油发电机系统结构如图3 所示。

图3 柴油发电机系统结构图Fig.3 System structure diagram of diesel generator

在电网中柴油发电机系统属于重要的可控发电单元，为保证柴油发电机的有效运行，对其出力设定了最大约束和最小约束，表示如下：

式中：Pmin-DE表示最小出力约束；Pmax-DE表示最大出力约束；PDE（t）表示控制变量。

采用二次多项式对柴油发电机的能耗特性进行描述：

式中：x、y、z 均为系数。

由此建立柴油发电机响应特性的数学表达式：

式中：PDE，0表示响应前的输出功率；PDE，1表示响应后的输出功率。

通过构建源网荷储系统单元模型，有效分析出电网的运行特性，为后续的源网荷储协调控制奠定基础。

2 源网荷储协调控制

2.1 获取源网荷储全局信息

以1.2 节构建的源网荷储系统数学模型为基础，采用平均一致性算法获取电网节点信息，通过矩阵形式定义：

式中：k 表示迭代次序；E 表示矩阵元素；Sk+1表示节点信息矩阵。

设定电网节点用i 表示，当电网节点i 初始化时，可利用下式获取电网节点收敛时的平均值：

式中：Sai表示全局平均一致信息；n 表示节点数目。

若电网内部结构出现变化，那么电网节点序号在初始化过程中就会收敛到新的平均值，即i/（n+Δn）。当式（8）的功率变化量初始化时，电网在收敛期间会出现功率缺额的问题，而最终结果可利用节点数量和平均功率缺额的乘积获取[8]，定义如下：

以此类推，在考虑负荷等级的情况下对电网实施减负荷处理，因此当式（8）的各级负载可切量初始化时，通过节点数量与可切负荷的平均值乘积，即可取得可切负荷总量，表示如下：

式中：εLy表示负载等级；SLy表示负载实际值表示平均可切负荷。

2.2 源网荷储协调控制策略

基于上述计算结果，通过频率判断制定源网荷储协调控制策略[9-10]，如图4 所示。

图4 协调控制策略Fig.4 Coordinating control strategy

源网荷储协调控制具体步骤如下：

（1）当电网与孤网脱离后，会产生一定功率缺额，若此时系统频率低于50 Hz，系统发电机组就可以调节功率，使其保持平衡，从而恢复至初始频率。为此利用下式计算出系统各个机组的协调增发实际值：

式中：Sfy表示备用容量；ΔSfy表示增发实际值表示功率缺额占比。

（2）电网局部孤网运行期间，会出现频率下降的问题，且下降幅度较大，当下降至50 Hz 以下后，功率缺额就会变大，需要通过减负荷的方式实现协调控制。假设系统发电机组的控制结果与式（11）相同，为此在的基础上提升发电机组出力，并利用下式计算出实际处理增加值：

式中：ΣΔSf表示实际出力增加值表示协调增发实际值的均值。

基于实际减载总量比值，进一步计算系统负荷的减载量，定义如下：

基于源网荷储协调控制策略，对源网荷储系统实施出力协调及多级负载减载等控制流程，保证了源网荷储的稳定性运行，以此实现源网荷储的协调控制。

3 实验

实验采用双碳目标下面向清洁能源消纳的源网荷储协调控制方法（方法1）、源网荷储多元协调控制系统的研究及应用方法（方法2）和基于模糊与一致性复合智能算法的“源-网-荷-储”协同控制策略研究方法（方法3）进行测试。本次实验选取源网荷储系统作为实验对象，该源网荷储系统的参数如表1 所示。源网荷储系统结构如图5 所示。

表1 源网荷储系统参数Tab.1 Parameters of the source network load and storage system

图5 源网荷储系统结构Fig.5 Structure of the source network loading and storage system

3.1 风机电压暂态稳定性

为了验证系统的暂态稳定性，对比分析了方法1、方法2 和方法3 控制性能，并模拟了风电、负荷突变。设定在实验期间，2～4 s 时系统负荷出现突增情况，突增至150 kW，并在6～8 s 时投入150 kVar容性负荷。基于设定条件，3 种方法下的双馈风机电压暂态稳定性测试结果如图6 所示。

图6 双馈风机电压暂态稳定性结果Fig.6 Voltage transient stability results of double-fed fan

分析图6 中的数据可以发现，双馈风机功率爬坡期间，风机电压会出现明显升高，且电压超出1.3 p.u.时会出现明显振荡。利用3 种方法控制双馈风机电压时，可见仅有方法1 在整个过程中的电压保持在1.2 p.u.附近，且波动率较低，说明经控制后，方法1 的风机电压没有产生振荡且整体平稳。反观方法2 和方法3 经控制后均超出1.3 p.u.，在整体测试期间风机出现的振荡频率较高，波动率大，此时的风机电压暂态稳定性低。

3.2 风机输出无功功率暂态稳定性

在上述实验基础上，进一步测试反馈风机输出无功功率。3 种方法下反馈风机输出无功功率稳定性结果如图7 所示。

图7 反馈风机输出无功功率稳定性Fig.7 Reactive power stability of the feedback fan output

分析图7 可知，方法1 控制后，反馈风机输出无功功率运动轨迹较方法2、方法3 来说更加平稳，而方法2、方法3 控制下的风机输出无功功率曲线的波动幅度较大，说明在方法1 的控制下，反馈风机输出无功功率暂态稳定性强。

3.3 储能系统总输出功率稳定性

选取源网荷储系统中的储能系统作为本次实验测试对象，进一步对比方法1、方法2 和方法3 的储能总输出功率，根据控制后所产生的储能出力波动性，分析不同方法的协调控制效果。3 种方法下储能系统总输出功率结果如图8 所示。

图8 储能系统功率输出结果Fig.8 Power output results of the energy storage system

根据图8 中的测试结果发现，方法2、方法3 的出力波动起伏大，而方法1 的储能出力波动性起伏较小，说明在整个过程中方法1 可以有效实现储能协调控制，使源网荷储系统能够稳定运行，验证了方法1 的控制效果高于方法2、方法3。

4 结语

为有效应用源网荷储系统，需提升源网荷储在双碳目标及清洁能源消纳背景下的控制精度，为此提出双碳目标下面向清洁能源消纳的源网荷储协调控制方法。该方法首先提出双碳目标及清洁能源消纳背景，在该背景下构建源网荷储数学模型，并进一步获取源网荷储全局信息，将其作为基础制定源网荷储协调控制策略，从而实现源网荷储协调控制。