團(tuán)隊(duì)介紹

東北電力大學(xué)微通電力系統(tǒng)研究室創(chuàng)建于1991年，主要從事電力系統(tǒng)安全分析與控制、可再生能源聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行控制、大規(guī)模儲能運(yùn)行控制、電力電子化電力系統(tǒng)運(yùn)行分析與控制、需求側(cè)資源調(diào)控與綜合能源系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)與人工智能在電力系統(tǒng)中應(yīng)用等領(lǐng)域的科研工作，已為國家培養(yǎng)19名博士、300余名碩士等高級專門人才。帶頭人為研究室創(chuàng)始人中國電機(jī)工程學(xué)會會士、IET Fellow、國家級教學(xué)名師、“復(fù)雜電力系統(tǒng)分析與控制”教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人穆鋼教授，團(tuán)隊(duì)獲國家科技進(jìn)步獎二等獎2項(xiàng)、省部級科技進(jìn)步一等獎3項(xiàng)、省部級科技進(jìn)步二等獎3項(xiàng)，發(fā)表SCI/EI期刊論文300余篇；獲授權(quán)發(fā)明專利40余項(xiàng)，軟件著作權(quán)10余項(xiàng)。

李軍徽，教授，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事新能源發(fā)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)和儲能技術(shù)應(yīng)用等方面的研究工作。

侯濤，碩士研究生，研究方向?yàn)閮δ芗夹g(shù)在新能源發(fā)電中的應(yīng)用。

穆鋼，教授，博士生導(dǎo)師，IET Fellow，主要從事可再生能源聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行控制領(lǐng)域和電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的研究工作。

嚴(yán)干貴，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事新能源發(fā)電運(yùn)行控制、大規(guī)模儲能技術(shù)應(yīng)用和電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制等。

李翠萍，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事為風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行分析與控制、大規(guī)模儲能在新能源發(fā)電中的應(yīng)用。

風(fēng)電功率間歇性不僅使風(fēng)電場難以精確響應(yīng)調(diào)度計(jì)劃，還導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動加劇。為提高風(fēng)電可調(diào)度性和電網(wǎng)頻率安全，本文以日前調(diào)度為例構(gòu)建日前調(diào)度計(jì)劃和電網(wǎng)調(diào)頻極限的形成方法，在此基礎(chǔ)上提出利用儲能輔助風(fēng)電場跟蹤日前調(diào)度計(jì)劃并參與調(diào)頻的策略；在電力市場環(huán)境下以風(fēng)儲電站利潤最大為目標(biāo)建立風(fēng)儲運(yùn)行模型，該模型考慮由所提策略形成的風(fēng)儲電站聯(lián)合出力約束和頻率安全約束，用來計(jì)算儲能輔助風(fēng)電場跟蹤日前調(diào)度計(jì)劃和參與調(diào)頻的最優(yōu)出力；最后基于實(shí)測數(shù)據(jù)對該策略進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明所提策略可以提高風(fēng)電場跟蹤日前調(diào)度計(jì)劃能力和電網(wǎng)頻率安全性，同時(shí)還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

項(xiàng)目研究背景

近年來，以風(fēng)電為代表的新能源裝機(jī)迅速提高，截至2019年年底我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)2.1億千瓦，部分地區(qū)電網(wǎng)中風(fēng)電裝機(jī)占比已達(dá)23%。但是風(fēng)電出力隨機(jī)性使得風(fēng)電場無法精確跟蹤發(fā)電計(jì)劃，導(dǎo)致電源側(cè)功率波動加劇，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)頻率安全。

儲能作為解決風(fēng)電并網(wǎng)問題的有效手段，受國家政策支持，在輔助風(fēng)電場跟蹤發(fā)電計(jì)劃、改善電網(wǎng)頻率波動等方面均有突出表現(xiàn)?，F(xiàn)有研究一方面只單獨(dú)考慮儲能輔助風(fēng)電場跟蹤發(fā)電計(jì)劃或參與調(diào)頻，工作模式較為單一；另一方面只從技術(shù)角度制定相應(yīng)控制策略，并未在電力市場環(huán)境下從經(jīng)濟(jì)最優(yōu)角度制定儲能出力。而現(xiàn)階段儲能建設(shè)和維護(hù)成本高昂，單一工作模式已不能保證風(fēng)儲電站收支平衡，因此探索儲能新運(yùn)行方式、在保證電網(wǎng)頻率安全的同時(shí)提高風(fēng)儲電站經(jīng)濟(jì)效益成為亟待解決的問題。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

首先，引入調(diào)頻極限來描述電網(wǎng)的極限調(diào)頻能力，并依據(jù)區(qū)域電網(wǎng)調(diào)頻模型計(jì)算電網(wǎng)調(diào)頻極限。其次，根據(jù)等效負(fù)荷波動是否超過電網(wǎng)調(diào)頻極限確定儲能運(yùn)行的主要任務(wù)，進(jìn)而制定儲能控制策略，控制策略框圖如圖1所示。

圖1 控制策略框圖

為了獲得儲能用于跟蹤調(diào)度計(jì)劃和參與調(diào)頻的最優(yōu)出力，在PJM電力市場環(huán)境下建立風(fēng)儲聯(lián)合運(yùn)行模型，該模型以風(fēng)儲電站利潤最大為目標(biāo)函數(shù)，包括儲能初始投資折舊成本、壽命折損成本、能量損失成本、出力偏離懲罰、能量收入、調(diào)頻輔助服務(wù)收入，約束條件根據(jù)所提控制策略形成，具體如下：

（1）當(dāng)?shù)刃ж?fù)荷波動不超過調(diào)頻極限時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻能力充足，最大頻率波動不會超過允許范圍，儲能以跟蹤調(diào)度計(jì)劃為主要目標(biāo)，通過充放電調(diào)整風(fēng)電場實(shí)際出力與調(diào)度計(jì)劃的偏差，使其精確響應(yīng)調(diào)度計(jì)劃；同時(shí)由于儲能輔助風(fēng)電場跟蹤調(diào)度計(jì)劃時(shí)可能還有一部分功率并未投入使用，將這部分剩余功率用于向負(fù)荷或不具備調(diào)頻能力的新能源電廠提供調(diào)頻服務(wù)，獲得調(diào)頻收益，由此形成風(fēng)儲出力約束。

（2）當(dāng)?shù)刃ж?fù)荷波動超過調(diào)頻極限時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻能力不足，最大頻率波動將會超過允許范圍，儲能以保證電網(wǎng)頻率安全為主要目標(biāo)，強(qiáng)制儲能參與調(diào)頻，補(bǔ)充傳統(tǒng)機(jī)組的調(diào)頻功率缺額，由此形成頻率安全約束。

除上述兩個約束外，該模型還包括電量約束、功率約束。

構(gòu)建以下3種場景，場景1：風(fēng)電場未配置儲能系統(tǒng)；場景2：風(fēng)儲聯(lián)合跟蹤調(diào)度計(jì)劃但無頻率安全約束；場景3：風(fēng)儲聯(lián)合跟蹤調(diào)度計(jì)劃且有頻率安全約束。以日前調(diào)度為例，利用該模型對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，風(fēng)儲電站出力和儲能出力分別如圖2、3所示。

可以看出，在采用本文控制方法后，風(fēng)電場跟蹤調(diào)度計(jì)劃的能力明顯提高，同時(shí)在等效負(fù)荷波動超過電網(wǎng)調(diào)頻極限時(shí)，儲能能夠有效提供相應(yīng)的調(diào)頻功率，保證電網(wǎng)頻率安全。

圖2 風(fēng)儲電站出力曲線

圖3 儲能最優(yōu)出力

結(jié)論與展望

在電力市場環(huán)境中，為了提高風(fēng)電場跟蹤調(diào)度計(jì)劃能力和電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性，最大化風(fēng)儲電站利潤，提出了基于風(fēng)電場調(diào)度計(jì)劃和電網(wǎng)調(diào)頻極限的儲能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略，結(jié)論如下：

（1）所提策略及模型在儲能SOE狀態(tài)正常時(shí)能夠提高風(fēng)電場跟蹤調(diào)度計(jì)劃的能力，使跟蹤調(diào)度計(jì)劃指標(biāo)較無儲能時(shí)減少32.833%；

（2）由電網(wǎng)調(diào)頻極限形成的頻率安全約束雖然在等效負(fù)荷波動超出調(diào)頻極限時(shí)會導(dǎo)致風(fēng)電場跟蹤調(diào)度計(jì)劃的能力下降，但卻能強(qiáng)制儲能提供調(diào)頻功率，使得最大頻率波動量較不考慮頻率安全約束時(shí)減少35.1%，有效維護(hù)電網(wǎng)頻率安全；

（3）在計(jì)及初始投資折舊、儲能運(yùn)行損耗、出力偏離懲罰等幾類運(yùn)行成本和能量、調(diào)頻等收入的情況下，本策略能使風(fēng)儲電站一天利潤達(dá)到188 677元，說明在電力市場環(huán)境下將儲能同時(shí)用于輔助風(fēng)電場跟蹤調(diào)度計(jì)劃和參與調(diào)頻具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

各區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的調(diào)頻資源和調(diào)頻需求不可能完全平衡，如何跨區(qū)域協(xié)調(diào)調(diào)度各個區(qū)域電網(wǎng)中的調(diào)頻資源，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)調(diào)頻成本最低還有待進(jìn)一步研究。

引用本文

李軍徽, 侯濤, 穆鋼, 嚴(yán)干貴, 李翠萍. 電力市場環(huán)境下考慮風(fēng)電調(diào)度和調(diào)頻極限的儲能優(yōu)化控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(9): 1791-1804. Li Junhui, Hou Tao, Mu Gang, Yan Gangui, Li Cuiping. Optimal Control Strategy for Energy Storage Considering Wind Farm Scheduling Plan and Modulation Frequency Limitation under Electricity Market Environment. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(9): 1791-1804.