分布式儲(chǔ)能技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用

沈鑫，曹敏

(云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，云南 昆明 650217)

0 前言

需求側(cè)管理技術(shù)是智能電網(wǎng)的重要組成部分。智能電網(wǎng)高級(jí)量測(cè)體系(AMI)的發(fā)展與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心與用電客戶的雙向數(shù)據(jù)通信，從而使用戶能夠獲知電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)電價(jià)等關(guān)鍵信息，并在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，主動(dòng)參與到電網(wǎng)需求側(cè)管理上來(lái)［1］［2］。儲(chǔ)能技術(shù)是智能電網(wǎng)的另一個(gè)重要組成部分，在用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能，一方面可保證供電可靠性，另一方面能讓用電負(fù)荷變得可操控，實(shí)現(xiàn)真正意義上的需求側(cè)管理。文獻(xiàn)［3］提出了分布式儲(chǔ)能控制技術(shù)模型，研究了需儲(chǔ)能裝置提供的總電量和用戶違約率、儲(chǔ)能裝置提供的電力及其持續(xù)時(shí)間的關(guān)系，并用IEEE30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證了儲(chǔ)能裝置電量上網(wǎng)后負(fù)荷峰谷差的縮小，然而文章并未深入探討分布式儲(chǔ)能裝置的控制機(jī)制。文獻(xiàn)［2］依據(jù)文獻(xiàn)［4］的研究成果，判斷大容量?jī)?chǔ)能裝置會(huì)在未來(lái)幾年內(nèi)進(jìn)入用戶家庭，并簡(jiǎn)述了此類分布式儲(chǔ)能裝置對(duì)削峰填谷、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的積極意義，但文章同樣沒(méi)有研究如何避免大量分布式儲(chǔ)能裝置可能集中性充放電帶來(lái)的更大負(fù)荷曲線波動(dòng)。因此，在上述研究的基礎(chǔ)上，本文立足于智能電網(wǎng)AMI 及分布式儲(chǔ)能的實(shí)現(xiàn)，配合實(shí)時(shí)電價(jià)激勵(lì)機(jī)制，在需求側(cè)管理中引入概率統(tǒng)計(jì)理論，建立了數(shù)學(xué)模型，并在MATLAB 仿真驗(yàn)證，最終得出了該模型的可行性。

1 分布式儲(chǔ)能需求側(cè)管理意義

全網(wǎng)負(fù)荷每時(shí)每刻都處于變化中，然而在脫離具體負(fù)荷數(shù)據(jù)、僅觀察負(fù)荷變化趨勢(shì)的情況下，同一個(gè)地區(qū)相鄰時(shí)間內(nèi)的日負(fù)荷曲線卻都有著相似的典型特征。從日負(fù)荷曲線上看，夜里人類活動(dòng)的減少和白天活動(dòng)的增加這種變化帶來(lái)的峰谷差尤為明顯。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，為維持發(fā)電和用電的及時(shí)平衡，電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)度和運(yùn)行等大多基于滿足高峰負(fù)荷時(shí)的安全需求原則而考慮［5］。然而研究表明，高峰負(fù)荷持續(xù)的時(shí)間相對(duì)整個(gè)統(tǒng)計(jì)周期而言并不長(zhǎng)，從我國(guó)近年來(lái)的電力持續(xù)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)看，全國(guó)95%以上的高峰負(fù)荷年累計(jì)持續(xù)時(shí)間只有幾十個(gè)小時(shí)，為滿足這部分高峰負(fù)荷而增加調(diào)峰發(fā)電裝機(jī)乃至投入巨資改造電網(wǎng)，顯然是很不經(jīng)濟(jì)的［6］。再者，火電在中國(guó)依然占據(jù)著很大比例，由于火電機(jī)組的啟停復(fù)雜，且消耗大量資源，導(dǎo)致火電廠的運(yùn)行有強(qiáng)烈的連續(xù)性要求［8］，而現(xiàn)實(shí)生活中的負(fù)荷卻是波動(dòng)的，這種生產(chǎn)方與需求方的不協(xié)調(diào)、不同步給電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行帶來(lái)了很大難題。目前采用的抽水蓄能解決方式有著效率低下的天然劣勢(shì)。

隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，設(shè)想在用戶的電表后都安裝大容量?jī)?chǔ)能設(shè)備。配合實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制，當(dāng)負(fù)荷增長(zhǎng)進(jìn)入高峰期時(shí)，電價(jià)隨之升高，用戶通過(guò)智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)獲取到該實(shí)時(shí)電價(jià)信息，為追求利益，將主動(dòng)放棄使用電網(wǎng)電能，改用儲(chǔ)蓄電能，促使負(fù)荷下降;當(dāng)負(fù)荷下降進(jìn)入低谷期時(shí)，電價(jià)隨之降低，用戶的儲(chǔ)能裝置將進(jìn)入充電狀態(tài)，成為電網(wǎng)中的一部分負(fù)荷，促使負(fù)荷上升?？梢敕植际絻?chǔ)能裝置，通過(guò)需求側(cè)管理達(dá)到削減高峰負(fù)荷目的的做法很重要。

2 分布式儲(chǔ)能需求側(cè)管理模型

上述通過(guò)儲(chǔ)能裝置調(diào)節(jié)負(fù)荷過(guò)程，在理想狀態(tài)下對(duì)于削峰填谷的作用非常明顯，然而卻并未考慮不可控因素:當(dāng)負(fù)荷進(jìn)入高峰期時(shí)，電價(jià)升高，所有用戶都獲取到了該信息，為避免使用高價(jià)電帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，短時(shí)間內(nèi)會(huì)不約而同脫離電網(wǎng)改用儲(chǔ)蓄電能，這將導(dǎo)致負(fù)荷瞬間銳減;此時(shí)由于負(fù)荷減少，電價(jià)瞬間降低，所有用戶又同時(shí)停止儲(chǔ)能裝置供電并讓儲(chǔ)能裝置充電，這將導(dǎo)致負(fù)荷又瞬間提升，如此循環(huán)往復(fù)，整個(gè)負(fù)荷曲線將變得震蕩、不可控。這種情況不但無(wú)法實(shí)現(xiàn)削峰填谷的效果，反而加劇了電網(wǎng)的不穩(wěn)定。因而需要一套機(jī)制有效地控制分布式儲(chǔ)能裝置充、放電，從而間接地控制負(fù)荷的增減，使負(fù)荷曲線趨于平緩穩(wěn)定。

設(shè)某一地區(qū)有n 個(gè)用戶，且每用戶為1 單位負(fù)荷。這一假設(shè)并不影響下面論證的客觀性——根據(jù)概率論，現(xiàn)實(shí)生活中每用戶的負(fù)荷數(shù)是隨機(jī)的，因而隨機(jī)選取足夠多的k 個(gè)用戶樣本，其均值將趨近于某一值，我們即取該值為1 個(gè)單位。

設(shè)某一次實(shí)時(shí)電價(jià)低于電價(jià)均值時(shí)，所有用戶讓自己的儲(chǔ)能裝置充電的概率分別為P1、P2、…、Pn－1、Pn。假定電網(wǎng)總負(fù)荷在n/2 單位時(shí)處于最佳狀態(tài)(無(wú)重過(guò)載且電網(wǎng)運(yùn)載能力得到較好發(fā)揮，該值應(yīng)視電網(wǎng)實(shí)際決定)，我們將負(fù)荷處于這一點(diǎn)時(shí)的電價(jià)定為1 個(gè)單位(此處1 單位電價(jià)應(yīng)略低于現(xiàn)行電價(jià)均值)。這意味著，只要保持負(fù)荷總數(shù)處于n/2 狀態(tài)，則所有用戶的電費(fèi)支出都會(huì)減少，而且供電可靠性更高，獲得的用電體驗(yàn)更好;對(duì)于供電企業(yè)而言，由于電網(wǎng)一直處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，可減少大量維護(hù)成本，且線損降低，也無(wú)需投入巨資對(duì)變壓器、線路進(jìn)行增容，因而電費(fèi)收入雖有所減少，獲得的效益卻更多。

取一個(gè)較小的時(shí)間間隔(5 分鐘)分析，假設(shè)第0 分鐘控制中心檢測(cè)到全網(wǎng)的負(fù)荷為z 單位則此時(shí)應(yīng)有部分負(fù)荷補(bǔ)充進(jìn)來(lái)(可能是部分用儲(chǔ)備電能的用戶改用電網(wǎng)電能或部分用戶將儲(chǔ)能裝置投入充電。方便起見(jiàn)，假設(shè)此時(shí)并無(wú)用戶使用儲(chǔ)備電能)，設(shè)此時(shí)缺少的負(fù)荷為x單位。

當(dāng)(1)式成立時(shí)，相當(dāng)于做了n 次隨機(jī)試驗(yàn)，記儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電為事件A，有:

在n 足夠大的情況下，會(huì)有非常接近x 個(gè)單位的負(fù)荷接入電網(wǎng)。

3 模型分析

以圖1 廣東地區(qū)某日的負(fù)荷曲線為例。

圖1 負(fù)荷曲線圖

以天為單位建立基于概率統(tǒng)計(jì)的決策模型，首先需要確定一天時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷基準(zhǔn)值。在第2節(jié)中，假定負(fù)荷基準(zhǔn)值為n/2 單位(共n 個(gè)用戶，每用戶1 個(gè)單位負(fù)荷)，這種假定的前提是每個(gè)用戶的平均用電時(shí)間為半天。實(shí)際上負(fù)荷基準(zhǔn)值應(yīng)取日負(fù)荷的均值，依據(jù)是:在儲(chǔ)能裝置和概率統(tǒng)計(jì)決策的調(diào)整下，日負(fù)荷曲線將在負(fù)荷基準(zhǔn)值上下小范圍波動(dòng)，若負(fù)荷基準(zhǔn)值過(guò)大于日負(fù)荷均值，將造成儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)蓄電能過(guò)多，一天內(nèi)無(wú)法消耗完，影響下一個(gè)日負(fù)荷曲線調(diào)整;若負(fù)荷基準(zhǔn)值過(guò)小，則儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)備的電能無(wú)法滿足高峰負(fù)荷期間的電能補(bǔ)充需求，調(diào)整后的日負(fù)荷曲線將有較大波動(dòng)。

圖1 藍(lán)色曲線是每5 分鐘測(cè)得一個(gè)負(fù)荷值，24 小時(shí)內(nèi)共288 個(gè)值連接而成的圖像。這些負(fù)荷值的均值約為414.27t 單位(t 為系數(shù))，以此為負(fù)荷基準(zhǔn)值。從凌晨0 點(diǎn)開始，此時(shí)基準(zhǔn)值和實(shí)際值之差約為61.70t 單位，假定日最高負(fù)荷為用戶總負(fù)荷數(shù)n，即n 為535.24t 單位(此處僅為論證方便取值，實(shí)際應(yīng)用中該值應(yīng)通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出)，則此時(shí)應(yīng)有P=P1=P2=…=Pn=61.70t/535.24t≈11.53%。電網(wǎng)控制中心通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)向所有用戶廣播此值，所有用戶端自行生成一個(gè)范圍在0～9 999 的隨機(jī)數(shù)q，當(dāng)時(shí)，啟動(dòng)儲(chǔ)能裝置充電。在用戶數(shù)足夠多的情況下，經(jīng)過(guò)這一次決策調(diào)整，會(huì)有61.70t 單位負(fù)荷加入電網(wǎng)，使負(fù)荷達(dá)到基準(zhǔn)值，如圖2 中A 點(diǎn)(考慮到通信和動(dòng)作會(huì)有延時(shí)，因而A 點(diǎn)處于0 點(diǎn)稍后位置)。接下來(lái)的5 分鐘內(nèi)，由于不斷有用戶停止用電，在0:05 時(shí)，實(shí)際負(fù)荷又減少了2.88t，此時(shí)控制中心廣播的P 值應(yīng)為0.54%，用戶快速響應(yīng)后，又有2.88t 單位的儲(chǔ)能裝置作為負(fù)荷接入電網(wǎng)充電，總負(fù)荷又恢復(fù)到基準(zhǔn)值狀態(tài)，如圖2中B 點(diǎn)。

圖2

表1 中“當(dāng)前負(fù)荷趨勢(shì)”可通過(guò)對(duì)比當(dāng)前負(fù)荷值與前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)負(fù)荷值得知。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系形成的根本原因是:當(dāng)實(shí)際負(fù)荷低于基準(zhǔn)負(fù)荷且預(yù)計(jì)下一個(gè)時(shí)刻將會(huì)更低(下降趨勢(shì))時(shí)，由于所有用電客戶此時(shí)都在用電網(wǎng)電能(初始狀態(tài)沒(méi)有儲(chǔ)能裝置供電、后續(xù)的此種情況在本模型體系中也只會(huì)形成這種狀態(tài))，所以必須通過(guò)投入儲(chǔ)能裝置充電增加負(fù)荷;當(dāng)實(shí)際負(fù)荷低于基準(zhǔn)值而預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)逐漸接近基準(zhǔn)值(上升趨勢(shì))時(shí)，由于有儲(chǔ)能裝置正在充電，應(yīng)該先停止這部分充電達(dá)到降低負(fù)荷的目的;當(dāng)實(shí)際負(fù)荷大于基準(zhǔn)值而且越來(lái)越大時(shí)，必須不斷地投入儲(chǔ)蓄電能使用，緩解負(fù)荷高峰供電壓力;當(dāng)實(shí)際負(fù)荷高于基準(zhǔn)值但未來(lái)會(huì)自然下降時(shí)，應(yīng)該部分停止使用儲(chǔ)蓄電能，避免負(fù)荷下降太多帶來(lái)震蕩。

表1 儲(chǔ)能裝置的動(dòng)作與當(dāng)前實(shí)際負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系

前面選取0～100 分鐘的曲線分析了第一種情況。由圖1 可知，在450～490 分鐘期間，實(shí)際負(fù)荷處于第二種情況，如圖3 中C 點(diǎn)，在第455 分鐘監(jiān)測(cè)到負(fù)荷高于基準(zhǔn)值，此時(shí)要停止部分儲(chǔ)能裝置充電使其恢復(fù)到基準(zhǔn)值。在D 點(diǎn)附近，投入充電的儲(chǔ)能裝置已全部停止充電(在0～495 分鐘區(qū)間內(nèi)，負(fù)荷曲線的正增量和負(fù)增量剛好完全抵消)，即下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)E 需要開始讓部分儲(chǔ)能設(shè)備放電，達(dá)到減少負(fù)荷的目的。同理，圖4 中第675 分鐘后出現(xiàn)第4 種情況，即F 點(diǎn)需要開始停止部分儲(chǔ)能裝置的放電。

圖3

圖4

圖5

整個(gè)日負(fù)荷曲線調(diào)整后如圖5 中紅色鋸齒狀圖形。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)調(diào)整后的負(fù)荷曲線，很好地達(dá)到了削峰填谷的目的。然而上述論證過(guò)程是在全天負(fù)荷數(shù)據(jù)已知情況下進(jìn)行的，很容易選取全天的負(fù)荷均值作為基準(zhǔn)值。但實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法獲知未來(lái)的負(fù)荷數(shù)據(jù)，因而基準(zhǔn)值的選取必須依靠歷史記錄，通過(guò)綜合考慮鄰近幾天的均值以及天氣因素等，擬定一值，并根據(jù)實(shí)際不斷予以修改，使最終的負(fù)荷曲線趨于平滑。

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