微能源網(wǎng)能量平衡規(guī)劃的探索

張 捷

(上海凱暢新能源科技有限公司，上海 200125)

微電網(wǎng)(Micro Grid)[1-4]是當今電力工業(yè)中最具創(chuàng)新性的領(lǐng)域。未來的微電網(wǎng)可以作為能量平衡單元存在于現(xiàn)有配電網(wǎng)或小型社區(qū)的獨立電網(wǎng)中。

微能源網(wǎng)(Micro Energy Grid)是以保障熱功能量供應(yīng)為前提的微電網(wǎng)系統(tǒng)。它同樣是基于可再生能源(Renewable Energy Source，簡稱RES) 的分布式電源(Distributed Generation，簡稱DG)[5-6]接入與儲能裝置和柔性負荷構(gòu)成的低(中)壓配電平臺。系統(tǒng)通過智能儀表系統(tǒng)實現(xiàn)與終端用戶的互動，完成就地能源需求的管理。系統(tǒng)中包括有以熱電聯(lián)產(chǎn)( Combined Heat and Power, 簡稱CHP)為代表的分布式換熱能源供應(yīng)，在保證用戶用熱需求的同時均衡微電網(wǎng)的潮流涌動。

本文討論的微能源網(wǎng)是指基于壟斷型的配電網(wǎng)運營商(distribution system operator, 簡稱DSO)和能源服務(wù)商(Energy Service Company， 簡稱ESCO)[7]形態(tài)主要是指，其自身是垂直一體化公用電力公司的一部分，它不僅是配電網(wǎng)的所有者和運營者，而且充當零售供應(yīng)商向終端用戶售電、供熱。在這樣只有一個主體的背景下，雖然DSO可以非常便利地實施微電網(wǎng)的集成與運行，但微網(wǎng)上的所有技術(shù)和經(jīng)濟性(成本與收益)問題均變成了DSO的責任。

DSO自成產(chǎn)銷者(身兼發(fā)電、產(chǎn)熱和用電、用熱)，智能化地將連接在電網(wǎng)內(nèi)的各路DG集成起來構(gòu)成“主動”配電網(wǎng)[8](Active Distribution grid，簡稱ADG)，從而實現(xiàn)高效的、可持續(xù)的、經(jīng)濟和安全的電力供給，就地負荷消納、就地微源和智能控制。它既可以非自治方式并網(wǎng)運行，又可以自治方式獨立運行。

建設(shè)以自發(fā)自用為主的微能源網(wǎng)需要解決的首要問題是能量平衡。即在DG/RES發(fā)電側(cè)和需求側(cè)實現(xiàn)能量消納的平衡。有關(guān)需求側(cè)響應(yīng)(Demand Response,簡稱DR)的容量需確定恰當?shù)漠a(chǎn)能建設(shè)規(guī)模和設(shè)計一套合適的產(chǎn)能結(jié)構(gòu)和產(chǎn)能當量，使它既能夠滿足大多數(shù)時段的用能需求，在盡可能少的外購能量來補充用戶需求的同時，上網(wǎng)向外售電的總量需控制在設(shè)計發(fā)電量總量的一半以內(nèi)。因此，必須了解用戶的用能規(guī)律，并制定出符合條件的產(chǎn)能設(shè)計方案。

以下重點討論用戶用能的分析方法和為平衡產(chǎn)能提出的當量設(shè)計模型。

1 需求側(cè)的用能規(guī)律分析及負荷預(yù)測

用戶用能規(guī)律分析的目標是為了解決避免盲目投資建設(shè)RES規(guī)模和平衡DG的產(chǎn)能消納。因此，分析需求側(cè)既往用能的數(shù)據(jù)是設(shè)計微能源網(wǎng)產(chǎn)能設(shè)備配置和產(chǎn)能設(shè)備裝機容量的基礎(chǔ)。記錄的數(shù)據(jù)越完整、信息密度越大，則結(jié)果越接近真實。盡管在實際的運行中，需求側(cè)的用能記錄數(shù)據(jù)幾乎是不會重復(fù)的，但在大數(shù)據(jù)的積累下，總是能找出一些規(guī)律性的信息和特征，并可以被用來作為參考。

1.1 對歷史數(shù)據(jù)考察方向的路徑

1.1.1需求側(cè)的累計用能量

用戶的用能負荷值是隨時間變化的隨機函數(shù)f(t)。它在一個時間段(如一個年度)上的投影面積即為在該時間段內(nèi)用戶的用能量E。用負荷函數(shù)f(t)在該時間段{t0，t1}上的積分表示。通常以一個年度或自然月作為一個考察周期。

(1)

在這里稱常量A為E的負荷用能當量。在統(tǒng)計的時間周期內(nèi)，可以將E理解為以A為半徑的一個圓的面積量SA。

1.1.2熱需求的預(yù)測分析保障

熱需求在微能源網(wǎng)中所占的地位十分重要。熱需求的供應(yīng)不但是DSO的義務(wù)，同時也是為平衡RES發(fā)電的重要電源補充的源泉之一。熱需求預(yù)測是基于微型熱電聯(lián)產(chǎn)的微電網(wǎng)中央控制器的必要功能。

影響熱需求的主要因素有：

(1)每日不同時刻的影響；

(2)工作日與休息日的影響；

(3)季節(jié)性影響；

(4)隨時間變化的波動性；

(5)外部溫度與熱能需求呈現(xiàn)高度的負相關(guān)。

在集中供熱系統(tǒng)中已經(jīng)開發(fā)了幾種在線熱需求預(yù)測方法。預(yù)測的時間范圍一般是72 h，以小時為時間步長。

更簡單的方法是基于僅需要歷史熱需求數(shù)據(jù)的純粹自回歸移動平均模型( Autoregressive Moving Average，簡稱ARMA)，考慮季節(jié)差異的模型也得到了應(yīng)用。作為一種擴展，模型還可將溫度作為一個解釋變量。更先進的方法假設(shè)氣象預(yù)報可以在線獲取，但是這通常不適用于微電網(wǎng)。

實用的預(yù)測方法是基于自適應(yīng)估計，即允許適應(yīng)系統(tǒng)緩慢地變化。這種方法也可以用來追蹤例如從溫暖到塞冷的過渡時期。由于供熱家庭的需求不同，過渡過程是平滑的。

另外，也可以應(yīng)用如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊邏輯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的黑匣子模型。在這種情況下，模型結(jié)構(gòu)和可用的信息能夠根據(jù)應(yīng)用的不同而不同，因此具有更大的靈活性。

1.1.3用能紀錄的數(shù)值分布

圖1為某大型企業(yè)一個基地2017年用電的記錄圖表。分析對象為以小時為間隔的，一整年的在線記錄數(shù)據(jù)，共計8 760個負荷量紀錄。

圖1 2017年某保稅區(qū)全年用電總匯負荷

為便于了解該用戶的負荷分布情況，對該記錄數(shù)據(jù)庫按負荷量的值排序重整如圖2所示。

圖2 排序后的全年用電總匯負荷圖表

從年度用能負荷統(tǒng)計圖表不難看出，由于受季節(jié)和其他經(jīng)營性的因素影響，一年中用電負荷的變化可能會有較大波動。圖3是該處1月1日及8月10日后一周后連續(xù)7天的用電負荷記錄。

圖3 兩個不連續(xù)的周記錄負荷對照

比照記錄可以看出這兩段時間內(nèi)的負荷量差幾乎有一倍之多。說明不能用某一天(典型日)的用能狀態(tài)代表全年的日用能規(guī)律。

1.1.4分支(通道)用能關(guān)聯(lián)性

微能源網(wǎng)的供能服務(wù)是將服務(wù)對象原來的用能通道一起接管過來，形成一個統(tǒng)一調(diào)度、分配能量供給的閉環(huán)網(wǎng)格系統(tǒng)。也就是說，微能源網(wǎng)格對用戶的用能做監(jiān)控、管理到用戶原來的主要用能分支節(jié)點，如電力變壓器的輸出與開關(guān)柜連接的節(jié)點或蒸汽、熱水管道的輸出總閥等。在這里等同于延伸到設(shè)置的監(jiān)測表具所在的節(jié)點。用戶負荷的總量就是由這些節(jié)點的用能負荷疊加匯總起來的。

某生產(chǎn)企業(yè)基地原來的電力供應(yīng)分別來自與之銜接至大電網(wǎng)的9個變壓器(加工廠6個，飼料廠3個)；用熱則使用2臺燃煤鍋爐，需要解決蒸汽供應(yīng)并同時控制、降低生產(chǎn)成本等問題。2018年3月7日～13日用電負荷聯(lián)合圖見圖4。

圖4 2018年3月7日～13日用電負荷聯(lián)合圖

從圖4中可以看出：周伺1變和周伺2變重合度很高，可以判定是因為同一工藝關(guān)系達成的。而在實際工況中，這是兩條同一配置的生產(chǎn)流水線。

兩臺分支變壓器所需負荷的對比見圖5。變壓器與鍋爐供熱出力的關(guān)系對照圖見圖6。

從圖5記錄數(shù)據(jù)分析，某地加工廠的1號和2號變壓器出力曲線高度融合，可以判斷屬于同樣工況的兩條同質(zhì)生產(chǎn)線，同期運轉(zhuǎn)。

圖5 兩臺分支變壓器所帶負荷的對比

從圖6數(shù)據(jù)圖表中可以發(fā)現(xiàn)，飼料廠1號變壓器與飼料廠1號鍋爐的出力曲線在時間上有高度的關(guān)聯(lián)性，適于應(yīng)用熱電聯(lián)產(chǎn)定向供給能源。

圖6 變壓器與鍋爐供熱出力的關(guān)系對照

1.2 負荷發(fā)生概率的分析方法

為了真實反映用戶用電負荷的實際情況和規(guī)律，只有用大數(shù)據(jù)分析歷史負荷記錄的方式來實現(xiàn)。通過對負荷發(fā)生概率的分析方法，可以獲得用戶用能的大概率事件，并推算出恰當?shù)墓β十斄颗渲媒Y(jié)果。

在積累了一定量實測記錄的前提下，我們盡力依據(jù)數(shù)據(jù)說話，用量化的數(shù)據(jù)來分析說明現(xiàn)場實際的用能規(guī)律。以某保稅開發(fā)園區(qū)的用電情況為例：該園區(qū)現(xiàn)有三個用戶項下7路電度計量表的用電數(shù)據(jù)。微能源網(wǎng)將替代對它的供電服務(wù)。將該處的用電負荷記錄數(shù)據(jù)進行整理分析：

從歷史最高負荷的數(shù)值向下做等分分級分割成用能當量的階梯排列；

對整年的負荷記錄數(shù)據(jù)依階梯當量整理出階梯的負荷發(fā)生頻次并排列出負荷頻次表；

將整年記錄數(shù)據(jù)按發(fā)生時間段(24個小時)劃分，分別整理出在該時段內(nèi)符合發(fā)生的頻次表；

二表合一形成“負荷發(fā)生梯度頻次表”(見表1)備考。

通過表1可以找出在各時段不同當量梯度等級的負荷集中程度，并以此判斷基礎(chǔ)負荷發(fā)生規(guī)律和需要保證用戶用能的負荷安全線。

表1 負荷發(fā)生梯度頻次表 %

同理，各路電表、蒸汽表的記錄數(shù)據(jù)也可以分別對各分支用能管道(通路)依照相同的辦法來分析統(tǒng)計結(jié)果。

對于用電負荷的分析，還可以考慮按用電時段的“尖、峰、平、谷”分框劃分，兼顧電網(wǎng)電價的時段差別來合理調(diào)整供能計劃。通常可以對谷時用電的情況予以忽略，因為此時自發(fā)電的成本大都會高于電網(wǎng)電價。

2 產(chǎn)能配置的預(yù)測模型

微能源網(wǎng)的產(chǎn)能與消納配置關(guān)系要求，產(chǎn)能量不超出總用電需求的一倍，即本地消納的比例不少于50%。單個微能源網(wǎng)項目的上網(wǎng)(并入國家電網(wǎng))出力容量應(yīng)控制在20 MW(參見《關(guān)于開展分布式發(fā)電市場化交易試點的通知[2017]1901號》)以下。

為了能滿足上網(wǎng)售電量的規(guī)定和將外來補充供能量限制到最小，根據(jù)經(jīng)驗判斷選擇了三種方案來評估分布式能源(DER)在DR的產(chǎn)能當量，并寄希望從中選擇出較為貼切的結(jié)果。

用能量的面積表示法：

以基礎(chǔ)負荷當量Lbase為半徑r作圓的面積為基本用能量Ebase=Sbase；

以最高負荷量Ltop為半徑R作圓的面積為滿負荷用能量Etop=Stop

Lbase≤A≤Ltop

(2)

(1)平均負荷法。Eaverage為Etop和Ebase的平均值，其幾何意義為取Stop的一半和Sbase的一半之和。以基礎(chǔ)負荷值r為當量的用能量和以最大負荷值R為當量的用能量的平均值的結(jié)果。

(3)

(4)

(2)增量平均法。在滿足基礎(chǔ)負荷的需求前提下，取基礎(chǔ)負荷與最大負荷值的均值作為增量(delta)補充，

測算供能當量A和供能量：

(5)

(6)

(3)橢圓面積法。橢圓配置理論：以r和R為長短半軸得橢圓面積Sellipse；

充分性證明：

Sellipse=πrR

Saverage=(Stop+Sbase)/2=π (R2+r2)/2=π/2×(R-r)2+2Rr)=πrR+π/2×(R-r)2

=Sellipse+Srest

→Aellipse

?K=(R-r)，K是負荷分布離散性因子，K值越大則越雜亂，離散性越大；反之，分布相對集中度越高。

如果K→0，則r→R；Sellipse→Stop，

Saverage為Stop和Sbase的平均值，其物理量意義為取Stop的一半和Sbase的一半之和。其中：

Stop以高位集中用能帶的上沿值為半徑R作圓的面積，相當于除卻少量突發(fā)尖峰負荷外的滿負荷量；

Sbasel以低位集中用能帶的分布中心值為半徑r作圓的面積，相當于以用能空閑時段最高負荷值為標桿的負荷總量；

Aellipse可以假設(shè)為判定供能量與用能量合理適配的供能當量(Energy Equivalent)。以投影該能量的標桿值作為供能裝機容量的參考值，該當量值界于滿負荷使用能量和基礎(chǔ)負荷能量用量之間。前提是假定可以滿足大多數(shù)的用能負荷值的需求，并且對高出該值的負荷發(fā)生累積量做出填補的額外供能開銷是可以被控制在經(jīng)濟條件范圍內(nèi)的。

Srest是平均符合法與橢圓面積發(fā)計算的負荷量差。

圖7為全年記錄數(shù)據(jù)在24小時段分布情況。從圖7中可直觀判斷出基礎(chǔ)用能負荷的覆蓋位置。當供能當量在800 kW附近。

圖7 全年紀錄按小時時段重排的負荷分布

在考證實際的用能負荷軌跡時，時常看到這樣的一個現(xiàn)象，就是大部分時間發(fā)生的負荷量會相對集中在一個或數(shù)個能級數(shù)據(jù)分布段上。如考察上面《負荷分梯度發(fā)生幾率統(tǒng)計表》的臺階發(fā)生梯度頻次，可以發(fā)現(xiàn)出絕大多數(shù)的用能保障基數(shù)在300～800 kW段。通過對統(tǒng)計的數(shù)據(jù)計算，獲得年負荷當量為761.5 kW，滿足基礎(chǔ)用能負荷的選擇范圍。在這里選擇該值為基礎(chǔ)負荷當量Lbase，并選擇歷史最高負荷量的值為Ltop。采用三種方法分別測算供能當量A和供能量。

將這三種方法結(jié)合年度負荷分布做折線圖(見圖8)。

圖8 全年負荷分布與DR當量預(yù)測

結(jié)果：三種配置的當量值表現(xiàn)出橢圓方程法比較適合作為電源配置裝機容量的選擇值。統(tǒng)計結(jié)果也驗證了這個結(jié)論。具體數(shù)據(jù)見表2。

欠荷率=欠荷量:總供能量。tA是當量線與負荷升序曲線交點處的時基線落點，t0，t1分別為時基線的起點和終點。

3 結(jié)語

適當?shù)倪x擇裝機容量，可以有效地控制項目設(shè)備成本，平衡并減少棄風棄光和網(wǎng)購電價差的比率，增進項目系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

表2 計算結(jié)果數(shù)據(jù)表

總出力包線覆蓋網(wǎng)內(nèi)瞬時負荷量的比率可稱為“保障率”。該值越大則網(wǎng)格內(nèi)用能越安全，需要網(wǎng)外應(yīng)急補充的幾率越少，用能單價越低。保障率差的系統(tǒng)將需要更多的外網(wǎng)電量或蓄能設(shè)備來維持。保障率過低會使項目成為擺設(shè)，失去建設(shè)意義。

基礎(chǔ)主電源為新能源發(fā)電，其在總出力包線中的比率可稱為“滲透率”。這個指標是體現(xiàn)微能源網(wǎng)格項目成敗的核心標桿之一。該指標高說明系統(tǒng)利用資源成本低，收益率隨之就高。

總出力包線與用能負荷經(jīng)驗曲線的重合度越高，則微能源網(wǎng)的產(chǎn)能量在網(wǎng)內(nèi)消納的比率就越高，稱之為“重合率”。重合率越高表示冗余或不足產(chǎn)能占總產(chǎn)能的絕對值比率越小，產(chǎn)能與耗能約接近。即項目設(shè)計中的設(shè)備配置越合理，投入經(jīng)濟效益越高。

在實際設(shè)計中，除了預(yù)測供能當量的參考選項外，還應(yīng)結(jié)合RES的資源條件等因素，適當分配各種DG在系統(tǒng)中裝機容量及時間銜接，綜合排布、分配相互間的產(chǎn)能量比例，并結(jié)合配置經(jīng)濟、合適的儲能設(shè)施。