以光伏為主的配電網(wǎng)儲(chǔ)能容量需求的網(wǎng)格化場(chǎng)景評(píng)估方法

梁浚杰, 蘭 飛, 黎靜華

(廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西大學(xué)), 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530004)

0 引言

在以光伏發(fā)電為主的配電網(wǎng)中使用儲(chǔ)能設(shè)備,一方面能夠減少光伏出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的影響,提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性[1-2];另一方面可以對(duì)配電網(wǎng)中電能進(jìn)行有效管理,達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性效果[3-5]。但是,依據(jù)當(dāng)前的技術(shù)條件,儲(chǔ)能的容量受限且價(jià)格昂貴,因此如何合理確定儲(chǔ)能容量是一個(gè)重要的研究課題。

目前對(duì)含光伏發(fā)電設(shè)備的配電網(wǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置的研究,主要通過(guò)建立優(yōu)化模型進(jìn)行確定,其中多以電壓波動(dòng)最小[6]、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最好[7]、系統(tǒng)功率波動(dòng)最小[8]等作為優(yōu)化目標(biāo)。例如:文獻(xiàn)[9]以各節(jié)點(diǎn)電壓越限量之和最小作為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化模型獲得最優(yōu)充電功率值,進(jìn)而獲取儲(chǔ)能的最優(yōu)容量配置;文獻(xiàn)[10]以抑制光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)為目標(biāo),在考慮需求側(cè)響應(yīng)的情況下對(duì)系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量進(jìn)行優(yōu)化配置;文獻(xiàn)[11]以系統(tǒng)成本最小為目標(biāo)建立優(yōu)化模型,模擬不同容量規(guī)劃下的分布式光伏并網(wǎng)運(yùn)行情況,從而得到對(duì)應(yīng)情景下最優(yōu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置容量;文獻(xiàn)[12]考慮儲(chǔ)能充放電效率、荷電狀態(tài)和全壽命周期成本等因素,建立了以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化模型獲取系統(tǒng)的最優(yōu)儲(chǔ)能配置容量;文獻(xiàn)[13]提出兩個(gè)衡量?jī)?chǔ)能平抑風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有功功率波動(dòng)的指標(biāo),以功率波動(dòng)指標(biāo)最小為目標(biāo)進(jìn)行儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化。

上述文獻(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置研究都是基于單一的衡量指標(biāo)進(jìn)行,為此,不少研究對(duì)此進(jìn)行改進(jìn),在對(duì)儲(chǔ)能容量進(jìn)行優(yōu)化配置時(shí),考慮了對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化[14]。例如:文獻(xiàn)[15]針對(duì)儲(chǔ)能的選址定容問(wèn)題構(gòu)建了雙層優(yōu)化模型,分別以電壓波動(dòng)改善效果最佳與投資成本最小作為雙層優(yōu)化模型的兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化;文獻(xiàn)[16]以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最好和可靠性最高作為優(yōu)化模型的兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化模型,并使用雙目標(biāo)遺傳算法求解得到儲(chǔ)能容量的配置方案;文獻(xiàn)[17]基于年調(diào)峰不足概率的技術(shù)性指標(biāo)和基于年調(diào)峰費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),對(duì)可再生能源并網(wǎng)后系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的需求進(jìn)行評(píng)估;文獻(xiàn)[18]在以系統(tǒng)總成本為目標(biāo)構(gòu)建儲(chǔ)能優(yōu)化模型時(shí),不但對(duì)儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置進(jìn)行了考慮,也對(duì)儲(chǔ)能配置位置的優(yōu)化進(jìn)行了考慮。此類方法對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)考慮得更為全面,然而較為復(fù)雜,不易實(shí)現(xiàn)。

以上研究為電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能容量的確定提供了良好的技術(shù)支持。然而上述文獻(xiàn)所研究的配電模型中往往未考慮儲(chǔ)能與常規(guī)機(jī)組、聯(lián)絡(luò)線、棄光等手段的協(xié)調(diào)配合,不能實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)資源的綜合利用。而且,當(dāng)前的儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型中決策變量較多,使得模型解算復(fù)雜,實(shí)用性受限。

基于上述問(wèn)題,本文提出了一種實(shí)用的網(wǎng)格化場(chǎng)景分析方法。所提方法與工程上的短路電流運(yùn)算曲線法理念相似。根據(jù)網(wǎng)格化的運(yùn)行條件,計(jì)算不同運(yùn)行條件下的技術(shù)性指標(biāo),生成給定場(chǎng)景下的技術(shù)性指標(biāo)與儲(chǔ)能容量的關(guān)系曲線圖,然后根據(jù)給定的運(yùn)行條件與運(yùn)行要求獲得系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能容量的需求。該方法可以在滿足運(yùn)行條件要求下,獲得較好的儲(chǔ)能配置方案,且計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)用。

1 基于網(wǎng)格化場(chǎng)景的儲(chǔ)能容量需求分析方法思路

基于網(wǎng)格化場(chǎng)景的儲(chǔ)能容量分析方法的過(guò)程主要分為生成網(wǎng)格化場(chǎng)景、不同運(yùn)行條件下技術(shù)性指標(biāo)的計(jì)算、生成儲(chǔ)能容量與技術(shù)性指標(biāo)的關(guān)系圖集合、儲(chǔ)能容量需求的確定4個(gè)步驟。網(wǎng)格化分析的總思路見(jiàn)圖1,下面分別對(duì)各個(gè)步驟進(jìn)行介紹。

圖1 網(wǎng)格化分析方法總體思路Fig.1 General idea of gridding analysis method

1)生成網(wǎng)格化場(chǎng)景

在以光伏為主的配電網(wǎng)運(yùn)行中,運(yùn)行條件包括與外網(wǎng)相連的聯(lián)絡(luò)線容量、儲(chǔ)能容量和光伏滲透率等。其中本文對(duì)于光伏滲透率的定義為:全年光伏總發(fā)電量除以全年系統(tǒng)總用電量。將以上運(yùn)行條件的取值進(jìn)行組合可形成一個(gè)計(jì)算場(chǎng)景,而對(duì)這些條件選取不同的取值再相互組合,則可生成多個(gè)計(jì)算場(chǎng)景,形成計(jì)算場(chǎng)景的集合。其中網(wǎng)格化場(chǎng)景中每個(gè)運(yùn)行條件的取值范圍都在0與系統(tǒng)允許的最大值之間,通過(guò)在取值范圍內(nèi)進(jìn)行等格劃分,即可以得到各個(gè)場(chǎng)景中運(yùn)行條件的取值。

在場(chǎng)景形成的過(guò)程中,涉及場(chǎng)景的精度和數(shù)量的權(quán)衡問(wèn)題。如果各種運(yùn)行條件的取值劃分得太細(xì),則計(jì)算場(chǎng)景數(shù)量太多甚至無(wú)法計(jì)算;如果運(yùn)行條件的取值劃分得太粗糙,則場(chǎng)景的精度難以保證。為此,本文采用網(wǎng)格化方法生成場(chǎng)景集合,網(wǎng)格化生成場(chǎng)景的方法在文中第2節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2)不同運(yùn)行條件下技術(shù)性指標(biāo)的計(jì)算

得到網(wǎng)格化場(chǎng)景后,建立技術(shù)性指標(biāo)計(jì)算模型,計(jì)算不同運(yùn)行條件下所有場(chǎng)景的技術(shù)性指標(biāo)。本文采用的技術(shù)性指標(biāo)為棄光率,對(duì)棄光率的定義為:全年棄光電量除以全年光伏總發(fā)電量。不同運(yùn)行條件下技術(shù)性指標(biāo)的計(jì)算模型與計(jì)算方法在第3節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

3)生成儲(chǔ)能容量與技術(shù)性指標(biāo)的關(guān)系圖集合

計(jì)算得到技術(shù)性指標(biāo)之后,即可得到一個(gè)包含四維向量(聯(lián)絡(luò)線功率容量、儲(chǔ)能容量、光伏滲透率、棄光率)的數(shù)據(jù)集合。這個(gè)數(shù)據(jù)集合可以用M張棄光率與儲(chǔ)能容量的關(guān)系圖來(lái)表示,其中M的數(shù)值等于聯(lián)絡(luò)線功率容量和光伏滲透率的組合場(chǎng)景數(shù)目。如圖1中的第3步內(nèi)圖形所示的關(guān)系圖,其為光伏滲透率為a、聯(lián)絡(luò)線容量為b的運(yùn)行條件下儲(chǔ)能容量和棄光率的關(guān)系曲線。

4)儲(chǔ)能容量需求的確定

獲得給定聯(lián)絡(luò)線功率容量和光伏滲透率的場(chǎng)景下,儲(chǔ)能容量和棄光率的關(guān)系曲線之后,即可以根據(jù)系統(tǒng)給定的光伏滲透率、聯(lián)絡(luò)線功率容量、棄光率要求來(lái)確定系統(tǒng)儲(chǔ)能容量的需求。例如從圖1中第3步內(nèi)圖形中的A點(diǎn)可知,在系統(tǒng)給定運(yùn)行場(chǎng)景為:光伏滲透率為a、聯(lián)絡(luò)線功率容量為b,當(dāng)要求棄光率小于Ln時(shí),系統(tǒng)所需的儲(chǔ)能容量至少為En。

2 網(wǎng)格化場(chǎng)景生成方法

2.1 生成方法的步驟

從第1節(jié)可知,本文方法對(duì)儲(chǔ)能容量進(jìn)行確定時(shí),需要先生成網(wǎng)格化場(chǎng)景。本文生成網(wǎng)格化場(chǎng)景如圖1中第1步內(nèi)圖形所示,具體過(guò)程如下。

1)分別將光伏滲透率、聯(lián)絡(luò)線容量、儲(chǔ)能容量在其取值范圍內(nèi)進(jìn)行等格劃分。例如:圖1中第1步內(nèi)圖形中,光伏滲透率的取值范圍為0～Kmax,聯(lián)絡(luò)線功率容量的取值范圍為0～Smax,儲(chǔ)能容量的取值范圍為0～Emax;將光伏滲透率分為3格4個(gè)取值,聯(lián)絡(luò)線容量的取值范圍劃分為3格4個(gè)取值,儲(chǔ)能容量的取值范圍分為3格4個(gè)取值。

2)組合光伏滲透率、聯(lián)絡(luò)線容量、儲(chǔ)能容量的取值,即可得到一個(gè)場(chǎng)景。例如:圖1中第1步內(nèi)圖形中標(biāo)號(hào)為X的交點(diǎn)代表一個(gè)場(chǎng)景,該場(chǎng)景的光伏滲透率為Kmax,聯(lián)絡(luò)線容量為Emax,儲(chǔ)能容量為Smax。

3)將所有的光伏滲透率、聯(lián)絡(luò)線容量、儲(chǔ)能容量的取值進(jìn)行組合,即可得到一個(gè)場(chǎng)景的集合。例如:圖1中第1步內(nèi)圖形中,所有的立方格子的交點(diǎn)即代表了場(chǎng)景的集合,其中共有64個(gè)場(chǎng)景。

2.2 場(chǎng)景精度與場(chǎng)景數(shù)量之間協(xié)調(diào)的說(shuō)明

在網(wǎng)格化場(chǎng)景形成的過(guò)程中,必須對(duì)場(chǎng)景的精度和數(shù)量進(jìn)行權(quán)衡。如果選取的運(yùn)行條件太多,或是運(yùn)行條件的取值劃分得太細(xì),則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算場(chǎng)景數(shù)量太多甚至無(wú)法計(jì)算;如果運(yùn)行條件的取值劃分得太粗糙,則場(chǎng)景的精度很難保證。因此,對(duì)于網(wǎng)格化場(chǎng)景中運(yùn)行條件選取和取值劃分問(wèn)題,應(yīng)盡可能地遵循如下原則。

1)選取網(wǎng)格化場(chǎng)景中所包含的運(yùn)行條件時(shí),若選取的運(yùn)行條件過(guò)多,會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格化場(chǎng)景維度過(guò)高,其中包含場(chǎng)景過(guò)多。因此,除了必須選擇的儲(chǔ)能容量以外,另外選取的運(yùn)行條件應(yīng)以2～3個(gè)為宜。

2)為能較好地評(píng)估系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件下的儲(chǔ)能容量需求,對(duì)儲(chǔ)能容量在其取值范圍內(nèi)進(jìn)行取值劃分時(shí),應(yīng)選擇進(jìn)行較為細(xì)致的劃分,一般需設(shè)置至少10個(gè)取值,以對(duì)儲(chǔ)能容量進(jìn)行較為精確的評(píng)估。

3)對(duì)其他運(yùn)行條件進(jìn)行取值時(shí),對(duì)實(shí)際運(yùn)行中需要考慮較多情況的運(yùn)行條件,應(yīng)進(jìn)行較為細(xì)致的取值劃分,以充分考慮實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的各種情況;而對(duì)于相對(duì)固定或是所需考慮精度不是很高的運(yùn)行條件,可進(jìn)行較為粗略的劃分,以減少網(wǎng)格化場(chǎng)景的數(shù)目,降低運(yùn)算需求。

對(duì)于網(wǎng)格化場(chǎng)景數(shù)量隨考慮的影響因素?cái)?shù)量變化的情況,進(jìn)行如下分析:假設(shè)只考慮儲(chǔ)能容量有10個(gè)取值,其他的影響因素只考慮有3個(gè)取值時(shí),此時(shí)當(dāng)除儲(chǔ)能容量分別考慮1,2,3,4個(gè)影響因素時(shí),網(wǎng)格化場(chǎng)景中的場(chǎng)景數(shù)分別為30,90,270,810個(gè);而當(dāng)其他影響因素考慮有5個(gè)取值時(shí),對(duì)應(yīng)的總場(chǎng)景數(shù)為50,250,1 250,6 250個(gè)。可見(jiàn),當(dāng)考慮的影響因素增多時(shí),場(chǎng)景數(shù)會(huì)呈指數(shù)性增長(zhǎng),特別是每個(gè)影響因素取值較多時(shí),會(huì)大幅提高計(jì)算需求。因此在網(wǎng)格化場(chǎng)景生成的過(guò)程中,建議選擇儲(chǔ)能容量與其他2～3個(gè)影響因素,每個(gè)影響因素根據(jù)實(shí)際評(píng)估需要選取5～10個(gè)取值,在保證一定精度的情況下控制場(chǎng)景數(shù)量。關(guān)于網(wǎng)格化場(chǎng)景數(shù)量隨考慮的影響因素?cái)?shù)量變化的情況也可見(jiàn)附錄A圖A1。

3 基于網(wǎng)格化場(chǎng)景的技術(shù)性指標(biāo)計(jì)算模型與方法

獲得網(wǎng)格化場(chǎng)景集合之后,需要建立技術(shù)性指標(biāo)的計(jì)算模型,將網(wǎng)格化的每個(gè)場(chǎng)景給定運(yùn)行條件代入模型中,計(jì)算出技術(shù)性指標(biāo)。棄光作為光伏發(fā)電并網(wǎng)后存在的主要問(wèn)題之一,降低棄光率、提高資源利用率是配置儲(chǔ)能的主要目的[19],因此本文中的技術(shù)性指標(biāo)選擇的是棄光率。技術(shù)性指標(biāo)的計(jì)算模型如下。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)棄光率最小為目標(biāo)建立優(yōu)化模型,模型的優(yōu)化函數(shù)如式(1)所示,其中棄光率的計(jì)算公式如式(2)所示[20]。

F=minR

(1)

(2)

式中:R為棄光率;i為節(jié)點(diǎn)編號(hào);N為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)總數(shù);t為時(shí)刻編號(hào);T為系統(tǒng)仿真的時(shí)間尺度;PDG,i(t)為第i節(jié)點(diǎn)第t時(shí)刻光伏發(fā)電的有功出力;Ploss,i(t)為第i節(jié)點(diǎn)第t時(shí)刻的棄光功率。

3.2 約束條件

1)各時(shí)段各節(jié)點(diǎn)的功率平衡約束

(3)

式中:PG,i(t)和QG,i(t)分別為第i節(jié)點(diǎn)第t時(shí)刻常規(guī)機(jī)組發(fā)電的有功和無(wú)功出力;PL,i(t)和QL,i(t)分別為第i節(jié)點(diǎn)第t時(shí)刻的有功和無(wú)功負(fù)荷功率;PE,i(t)為儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)第i節(jié)點(diǎn)在第t時(shí)刻的充放電有功功率;PT,i(t)和QT,i(t)分別為聯(lián)絡(luò)線對(duì)第i節(jié)點(diǎn)在第t時(shí)刻提供的有功和無(wú)功功率;ΔPi(t)和ΔQi(t)分別為第i節(jié)點(diǎn)第t時(shí)刻從線路獲得的有功和無(wú)功功率,有

(4)

Vi(t)為第i節(jié)點(diǎn)第t時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)電壓;θij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間電壓的相角差;Gij和Bij分別為支路ij的電導(dǎo)與電納。

2)配電網(wǎng)運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)電壓與支路功率約束

(5)

(6)

3)聯(lián)絡(luò)線容量約束與常規(guī)機(jī)組出力約束

(7)

(8)

4)儲(chǔ)能容量與儲(chǔ)能充放電功率約束

(9)

(10)

5)系統(tǒng)棄光功率約束

0≤Ploss,i(t)≤PDG,i(t)

(11)

式(11)表示任一節(jié)點(diǎn)在任一時(shí)刻上棄光功率介于0與該時(shí)刻光伏發(fā)電功率之間。

3.3 基于給定場(chǎng)景的計(jì)算方法

根據(jù)3.1節(jié)介紹的模型目標(biāo)函數(shù)以及3.2節(jié)介紹的模型約束條件,即可構(gòu)建以棄光率最小為目標(biāo)的配電系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型。模型中的各時(shí)刻負(fù)荷功率、光伏發(fā)電出力使用歷史數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)值,取時(shí)間間隔為1 h,1年共8 760個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù);線路阻抗參數(shù)、常規(guī)機(jī)組出力上限、支路功率上限、儲(chǔ)能充放電功率上限根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)獲得;模型中的光伏發(fā)電出力、聯(lián)絡(luò)線容量上限、儲(chǔ)能容量上限的數(shù)值,從網(wǎng)格化場(chǎng)景中的單個(gè)場(chǎng)景里設(shè)定的運(yùn)行條件獲得;而各時(shí)段棄光功率、各時(shí)段聯(lián)絡(luò)線功率、各時(shí)段常規(guī)機(jī)組出力、各時(shí)段儲(chǔ)能功率出力作為決策變量。

在計(jì)算網(wǎng)格化場(chǎng)景中不同場(chǎng)景的技術(shù)性指標(biāo)時(shí),只需要根據(jù)不同場(chǎng)景中的運(yùn)行條件替換模型中的光伏發(fā)電出力、聯(lián)絡(luò)線容量上限、儲(chǔ)能容量上限的數(shù)值即可。這樣就避免了在優(yōu)化模型中將此類參數(shù)也作為決策變量進(jìn)行優(yōu)化,減少了優(yōu)化模型中的決策變量數(shù)目,使得該優(yōu)化模型的計(jì)算量較少。而模型的解算可調(diào)用CPLEX求解器求解。

通過(guò)上述方法計(jì)算網(wǎng)格化場(chǎng)景中的每一個(gè)場(chǎng)景的棄光率,即可得到在不同運(yùn)行條件下配置不同儲(chǔ)能容量時(shí)系統(tǒng)的棄光率,進(jìn)而可根據(jù)棄光率的計(jì)算結(jié)果評(píng)估系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能容量的需求。

3.4 關(guān)于配置儲(chǔ)能后經(jīng)濟(jì)性的討論

在儲(chǔ)能容量配置的過(guò)程中,系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也是一個(gè)十分重要的指標(biāo)。而在建立儲(chǔ)能容量的優(yōu)化模型過(guò)程中,若同時(shí)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化會(huì)涉及較多因素,使得模型過(guò)于復(fù)雜,不利于應(yīng)用[12]。因此本文在對(duì)儲(chǔ)能容量進(jìn)行確定時(shí),為了不使得優(yōu)化模型過(guò)于復(fù)雜,優(yōu)化模型中僅考慮了系統(tǒng)運(yùn)行的約束與技術(shù)性指標(biāo)要求,在規(guī)劃過(guò)程中沒(méi)有考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。而對(duì)于配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估,可以在通過(guò)優(yōu)化模型確定儲(chǔ)能容量之后,再根據(jù)規(guī)劃好的儲(chǔ)能容量進(jìn)行計(jì)算以評(píng)估系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4 儲(chǔ)能容量與技術(shù)性指標(biāo)關(guān)系曲線圖集合的生成

根據(jù)第3節(jié)介紹的模型計(jì)算得到每個(gè)場(chǎng)景的棄光率之后,可以生成不同運(yùn)行條件下系統(tǒng)棄光率的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì),如表1所示。表中統(tǒng)計(jì)了光伏滲透率為K的情況下,系統(tǒng)中給定聯(lián)絡(luò)線容量和儲(chǔ)能容量不同時(shí)棄光率的計(jì)算結(jié)果;E1,E2,…,En為儲(chǔ)能容量的各個(gè)取值;S1,S2,…,Sn為聯(lián)絡(luò)線容量的取值;R11,R21,…,Rnn為對(duì)應(yīng)運(yùn)行條件組合而成的場(chǎng)景下計(jì)算得到的棄光率。

表1 數(shù)據(jù)關(guān)系示例(光伏滲透率為K)Table 1 Examples of data relationship (photovoltaic permeability is K)

得到棄光率的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表后,即可根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制類似圖1中第3步內(nèi)圖形所示的儲(chǔ)能容量需求與棄光率的關(guān)系曲線圖,將不同運(yùn)行條件下的關(guān)系曲線圖進(jìn)行組合即可得到曲線圖集合。曲線圖集合中展示的是在不同運(yùn)行條件下系統(tǒng)棄光率與儲(chǔ)能容量的關(guān)系曲線集合,其中每幅圖表示一個(gè)場(chǎng)景下棄光率與儲(chǔ)能容量的關(guān)系曲線,每個(gè)場(chǎng)景的運(yùn)行條件分別為:光伏滲透率K與表1中不同聯(lián)絡(luò)線容量的組合。表1中給定了n個(gè)聯(lián)絡(luò)線容量的取值,因此該集合中包含了n張關(guān)系曲線圖。同樣可由網(wǎng)格化場(chǎng)景中其他光伏滲透率下技術(shù)性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果,通過(guò)上述方法獲得不同滲透率下的曲線圖集合。關(guān)系曲線圖集合的形式可見(jiàn)附錄A圖A2。

5 給定場(chǎng)景下的儲(chǔ)能容量需求確定

在獲得每種運(yùn)行條件下儲(chǔ)能容量與棄光率的關(guān)系曲線圖之后,即可根據(jù)給定的運(yùn)行條件與運(yùn)行要求,確定系統(tǒng)所需要的儲(chǔ)能容量,具體步驟如下。

1)確定系統(tǒng)給定的運(yùn)行條件,從關(guān)系曲線圖中選取出對(duì)應(yīng)運(yùn)行條件下的儲(chǔ)能容量與棄光率的關(guān)系曲線圖。

2)在選取出的關(guān)系曲線圖中,根據(jù)棄光率的運(yùn)行要求,根據(jù)第1節(jié)中介紹的方法確定在此棄光率要求情況下系統(tǒng)所需的儲(chǔ)能容量。

例如,當(dāng)需要確定運(yùn)行條件為光伏滲透率K,聯(lián)絡(luò)線容量Sn,系統(tǒng)運(yùn)行要求為棄光率0%時(shí)的儲(chǔ)能容量需求時(shí),需要先根據(jù)給定的運(yùn)行條件選取出對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能容量與棄光率關(guān)系曲線圖;再根據(jù)給定的棄光率要求,從選取出的曲線圖獲得光伏滲透率為0%情況下對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能容量作為儲(chǔ)能容量需求的確定結(jié)果。

6 算例分析

本文以改造之后的IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)為例,應(yīng)用所提出的網(wǎng)格化場(chǎng)景分析方法,對(duì)系統(tǒng)接入光伏發(fā)電后對(duì)儲(chǔ)能容量的需求進(jìn)行分析評(píng)估。同時(shí),對(duì)評(píng)估得到的儲(chǔ)能容量代回配電網(wǎng)中進(jìn)行運(yùn)行模擬,驗(yàn)證評(píng)估得到的儲(chǔ)能容量是否能滿足運(yùn)行要求。

6.1 算例說(shuō)明

IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)與拓?fù)鋱D詳見(jiàn)文獻(xiàn)[21],本文改造如下:在節(jié)點(diǎn)9～33接入光伏電源;系統(tǒng)中包含了6個(gè)儲(chǔ)能裝置,儲(chǔ)能裝置1與節(jié)點(diǎn)9～13相連、儲(chǔ)能裝置2與節(jié)點(diǎn)14～18相連、儲(chǔ)能裝置3與節(jié)點(diǎn)19～22相連、儲(chǔ)能裝置4與節(jié)點(diǎn)23～25相連、儲(chǔ)能裝置5與節(jié)點(diǎn)26～29相連、儲(chǔ)能裝置6與節(jié)點(diǎn)30～33相連,儲(chǔ)能設(shè)備可與和其相連的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率交互;節(jié)點(diǎn)1通過(guò)聯(lián)絡(luò)線與外網(wǎng)進(jìn)行功率交互。仿真采用的負(fù)荷序列數(shù)據(jù)為中國(guó)某地實(shí)際負(fù)荷序列,光伏出力序列則是使用HOMER軟件生成,序列數(shù)據(jù)采樣間隔為1 h,即一天24點(diǎn)、全年8 760點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

針對(duì)所采用的仿真算例,生成如下的網(wǎng)格化場(chǎng)景:選取光伏滲透率、儲(chǔ)能容量、聯(lián)絡(luò)線容量作為網(wǎng)格化場(chǎng)景的3個(gè)維度,其中光伏滲透率的取值為30%,50%,70%,100%;儲(chǔ)能容量取值范圍為0～18 000 MW·h并分為13個(gè)取值;聯(lián)絡(luò)線容量的取值范圍為0～120 MW并分為10個(gè)取值;儲(chǔ)能功率、常規(guī)機(jī)組功率上限、系統(tǒng)仿真的時(shí)間尺度作為常量處理,儲(chǔ)能總功率上限設(shè)置為40 MW、常規(guī)機(jī)組功率上限設(shè)置為50 MW、仿真時(shí)間尺度設(shè)置為1年8 760 h。由如上設(shè)定可生成共有520個(gè)場(chǎng)景的網(wǎng)格化場(chǎng)景集合,根據(jù)生成的網(wǎng)格化場(chǎng)景,即可選取網(wǎng)格化場(chǎng)景集合中各場(chǎng)景的運(yùn)行條件代入第3節(jié)的模型進(jìn)行計(jì)算,獲得不同運(yùn)行條件下儲(chǔ)能容量與棄光率的關(guān)系曲線集合。改造后的IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)拓?fù)湟?jiàn)附錄A圖A3。

6.2 系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件下的儲(chǔ)能容量需求分析

針對(duì)算例給定的配電網(wǎng),以表2給出的不同運(yùn)行條件與運(yùn)行要求組合而成的場(chǎng)景為例,對(duì)不同場(chǎng)景下配電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能容量的需求進(jìn)行分析計(jì)算。

表2 用于儲(chǔ)能需求分析的仿真場(chǎng)景Table 2 Simulation scenarios for energy storage requirements analysis

對(duì)應(yīng)表2中5個(gè)場(chǎng)景中給定的運(yùn)行條件,從網(wǎng)格化場(chǎng)景的棄光率計(jì)算結(jié)果中,選出對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下的儲(chǔ)能容量與棄光率的關(guān)系曲線如圖2所示。圖2中各個(gè)子圖與表2中場(chǎng)景的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:圖2(a)對(duì)應(yīng)場(chǎng)景1,圖2(b)對(duì)應(yīng)場(chǎng)景2與場(chǎng)景3,圖2(c)對(duì)應(yīng)場(chǎng)景4,圖2(d)對(duì)應(yīng)場(chǎng)景5。根據(jù)每個(gè)場(chǎng)景的儲(chǔ)能容量關(guān)系曲線圖結(jié)合各個(gè)場(chǎng)景的棄光要求,即可得到對(duì)應(yīng)各個(gè)場(chǎng)景需求的儲(chǔ)能容量。

從圖2中棄光率隨儲(chǔ)能容量變化的曲線可見(jiàn),當(dāng)系統(tǒng)的光伏滲透率越高、聯(lián)絡(luò)線容量越小、要求棄光率越小時(shí),系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能容量的需求越大;同時(shí)可見(jiàn)棄光率隨儲(chǔ)能容量增加而變化的曲線成“L”形,即當(dāng)棄光率較高時(shí),提高儲(chǔ)能容量可以有效地減少系統(tǒng)的棄光率,而當(dāng)棄光率較低時(shí),提高儲(chǔ)能容量對(duì)減少棄光率的效果較差。

根據(jù)圖2和表2中的運(yùn)行要求,可以得到各個(gè)場(chǎng)景的儲(chǔ)能容量需求。根據(jù)圖2(b)中的曲線可見(jiàn),在系統(tǒng)光伏滲透率與聯(lián)絡(luò)線容量相同的情況下,適當(dāng)放寬棄光率要求可以有效減少系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能容量的需求。例如:對(duì)于場(chǎng)景2與場(chǎng)景3,在同樣的運(yùn)行條件下,要求的棄光率從10%減少到5%時(shí),系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能容量的需求從347 MW·h上升到了6 940 MW·h,儲(chǔ)能容量需求上升了20倍而棄光率只減少了5%,這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。

圖2 不同場(chǎng)景的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves in different scenarios

6.3 儲(chǔ)能配置方案的評(píng)估

為說(shuō)明本文所提方法的有效性,以表2中的場(chǎng)景1為例,根據(jù)圖2的儲(chǔ)能容量需求分析結(jié)果配置對(duì)應(yīng)容量的儲(chǔ)能設(shè)備,對(duì)配置儲(chǔ)能后的系統(tǒng)在給定場(chǎng)景下進(jìn)行運(yùn)行模擬來(lái)評(píng)估儲(chǔ)能配置后的效果。其中運(yùn)行模擬使用的數(shù)據(jù)采用對(duì)6.1節(jié)中仿真采用的負(fù)荷與光伏出力數(shù)據(jù)改造后得到,改造方法為將每個(gè)時(shí)段原始的負(fù)荷與光伏出力數(shù)據(jù)乘上一個(gè)0.9～1.1之間的隨機(jī)數(shù),模擬負(fù)荷與光伏發(fā)電出力的隨機(jī)性。根據(jù)改造數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間尺度為1年8 760 h的模擬運(yùn)行,根據(jù)模擬運(yùn)行得到的儲(chǔ)能運(yùn)行結(jié)果、棄光率計(jì)算結(jié)果與節(jié)點(diǎn)電壓運(yùn)行結(jié)果對(duì)儲(chǔ)能的配置方案進(jìn)行評(píng)估。

1)儲(chǔ)能運(yùn)行結(jié)果的說(shuō)明

為了驗(yàn)證儲(chǔ)能設(shè)備能夠按所給定的約束正常運(yùn)行,首先給出模擬運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)中儲(chǔ)能設(shè)備在全年儲(chǔ)存電量的變化曲線與1月儲(chǔ)能的充放電曲線。其中全年儲(chǔ)存電量的變化曲線如圖3(a)所示,1月儲(chǔ)能的充放電曲線如圖3(b)中所示。

圖3 儲(chǔ)能仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of energy storage

由圖3(a)所示的儲(chǔ)能全年電量變化曲線可見(jiàn),儲(chǔ)能中存儲(chǔ)的電量在全年都保持在儲(chǔ)能容量上限的0.25～0.95之間,在0～1 000 h與7 500～8 760 h時(shí)段內(nèi),儲(chǔ)能電量接近儲(chǔ)能允許存儲(chǔ)電量的下限,在4 500～6 500 h時(shí)段內(nèi),儲(chǔ)能電量接近儲(chǔ)能允許存儲(chǔ)電量的上限,滿足儲(chǔ)能的運(yùn)行約束。圖中還可見(jiàn),儲(chǔ)能中電量發(fā)生變化的主要時(shí)段是在3 000～4 500 h與6 500～7 500 h這兩個(gè)時(shí)段,其他時(shí)段中儲(chǔ)能電量均變化不大。

由圖3(b)給出的儲(chǔ)能充放電功率曲線可見(jiàn),儲(chǔ)能的充放電功率均在給定的儲(chǔ)能功率(40 MW)范圍內(nèi)。結(jié)合儲(chǔ)能設(shè)備在全年存儲(chǔ)電量的變化曲線進(jìn)行分析,1月儲(chǔ)能的電量多接近儲(chǔ)能電量允許值的下限,因而圖3(b)中儲(chǔ)能設(shè)備在一日內(nèi)的動(dòng)作均為先在光伏出力較大的時(shí)段進(jìn)行充電,再在光伏出力較小的時(shí)段將電能放出。

通過(guò)以上分析可知,儲(chǔ)能設(shè)備均按照給定約束運(yùn)行,在模擬運(yùn)行中儲(chǔ)能設(shè)備可以正常動(dòng)作。而增設(shè)儲(chǔ)能設(shè)備的目的是幫助系統(tǒng)消納光伏發(fā)電出力,降低系統(tǒng)的棄光,接下來(lái)進(jìn)一步分析配置儲(chǔ)能設(shè)備后系統(tǒng)的棄光情況。

2)棄光率結(jié)果說(shuō)明

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)全年的運(yùn)行仿真,可以得到系統(tǒng)全年的棄光電量與全年的光伏發(fā)電量,用以判斷是否符合系統(tǒng)的棄光要求。根據(jù)運(yùn)行仿真可得到系統(tǒng)全年的光伏發(fā)電量為212 GW·h,而棄光電量為10 GW·h。計(jì)算可得,系統(tǒng)進(jìn)行全年的運(yùn)行仿真后得到的棄光率為4.52%,符合表2中場(chǎng)景1給出的運(yùn)行條件:棄光率小于5%的要求,證明了所提出的儲(chǔ)能配置方法的有效性。

同時(shí)根據(jù)獲得的棄光計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有棄光功率的時(shí)段主要集中在4 000～6 000 h之間,而觀察圖3(a)中儲(chǔ)能電量的變化曲線,可見(jiàn)此時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)能電量已經(jīng)接近其上限,這說(shuō)明當(dāng)儲(chǔ)能中沒(méi)有足夠容量存儲(chǔ)多余光伏發(fā)電的電能時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)生大量的棄光現(xiàn)象。模擬運(yùn)行時(shí)全年的棄光功率曲線見(jiàn)附錄A圖A3。

3)節(jié)點(diǎn)電壓運(yùn)行情況說(shuō)明

6.1節(jié)的仿真分析中,配電網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)要求系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓標(biāo)幺值在0.95～1.05之間。為了驗(yàn)證在系統(tǒng)配置儲(chǔ)能設(shè)備后,在運(yùn)行時(shí)是否能夠滿足系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓約束,對(duì)系統(tǒng)中全年各個(gè)節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)的電壓標(biāo)幺值的最大與最小值進(jìn)行校驗(yàn)。在全年的運(yùn)行模擬中,節(jié)點(diǎn)18上出現(xiàn)過(guò)的最大電壓標(biāo)幺值在所有節(jié)點(diǎn)中最大(1.05),節(jié)點(diǎn)33上出現(xiàn)過(guò)的最小節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值在所有節(jié)點(diǎn)中最小(0.98)。因此,系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)在模擬運(yùn)行時(shí)的變化范圍均在0.95～1.05之間,滿足系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓約束,證明在模擬運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)正常運(yùn)行,也說(shuō)明了按本文所提方法確定并配置系統(tǒng)儲(chǔ)能容量,系統(tǒng)可以在滿足棄光率要求的同時(shí)滿足節(jié)點(diǎn)電壓約束。系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行仿真中出現(xiàn)的最大最小電壓分布曲線見(jiàn)附錄A圖A5。

7 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種實(shí)用的網(wǎng)格化場(chǎng)景分析方法,用以解決以光伏為主的配電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能容量需求的評(píng)估問(wèn)題。所提方法減少了儲(chǔ)能評(píng)估模型中的決策變量,使得模型易于解算,通過(guò)多場(chǎng)景仿真的方法評(píng)估系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的需求。以改造的IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)作為示例,并采用所提方法確定了系統(tǒng)的儲(chǔ)能需求,將評(píng)估得到的儲(chǔ)能容量代回系統(tǒng)中進(jìn)行了運(yùn)行模擬證明方法的有效性,得到以下結(jié)論供參考。

1)所提方法能夠獲得滿足給定運(yùn)行條件與運(yùn)行要求下的儲(chǔ)能容量需求,減少了儲(chǔ)能規(guī)劃模型中的變量數(shù),使得模型易于解算。

2)增設(shè)儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)減少系統(tǒng)的棄光率有效且可行,但是根據(jù)對(duì)儲(chǔ)能容量與棄光率的關(guān)系曲線觀察可見(jiàn),當(dāng)系統(tǒng)棄光率較高時(shí),提高儲(chǔ)能容量可以有效降低系統(tǒng)的棄光率,而當(dāng)系統(tǒng)棄光率較小時(shí),提高儲(chǔ)能容量對(duì)減少棄光率的效果較差。

本文提出的方法可以獲得在給定運(yùn)行條件和運(yùn)行要求下配電系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能容量的要求,幫助確定各種調(diào)節(jié)手段的優(yōu)化組合方案,供規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)行借鑒參考。但是本文所做的工作仍存在以下不足。

1)由于本文方法屬于一個(gè)整體的切片方法,優(yōu)勢(shì)在于解算和分析,但是精度有一定誤差,所得的儲(chǔ)能配置方案不一定是最優(yōu)解。

2)在設(shè)置網(wǎng)格化場(chǎng)景的過(guò)程中,如果設(shè)置的運(yùn)行條件過(guò)多會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格化場(chǎng)景數(shù)量成幾何倍數(shù)增長(zhǎng),極大地提高了計(jì)算量,因而不適合同時(shí)考慮過(guò)多的影響因素。

基于上述所分析的本文工作的貢獻(xiàn)與不足,之后作者也將進(jìn)一步研究該方法的改進(jìn)方案,以提高該方法獲得的儲(chǔ)能需求容量精度并使其可有效考慮多個(gè)運(yùn)行條件。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。