面向綜合能源配電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置方法

吳仁光，鄭立，李凱鵬，林明河，王剛，徐園，顧忠先

(1.象山電力實(shí)業(yè)公司，浙江 寧波 315000；2.國網(wǎng)浙江象山縣供電有限公司，浙江 寧波 315000；3.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

由于能源危機(jī)和資源浪費(fèi)問題日益嚴(yán)重，人們積極拓展新能源渠道，通過分布式光伏發(fā)電技術(shù)高效利用清潔綠色的太陽能，逐步提高配電網(wǎng)中分布式電源(distributed generation，DG)的滲透率。當(dāng)前，含DG的綜合能源系統(tǒng)因其較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益以及能源效率受到青睞，成為構(gòu)建低碳社會(huì)的戰(zhàn)略關(guān)鍵[1-4]。然而，由于外界環(huán)境的影響，高密度光伏的隨機(jī)性和波動(dòng)性會(huì)影響系統(tǒng)電壓的波形質(zhì)量，干擾電壓控制設(shè)備的保護(hù)動(dòng)作，難以控制調(diào)節(jié)，影響用戶電能質(zhì)量，增加系統(tǒng)網(wǎng)損，對(duì)綜合能源配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)側(cè)的安全穩(wěn)定性造成巨大危害；此外，用戶側(cè)的負(fù)荷需求在時(shí)間分布上也呈現(xiàn)出不確定性，對(duì)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化產(chǎn)生影響。因此，為有效消納分布式光伏，降低用戶用電行為對(duì)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化的影響，引入儲(chǔ)能設(shè)備，并根據(jù)光伏出力和負(fù)荷需求進(jìn)行較為準(zhǔn)確的功率預(yù)測(cè)和運(yùn)行調(diào)度[5-6]。

將儲(chǔ)能設(shè)備引入配電網(wǎng)，能夠落實(shí)配電網(wǎng)需求側(cè)的高效管理，削峰填谷，平滑負(fù)荷，提升核心設(shè)備的利用率，減少供電資本投入；還能平抑光伏的出力波動(dòng)，降低沖擊電網(wǎng)的可能性，提升配電網(wǎng)消納光伏的能力，大大提高供電可靠性，更好地保障綜合能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，充分體現(xiàn)新能源發(fā)電的優(yōu)勢(shì)[7-11]。未來，儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展應(yīng)用會(huì)給傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)模式帶來巨大革新，面向綜合能源配電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用將成為我國分布式能源發(fā)展重要的產(chǎn)業(yè)形式。

隨著用戶側(cè)能源需求多元化的發(fā)展，國內(nèi)外科研人員對(duì)綜合能源配電網(wǎng)的研究愈發(fā)關(guān)注。文獻(xiàn)[12]研究了以燃?xì)廨啓C(jī)為熱電耦合元件的綜合能源系統(tǒng)的聯(lián)合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題，并引入了碳交易機(jī)制；文獻(xiàn)[13]以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)電-氣聯(lián)合的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。然而，以上研究未考慮到儲(chǔ)能裝置的影響，對(duì)于綜合能源配電網(wǎng)而言，儲(chǔ)能系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)多能源時(shí)空轉(zhuǎn)換、解決多能源生產(chǎn)和使用間的不同步問題的關(guān)鍵設(shè)備，因此計(jì)及儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)綜合能源配電網(wǎng)的研究必不可少。文獻(xiàn)[14-16]構(gòu)建了熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power，CHP)微網(wǎng)的綜合能源優(yōu)化調(diào)度模型，通過電/熱儲(chǔ)能設(shè)備打破CHP“以熱定電”的熱電耦合關(guān)系，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[17]在文獻(xiàn)[14-16]的基礎(chǔ)上，引入冷負(fù)荷模型，對(duì)含有冷熱電聯(lián)供(combined cooling heating and power，CCHP)的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[18]運(yùn)用模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control，MPC)對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度。以上文獻(xiàn)研究了綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度。對(duì)于綜合能源系統(tǒng)中的儲(chǔ)能優(yōu)化配置問題，文獻(xiàn)[19]研究了包含冷-熱-電負(fù)荷的微網(wǎng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置；文獻(xiàn)[20]分析了CHP系統(tǒng)中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。總體而言，上述文獻(xiàn)是將綜合能源的優(yōu)化運(yùn)行和儲(chǔ)能配置分離開單獨(dú)研究，而科研人員對(duì)其聯(lián)合優(yōu)化進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[21-22]構(gòu)建了配置和運(yùn)行相結(jié)合的綜合能源儲(chǔ)能優(yōu)化模型，但未考慮到電能替代的影響；文獻(xiàn)[23]基于電能替代和電儲(chǔ)能壽命因素將電轉(zhuǎn)氣技術(shù)與綜合能源系統(tǒng)結(jié)合，建立了配置與運(yùn)行結(jié)合的雙層優(yōu)化模型求解。

結(jié)合國內(nèi)外諸多研究，本文提出一種面向綜合能源配電網(wǎng)的儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置研究方法。利用MPC的思想，處理熱負(fù)荷需求及熱電設(shè)備出力的不確定性問題；再結(jié)合儲(chǔ)能的平衡特性，對(duì)綜合能源系統(tǒng)各部分運(yùn)用合適的數(shù)學(xué)模型和函數(shù)關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)建模，并針對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。本文的特色及主要?jiǎng)?chuàng)新如下：

a)面向綜合能源配電網(wǎng)，將儲(chǔ)能配置與系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)合，提出儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型。供電單元由光伏發(fā)電系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)組成，供熱單元由內(nèi)燃機(jī)、余熱鍋爐和燃?xì)忮仩t組成，熱電聯(lián)合，構(gòu)建各單元的數(shù)學(xué)模型，充分發(fā)揮儲(chǔ)能設(shè)備削峰填谷的作用，增大綜合能源系統(tǒng)的供電可靠性，提高了可再生能源的利用率。

b)基于MPC思想進(jìn)行熱系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，以熱供設(shè)備運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，降低熱供設(shè)備出力和熱負(fù)荷不確定性特征對(duì)系統(tǒng)的影響。

c)以儲(chǔ)能設(shè)備生命全周期總投資成本最低作為儲(chǔ)能優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，盡可能減少支出，求解獲取最佳容量，并與無儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該計(jì)劃的合理性。

1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

本文所提綜合能源配電網(wǎng)的模型如圖1所示。該系統(tǒng)可向用戶供給熱、電多種形式的能量，配電網(wǎng)中配置儲(chǔ)能、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)忮仩t和余熱鍋爐、用戶側(cè)配置光伏發(fā)電設(shè)備，儲(chǔ)能系統(tǒng)基于分時(shí)電價(jià)進(jìn)行削峰填谷動(dòng)作，從而獲取收益。光伏與內(nèi)燃機(jī)的電功率大于用戶負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備充電；輸出功率小于負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備放電，若電量不足，則與上級(jí)電網(wǎng)交易購買。在各設(shè)備提供長期服務(wù)的同時(shí)，需要付出一定的維修成本。此外，內(nèi)燃機(jī)的余熱通過余熱鍋爐滿足需求側(cè)的熱負(fù)荷供應(yīng)，不足時(shí)使用燃?xì)忮仩t進(jìn)行補(bǔ)充。

圖1 綜合能源系統(tǒng)Fig.1 Structure of the integrated energy system

1.1 核心設(shè)備

1.1.1 儲(chǔ)能

在配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)側(cè)，儲(chǔ)能設(shè)備有3類運(yùn)行工況，分別為充電工況、放電工況以及停運(yùn)工況。停運(yùn)工況即為將儲(chǔ)能設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中斷開，充、放電則是與網(wǎng)絡(luò)連接向網(wǎng)絡(luò)釋放或者吸收功率[24]。這3種運(yùn)行工況的數(shù)學(xué)模型分別為如下。

(1)

式中：R(t)為儲(chǔ)能設(shè)備于t時(shí)刻的電量；α為存儲(chǔ)過程中的損耗率；ηin、ηout分別為儲(chǔ)能輸入輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換率；Δt為時(shí)間間隔；PESD,in、PESD,out分別為儲(chǔ)能設(shè)備充電時(shí)的輸入功率和放電時(shí)的輸出功率。

1.1.2 供熱設(shè)備

內(nèi)燃機(jī)是極其重要的核心熱電機(jī)組設(shè)備，工作原理是通過在設(shè)備內(nèi)燃燒燃料將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電；余熱鍋爐將內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的煙氣等尾料余熱用來供熱；燃?xì)忮仩t同樣消耗燃料供給熱量。相關(guān)數(shù)學(xué)模型為：

(2)

式中：PICE、QICE、PWHB、PGFB分別為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電功率、內(nèi)燃機(jī)的制熱功率、余熱鍋爐的制熱功率和燃?xì)忮仩t的制熱功率；ηICE1、ηICE2、ηWHB、ηGFB分別為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電、余熱效率、余熱鍋爐的余熱效率和燃?xì)忮仩t的制熱效率；VICE、VGFB分別為是內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)忮仩t所需燃料，單位為m3；Ev為單位體積燃料的能量，單位為kJ/m3。

1.2 約束條件

1.2.1 功率平衡約束

儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)設(shè)置合理的充放電周期，在這個(gè)周期內(nèi)，儲(chǔ)能吸收、放出的電能必須相等，減少因儲(chǔ)存電能時(shí)間過長而導(dǎo)致的存儲(chǔ)的能量損失，同時(shí)也能防止儲(chǔ)存容量太大導(dǎo)致的成本增長[25]。具體的能量關(guān)系采用式(1)模式。

此臺(tái)區(qū)側(cè)配電網(wǎng)系統(tǒng)還要符合總體電負(fù)荷的供需平衡，約束條件如下：

PPV+PICE+PESD,out+Pbuy=Pload+PESD,in.

(3)

PLoad,heating=PWHB+PGFB.

(4)

式中：PPV為光伏設(shè)備的輸出功率；PESD,out和PESD,in分別為儲(chǔ)能設(shè)備輸出和吸收的功率；Pload為電負(fù)荷功率；Pbuy為上級(jí)電網(wǎng)輸出功率；PLoad,heating為熱負(fù)荷功率。

1.2.2 設(shè)備運(yùn)行約束

為了保障電力設(shè)備運(yùn)行的安全穩(wěn)定、使用壽命最大化，所有設(shè)備都應(yīng)有功率、電壓限制，即Pi、Qi、Ui(i為供熱設(shè)備、供電設(shè)備類別)均要滿足各自設(shè)備允許的上下限：

(5)

儲(chǔ)能裝置的充、放電功率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，但不能同時(shí)充電又放電[26]，需滿足

(6)

式中：PESD,in,max和PESD,out,max為儲(chǔ)能的最大充放電功率；E表征儲(chǔ)能設(shè)備的狀態(tài)量，取1或0：E=1表示運(yùn)行在充電狀態(tài)，E=0表示運(yùn)行在放電狀態(tài)。

為盡可能延長儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命，盡量減少過充電和過放電狀態(tài)，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行限制，條件為

αminCSOC≤CSOC≤αmaxCSOC.

(7)

式中：CSOC為儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)，表示剩余容量與完全充電狀態(tài)的容量的比值，取值范圍為0～1；αmax、αmin分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)上下限的系數(shù)，分別為1和0.2。

1.2.3 潮流約束

為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，潮流分布需滿足如下條件：

(8)

式中：Pj、Qj分別為節(jié)點(diǎn)j的有功功率和無功功率；Pkj、Qkj分別為節(jié)點(diǎn)k、j間線路的有功功率和無功功率；Rkj、Xkj為對(duì)應(yīng)線路的阻抗；u(j)、v(j)分別為與節(jié)點(diǎn)j相連接的上游節(jié)點(diǎn)k集合和下游節(jié)點(diǎn)l集合；Uk、Uj分別為節(jié)點(diǎn)k、j的電壓幅值。

2 優(yōu)化模型

將面向綜合能源配電網(wǎng)的儲(chǔ)能優(yōu)化問題劃分為2個(gè)優(yōu)化任務(wù)，如圖2所示。首先根據(jù)熱負(fù)荷需求控制系統(tǒng)內(nèi)各供熱設(shè)備的出力，目標(biāo)函數(shù)為供熱設(shè)備運(yùn)行成本最低，實(shí)現(xiàn)熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；再建立儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型，根據(jù)輸入的設(shè)備參數(shù)及分時(shí)電價(jià)進(jìn)行儲(chǔ)能配置容量決策，目標(biāo)函數(shù)為全壽命周期總成本最低。

圖2 優(yōu)化模型Fig.2 Optimization model diagram

2.1 熱系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

綜合能源配電網(wǎng)系統(tǒng)中，熱負(fù)荷及市場燃料價(jià)格波動(dòng)等多方面不確定因素在很大程度上影響用戶側(cè)電能的使用，尤其是電制熱技術(shù)造成了負(fù)荷極大波動(dòng)，對(duì)配電網(wǎng)中儲(chǔ)能設(shè)備的配置造成極大影響；因此，綜合能源配電網(wǎng)亟須獲取將熱能的規(guī)劃調(diào)度方案與儲(chǔ)能配置相結(jié)合的配置方案。MPC是一種可以處理包含多種不確定性變量的優(yōu)化問題的方法，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和魯棒性，是解決該難題的有力工具[9]，主要流程如圖3所示，其中K為預(yù)測(cè)步長。

圖3 MPC流程圖Fig.3 MPC flow chart

MPC的主要思想是根據(jù)機(jī)組的特性方程構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，將當(dāng)下時(shí)間的測(cè)量值作為初始狀態(tài)進(jìn)行模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化以及反饋校正。本文根據(jù)預(yù)測(cè)模型，以1 h為調(diào)度時(shí)長，針對(duì)系統(tǒng)未來時(shí)段內(nèi)燃機(jī)、余熱鍋爐及燃?xì)忮仩t的出力進(jìn)行短時(shí)預(yù)測(cè)，將需求側(cè)熱負(fù)荷所造成的擾動(dòng)偏差當(dāng)作反饋量，實(shí)施滾動(dòng)優(yōu)化；獲取此刻與未來時(shí)刻的狀態(tài)量，使各機(jī)組出力向預(yù)定軌跡發(fā)展，從而求取最佳變量，實(shí)現(xiàn)熱系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

首先，針對(duì)含內(nèi)燃機(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t及熱負(fù)荷的熱網(wǎng)絡(luò)，在采樣時(shí)段，將t0時(shí)刻內(nèi)燃機(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t出力及熱負(fù)荷的測(cè)量初值作為初始狀態(tài)，建立功率狀態(tài)向量如下：

P0(t0)=(PICE(t0),PWHB(t0),

PGFB(t0),PLoad,heating(t0)).

(9)

t0時(shí)刻預(yù)測(cè)的K+ΔT時(shí)刻的模型為

(10)

式中：ΔT為調(diào)度時(shí)長；ΔP(t0+t)為未來時(shí)段各設(shè)備的功率增量。

然后，滿足熱功率平衡約束，以機(jī)組設(shè)備運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為

(11)

式中Tg為燃料價(jià)格，單位為元/m3；

再綜合考慮當(dāng)前時(shí)段內(nèi)的諸多不確定因素，將實(shí)際信息與預(yù)測(cè)結(jié)果的偏差當(dāng)作反饋量，以當(dāng)下時(shí)刻的實(shí)際狀態(tài)量作為初始值，通過持續(xù)的在線滾動(dòng)校正，減小偏差量，日內(nèi)滾動(dòng)修正模型如下：

P0(t0+KΔT)=Ptrue(t0+KΔT).

(12)

式中Pture為當(dāng)下時(shí)刻的實(shí)際狀態(tài)量。

最后，確定24 h內(nèi)內(nèi)燃機(jī)、余熱鍋爐及燃?xì)忮仩t的功率輸出，實(shí)現(xiàn)熱系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度、優(yōu)化運(yùn)行。內(nèi)燃機(jī)的電功率也由此確定，再結(jié)合其他設(shè)備進(jìn)行供電系統(tǒng)中儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)化配置。

2.2 儲(chǔ)能配置優(yōu)化

將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)引入綜合能源配電網(wǎng)模型中，再結(jié)合儲(chǔ)能設(shè)備，考慮配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓、潮流等約束求解獲取機(jī)組的預(yù)測(cè)出力信息。以全壽命周期內(nèi)的總投資成本C為目標(biāo)函數(shù)，包含所有設(shè)備的建造成本、運(yùn)行成本以及維護(hù)成本[27]，目標(biāo)函數(shù)為

C=min(Cb+Cop+Cm).

(13)

式中：Cb為建造資本；Cop為運(yùn)行資本；Cm為維護(hù)資本。各部分具體表達(dá)式如下。

考慮到儲(chǔ)能設(shè)備的建造及折舊率，Cb是將設(shè)備折算到每年的裝機(jī)成本，即

(14)

(15)

式中：Irate為利率，取0.03；Ny為全壽命周期，取10 a；h為當(dāng)下年份；Rco,h為將第h年費(fèi)用折算到當(dāng)前年份的系數(shù)；Rre為折舊率；S為儲(chǔ)能的建造單價(jià)；RS為儲(chǔ)能電站的容量。

儲(chǔ)能設(shè)備工作時(shí)要按功率收取相應(yīng)費(fèi)用；當(dāng)光伏發(fā)電設(shè)備及內(nèi)燃機(jī)設(shè)備系統(tǒng)發(fā)電量大于負(fù)荷需求時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備存儲(chǔ)多余電能，此時(shí)收取租賃費(fèi)用；當(dāng)電量不足時(shí)，儲(chǔ)能與上級(jí)電網(wǎng)按照分時(shí)電價(jià)進(jìn)行功率交互收取費(fèi)用，購進(jìn)為正，送電為負(fù)。Cop為儲(chǔ)能租賃費(fèi)用、從上級(jí)電網(wǎng)購買的電能花費(fèi)之和，表示為

Cop=Cs+Ce.

(16)

其中

(17)

式中：Cs為儲(chǔ)能資本；EESD為每個(gè)時(shí)刻儲(chǔ)能的剩余容量；FESD為儲(chǔ)能單位時(shí)間內(nèi)吸收能量的成本系數(shù)，取0.13元/(kWh·h-1)；Ce為與上級(jí)電網(wǎng)交易的購電資本；采用峰谷電價(jià)制度，Te為分時(shí)電價(jià)；Pbuy為購電功率；Nd=30 d；Nmon=12 月；Nhour=24 h。

Cm為設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，表示為

Cm=RSSBmNy.

(18)

式中Bm為設(shè)備的維護(hù)成本系數(shù)，取0.02。

3 仿真分析

3.1 模型參數(shù)

采用IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)示例，各節(jié)點(diǎn)電壓允許偏差為額定值的±5%。電量不夠時(shí)從上級(jí)電網(wǎng)購買，外部電網(wǎng)及內(nèi)燃機(jī)安裝在1號(hào)節(jié)點(diǎn)附近，儲(chǔ)能設(shè)備安裝在2號(hào)節(jié)點(diǎn)。圖4為綜合能源配電網(wǎng)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及光伏安裝節(jié)點(diǎn)圖。

圖4 IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)接線圖Fig.4 IEEE 33 distribution network wiring diagram

該模型以6—9月份為夏季，光伏功率最強(qiáng)，11—2月份為冬季，光伏功率最弱，其余為春秋。選取對(duì)應(yīng)月份作為該季節(jié)的典型日進(jìn)行求解分析。熱、電負(fù)荷曲線圖如5、6所示。

圖5 熱負(fù)荷曲線Fig.5 Thermal load curve

圖6 電負(fù)荷曲線Fig.6 Electric load curve

該規(guī)劃問題為混合整數(shù)規(guī)劃，在MATLAB平臺(tái)上，運(yùn)用CPLEX算法，優(yōu)化配置各設(shè)備的裝機(jī)容量使得系統(tǒng)的生命全周期總成本最低。CPLEX是IBM ILOG Optimization Studio的一項(xiàng)功能，可以解決用數(shù)學(xué)編程模型表示的問題，一般用于求解線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃等數(shù)學(xué)規(guī)劃問題。該算法為配電網(wǎng)多約束的優(yōu)化配置求解問題提供了便利，收斂速度較快，具有良好的穩(wěn)健性。儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格參數(shù)包括：單位成本500 元/kWh，其運(yùn)維成本為每年2%初期投資成本。系統(tǒng)分時(shí)電價(jià)見表1。

表1 系統(tǒng)分時(shí)電價(jià)表Tab.1 Time-sharing electricity price

3.2 典型日結(jié)果分析

求解優(yōu)化模型，得到全壽命周期內(nèi)的最低成本是3.212 5×107元。選第一年1月為冬季典型日、4月為春秋典型日、7月為夏季典型日進(jìn)行分析。系統(tǒng)中儲(chǔ)能設(shè)備的容量為40 kW，每臺(tái)儲(chǔ)能設(shè)備容量為10 kW，配置4臺(tái)。

3.2.1 上級(jí)電網(wǎng)購電結(jié)果分析

圖7所示為上級(jí)電網(wǎng)購電負(fù)荷，在凌晨23:00—04:00時(shí)段內(nèi)，購電量穩(wěn)定且較小。由于夜間沒有光照，光伏設(shè)備不發(fā)電，用戶負(fù)荷普遍不大且電價(jià)處于谷期，很便宜，從上級(jí)電網(wǎng)購電即可滿足用戶需求。10:00—16:00，購電量也相對(duì)穩(wěn)定，雖然此時(shí)光照強(qiáng)度大，DG發(fā)電量大，但工作時(shí)段內(nèi)用戶的負(fù)荷需求也很高。該時(shí)間段內(nèi)，冬季由于光照弱、溫度低，光伏功率輸出較少，購電量相對(duì)其他季節(jié)較大。

圖7 上級(jí)電網(wǎng)購電負(fù)荷 Fig.7 Diagram of upper grid purchase power load

3.2.2 儲(chǔ)能輸入功率結(jié)果分析

圖8所示為儲(chǔ)能輸入功率，可以發(fā)現(xiàn)，1 d內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)儲(chǔ)能輸入高峰，分別是05:00—06:00和17:00，與圖3中的購電高峰時(shí)間重合。05:00—06:00各節(jié)點(diǎn)的光伏設(shè)備開始輸出功率，谷期電價(jià)低，為應(yīng)對(duì)接下來工作時(shí)段內(nèi)急劇增加的電負(fù)荷問題，提高上級(jí)電網(wǎng)購電量并存儲(chǔ)是一種較為經(jīng)濟(jì)有效的措施。18:00下班后是用戶需求的一個(gè)小高峰時(shí)期，該時(shí)刻光伏設(shè)備已經(jīng)停止發(fā)電，峰期電價(jià)高，應(yīng)提前存儲(chǔ)光伏功率及購買的電負(fù)荷。

圖8 儲(chǔ)能輸入功率Fig.8 Diagram of energy storage input power

3.2.3 儲(chǔ)能輸出功率結(jié)果分析

圖9表明，與儲(chǔ)能輸入高峰相對(duì)應(yīng)，24 h中也有2個(gè)儲(chǔ)能輸出高峰，分別在08:00—10：00和18：00。此時(shí)都處于電價(jià)很高的峰期，用戶的負(fù)荷需求較大且DG發(fā)電量很低，購電費(fèi)用會(huì)很高，輸出儲(chǔ)能設(shè)備里的剩余電量更為合理經(jīng)濟(jì)。

圖9 儲(chǔ)能輸出功率 Fig.9 Diagram of energy storage output power

3.3 與無儲(chǔ)能系統(tǒng)比較

采用CPLEX進(jìn)行建模、優(yōu)化計(jì)算，得到無儲(chǔ)能系統(tǒng)的生命全周期最低成本為3.498 8×107元，與考慮儲(chǔ)能的綜合能源配電網(wǎng)相比，成本增加較多?？紤]區(qū)域內(nèi)光電多能互補(bǔ)、儲(chǔ)能平衡的綜合能源配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)備容量，能有效提高能源利用率，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，減少運(yùn)行投資。表2對(duì)2個(gè)綜合能源配電網(wǎng)的成本構(gòu)成進(jìn)行了比較。

表2 無儲(chǔ)能與有儲(chǔ)能系統(tǒng)成本構(gòu)成對(duì)比Tab.2 Comparison of cost composition between no energy storage and energy storage system 元

由表3可知，無儲(chǔ)能系統(tǒng)由于沒有使用儲(chǔ)能設(shè)備，建造成本和設(shè)備維護(hù)成本比有儲(chǔ)能的綜合能源配電網(wǎng)低。但是無儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行成本比較高，因?yàn)槠滟Y源利用效率低，沒有考慮分布式光伏及內(nèi)燃機(jī)的電能存儲(chǔ)，缺乏光電互補(bǔ)，需要大量購電費(fèi)用，導(dǎo)致總成本很高。從長期運(yùn)行結(jié)果來看，考慮儲(chǔ)能的綜合能源配電網(wǎng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更大，使用了更多清潔能源，擁有高資源利用率和環(huán)境友好性，可以落實(shí)資源的可持續(xù)發(fā)展與能源的梯級(jí)利用。

4 結(jié)束語

儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移能量，解決了不少傳統(tǒng)難題，配電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性、穩(wěn)定性以及可靠性都得到很大提升。在綜合能源配電網(wǎng)中，通過引入光伏儲(chǔ)能設(shè)備，可以平滑光伏電站出力，削峰填谷，延長緩和甚至取消輸配電設(shè)施改造升級(jí)需求，提高供電可靠性。儲(chǔ)能設(shè)備經(jīng)過合理配置，可以為綜合能源配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)提供有效保障。本文基于MPC的思想，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)側(cè)熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，然后利用儲(chǔ)能的平衡作用，將生命全周期總投資成本最低作為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化求解獲取最佳容量，量化該模型的經(jīng)濟(jì)效益，充分肯定了儲(chǔ)能系統(tǒng)在綜合能源配電網(wǎng)中的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展必要性。目前光伏電站和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)都在蓬勃發(fā)展，政府持續(xù)調(diào)整光伏及電網(wǎng)電價(jià)，儲(chǔ)能費(fèi)用逐漸降低，不斷沖擊著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)模式，無儲(chǔ)能系統(tǒng)低建造成本的優(yōu)勢(shì)慢慢淡化，面向綜合能源配電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用將會(huì)變成我國分布式能源發(fā)展的重要形式。