風(fēng)電與多能源儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)峰多場(chǎng)景動(dòng)態(tài)魯棒優(yōu)化模型

萬(wàn)玉良， 劉 鑫， 吳曉丹， 顧大可， 王澤鏑

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000； 2.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012； 3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)， 遼寧 沈陽(yáng) 110870）

0 前言

具有波動(dòng)性與不確定性的風(fēng)電大規(guī)模入網(wǎng)，會(huì)給電網(wǎng)調(diào)峰帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[1]～[3]。為應(yīng)對(duì)高比例風(fēng)電入網(wǎng)所導(dǎo)致的調(diào)峰難問(wèn)題， 功率響應(yīng)速率快、效率高的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已成為一種重要的調(diào)峰資源[4]，[5]。 但是，從電池儲(chǔ)能系統(tǒng)高建設(shè)成本、“三北地區(qū)”棄風(fēng)和冬季供暖需求考慮，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模仍受限制[6]。 因此，考慮電池儲(chǔ)能與電鍋爐協(xié)調(diào)運(yùn)行的多源儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化，是解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后調(diào)峰問(wèn)題的有效途徑。

針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后的大量棄風(fēng)及電網(wǎng)調(diào)峰困難的問(wèn)題，為提高風(fēng)光儲(chǔ)運(yùn)行效率，文獻(xiàn)[7]通過(guò)電池組SOC 特性分析，提出了電池模塊化運(yùn)行的優(yōu)化模型。 為抑制風(fēng)電波動(dòng)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[8]提出考慮頻率響應(yīng)的大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略。 為提高風(fēng)電消納能力，考慮調(diào)峰、風(fēng)電消納等多方面收益，文獻(xiàn)[9]提出一種電池儲(chǔ)能的容量?jī)?yōu)化配置模型。 文獻(xiàn)[10]為平抑風(fēng)電波動(dòng)，考慮鋰電池與超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提出了考慮超級(jí)電容的鋰電池功率分配策略。

以上研究雖然在一定程度上解決了調(diào)峰問(wèn)題，但未能深入考慮在風(fēng)電不確性和調(diào)峰多場(chǎng)景下的多能源儲(chǔ)能優(yōu)化運(yùn)行。 基于此，本文考慮了風(fēng)電波動(dòng)下的調(diào)峰多場(chǎng)景劃分，建立了風(fēng)電與電熱多源協(xié)調(diào)儲(chǔ)能魯棒優(yōu)化模型。

1 電熱多能源儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

本文考慮多源協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，利用電池儲(chǔ)能與電鍋爐及儲(chǔ)熱裝置構(gòu)建了電熱多源儲(chǔ)能系統(tǒng)（E-HMESS）， 配合風(fēng)電協(xié)調(diào)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)峰。E-HMESS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示[11]。

圖1 E-HMESS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of E-HMESS

1.1 電池模型

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)電能的存儲(chǔ)與釋放進(jìn)行削峰填谷，其容量與儲(chǔ)放功率關(guān)系如下：

式中：Ees（t）為 t 時(shí)刻電池容量；Pes（t），Peo（t）分別為t 時(shí)刻電池儲(chǔ)、放功率；ηes，ηeo分別為電池儲(chǔ)、放效率；Δt 為運(yùn)行時(shí)段。

1.2 電鍋爐模型

電鍋爐可將風(fēng)電轉(zhuǎn)為熱能進(jìn)行供暖， 當(dāng)存在大規(guī)模棄風(fēng)電量時(shí)可以提供一定調(diào)峰容量，其電熱轉(zhuǎn)換模型為

式中：Peb-h（t），Peb-e（t）分別為電鍋爐制熱、耗電功率；ηeb為電熱轉(zhuǎn)換效率。

1.3 儲(chǔ)熱模型

電鍋爐實(shí)現(xiàn)電制熱后， 可利用儲(chǔ)熱罐存儲(chǔ)熱能，為電網(wǎng)提供更多的調(diào)峰容量，其儲(chǔ)熱模型為

式中：Hhs（t）為 t 時(shí)刻的儲(chǔ)熱容量；Phs（t），Pho（t）分別為 t 時(shí)刻儲(chǔ)熱的儲(chǔ)、放功率；ηhs，ηho分別為儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)、放效率。

2 考慮風(fēng)電波動(dòng)的調(diào)峰多場(chǎng)景劃分下的魯棒運(yùn)行模式

2.1 調(diào)峰多場(chǎng)景劃分

針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電的高不確定性特點(diǎn)，在風(fēng)電與E-HMESS 協(xié)調(diào)運(yùn)行前， 基于研究周期內(nèi)的N條風(fēng)電曲線， 根據(jù)E-HMESS 容量對(duì)調(diào)峰需求的影響劃分調(diào)峰場(chǎng)景。

（1）場(chǎng)景一

場(chǎng)景一為風(fēng)電低出力時(shí)的調(diào)峰場(chǎng)景， 即系統(tǒng)中電負(fù)荷出現(xiàn)峰值且處于風(fēng)電低出力， 須要E-HMES 協(xié)調(diào)運(yùn)行供電。

①給出可信基準(zhǔn) α1， 選取風(fēng)電曲線 Pw（K1），定義超過(guò) α1的風(fēng)電出力 Pwb-H的最小基準(zhǔn)為Pwb-H（K1），Pw（K1）組成的集合為 PwΩ1，風(fēng)電日均出力最大曲線為Pm1。

②考慮在場(chǎng)景一的情況下E-HMESS 的供電可信度。 E-HMESS 須具有一定電量備用，進(jìn)而給出可信基準(zhǔn) β1。 從 PwΩ1中選出曲線保證Pwb-H（K1）不大于的概率超過(guò) β1。構(gòu)成的集合為中最大風(fēng)電出力曲線為Pn1。

③確定可信基準(zhǔn)為α1的情況下， 場(chǎng)景一Pw1及其概率pw1為

（2）場(chǎng)景二

場(chǎng)景二為風(fēng)電高出力時(shí)的調(diào)峰場(chǎng)景， 即系統(tǒng)中電負(fù)荷出現(xiàn)峰值且風(fēng)電處于高出力， 需要E-HMESS 協(xié)調(diào)運(yùn)行儲(chǔ)電。

①給出可信基準(zhǔn) α2， 選取風(fēng)電曲線 Pw（K2），定義超過(guò) α1的風(fēng)電出力 Pwb-L的最大基準(zhǔn)為Pwb-L（K2），Pw（K2）組成的集合為 PwΩ2，風(fēng)電日均出力最大曲線為Pm2。

②考慮在場(chǎng)景二情況下E-HMESS 的儲(chǔ)電可信度，E-HMESS 須具有一定電量存儲(chǔ)裕度。 從PwΩ2中選出滿足E-HMESS 容量能夠存儲(chǔ)最大的風(fēng)電曲線 PwΩ2′， 則 PwΩ2′中最小風(fēng)電出力曲線為Pn2。

③確定可信基準(zhǔn)為α2的情況下，Pw2及其概率pw2為

在風(fēng)電與E-HMESS 協(xié)同調(diào)峰運(yùn)行中， 考慮兩個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化， 通過(guò)電池與電儲(chǔ)熱的協(xié)調(diào)運(yùn)行來(lái)保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性， 也可反映出系統(tǒng)的調(diào)峰需求。

2.2 E-HMESS多場(chǎng)景魯棒運(yùn)行模式

基于對(duì)風(fēng)電與E-HMESS 協(xié)調(diào)運(yùn)行的調(diào)峰多場(chǎng)景劃分，圖2 給出調(diào)峰多場(chǎng)景下E-HMESS的魯棒運(yùn)行模式和魯棒儲(chǔ)放優(yōu)化軌跡， 保證E-HMESS 在Δt 時(shí)段內(nèi)實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景間的儲(chǔ)放電過(guò)渡。

Δt 時(shí)段E-HMESS 儲(chǔ)電放電范圍為

圖2 E-HMESS 魯棒運(yùn)行軌跡Fig 2 The robust trajectory of E-HMESS

式中：pin-u，pin-d，pout-u，pout-d分別為 E-HMESS 在 Δt時(shí)段可提供電能儲(chǔ)、放裕度；pin，pout分別為E-HMESS 電能儲(chǔ)、 放功率；pinmax，pinmin，poutmax，poutmin分別為 E-HMESS 儲(chǔ)、電放電出力的上、下限；Δpin，s，Δpout，s分別為 E-HMESS 儲(chǔ)、放的最大速率。

由圖2 可知， 魯棒運(yùn)行點(diǎn)可根據(jù)風(fēng)電波動(dòng)及電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求，在不同場(chǎng)景下切換運(yùn)行方式，與風(fēng)電協(xié)調(diào)運(yùn)行， 靈活調(diào)峰。 此模式可在大規(guī)模棄風(fēng)時(shí)，通過(guò)電池和電鍋爐的協(xié)調(diào)來(lái)消納風(fēng)電，在電負(fù)荷峰值時(shí)供電，緩解調(diào)峰壓力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電利用最大化。 E-HMESS 比傳統(tǒng)調(diào)峰機(jī)組的靈活性更高。

3 電-熱多源協(xié)調(diào)儲(chǔ)能魯棒優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

針對(duì)本文提出的調(diào)峰多場(chǎng)景及魯棒運(yùn)行模式，建立風(fēng)電利用最大化下的E-HMESS 調(diào)峰運(yùn)行成本最低的魯棒優(yōu)化模型。 該模型主要考慮E-HMESS 運(yùn)行成本，以棄風(fēng)電量最小為目標(biāo)。

（1）E-HMESS 運(yùn)行成本最小目標(biāo)

運(yùn)行成本最小目標(biāo)：

式中：Ce，Ceb，Chs分別為電池、電鍋爐、儲(chǔ)熱的運(yùn)行成本。

式中：Ce，r，Ceb，r分別為電池儲(chǔ)能、 電鍋爐的運(yùn)行成本系數(shù)；Chs，r為儲(chǔ)熱裝置的維護(hù)成本系數(shù)；Pe（t），Phs（t）分別為電池和儲(chǔ)熱裝置在t 時(shí)刻的電、熱儲(chǔ)放功率，正為儲(chǔ)，負(fù)為放；Peb（t）為電鍋爐在 t 時(shí)刻的耗電功率；NT為E-HMESS 的運(yùn)行總時(shí)段。

（2）棄風(fēng)最小目標(biāo)

棄風(fēng)電量為風(fēng)電預(yù)測(cè)與并網(wǎng)功率之差：

式中：Pab（t）為 t 時(shí)段的棄風(fēng)功率值；PWT，y（t）為 t 時(shí)段風(fēng)電預(yù)測(cè)值；PWT，s（t）為 t 時(shí)段風(fēng)電實(shí)發(fā)功率值。

3.2 多場(chǎng)景魯棒約束

本文建立多場(chǎng)景下風(fēng)電與E-HMESS 協(xié)調(diào)調(diào)峰的魯棒可行域 Ω（α，μ，υ，S），除了對(duì)傳統(tǒng)的等式與不等式加以約束， 還考慮在多場(chǎng)景下公式（12），（13）中 E-HMESS 的儲(chǔ)放范圍。Ω（α，μ，υ，S）為

式中：qin（s），qout（s）分別為 pin，pout的自適應(yīng)變量，根據(jù)場(chǎng)景 s 的切換而變；Γ（α，μ，υ，S）為場(chǎng)景 s 下解的存在條件。

式（17）表示至少存在一組解{pin，pout，qin（s），qout（s）}滿足 Γ（α，μ，υ，S）。Γ（α，μ，υ，S）由如下魯棒約束條件給出。

多源調(diào)峰系統(tǒng)功率平衡魯棒約束：

式中：Le（t）為 t 時(shí)刻電負(fù)荷需求。

E-HMESS 魯棒約束：

考慮多場(chǎng)景風(fēng)電與E-HMESS 調(diào)峰時(shí)間尺度魯棒約束，qin（s），qout（s）須滿足 E-HMESS 在 Δt 時(shí)間尺度下的調(diào)節(jié)范圍。

3.3 求解

針對(duì)本文的多目標(biāo)優(yōu)化模型， 采用多目標(biāo)進(jìn)化算法求解，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電與E-HMESS 調(diào)峰多場(chǎng)景魯棒優(yōu)化[12]。 多目標(biāo)進(jìn)化算法求解過(guò)程如圖3 所示。

圖3 求解流程Fig.3 The flow chart of solution

4 仿真驗(yàn)證

利用某地區(qū)配網(wǎng)總用功負(fù)荷及風(fēng)電實(shí)際數(shù)據(jù)，建立電-熱多源協(xié)調(diào)儲(chǔ)能魯棒優(yōu)化仿真模型?？紤]在風(fēng)電波動(dòng)下的E-HMESS 多場(chǎng)景調(diào)峰優(yōu)化運(yùn)行模式， 與采用純電池儲(chǔ)能調(diào)峰進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性與棄風(fēng)電量對(duì)比。

配網(wǎng)實(shí)際總負(fù)荷為1 500 MW，風(fēng)電裝機(jī)容量為800 MW，配有100 MW 的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。 利用本文提出的電-熱多源協(xié)調(diào)儲(chǔ)能魯棒優(yōu)化模型，考慮大規(guī)模消納棄風(fēng)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本最低， 配置50 MM 的電池儲(chǔ)能與100 MW 電鍋爐和150 MW的儲(chǔ)熱裝置。風(fēng)電與負(fù)荷曲線及場(chǎng)景劃分見(jiàn)圖4。

圖4 風(fēng)電與負(fù)荷曲線Fig.4 The wind power and load curve

針對(duì)如圖4 所示的日風(fēng)電與負(fù)荷曲線， 考慮多場(chǎng)景劃分及電網(wǎng)調(diào)峰需求， 得出如圖5 所示的E-HMESS 魯棒優(yōu)化運(yùn)行曲線。

圖5 E-HMESS 魯棒優(yōu)化運(yùn)行曲線Fig.5 The robust optimization operation curve of E-HMESS

由圖5 可見(jiàn)， 針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電波動(dòng)下的電網(wǎng)調(diào)峰需求，E-HMESS 在其多場(chǎng)景劃分的基礎(chǔ)上，可以靈活切換運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的全利用。在場(chǎng)景一的工況下， 電池、 電鍋爐及儲(chǔ)熱裝置協(xié)調(diào)運(yùn)行，消納風(fēng)電，減少風(fēng)電棄電量。 在場(chǎng)景二的工況下，電池儲(chǔ)能為電網(wǎng)調(diào)峰供電，滿足電網(wǎng)峰值時(shí)的部分需求，儲(chǔ)熱協(xié)調(diào)運(yùn)行進(jìn)行熱能儲(chǔ)放。 對(duì)比E-HMESS 的魯棒優(yōu)化運(yùn)行與純電池儲(chǔ)能的調(diào)峰方式，其運(yùn)行成本與棄風(fēng)量如表1 所示。

表1 優(yōu)化對(duì)比Table 1 Optimization contrast

由表1 可知，與傳統(tǒng)的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)峰相比，本文提出的E-HMESS 魯棒優(yōu)化模型在多場(chǎng)景靈活運(yùn)行的同時(shí)， 考慮了電鍋爐與儲(chǔ)熱裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)行，有效地降低運(yùn)行成本。 在大規(guī)模風(fēng)電波動(dòng)下，E-HMESS 的棄風(fēng)電率下降，其調(diào)節(jié)能力優(yōu)于純電池儲(chǔ)能。

針對(duì)本文多目標(biāo)魯棒優(yōu)化求解，得到Pareto解集圖（圖 6）。 由圖 6 可知，風(fēng)電與 E-HMESS在聯(lián)合運(yùn)行調(diào)峰過(guò)程中， 棄風(fēng)電率與運(yùn)行成本相互制約，若要減少棄風(fēng)，勢(shì)必導(dǎo)致運(yùn)行成本的上升。 因此， 須考慮 E-HMESS 的魯棒運(yùn)行模式， 根據(jù)實(shí)際不同運(yùn)行場(chǎng)景合理地選擇最優(yōu)調(diào)峰方式。

圖6 E-HMESS 優(yōu)化模型Pareto 解集Fig.6 Pareto solution set of E-HMESS optimization model

5 結(jié)論

針對(duì)火電調(diào)峰機(jī)組在應(yīng)對(duì)大規(guī)模風(fēng)電波動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)靈活性低和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本高等問(wèn)題，提出了考慮電池與電鍋爐及儲(chǔ)熱裝置協(xié)調(diào)的電熱多源儲(chǔ)能系統(tǒng)， 根據(jù)風(fēng)電波動(dòng)性及負(fù)荷需求劃分調(diào)峰場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，建立電熱多源協(xié)調(diào)儲(chǔ)能的魯棒優(yōu)化模型， 并通過(guò)仿真算例與電池儲(chǔ)能進(jìn)行對(duì)比。

優(yōu)化結(jié)果表明，本文考慮風(fēng)電工況的調(diào)峰多場(chǎng)景劃分及E-HMESS 的魯棒運(yùn)行方式， 可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電利用最大化并滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求。 EHMESS 魯棒運(yùn)行模式，可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景下的靈活切換，實(shí)現(xiàn)容量配置多時(shí)空尺度最優(yōu)。

與電池儲(chǔ)能調(diào)峰相比，本文提出的E-HMESS魯棒優(yōu)化運(yùn)行模型，具有更優(yōu)的運(yùn)行成本，有效地減少棄風(fēng)電量。