分布式多源儲能模糊聚類集群協(xié)調(diào)優(yōu)化模型

韓永強， 王學(xué)超， 孫 碣， 孫永輝， 金紅洋

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870）

0 引言

隨著多能源系統(tǒng)中新能源滲透率的提高，系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)需求不斷增加， 利用儲能系統(tǒng)能量存儲與釋放的時空調(diào)節(jié)特性能夠有效促進(jìn)多能源系統(tǒng)高效靈活運行[1]~[3]。 因此，儲能技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，儲能系統(tǒng)形式也由單一電池儲能系統(tǒng)，逐步擴展為以電、 熱作為能量存儲與釋放基本單元的多源儲能系統(tǒng)[4]~[6]。

分布式多源儲能系統(tǒng)是由時序調(diào)節(jié)性能靈活、 分布廣泛的多源儲能單元所組成的分布式復(fù)雜系統(tǒng)， 能夠利用多能源能量供需之間的時序匹配特性緩解系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)壓力， 分布式多源儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化為多能源系統(tǒng)高效經(jīng)濟(jì)運行以及新能源消納提供了一種有效的解決方案[7]~[10]。

目前， 已有學(xué)者開展了關(guān)于分布式多源儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度的研究。 文獻(xiàn)[11]針對熱電系統(tǒng)能量平衡問題，提出基于電-氫-熱能源轉(zhuǎn)換、存儲與釋放的電熱混合儲能模型， 能夠有效提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。 文獻(xiàn)[12]提出不同場景下的分布式儲能系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型， 該模型能夠提升電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)壓能力，同時降低系統(tǒng)煤耗成本。 文獻(xiàn)[13]為提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性，提出了基于集群劃分的分布式儲能容量規(guī)劃方法， 能夠有效改善配電網(wǎng)運行狀況。

基于上述背景， 本文提出分布式多源儲能系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。首先，研究分布式多源儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其在時間尺度和容量深度上的調(diào)節(jié)特性，量化分布式多源儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力；其次，基于儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力進(jìn)行節(jié)點集群劃分，并建立基于節(jié)點集群劃分的分布式多源儲能系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)調(diào)度模型；最后，以我國北方某城市電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)及電熱耦合系統(tǒng)數(shù)據(jù)建立仿真模型， 驗證了所提方法的有效性。

1 分布式多源儲能系統(tǒng)

1.1 分布式多源儲能系統(tǒng)模型

分布式多源儲能系統(tǒng)包含儲電（ES）、電鍋爐（EB）和儲熱（HS）設(shè)備。分布式儲熱設(shè)備是電能熱能轉(zhuǎn)換裝置， 分布式多源儲能系統(tǒng)能夠利用電網(wǎng)多余電能及多種類能源的時空互補特性進(jìn)行多能源系統(tǒng)能量優(yōu)化。因此，分布式多源儲能系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，是實現(xiàn)電熱多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，解決新能源消納的重要手段之一。

（1）電鍋爐功率模型

電鍋爐是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，產(chǎn)生的熱能可為熱力管網(wǎng)提供能量。電鍋爐功率模型為

（2）儲熱功率模型

忽略儲熱設(shè)備熱量耗散特性，儲熱功率模型為

（3）儲電功率模型

儲電功率模型為

1.2 分布式多源儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性分析

分布式多源儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力與分布式儲電及儲熱的容量大小、運行周期、運行狀態(tài)和出力特性有關(guān)，同一分布式儲能系統(tǒng)在不同時間尺度下具有不同的調(diào)節(jié)特性。 因此，為分析分布式多源儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性，須要建立分布式多源儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力模型。

（1）分布式儲電

分布式儲電響應(yīng)速度快，使用壽命長，但成本高，一般用于15 min 以內(nèi)的高滲透新能源電網(wǎng)能量供需平衡，充放能過程的調(diào)節(jié)能力模型為

（2）分布式儲熱

分布式儲熱容量大、響應(yīng)能力強，可參與15 min 到1 h 的高滲透新能源電網(wǎng)能量供需平衡，充放能過程的調(diào)節(jié)能力模型為

本文將傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)向上、 向下調(diào)節(jié)特性[15]與時間尺度調(diào)節(jié)能力相結(jié)合，構(gòu)建分布式多源儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力模型。 調(diào)節(jié)能力可分為6類，即：向上快速、向上中速、向上慢速、向下快速、向下中速、向下慢速：

式中：νi，t為節(jié)點i 在t 時刻的調(diào)節(jié)能力，是關(guān)于多源儲能運行狀態(tài)的函數(shù)，函數(shù)關(guān)系為fi，t（·），即對節(jié)點i 各類儲能設(shè)備調(diào)節(jié)能力歸一化處理之后數(shù)值求和。

2 分布式多源儲能系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)調(diào)度

針對分布式多源儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力在時間尺度上的耦合特性，分布式多源儲能系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)優(yōu)化目的是通過提取分散的多源儲能節(jié)點調(diào)節(jié)能力，形成具有相似調(diào)節(jié)特性或相近調(diào)節(jié)功能的多源儲能系統(tǒng)集群，從而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行集群協(xié)調(diào)調(diào)度。

2.1 基于調(diào)節(jié)能力的分布式多源儲能系統(tǒng)節(jié)點集群劃分模型

本節(jié)提出基于模糊C 均值聚類的多源儲能節(jié)點集群劃分方法， 建立適用于多時間尺度能量供需平衡的多源儲能節(jié)點集群劃分模型。 假設(shè)分布式多源儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中分散接入， 共包含N 個節(jié)點，則N 個節(jié)點某一時刻的調(diào)節(jié)能力集合為V=[v1，…，vn，…，vN]′，一個調(diào)度周期內(nèi)的分布式多源儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力樣本數(shù)據(jù)可表示為

模糊C 均值聚類目標(biāo)函數(shù)為

式中：unc為隸屬度；lnc2為聚類中心到樣本的距離；J 為加權(quán)平方和。

基于模糊C 均值聚類方法的分布式多源儲能系統(tǒng)節(jié)點集群劃分步驟如下。

①初始化隸屬度矩陣U（0），調(diào)度周期T=24，聚類個數(shù)C=6。

②計算聚類中心U＇，取d 次迭代：

③對隸屬度矩陣進(jìn)行修正：

④計算目標(biāo)函數(shù)：

⑥得到預(yù)設(shè)的6 類基于調(diào)節(jié)能力劃分的分布式多源儲能系統(tǒng)子群{P?DMSS，e|e=1，…，6}。

由上述算法可得到基于調(diào)節(jié)能力的分布式多源儲能系統(tǒng)節(jié)點集群劃分結(jié)果， 能夠為實現(xiàn)布局分散， 時域調(diào)節(jié)靈活性強的分布式多源儲能系統(tǒng)細(xì)調(diào)， 集群參與多能源系統(tǒng)實時能量平衡提供基礎(chǔ)。

2.2 集群協(xié)調(diào)調(diào)度模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)分布式多源儲能系統(tǒng)節(jié)點的集群劃分結(jié)果，建立集群協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，優(yōu)化目標(biāo)為

式中：CFFU為最小化火電機組運行成本；CT為分布式多源儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換成本；CL為分布式多源儲能系統(tǒng)能量損失成本；CC為新能源棄電成本。

2.2.2 約束條件

（1）能量平衡約束

式中：LE，t和LH，t分別為電負(fù)荷和熱負(fù)荷。

（2）電鍋爐設(shè)備約束

式中：PEB，max為電鍋爐輸入功率上限。

（3）儲電裝置約束

2.3 調(diào)度模型求解

分布式多源儲能系統(tǒng)作為高滲透新能源電網(wǎng)能量供需平衡以及新能源消納的重要手段， 其調(diào)度方式不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度， 不僅要考慮分布式多源儲能系統(tǒng)集群的調(diào)節(jié)能力與多能源系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系， 還必須考慮整個電熱能源系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性。 本文提出的分布式多源儲能系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)調(diào)度策略如圖1 所示。

圖1 集群協(xié)調(diào)調(diào)度策略圖Fig.1 The strategy diagram of cluster coordination scheduling

該調(diào)度策略主要目的是利用分布式多源儲能系統(tǒng)在時間尺度和調(diào)節(jié)深度上的調(diào)節(jié)能力， 應(yīng)對多能源系統(tǒng)中由于高比例新能源波動性所產(chǎn)生的向上調(diào)節(jié)和向下調(diào)節(jié)需求， 從而進(jìn)行基于調(diào)節(jié)能力集群劃分的分布式多源儲能系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)調(diào)度決策， 采用基于MATLAB2019a 平臺調(diào)用CPLEX商業(yè)軟件進(jìn)行調(diào)度模型求解。

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

基于我國北方某城市電網(wǎng)風(fēng)電、 光伏和電負(fù)荷實際數(shù)據(jù)， 以及城市內(nèi)熱負(fù)荷和能源轉(zhuǎn)換存儲設(shè)備的容量實際值建立仿真模型。 仿真系統(tǒng)火電機組裝機容量1 300 MW， 風(fēng)電裝機容量600 MW， 光伏裝機容量500 MW， 最大電負(fù)荷1 100 MW、最大熱負(fù)荷600 MW。調(diào)度周期為24 h，步長為1。 分布式多源儲能系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

表1 分布式多源儲能系統(tǒng)參數(shù)Table 1 The parameters of distributed multi- energy storage system

3.2 結(jié)果分析

圖2 分布式多源儲能系統(tǒng)集群劃分結(jié)果Fig.2 The cluster partition results of distributed multi-energy storage system

采用本文提出的分布式多源儲能模糊聚類集群協(xié)調(diào)優(yōu)化模型， 得到基于調(diào)節(jié)能力的分布式多源儲能系統(tǒng)節(jié)點集群劃分結(jié)果如圖2 所示。由圖2可知，在一個調(diào)度周期內(nèi)，由于調(diào)節(jié)時間尺度和調(diào)節(jié)容量深度的不同，分布式儲電、儲熱的調(diào)節(jié)能力分布較為分散。 采用本文基于調(diào)節(jié)能力的集群劃分方法，計算得到分布式多源儲能系統(tǒng)子集，共6 類， 可為分布式多源儲能系統(tǒng)在集群協(xié)調(diào)調(diào)度中的優(yōu)化調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 為分布式多源儲能系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)調(diào)度結(jié)果，圖中儲能設(shè)備出力為凈出力，取放能功率為正值，充能功率為負(fù)值。 由圖3 可以看出，在電力峰值時段，電鍋爐功率降低，儲電功率增加，儲電設(shè)備出力增加，可應(yīng)對電負(fù)荷增加需求。在電力谷時段，儲電設(shè)備由于調(diào)節(jié)成本高，出力變化不明顯，電鍋爐功率增加，同時儲熱設(shè)備凈出力為負(fù)值，利用低谷電儲能。 因此， 整個系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)調(diào)度策略，可在提升電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的同時，滿足整個調(diào)度周期內(nèi)的電熱負(fù)荷需求。 由于采用基于調(diào)節(jié)能力集群劃分的集群協(xié)調(diào)調(diào)度，故該調(diào)度策略能夠有效應(yīng)對峰谷各個時段的調(diào)峰需求，同時有效解決風(fēng)電、光伏的消納問題，提升多能源系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。

圖3 分布式多源儲能系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)調(diào)度結(jié)果Fig.3 The cluster coordinated scheduling results of distributed multi-energy storage system

4 結(jié)束語

本文采用分布式多源儲能系統(tǒng)作為多能源系統(tǒng)運行的基本能源轉(zhuǎn)換和存儲單元， 其調(diào)節(jié)能力在時間尺度和容量深度上具有明顯的互補增效特性。因此，本文所提出的基于調(diào)節(jié)能力集群劃分的分布式多源儲能系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，是保障多能源系統(tǒng)能量供需平衡，實現(xiàn)分布式多源儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化以及提高新能源消納水平的重要手段。

仿真結(jié)果表明， 分布式多源儲能系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)優(yōu)化方法能夠在充分利用分布式儲電和儲熱調(diào)節(jié)能力的前提下， 形成具有高效協(xié)調(diào)能力的分布式多源儲能系統(tǒng)子群落， 建立基于各功能子群落的系統(tǒng)集群協(xié)調(diào)調(diào)度策略，可降低系統(tǒng)調(diào)度成本，同時也能夠通過分布式多源儲能系統(tǒng)自身能量轉(zhuǎn)換和存儲特性，為新能源提供較大的并網(wǎng)空間。