含混合儲(chǔ)能的鐵路10 kV配電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

肖 斐，吳命利，何婷婷

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化的快速發(fā)展，人民生活質(zhì)量在日益提高的同時(shí)，對(duì)能源供應(yīng)質(zhì)量和能源種類也提出了更高的要求［1］。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)作為一種集成冷、熱、電、氣等多種能源形式的新型供電系統(tǒng)，目前已受到廣泛的關(guān)注［2］。已建成的示范性區(qū)域綜合能源系統(tǒng)包括上海迪士尼度假區(qū)示范工程［3］、天津中新生態(tài)城［4］、北京延慶光熱發(fā)電基地［4］、廣東佛山冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)等。通過(guò)大量實(shí)踐表明綜合能源系統(tǒng)通過(guò)多能生產(chǎn)、能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)環(huán)節(jié)可有效提升系統(tǒng)能源使用效率，降低總體經(jīng)濟(jì)成本。

在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方面，文獻(xiàn)［5］提出一種聯(lián)合區(qū)域綜合能源系統(tǒng)管網(wǎng)規(guī)劃和能源站樞紐規(guī)劃的雙層規(guī)劃方法，上層規(guī)劃模型以直流潮流模型和氣網(wǎng)潮流模型為基礎(chǔ)，下層規(guī)劃模型以多能源轉(zhuǎn)換模型為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)多能設(shè)備容量配置和線路優(yōu)化配置。文獻(xiàn)［6］提出一種考慮多區(qū)域互聯(lián)協(xié)同的分布式能源站規(guī)劃模型，涵蓋了設(shè)備類型選擇、管道路徑規(guī)劃和多區(qū)域間協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行。文獻(xiàn)［7］提出一種計(jì)及需求響應(yīng)不確定性的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃配置方法，利用證據(jù)合成理論實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)的不確定性評(píng)估，并結(jié)合雙層規(guī)劃模型確定最優(yōu)電價(jià)和設(shè)備容量配置方案。文獻(xiàn)［8］提出一種考慮冷熱電多能負(fù)荷不確定性的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)魯棒規(guī)劃方法。文獻(xiàn)［9］提出以綜合能源系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)，且考慮多種能源樞紐架構(gòu)的規(guī)劃模型。上述模型主要用多能源之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系和多能源設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算得到各類設(shè)備的最優(yōu)容量。以光伏與風(fēng)力發(fā)電為典型代表的發(fā)電形式存在間歇性、隨機(jī)性及波動(dòng)性等缺點(diǎn)，為確保上述系統(tǒng)中的功率平衡、穩(wěn)定性、電能質(zhì)量等，必須配備相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)［10-14］。近年來(lái)，混合儲(chǔ)能作為一種兼具功率型和能量型的復(fù)合儲(chǔ)能設(shè)備，已成為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)盈利和分布式能源功率平抑的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在混合儲(chǔ)能容量規(guī)劃方面，文獻(xiàn)［15］基于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)一種考慮系統(tǒng)全壽命周期收益的冷、熱、電混合儲(chǔ)能配置方法，為工程實(shí)踐提供參考。文獻(xiàn)［16］在凈負(fù)荷功率頻譜分析的基礎(chǔ)上，提出一種協(xié)調(diào)蓄電池（BES）與超級(jí)電容器（SC）運(yùn)行的微電網(wǎng)功率分配策略，并以混合儲(chǔ)能年綜合成本最小為目標(biāo)建立了容量?jī)?yōu)化配置模型。文獻(xiàn)［17］提出了一種基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）的交直流微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法，該方法以平抑后的負(fù)荷功率波動(dòng)量和年綜合成本最小為目標(biāo)。文獻(xiàn)［18］基于離散傅里葉變換方法將孤島型微電網(wǎng)中的電源負(fù)荷不平衡功率進(jìn)行分頻處理，提出頻率分?jǐn)嘣瓌t以實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)優(yōu)化配置。由上述分析可知，現(xiàn)有的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃多以能源均衡分配為約束，有必要考慮混合儲(chǔ)能對(duì)分布式能源波動(dòng)量的消納平抑。另一方面，鐵路10 kV 配電網(wǎng)作為保障鐵路安全運(yùn)行的關(guān)鍵，有必要對(duì)其開展含混合儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究，以提升其運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

綜上，本文提出一種含混合儲(chǔ)能的鐵路10 kV配電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型。首先，針對(duì)鐵路配電網(wǎng)用能需求設(shè)計(jì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)。其次，提出一種基于EMD 的光伏出力高頻分量提取方法，并聯(lián)合典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)生成考慮多類光伏高頻分量平抑的典型場(chǎng)景集。然后，以等值年總成本最低為目標(biāo)、混合儲(chǔ)能和綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行和功率平衡為約束，建立多場(chǎng)景鐵路10 kV 配電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，并利用混合整數(shù)線性規(guī)劃算法求解該模型。最后，以我國(guó)北方某鐵路10 kV 配電網(wǎng)為例分析驗(yàn)證了所提方法的有效性和可行性。

1 含混合儲(chǔ)能的鐵路10 kV 配電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)

混合儲(chǔ)能是由功率型和能量型儲(chǔ)能共同組成的復(fù)合儲(chǔ)能裝置，具有響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。通過(guò)合理配置不同種類的儲(chǔ)能容量，可充分利用其在充放電性能和經(jīng)濟(jì)性之間的互補(bǔ)特性。鑒于上述分析，有必要在鐵路10 kV 配電網(wǎng)規(guī)劃中引入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過(guò)合理規(guī)劃SC、BES 和儲(chǔ)熱（HS）設(shè)備的容量，以實(shí)現(xiàn)鐵路10 kV 配電網(wǎng)光伏出力波動(dòng)消納平抑和經(jīng)濟(jì)效益提升。另一方面，通過(guò)接入熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）設(shè)備可滿足配電網(wǎng)的多能源需求。

圖1 展示了鐵路10 kV 配電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)多能設(shè)備的物理連接拓?fù)浜投嗄苻D(zhuǎn)換關(guān)系。由圖可知，綜合能源系統(tǒng)包含了燃?xì)忮仩t（GB）、CHP、SC、BES、HS 和光伏（PV）設(shè)備。鑒于現(xiàn)有配電系統(tǒng)已建設(shè)了電網(wǎng)線路和熱網(wǎng)管道，本文不考慮從配電網(wǎng)至各用戶負(fù)荷端傳輸電、熱的管線投資成本［19］。

圖1 含混合儲(chǔ)能的鐵路10 kV配電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of railway 10 kV distribution network integrated energy system with hybrid energy storage

2 考慮光伏出力波動(dòng)水平的場(chǎng)景生成方法

2.1 基于EMD的光伏高頻分量提取

考慮到光伏出力的波動(dòng)性，本文用EMD 方法對(duì)光伏出力曲線進(jìn)行分解，將原始信號(hào)分解為一系列不同頻率的信號(hào)，即固有模態(tài)函數(shù)（IMF）分量。相較于傳統(tǒng)的傅里葉變換方法和小波變換方法，EMD方法無(wú)需設(shè)置基波分量且計(jì)算量較小，在實(shí)際工程中使用較為廣泛。EMD方法提取IMF的步驟如下［20］。

步驟1：針對(duì)含NT個(gè)采樣點(diǎn)的光伏出力曲線xpv=[xpv(1)，xpv(2)，…，xpv(NT)]，根據(jù)曲線的局部極大值和局部極小值可求出上包絡(luò)xpvup和下包絡(luò)xpvdown的平均值，如式（1）所示。

通過(guò)反復(fù)迭代以上步驟可求得具有不同頻率的光伏出力曲線，圖2 展示了NT=720 時(shí)光伏出力曲線和經(jīng)EMD后的各IMF分量（xIMF1—xIMF4）。

圖2 光伏出力曲線和IMF分量Fig.2 Curve of PV output and IMF components

2.2 基于分頻參數(shù)的光伏高頻分量計(jì)算

2.3 考慮光伏高頻分量的典型場(chǎng)景生成方法

為提升模型的通用性，本文按電、熱負(fù)荷水平和光伏出力水平設(shè)置了3 種典型日。在此基礎(chǔ)上，利用EMD 方法提取每類典型日光伏出力曲線的IMF分量，用于計(jì)算光伏出力的高頻分量。綜合考慮需平抑的光伏高頻分量，本文將光伏高頻分量參數(shù)NI最大值設(shè)為3，即每一類典型日數(shù)據(jù)可生成3種含不同光伏高頻分量平抑需求的典型場(chǎng)景。綜合以上分析，本文共生成3×3=9種典型運(yùn)行場(chǎng)景。

3 鐵路10 kV配電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文所提規(guī)劃模型以等值年總成本Ccost最低為目標(biāo)，包含設(shè)備投資費(fèi)用Cinv和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用Coper兩部分，目標(biāo)函數(shù)如下：

3.2 約束條件

含混合儲(chǔ)能的鐵路10 kV 配電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型的約束條件包括GB、CHP、SC、BES 和HS設(shè)備的容量約束、運(yùn)行約束以及系統(tǒng)能量平衡約束。

1）設(shè)備容量約束。

考慮到GB、CHP 設(shè)備的占地面積和實(shí)際用能需求，設(shè)置GB、CHP的規(guī)劃容量約束分別如下：

3.3 模型求解

模型的具體求解步驟如下。步驟1：統(tǒng)計(jì)3種典型日下鐵路10 kV 配電系統(tǒng)電負(fù)荷、熱負(fù)荷、光伏發(fā)電、電價(jià)和氣價(jià)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣周期為2 min；利用EMD 方法將光伏出力曲線分解為IMF 分量；分別設(shè)定分頻參數(shù)NI取值為1、2、3，并計(jì)算各場(chǎng)景下的光伏出力高頻分量。步驟2：聯(lián)合3 種典型日下的電、熱負(fù)荷和光伏高頻分量，生成9 種典型運(yùn)行場(chǎng)景。步驟3：建立考慮多場(chǎng)景的鐵路10 kV 配電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型。模型目標(biāo)函數(shù)包括等值年總成本，約束條件包括設(shè)備容量約束、設(shè)備出力約束、能量平衡約束和光伏高頻分量平抑約束。步驟4：基于MATLAB 平臺(tái)聯(lián)合YAMIP 和CPLEX 優(yōu)化工具箱求解所提規(guī)劃模型，并求得系統(tǒng)最優(yōu)規(guī)劃方案和建設(shè)運(yùn)行成本。

4 算例分析

4.1 測(cè)試系統(tǒng)及參數(shù)介紹

依據(jù)我國(guó)北方某鐵路10 kV 配電系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析，計(jì)劃建設(shè)的GB、CHP、SC、BES 和HS設(shè)備的建設(shè)投資費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用參數(shù)見(jiàn)附錄A表A1 和表A2［6］。3 種典型日下的光伏出力、電負(fù)荷和熱負(fù)荷數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3，其中3種典型日的光伏出力峰值分別為6.77、10.16、3.39 kW，電負(fù)荷峰值分別為112.30、222.84、53.02 kW，熱負(fù)荷峰值分別為0.60、1.22、0.33 kW。由典型日數(shù)據(jù)生成的9 種典型場(chǎng)景參數(shù)見(jiàn)附錄A 表A3。電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)曲線見(jiàn)圖4，氣價(jià)則用天然氣熱值折算求得為0.28 元／（kW·h）。本文算例測(cè)試均在MATLAB 2014a 平臺(tái)下進(jìn)行，硬件設(shè)備參數(shù)為：CPU Intel?CoreTMi7 2.40 GHz，RAM 8 GB，Win 7環(huán)境。

圖3 典型日電負(fù)荷、熱負(fù)荷和光伏出力曲線Fig.3 Electric load，thermal load and PV output curves in typical day

圖4 分時(shí)電價(jià)Fig.4 Time-of-use electricity price

4.2 規(guī)劃結(jié)果分析

4.2.1 光伏出力曲線高頻分量提取

考慮到規(guī)劃模型中光伏出力高頻分量需由SC進(jìn)行平抑，圖5 和圖6 分別展示了典型日2 下設(shè)置不同的分頻參數(shù)NI時(shí)求得的光伏高頻和低頻分量曲線。由圖可知，隨著NI值增大，光伏高頻分量曲線幅值逐漸增大，光伏低頻分量曲線逐漸平滑。

圖5 采用不同分頻參數(shù)時(shí)典型日2下的光伏高頻分量Fig.5 High frequency components of PV with different values of NI in Typical Day 2

圖6 采用不同分頻參數(shù)時(shí)典型日2下的光伏低頻分量Fig.6 Low frequency components of PV with different values of NI in Typical Day 2

4.2.2 考慮光伏波動(dòng)量平抑的規(guī)劃結(jié)果分析

考慮到綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性和光伏高頻分量的平抑需求，求解綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，規(guī)劃結(jié)果如表1 所示。該設(shè)備容量配置方案的等值年總成本為2.3467×105元，模型計(jì)算時(shí)間為3616.12 s。

表1 設(shè)備容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果Table 1 Optimal configuration results of equipment capacity

為分析在最優(yōu)規(guī)劃方案下各多能設(shè)備的調(diào)度運(yùn)行情況，附錄B 圖B1—B3分別展示了場(chǎng)景1、場(chǎng)景4和場(chǎng)景7 下的系統(tǒng)購(gòu)電量、CHP 和GB 設(shè)備的出力情況。由圖可知，GB 設(shè)備主要在電價(jià)較低的時(shí)段進(jìn)行供熱，該時(shí)段內(nèi)CHP 設(shè)備的熱出力較??；當(dāng)電價(jià)較高時(shí)，CHP 設(shè)備出力較高承擔(dān)了系統(tǒng)大部分電負(fù)荷和熱負(fù)荷，多發(fā)的熱能由HS設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)。

為分析在最優(yōu)規(guī)劃方案下混合儲(chǔ)能的充放電及充放熱情況，圖7（a）—（c）分別展示了場(chǎng)景1下BES、SC和HS設(shè)備的出力情況和剩余電量、熱量曲線。由圖7（a）可知，BES設(shè)備在低電價(jià)時(shí)段充電，高電價(jià)時(shí)段放電；由圖7（b）可知，SC 為實(shí)現(xiàn)光伏高頻分量平抑，在光伏出力時(shí)段進(jìn)行了頻繁的充放電；由圖7（c）可知，熱儲(chǔ)能設(shè)備在CHP 低出力時(shí)段放熱，在CHP高出力時(shí)段儲(chǔ)存熱量，提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 場(chǎng)景1下的仿真結(jié)果Fig.7 Simulative results under Case 1

4.2.3 混合儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性分析

為分析混合儲(chǔ)能對(duì)綜合能源系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益影響，在SC、BES 和HS 混合儲(chǔ)能設(shè)備未建設(shè)的情況下，依據(jù)本文算例求得的規(guī)劃方案為：CHP 設(shè)備選型為類型Ⅰ，功率限值為2.09 kW；GB 設(shè)備選型為類型Ⅰ，功率限值為1.10 kW，等值年總成本為2.381 6×105元。表1 中設(shè)備容量配置方案的等值年總成本為2.346 7×105元。由此可知，混合儲(chǔ)能接入綜合能源系統(tǒng)能夠提升系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2.4 CHP設(shè)備靈敏度分析

為了分析CHP 設(shè)備的投資費(fèi)用和運(yùn)維費(fèi)用對(duì)規(guī)劃方案的影響，可以設(shè)置不同的CHP 類型Ⅰ單位容量建設(shè)費(fèi)用和單位容量運(yùn)維費(fèi)用，比較其等值年總成本變化情況。設(shè)置CHP 類型Ⅰ的單位容量建設(shè)成本為4 500 元／（kW·h），逐漸增加該成本并求得不同的規(guī)劃建設(shè)方案，規(guī)劃結(jié)果如表2 所示。由表可知，隨著CHP 單位容量建設(shè)成本的增加，綜合能源系統(tǒng)等值年總成本逐漸上升，CHP 設(shè)備的功率限值逐漸減小，熱儲(chǔ)能設(shè)備容量逐漸下降。這是由于模型中CHP 的熱電比固定，CHP 多發(fā)的熱能將存儲(chǔ)在HS 裝置中，故HS 裝置容量與CHP 設(shè)備功率呈正相關(guān)關(guān)系。設(shè)置CHP 類型Ⅰ的單位容量運(yùn)維費(fèi)用為0.01元／（kW·h），逐漸增加該費(fèi)用并求得不同的規(guī)劃建設(shè)方案，規(guī)劃結(jié)果如表3 所示。由表可知，隨著CHP 運(yùn)維費(fèi)用逐漸增加，綜合能源系統(tǒng)等值年總成本逐漸上升，CHP設(shè)備的規(guī)劃容量和HS設(shè)備容量逐漸下降。

表2 CHP單位容量建設(shè)成本靈敏度分析Table 2 Sensitivity analysis of investment cost per unit capacity for CHP

表3 CHP單位容量運(yùn)維費(fèi)用靈敏度分析Table 3 Sensitivity analysis of maintenance cost per unit capacity for CHP

4.2.5 模型求解效率分析

為分析模型求解效率，本文分別按2、5、10 min調(diào)度時(shí)間尺度對(duì)模型進(jìn)行求解，計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果如表4 所示。由表可知，隨著調(diào)度時(shí)間尺度的增大，模型計(jì)算時(shí)間大幅縮短。由于規(guī)劃模型中調(diào)度時(shí)間尺度存在差異，所以光伏高頻分量等模型參數(shù)不同，造成各等值年總成本存在差異。

表4 模型計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results and calculation time of model

5 結(jié)論

本文以鐵路10 kV 配電系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了含混合儲(chǔ)能的鐵路10 kV 配電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型。首先，采用EMD 方法有效提取了光伏曲線的IMF 分量，并計(jì)算得到不同分頻參數(shù)下需平抑的光伏高頻分量。其次，將光伏高頻分量聯(lián)合典型日電、熱負(fù)荷水平和光伏出力水平生成典型場(chǎng)景。然后，基于多能設(shè)備的運(yùn)行和成本參數(shù)建立含混合儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，并將需平抑的光伏高頻分量作為SC 的充放電功率參考值。最后，基于我國(guó)北方某鐵路10 kV 配電網(wǎng)實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所提模型的有效性和可行性。通過(guò)仿真分析可知，混合儲(chǔ)能接入綜合能源系統(tǒng)能有效平抑分布式能源功率波動(dòng)，并提升系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)效益。

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