分布式能源儲(chǔ)能技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)研究

馬嘯遠(yuǎn)，孟中強(qiáng)，姚天亮，李 飛

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州730050）

國(guó)外能源研究機(jī)構(gòu)通過調(diào)研市場(chǎng)能源需求數(shù)據(jù)，對(duì)其儲(chǔ)存容量進(jìn)行擴(kuò)增，文獻(xiàn)[1]通過設(shè)計(jì)松弛調(diào)峰儲(chǔ)能系統(tǒng)增加了能源儲(chǔ)存容量，利用多目標(biāo)能源消納方式控制縮減能源消耗量，采用灰色PSO 算法顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)中的能源消耗量數(shù)據(jù)，達(dá)到儲(chǔ)存監(jiān)測(cè)的目的。但這種方式占據(jù)了大量的能源空間，加大了儲(chǔ)存空間壓力；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)多區(qū)域熱網(wǎng)儲(chǔ)能模型劃分出多種儲(chǔ)能區(qū)域，利用凸多面體抽象域技術(shù)壓縮能源儲(chǔ)存空間，利用Tent 映射混沌優(yōu)化算法統(tǒng)計(jì)能源儲(chǔ)存過程數(shù)據(jù)，解決能源儲(chǔ)存空間過大的問題。但這種方法存在一定的安全隱患，空間壓力過大導(dǎo)致儲(chǔ)能裝置不穩(wěn)。

針對(duì)上述研究的分布式能源儲(chǔ)能技術(shù)出現(xiàn)的問題，本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)分布式能源儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)其儲(chǔ)能模型，能源傳輸方式進(jìn)行技術(shù)化改進(jìn)，并采用算法程序控制系統(tǒng)的均衡，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1 分布式能源儲(chǔ)能系統(tǒng)

針對(duì)上述技術(shù)的不足，本研究設(shè)計(jì)微網(wǎng)儲(chǔ)能拓?fù)淠Ｐ?，制定最佳能源運(yùn)輸方式，設(shè)計(jì)邏輯運(yùn)輸方式，采用Nash 均衡算法保證能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的穩(wěn)定，實(shí)時(shí)顯示儲(chǔ)能罐中的壓力數(shù)據(jù)和能源數(shù)據(jù)，增強(qiáng)其安全性[3]，分布式能源儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 分布式能源儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.1 Distributed energy storage system

本文設(shè)計(jì)的分布式能源儲(chǔ)能系統(tǒng)采用非接線電磁傳遞的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用無線網(wǎng)絡(luò)和C卡讀取的方式完成控制判斷，主要控制單元為能源服務(wù)器、智能主機(jī)和移動(dòng)終端，三者之間通過無線網(wǎng)絡(luò)完成能源服務(wù)器與智能主機(jī)的數(shù)據(jù)交互，智能主機(jī)與移動(dòng)終端的交互，能源服務(wù)器與移動(dòng)終端通過邏輯通道連接。指令控制室負(fù)責(zé)分布式能源管理模塊的指令調(diào)度和運(yùn)營(yíng)管理，能源供應(yīng)線路采用新型邏輯線路運(yùn)輸方法，通過LED 屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化，利用觸摸鍵盤的方式對(duì)系統(tǒng)模塊進(jìn)行操控[4]。能源儲(chǔ)能管理核心技術(shù)為微網(wǎng)儲(chǔ)能拓?fù)淠Ｐ停ㄟ^儲(chǔ)能模型結(jié)構(gòu)完成分布式能源的儲(chǔ)能設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式存在的問題。微網(wǎng)儲(chǔ)能拓?fù)淠Ｐ蛿?shù)據(jù)一般由C 卡和非接卡方式完成讀取，根據(jù)C 卡讀取數(shù)據(jù)制定能源邏輯運(yùn)輸線路，非接卡預(yù)讀過程主要完成能源模型數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，通過無線IC 傳輸?shù)姆绞綖榻K端設(shè)備提供參考；同時(shí)模型輸出數(shù)據(jù)通過USB 通信的方式完成與PC 端口的對(duì)接，形成模型與應(yīng)用端口的互連設(shè)計(jì)。在此結(jié)構(gòu)中由Nash 均衡模塊和數(shù)頻接入模塊完成能源儲(chǔ)能管理的視頻監(jiān)控，同時(shí)數(shù)頻接入數(shù)據(jù)通過能源傳輸記錄在微機(jī)數(shù)據(jù)庫中[5]。

2 微網(wǎng)儲(chǔ)能拓?fù)淠Ｐ?/h2>

根據(jù)現(xiàn)階段能源儲(chǔ)能方式進(jìn)行分析，通過了解能源產(chǎn)出、儲(chǔ)存和應(yīng)用量進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其儲(chǔ)存方式通過微網(wǎng)儲(chǔ)能拓?fù)淠Ｐ徒Y(jié)構(gòu)完成儲(chǔ)能裝置的改進(jìn)，極大提高了儲(chǔ)能容量，微網(wǎng)儲(chǔ)能拓?fù)淠Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 微網(wǎng)儲(chǔ)能拓?fù)淠Ｐ虵ig.2 Microgrid energy storage topology model

微網(wǎng)儲(chǔ)能拓?fù)淠Ｐ驮诂F(xiàn)有儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)，將能源儲(chǔ)存方式進(jìn)行分布式改進(jìn)，主要作用設(shè)備為靜態(tài)開關(guān)、主隔離網(wǎng)設(shè)備、斷路器和潮能控制器，靜態(tài)開關(guān)通過定時(shí)器控制能源管理系統(tǒng)的運(yùn)行；主隔離設(shè)備將能源變電站與儲(chǔ)能系統(tǒng)分割；斷路器對(duì)微電網(wǎng)調(diào)度線路進(jìn)行保護(hù)[6]；潮能控制器負(fù)責(zé)控制能源的涌入量。微網(wǎng)儲(chǔ)能模型將能源管理器、各終端負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置和變電站相互結(jié)合，既完成能源的分布式儲(chǔ)能過程，又實(shí)現(xiàn)了能源與電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)控制，是分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心技術(shù)結(jié)構(gòu)。微網(wǎng)儲(chǔ)能類型包括微型燃料能源、風(fēng)電能、光熱能和微電池能源等各項(xiàng)新能源類型，而這些能源的保存形式主要通過能源機(jī)組來完成，根據(jù)能源類型的不同選取相應(yīng)的儲(chǔ)能方式，能夠適應(yīng)能源個(gè)體間的特點(diǎn)完成儲(chǔ)能[7]。根據(jù)輸入的能源類型將儲(chǔ)能方式分為能耗型和儲(chǔ)存型兩種，能耗型儲(chǔ)能方式儲(chǔ)存時(shí)間短暫，更新?lián)Q代速度較快，一般具有需求量高，應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)；儲(chǔ)存型儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，更換速度緩慢，一般具有儲(chǔ)存量大，應(yīng)用范圍小的特點(diǎn)。

微網(wǎng)儲(chǔ)能拓?fù)淠Ｐ偷慕⑹箖?chǔ)能過程能夠根據(jù)不同的能源類型進(jìn)行特定儲(chǔ)存，對(duì)不同能源產(chǎn)生的負(fù)荷進(jìn)行分類控制，使負(fù)荷達(dá)到輸出標(biāo)準(zhǔn)[8]。在拓?fù)淠Ｐ驮O(shè)計(jì)過程采用多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模能源的合理儲(chǔ)存，同時(shí)保證儲(chǔ)存能源的順利輸送，是建立邏輯運(yùn)輸線路的前提條件。

3 能源邏輯運(yùn)輸方式

通過分析系統(tǒng)儲(chǔ)能量和能源類型，對(duì)不同能源的利用設(shè)計(jì)邏輯運(yùn)輸過程，以保證儲(chǔ)存的能源以最快速度運(yùn)輸?shù)剿璨块T，通過設(shè)置多種信號(hào)控制線路中的能源流向，并對(duì)儲(chǔ)能余量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠有效地防止能源浪費(fèi)[9]。能源邏輯運(yùn)輸方式如圖3所示。

圖3 能源運(yùn)輸方式Fig.3 Energy transport modes

邏輯化能源運(yùn)輸線路由多個(gè)邏輯控制裝置組成，首先對(duì)微網(wǎng)模型儲(chǔ)能罐中的能源進(jìn)行計(jì)量，根據(jù)需求量和儲(chǔ)存量確定運(yùn)輸策略，通過邏輯控制確定儲(chǔ)存位置；邏輯配送確定運(yùn)輸方式；數(shù)字驅(qū)動(dòng)確定送達(dá)位置，并與控制系統(tǒng)完成指令交互[10]。能源計(jì)量裝置能夠完成微網(wǎng)儲(chǔ)能罐的余量檢測(cè)，將檢測(cè)量輸入到邏輯控制和配送單元，為能源的運(yùn)輸提供支持。保護(hù)裝置負(fù)責(zé)維護(hù)邏輯運(yùn)輸線路安全，系統(tǒng)出現(xiàn)問題能夠及時(shí)反應(yīng)，避免造成裝置損壞，能夠及時(shí)切斷需求側(cè)的能源供應(yīng)。邏輯配送與數(shù)字驅(qū)動(dòng)兩側(cè)設(shè)置緊急預(yù)警信號(hào)，主要針對(duì)余量檢測(cè)異常強(qiáng)行停止運(yùn)輸，避免邏輯線路的過量運(yùn)輸[11]。

能源分配策略的制定通過轉(zhuǎn)換能源計(jì)量數(shù)據(jù)完成微網(wǎng)能源的儲(chǔ)量和余量信號(hào)測(cè)定，余量檢測(cè)根據(jù)測(cè)定的信號(hào)進(jìn)行能源邏輯的控制，主要通過控制信號(hào)和邏輯信號(hào)完成。整個(gè)能源邏輯的運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)儲(chǔ)能模型的完美配送，能夠?qū)π枨髠?cè)提供的能源需求量進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成分布式能源的邏輯控制，通過測(cè)定的各種信號(hào)完成能源分配，形成最有效的能源利用方式。

4 Nash 均衡算法

納什均衡（Nash equilibrium）主要對(duì)存在關(guān)聯(lián)的事物形成博弈局面，在博弈過程中個(gè)體間的變化會(huì)導(dǎo)致整體的變動(dòng)，而若個(gè)體改變狀態(tài)，則博弈中的其它個(gè)體均不會(huì)發(fā)生改變，即在群體性管理中必存在Nash 平衡。在此時(shí)間內(nèi)模型收錄的能源函數(shù)為

式中：F表示儲(chǔ)能模型收錄的能源類型函數(shù)；vt表示儲(chǔ)能時(shí)間內(nèi)能源類型分析時(shí)間；π 表示不同類型的能源錄入?yún)?shù)；Cge，Cgc和Cgp表示風(fēng)電能、光熱能和微電池能源函數(shù)式。

根據(jù)模型中錄入能源的參數(shù)進(jìn)行Nash 均衡整定，其整定函數(shù)表示為

經(jīng)過Nash 均衡之后儲(chǔ)能系統(tǒng)中的能源保持穩(wěn)定，此時(shí)設(shè)定的能源儲(chǔ)存指標(biāo)為

對(duì)于均衡的能源儲(chǔ)能系統(tǒng)，若進(jìn)行能源供應(yīng)，需保證供應(yīng)策略的最優(yōu)化，本文通過ε-greedy公式制定并執(zhí)行。

對(duì)制定的最優(yōu)能源供應(yīng)策略進(jìn)行分析，通過對(duì)比不同狀態(tài)下有效率差確定制定策略函數(shù)的優(yōu)越性，即：

式中：ΔQ表示能源有效供應(yīng)差值；表示均衡狀態(tài)下的能源供應(yīng)有效率；表示未達(dá)均衡狀態(tài)的能源供應(yīng)有效率；σ 表示能源市場(chǎng)允許的最大供應(yīng)差。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)過程在Intel i9 9600KF 計(jì)算機(jī)，4.0 GHzCPU和64+128 GB 內(nèi)存雙核PC 機(jī)運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置，實(shí)驗(yàn)采集信號(hào)為數(shù)據(jù)采集器，監(jiān)控方式為攝像監(jiān)控，傳輸方式WLAN 5G 信號(hào)傳輸，信號(hào)傳輸速率＞4.5 MB/s，算法程序運(yùn)算誤差＜1.5%。在此環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，參數(shù)配置如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)與配置軟件Tab.1 Environmental parameters and configuration software

本設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)蓄電池組診斷技術(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)同種型號(hào)的電池容量和診斷精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)Proteus 仿真軟件對(duì)實(shí)際工作過程進(jìn)行仿真演示，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真如圖4所示。

根據(jù)圖4 仿真結(jié)果對(duì)比各設(shè)計(jì)方案具體效果，根據(jù)式（4）計(jì)算能源有效率，將實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。進(jìn)而驗(yàn)證本研究的有效性，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總數(shù)據(jù)表，最終顯示分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

圖4 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真圖Fig.4 Simulation diagram of distributed energy storage system

表2 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄Tab.2 Distributed energy storage system data record

通過表2 數(shù)據(jù)分析，本設(shè)計(jì)采用的分布式能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量為867.59 MW，最大能源利用率達(dá)到88.3%，計(jì)算誤差為0.86%；因此本研究對(duì)能源儲(chǔ)能技術(shù)的設(shè)計(jì)具有較高可行性。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示3 種不同方案的儲(chǔ)能容量條形圖，通過對(duì)比方式分析各系統(tǒng)容量差值，系統(tǒng)儲(chǔ)能容量條形圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)儲(chǔ)能容量條形圖Fig.5 Bar graph of system energy storage capacity

圖5 為3 種不同儲(chǔ)能方案的儲(chǔ)能容量條形圖，其中本設(shè)計(jì)最大儲(chǔ)能容量為867.59 MW；文獻(xiàn)[1]采用的松弛調(diào)峰儲(chǔ)能系統(tǒng)最大儲(chǔ)能容量為764.46 MW；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的多區(qū)域熱網(wǎng)儲(chǔ)能方式最大儲(chǔ)能容量為621.78 MW。本研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)容量最大。

通過對(duì)比各設(shè)計(jì)方案的能源利用率，進(jìn)一步完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)VMWare Player 16 軟件實(shí)現(xiàn)能源的虛擬儲(chǔ)能過程，得到系統(tǒng)能源利用率曲線對(duì)比如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)診斷精度曲線Fig.6 System diagnostic accuracy curve

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)3 種系統(tǒng)能源利用率隨儲(chǔ)能容量的變化而變化，本研究系統(tǒng)在儲(chǔ)能容量為400 MW時(shí)，能源利用率為70%，儲(chǔ)能容量為1000 MW 時(shí)，能源利用率為85%，能源利用率最高為88.3%，此時(shí)儲(chǔ)能容量為867.59 MW；文獻(xiàn)[1]能源利用率最高為74.6%，文獻(xiàn)[2]能源利用率最高為68.1%。因此本研究?jī)?chǔ)能容量最大，能源利用率最高，計(jì)算誤差最小，體現(xiàn)出本設(shè)計(jì)儲(chǔ)能方案的優(yōu)越性。

6 結(jié)語

本文對(duì)分布式能源的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)微網(wǎng)儲(chǔ)能拓?fù)淠Ｐ吞岣呦到y(tǒng)儲(chǔ)能容量，將輸入量較多的能源進(jìn)行分布式儲(chǔ)存，同時(shí)設(shè)立不同的負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，使儲(chǔ)能容量達(dá)到最大。對(duì)能源的供應(yīng)線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過邏輯控制的方式制定最優(yōu)運(yùn)輸線路，提高能源利用率，保證分布式能源的綠色發(fā)展。利用Nash 均衡算法控制能源罐中的平衡，使能源的流入和流出盡可能減小對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響，并通過公式計(jì)算能源供應(yīng)有效性，提高系統(tǒng)能源分配的信服力。但是本研究在實(shí)驗(yàn)過程中仍存在問題，能源分布太多導(dǎo)致管理松散，儲(chǔ)能均衡過程影響能源送達(dá)時(shí)間等問題仍待解決。