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

沈陽工程學(xué)院 寧珂甲 關(guān)煥新

智能配電網(wǎng)中引進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠促進(jìn)配電網(wǎng)需求高效管理的落地執(zhí)行，對(duì)高峰負(fù)荷進(jìn)行降低，對(duì)低谷負(fù)荷進(jìn)行提高，對(duì)負(fù)荷曲線進(jìn)行平衡，確保核心設(shè)備的實(shí)際利用效率，以最大限度地降低供電成本的投入[1]；還能夠?qū)夥隽Σ▌?dòng)進(jìn)行平抑，減少電網(wǎng)被沖擊的幾率，對(duì)配電網(wǎng)光伏消納能力進(jìn)行提高，極大地提升了供電的安全性和可靠性，以此實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，也是新能源發(fā)電優(yōu)勢(shì)最為明顯的一種表現(xiàn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)未來的發(fā)展及應(yīng)用會(huì)對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)傳統(tǒng)模式產(chǎn)生顛覆性的影響，儲(chǔ)能系統(tǒng)再綜合能源配電網(wǎng)中的應(yīng)用也勢(shì)必會(huì)成為我國(guó)未來新能源發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)模式[2]。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，儲(chǔ)能系統(tǒng)儼然已經(jīng)成為智能電網(wǎng)行業(yè)中最為不可或缺的組成部分，其所發(fā)揮的作用越來越不可替代。為了盡可能地減少電網(wǎng)被波動(dòng)性和隨機(jī)性，以及風(fēng)光等可再生資源的規(guī)模化投產(chǎn)并網(wǎng)對(duì)于電網(wǎng)的影響程度，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于可再生能源消納的提高效果顯著。與此同時(shí)，我國(guó)還存在電力能源緊缺以及負(fù)荷分配不均勻的情況，為了解決此類問題，必須要對(duì)電力能源進(jìn)行大規(guī)模的長(zhǎng)遠(yuǎn)距離輸送，并且電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)也能夠減緩輸配電線路的更新?lián)Q代和資金投入，有效提升電網(wǎng)運(yùn)行效率。

1 研究背景

目前能源緊缺已成為全球化的問題，世界各國(guó)都在對(duì)新能源渠道進(jìn)行積極拓展，對(duì)于清潔、綠色且可再生資源太陽能的高效利用主要是以分布式光伏發(fā)電技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)中分布式電源滲透率進(jìn)一步提高。目前，分布式電源綜合能源系統(tǒng)之所以成為建設(shè)低碳社會(huì)戰(zhàn)略的重點(diǎn)，主要是由于其社會(huì)效益和能源效率均比較高。但由于外部多方面因素的干擾，尤其是因?yàn)殡S機(jī)以及高密度光伏的波動(dòng)性均會(huì)影響到電壓波形質(zhì)量，導(dǎo)致電壓控制裝置的保護(hù)作用被干擾，很難進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而影響用戶優(yōu)質(zhì)的電能服務(wù)，網(wǎng)損也會(huì)隨之增加，嚴(yán)重地危害到綜合能源配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定發(fā)展。除此之外，用戶所需要的電量也會(huì)成不確定性進(jìn)而影響到能源系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)[3]。所以，智能配電網(wǎng)中引進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)，并結(jié)合光伏的出力以及負(fù)荷的需要，進(jìn)而準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)功率以及調(diào)度，不僅可對(duì)分布式光伏進(jìn)行有效地消納，還能夠減小由于人為用電需求對(duì)于綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)造成的不利影響。

智能配電網(wǎng)中引進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠促進(jìn)配電網(wǎng)需求高效管理的落地執(zhí)行，對(duì)高峰負(fù)荷進(jìn)行降低，對(duì)低谷負(fù)荷進(jìn)行提高，對(duì)負(fù)荷曲線進(jìn)行平衡，確保核心設(shè)備的實(shí)際利用效率，以最大限度地降低供電成本的投入；還能夠?qū)夥隽Σ▌?dòng)進(jìn)行平抑，減少電網(wǎng)被沖擊的幾率，對(duì)配電網(wǎng)消納光伏的能力進(jìn)行提高，極大地提升了供電的安全性和可靠性，確保綜合能源系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，也是新能源發(fā)電優(yōu)勢(shì)最為明顯的一種表現(xiàn)。

通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)建，勢(shì)必會(huì)打破傳統(tǒng)的電力模式，并且有效推動(dòng)我國(guó)相關(guān)電力產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展。綜合國(guó)內(nèi)外眾多的研究成果和相關(guān)資料，本文主要對(duì)目前應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法等方面進(jìn)行了探討，利用模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，對(duì)熱負(fù)荷用戶需求和熱電設(shè)備出力所出現(xiàn)的不確定性的問題進(jìn)行分析和處理；通過結(jié)合相關(guān)數(shù)學(xué)模型以及數(shù)據(jù)所形成的函數(shù)關(guān)系對(duì)綜合能源系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行了建模，并計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)[4]。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要有：以綜合能源配電網(wǎng)為背景，有機(jī)地結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)運(yùn)行優(yōu)化，從而提出相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置的模型。光伏的發(fā)電系統(tǒng)和上級(jí)電網(wǎng)組成了供電單元，內(nèi)燃機(jī)、余熱和燃?xì)忮仩t共同組成供熱單元，科學(xué)合理地將熱電進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而搭建出每個(gè)單元的數(shù)學(xué)模型，將儲(chǔ)能系統(tǒng)降低高峰負(fù)荷和提高低谷負(fù)荷的作用最大化，以確保綜合能源系統(tǒng)供電的安全可靠性及可再生資源的利用效率；以模型預(yù)測(cè)控制思想為基礎(chǔ)，優(yōu)化熱系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)，滾動(dòng)優(yōu)化和反饋糾正，對(duì)供熱設(shè)備的處理和熱負(fù)荷不確定性進(jìn)行有效地降低，進(jìn)而最大限度地降低供熱系統(tǒng)運(yùn)行成本；目標(biāo)函數(shù)為儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命總成本最低值，最大限度地減小開支，計(jì)算得出最佳容量，并對(duì)比無儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)，對(duì)該項(xiàng)計(jì)劃的科學(xué)性和合理性進(jìn)行論證。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖1是本文所提能源配電網(wǎng)模型。此綜合能源系統(tǒng)可同時(shí)為客戶提供電力和熱力等多種形式的能源；配電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中主要設(shè)置了儲(chǔ)能裝置、內(nèi)燃機(jī)裝置、燃?xì)夂陀酂徨仩t以及客戶端的光伏發(fā)電裝置，儲(chǔ)能裝置削峰填谷的依據(jù)主要是分時(shí)電能價(jià)格，最終獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)客戶端的負(fù)荷小于光伏設(shè)備和內(nèi)燃機(jī)設(shè)備的電功率時(shí)，儲(chǔ)能裝置處于充電狀態(tài)；反之儲(chǔ)能裝置處于放電狀態(tài)。如電能存儲(chǔ)量出現(xiàn)短缺，向上級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行交易采購(gòu)。各個(gè)裝置在長(zhǎng)期運(yùn)行的過程中需承擔(dān)一定的維修成本，另外熱負(fù)荷的供應(yīng)主要是依靠?jī)?nèi)燃機(jī)的余熱經(jīng)由余熱鍋爐處理實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)出現(xiàn)短缺則由燃?xì)忮仩t進(jìn)行補(bǔ)充。

圖1 綜合能源系統(tǒng)

核心設(shè)備：儲(chǔ)能。充電、放電及停運(yùn)等三種工況是配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)側(cè)的主要運(yùn)行工況。從網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中將儲(chǔ)能設(shè)備斷開就是配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)側(cè)的停運(yùn)工況。儲(chǔ)能設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)并向其吸收或者釋放功率，則是放電工況和充電工況；供熱設(shè)備。作為重中之重的關(guān)鍵核心熱電機(jī)組設(shè)備，內(nèi)燃機(jī)的主要工作原理是通過相關(guān)設(shè)備燃燒燃料將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，以動(dòng)能的形式進(jìn)行發(fā)電。內(nèi)燃機(jī)所生成的煙氣等尾料余熱經(jīng)由余熱鍋爐處理之后用以供熱，燃?xì)忮仩t提供熱量也是通過燃燒燃料的方式。

約束條件：功率平衡約束。儲(chǔ)能裝置充放電周期的設(shè)定必須要兼具科學(xué)性和合理性，且要保證在一定周期內(nèi)的電能吸收和釋放要維持平衡的狀態(tài)，以防止由于儲(chǔ)能時(shí)間過長(zhǎng)而出現(xiàn)損失所存儲(chǔ)能量的情況，還能避免由于存儲(chǔ)容量過大而出現(xiàn)的成本增加的情況。設(shè)備運(yùn)行約束。全部的設(shè)備都要限制電壓和功率，以確保電力設(shè)施運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性及延長(zhǎng)使用周期。同時(shí)還要盡可能地避免儲(chǔ)能設(shè)備過充電或過放電情況，并限制儲(chǔ)能裝置的荷電情況，以最大限度地延長(zhǎng)儲(chǔ)能裝置的使用周期；潮流約束。

3 優(yōu)化模型

面向綜合能源配電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置方法主要?jiǎng)澐譃槿鐖D2所示的兩個(gè)任務(wù)：對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)供熱系統(tǒng)的出力情況根據(jù)熱負(fù)荷的要求進(jìn)行調(diào)整和控制，供熱系統(tǒng)運(yùn)行成本最低的情況設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)，以確保供熱系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的確定要以出入的設(shè)備參數(shù)指標(biāo)和分時(shí)電能價(jià)格為基礎(chǔ)，全部使用壽命的總體成本最低設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)。

圖2 綜合能源配電網(wǎng)的儲(chǔ)能優(yōu)化

3.1 熱系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

在綜合能源配電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中，用戶所使用的電能很大程度上受到熱負(fù)荷和燃料價(jià)格等多種不確定因素的影響，特別是導(dǎo)致負(fù)荷大幅度波動(dòng)的電制熱技術(shù)，嚴(yán)重地影響了儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置。所以，有效地結(jié)合熱能調(diào)度方案和儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合制定的方案是擺在綜合能源配電網(wǎng)系統(tǒng)面前亟待解決的問題。作為一種對(duì)諸多不確定因素優(yōu)化處理的有效方法，模型預(yù)測(cè)控制不僅是解決問題的得力方法，而且還兼具抗干擾能力和魯棒性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

模型預(yù)測(cè)控制的主要理論是以機(jī)組的特性方程建立模型，初始狀態(tài)為當(dāng)前時(shí)間值，進(jìn)行預(yù)測(cè)、優(yōu)化和反饋糾正。本文所述模型調(diào)度時(shí)長(zhǎng)為1小時(shí)，短時(shí)間預(yù)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?nèi)燃機(jī)、余熱和燃?xì)忮仩t的出力情況，反饋量為由于熱負(fù)荷需求而導(dǎo)致的擾動(dòng)偏差值，對(duì)其進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，以獲得當(dāng)下和未來時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)量，保證機(jī)組的出力按照預(yù)設(shè)方向發(fā)展，進(jìn)而獲取最佳變量，優(yōu)化熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)設(shè)備、余熱和燃?xì)忮仩t設(shè)備在內(nèi)的熱負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為采樣對(duì)象，在規(guī)定的采樣時(shí)間內(nèi)，初設(shè)狀態(tài)設(shè)定為內(nèi)燃機(jī)設(shè)備、余熱和燃?xì)忮仩t設(shè)備及熱負(fù)荷t0時(shí)間初始測(cè)量值，以此建立功率狀態(tài)向量；按照熱功率平衡的要求，目標(biāo)設(shè)定為機(jī)組設(shè)備最少成本下的運(yùn)行狀態(tài)。再對(duì)于當(dāng)前時(shí)間眾多不確定因素進(jìn)行綜合考慮和分析，反饋量設(shè)定為實(shí)際狀態(tài)和預(yù)測(cè)狀態(tài)的偏差，初始數(shù)值設(shè)定為當(dāng)前時(shí)間內(nèi)的實(shí)際狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行在線滾動(dòng)糾正，最大限度地降低偏差量；對(duì)于內(nèi)燃機(jī)設(shè)備、余熱和燃?xì)忮仩t設(shè)備在24小時(shí)內(nèi)的功率輸出進(jìn)行確認(rèn)，以保證熱系統(tǒng)調(diào)度的最佳狀態(tài)和優(yōu)化運(yùn)行。同時(shí)對(duì)內(nèi)燃機(jī)設(shè)備的電功率進(jìn)行確認(rèn)，再綜合考慮其他設(shè)備對(duì)綜合能源配電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置[5]。

3.2 儲(chǔ)能配置優(yōu)化

綜合能源配電網(wǎng)系統(tǒng)模型當(dāng)中引進(jìn)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓等進(jìn)行綜合考慮和分析，以獲得繼續(xù)預(yù)測(cè)出力的數(shù)據(jù)信息。目標(biāo)函數(shù)C 設(shè)定為全部使用壽命時(shí)間內(nèi)的總成本投入，包含建造、運(yùn)行和維護(hù)成本總投入。儲(chǔ)能系統(tǒng)工作收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)按照功率執(zhí)行；若用戶負(fù)荷需求小于光伏發(fā)電系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)發(fā)電量，儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)儲(chǔ)存過剩電能，此時(shí)收取費(fèi)用為租賃費(fèi)用；若電能余量不充分，儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)和電網(wǎng)按照分時(shí)電價(jià)交易獲取電量，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)置為購(gòu)電為正，送電為負(fù)。

利用CPLEX 技術(shù)建模，對(duì)計(jì)算方法和結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，可得沒有儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命周期內(nèi)的最低成本投入為3.4988×107＝374.3716元，綜合考慮和分析轄區(qū)內(nèi)光電互補(bǔ)、儲(chǔ)能平衡的綜合能源配電網(wǎng)設(shè)計(jì)容量，確保資源利用率和經(jīng)濟(jì)效益的最大化，最大限度地降低運(yùn)行成本投入。有儲(chǔ)能系統(tǒng)的建造成本投入和維護(hù)成本較無儲(chǔ)能系統(tǒng)的要高，主要是由于儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的投入。但有儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行成本較低，主要是由于是資源利用率較高，對(duì)分布式光伏和內(nèi)燃機(jī)設(shè)備電能充分存儲(chǔ)，而且光能和電能能夠?qū)崿F(xiàn)互補(bǔ)，無需支出購(gòu)買大量電能的費(fèi)用。以長(zhǎng)期的運(yùn)行利益綜合考慮，儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合能源配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)，不僅大量使用了清潔能源，實(shí)現(xiàn)資源高利用率和環(huán)境友好，而且對(duì)于落實(shí)可持續(xù)發(fā)展和能源的梯級(jí)利用走著促進(jìn)作用。

對(duì)于電能源的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移，儲(chǔ)能系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅解決了諸多的傳統(tǒng)問題，而且大大提升了配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、靈活性和穩(wěn)定性。將光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)引入綜合能源配電網(wǎng)，除能對(duì)光伏出力進(jìn)行平抑之外，還能夠削峰填谷，對(duì)配電裝置的升級(jí)改造進(jìn)行最大程度的延緩甚至是取消，以確保供電的安全穩(wěn)定性。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可有效地保障綜合能源配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多能源互補(bǔ)。

綜上，本文所述基礎(chǔ)為模型預(yù)測(cè)控制思想，進(jìn)而有效的提升配網(wǎng)熱系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)性能，再將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為使用壽命全周期內(nèi)的總成本投入，通過優(yōu)化計(jì)算從而得出最佳的系統(tǒng)容量，同時(shí)通過建立該模型并對(duì)其的經(jīng)濟(jì)效益有效分析，進(jìn)而得出該系統(tǒng)研究的重要價(jià)值以及意義。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)都在快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)于光伏和電網(wǎng)電價(jià)進(jìn)行持續(xù)性的調(diào)整，逐漸降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的費(fèi)用，進(jìn)而嚴(yán)重的沖擊了傳統(tǒng)單一的電力模式，并且還有效地降低了無儲(chǔ)能系統(tǒng)建造以及電力系統(tǒng)的相關(guān)維護(hù)成本，總之，該儲(chǔ)能系統(tǒng)必將會(huì)成為為我國(guó)未來分布式能源發(fā)展過程中的重要力量。