閆占新 ，劉俊勇 ，許立雄 ，吳 楊 ，3，張 里 ，李 勇

（1.四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065；2.國網(wǎng)四川省電力公司 技能培訓中心，四川 成都 610000；3.西南科技大學 信息化推進辦公室，四川 綿陽 621010）

0 引言

風能作為一種典型的可再生清潔能源，已經(jīng)成為當前能源結構中重要的組成部分，也是未來能源領域的一個重要的發(fā)展方向。然而，隨著大規(guī)模風電接入系統(tǒng)，棄風問題逐步凸顯，對風電的開發(fā)和利用造成了極大的損失，使得發(fā)電商對其持觀望態(tài)度，不利于整個風電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［1］。

風電的開發(fā)、利用以及消納受多方面因素的影響。從風能自身特性來看，受外界環(huán)境影響較大，其風電出力表現(xiàn)出極強的間歇性和不穩(wěn)定性，其逆負荷分布特性更進一步地增加了負荷區(qū)對風電利用和消納的難度［2-4］；從風能的地域分布來看，風能資源往往遠離負荷中心，本地電力負荷不具備對大規(guī)模風電進行消納的能力［5-6］。風電外送是一個能有效解決大規(guī)模風電存在棄風問題的重要途徑，雖然其可以擴大對風電的消納量，但外送受輸電容量、輸電功率的穩(wěn)定性以及受端電力負荷需求等多種因素的約束和限制。文獻［7］以彈性電力價格為基礎，構建了風電消納機會約束模型，驗證了需求側響應對風電消納的有效性。文獻［8］結合風電與電動汽車的充放電負荷特性，提出了風電與電動汽車協(xié)同調(diào)度模型以提高風電的利用率和消納能力。文獻［9-11］提出采用多種蓄能技術對風能以不同的形式在時序上形成轉(zhuǎn)移，目的是提高風電的消納能力；而文獻［12-13］對風電與儲能系統(tǒng)的功率平衡控制策略展開研究，目的是保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

由上述研究可知，對風電的轉(zhuǎn)化、利用、傳遞主要是通過電能這種單一的能量形式進行，而對于整個能耗負荷區(qū)而言，常包含有冷、熱、電等多種類型的負荷需求。因此，首先以能源互聯(lián)網(wǎng)［14-16］為基礎平臺，通過分析風能在利用過程中的多重等效轉(zhuǎn)化關系，構建風能的多層轉(zhuǎn)化利用模型；然后綜合考慮能耗價格因素對風能轉(zhuǎn)化利用方式的影響，以風電利用率最大和系統(tǒng)運行綜合效益最大化為目標，構建風能轉(zhuǎn)化利用多目標優(yōu)化模型，通過求解得到風能在不同時間段內(nèi)的最佳轉(zhuǎn)化利用方式；最后通過不同季節(jié)下算例的對比分析，驗證所提模型能夠有效地提高系統(tǒng)對風能的綜合利用率和消納能力，并提升風能利用的綜合效益，為未來大規(guī)模風電的規(guī)劃和運行提供一定的參考。

1 風能等效轉(zhuǎn)化利用機制

風能作為當前能源結構中重要的組成部分，其轉(zhuǎn)化和利用需要經(jīng)歷多重能量之間的轉(zhuǎn)化，以滿足不同能量形式的負荷需求。同時，為緩減風電的逆負荷特性，在時序上對風能以不同的能量形式形成轉(zhuǎn)移，在滿足負荷需求的同時，提高系統(tǒng)對風能的利用率和消納能力。本文從風能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移2個角度分析風能的利用和消納。

1.1 能量等效轉(zhuǎn)化特性

風能的利用過程是一個復雜的能量轉(zhuǎn)化傳遞過程，需要根據(jù)負荷需求的不同，將其轉(zhuǎn)化為相應的能量形式。在整個轉(zhuǎn)化過程中，由于不同轉(zhuǎn)化階段能量在“能質(zhì)”上所表現(xiàn)出的不同［17-18］，彼此之間存在多重梯級轉(zhuǎn)化機制，在能源互聯(lián)共享的背景下，可將原有單一的供能結構轉(zhuǎn)化為多層立體式的供能結構。風能的多層等效轉(zhuǎn)化關系可描述如下。

1.1.1 風能對電能的等效轉(zhuǎn)化

風電的出力是風能經(jīng)過風力發(fā)電機后將部分動能轉(zhuǎn)化為機械能，再轉(zhuǎn)化為電能而產(chǎn)生的。風電機組電功率的輸出量主要取決于風力機輪轂高度處的風速。風電機組輸出的有功功率與風速之間有如下函數(shù)關系［19-20］：

其中為風機的額定功率；vci和vco分別為風機切入和切出風速；vr和v分別為額定風速和實際風速。

可見，風電輸出的有功功率在0和額定輸出功率之間波動，如此大范圍的波動勢必會與負荷之間表現(xiàn)出較大的日間差異和不確定性。

1.1.2 電能對冷能的等效轉(zhuǎn)化

電能對冷能的等效轉(zhuǎn)化，是一個從“高品質(zhì)”能量向“低品質(zhì)”能量形式的轉(zhuǎn)變過程，性能系數(shù)相對較高。根據(jù)制冷機運行工況的不同，耗電功率與制冷輸出功率之間的關聯(lián)關系及其性能系數(shù)通過擬合可表示為：

其中，Pce（t）為電制冷輸出功率為電制冷耗電功率；Coprc（t）為電制冷性能系數(shù)為電制冷輸出功率的折合功率；Ai（i=1，2，3）和 w 為性能參數(shù)對應的擬合參數(shù)。

1.1.3 電能對熱能的等效轉(zhuǎn)化

電能對熱能的等效轉(zhuǎn)化，能量依舊是從“高品質(zhì)”能量形式向“低品質(zhì)”能量形式轉(zhuǎn)化，但其性能系數(shù)相對穩(wěn)定，其轉(zhuǎn)化模型可表示為［21］：

其中，Peh（t）和 Phe（t）分別為電鍋爐耗電功率和電制熱輸出功率；Copeb為電鍋爐電熱轉(zhuǎn)化性能系數(shù)。

1.2 能源時序轉(zhuǎn)移

風能的轉(zhuǎn)化和利用易受外界環(huán)境的影響，故其能量的輸出存在較大的被動性，不能隨負荷需求的變動而做出相應的動作，使得能量的輸出與負荷需求之間在時間上表現(xiàn)出極大的逆負荷特性。借助多元化儲能系統(tǒng)，以負荷能量需求形式為目標，將風能以不同的能量形式在時序上形成轉(zhuǎn)移，以提高系統(tǒng)內(nèi)部對風能的利用率和消納能力。在風能的轉(zhuǎn)移過程中，系統(tǒng)將會通過“蓄”和“釋”2個階段對風能實現(xiàn)二次利用。其中，以電能作為風能轉(zhuǎn)移形式的蓄放過程，用數(shù)學表達式可描述為［22-23］：

其中，Ebt（t+1）為蓄電系統(tǒng)在 t+1 時刻的蓄電量；Ebt（t）為蓄電系統(tǒng)在t時刻的蓄電量；δe為蓄電系統(tǒng)的自放電率；Pbt，in（t）和 Pbt，out（t）分別為蓄電系統(tǒng)的充、放電運行功率；ηin和ηout分別為蓄電系統(tǒng)的充、放電效率；Δt為單位時間間隔。

以冷能作為風能轉(zhuǎn)移形式的蓄放過程可以描述為［24-26］：

其中，Ccs（t+1）為蓄冷系統(tǒng)在 t+1 時刻的蓄冷量；Ccs（t）為蓄冷系統(tǒng)在t時刻的蓄冷量；σcs為蓄冷系統(tǒng)能損失系數(shù)；Pcs，in（t）和 Pcs，out（t）分別為蓄冷系統(tǒng)蓄冷功率和釋冷運行功率；μcs為冷能傳遞系數(shù)。

以熱能作為風能轉(zhuǎn)移形式的蓄放過程可以描述為［21，27］：

其中，Hhs（t+1）為蓄熱系統(tǒng)在t+1時刻的蓄熱量；Hhs（t）為蓄熱系統(tǒng)在 t時刻的蓄熱量；σhs為蓄熱系統(tǒng)能損失系數(shù)；Phs，in（t）和 Phs，out（t）分別為蓄熱系統(tǒng)蓄熱功率和釋熱運行功率；μhs為蓄熱系統(tǒng)對熱能的蓄放效率。

2 風電消納效益優(yōu)化模型

2.1 目標函數(shù)

不同“能質(zhì)”能量之間的等效轉(zhuǎn)化作用，能夠?qū)L能以不同的能量形式用于滿足多種類型的負荷需求，實現(xiàn)不同負荷之間對風能的共享利用，以提高系統(tǒng)對風能的綜合利用率。為了兼顧系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，需要借助優(yōu)化的手段，根據(jù)負荷側多元化的需求，對風能的轉(zhuǎn)化利用形式進行重新整合優(yōu)化，以保證系統(tǒng)運行的綜合收益。

a.風電利用率最大。

風電利用率是指在多種轉(zhuǎn)化關系下系統(tǒng)對風電的調(diào)度量與其最大可用電能量的比值。風電利用率最大的目標函數(shù)如下：

其中，T為調(diào)度周期時間間隔數(shù)；Pwt（t）為在 t時刻風電有功調(diào)度的輸出功率；Ewt（t）為風機在t時刻的最大供能量。

b.運行效益最大化。

風機效益主要來自于供電與制冷收益。其運行效益最大化的目標函數(shù)如下：

其中，Cpower、Ccooling、Cheating、Coperation分別為一個運行周期內(nèi)供電、制冷、制熱收益及系統(tǒng)的綜合運行成本；Ppower（t）為用于供電的輸出功率；cpower（t）、ccooling（t）和cheating（t）分別為供電、制冷以及制熱的單位供能價格；Pi（t）為第i類蓄能系統(tǒng)的運行功率；N為蓄能系統(tǒng)的總類數(shù)；cwt、crc、ceb、ci分別為風機、制冷機、電鍋爐及相應蓄能系統(tǒng)的運行成本。

2.2 約束條件

a.風機出力約束條件。

其中，Pwt，forecast（t）為風機在 t時刻輸出的最大有功功率。

b.制冷機約束。

其中為制冷機的最大制冷輸出功率。

c.電鍋爐約束。

其中為電鍋爐的最大制熱輸出功率。

d.蓄能約束。

其中分別為第i類蓄能系統(tǒng)運行功率的下限和上限。

e.供能約束。

其中，PPL（t）、PCL（t）和 PHL（t）分別為電能、冷能和熱能負荷在 t時刻的需求量；Epower（t）、Ecooling（t）和 Eheating（t）分別為供電、制冷和制熱在t時刻的能耗量；Ewt（t）為風能在t時刻的可利用總能量。

2.3 求解過程

求解風能的最佳轉(zhuǎn)化利用方式采用的是量子行為的粒子群優(yōu)化算法對不同優(yōu)先等級的目標函數(shù)進行逐層優(yōu)化求解。在計算過程中采用懲罰函數(shù)的方式來得到系統(tǒng)的最優(yōu)適應值，即目標函數(shù)個體極值pBest（m）（其中m為不同的目標函數(shù)）的選取是通過評估 pBest（m，n）（其中 n 為不同的粒子體）相對于 gBest（m，n）的離散度來獲取。主要求解過程如下：

a.輸入原始數(shù)據(jù)；

b.根據(jù)風速確定各時段風機輸出的最大有功功率及多種負荷的需求；

c.初始化粒子群；

d.根據(jù)目標函數(shù)f1、f2以及約束條件，計算各粒子適應度值并計算各粒子的個體極值；

e.計算各目標函數(shù)的最優(yōu)解gbest1、gbest2；

f.計算2個全局矢量均值gBest和距離dgBest，其中gBest＝average（gBest1，gBest2），dgBest＝distance（gBest1，gBest2）；

g.計算各粒子的pBest1和pBest2之間的距離dpBest，并更新所需個體的極值pBest；

h.更新粒子的位置與速度；

i.重復步驟c—h，直至滿足終止條件；

j.輸出結果。

3 算例驗證

3.1 算例描述

本文以不同季節(jié)下風能等效轉(zhuǎn)化利用為例進行說明，系統(tǒng)的結構如圖1所示。其中，風電機組的裝機容量為200kW；電制冷的最大制冷功率為300kW；電鍋爐的最大制熱功率為200 kW；蓄電池的最大充放電功率為100 kW；蓄冷系統(tǒng)的最大運行功率為100 kW；蓄熱系統(tǒng)的最大運行功率為50 kW。

圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 System structure

系統(tǒng)運行以1 d為周期，單位運行時間Δt＝1 h，區(qū)域內(nèi)電能售電價格采用分時電價，峰時段、平時段、谷時段電價分別為 0.76、0.51、0.26 元／（kW·h）。電價時段劃分為：峰時段為 08∶00—13∶00、15∶00—17∶00、19∶00—23∶00；平時段為 07∶00—08∶00、13∶00—15∶00、17∶00—19∶00；谷時段為 00∶00—07∶00、23∶00—24∶00。

將不同季節(jié)下風能的單一利用供能模式作為參考，與本文所提出的能量等效轉(zhuǎn)化作用下的混合供能模式做對比。不同季節(jié)典型日下風電預測出力及負荷需求如圖2所示。

圖2 不同季節(jié)典型日風機預測出力及負荷需求Fig.2 Forecasted wind-turbine output and load demand of typical day for different seasons

3.2 對比分析

3.2.1 夏季

夏季能耗系統(tǒng)的負荷需求及其風能的可利用量如圖2所示，負荷需求主要包括電力負荷需求和制冷負荷需求，且制冷負荷需求遠高于電力負荷需求。當系統(tǒng)對風能的利用采用單一供電模式時，在整個運行周期內(nèi)，僅有50%時間段能夠滿足負荷側的電力需求，此時系統(tǒng)對風能的利用率為70.05%；借助蓄電系統(tǒng)將風能以電能的形式在時序上形成轉(zhuǎn)移利用后，風能可滿足全時段內(nèi)的電力負荷需求，此時系統(tǒng)對風能的利用率可達到86.47%。其蓄電系統(tǒng)的運行工況如圖3所示。

圖3 單一供電模式下蓄電系統(tǒng)運行工況Fig.3 Operating condition of power storage system in single power-supply mode

而系統(tǒng)在單一的制冷模式下對風能進行利用時，能源的利用是由“高品質(zhì)”的電能向“低品質(zhì)”的冷能進行等效轉(zhuǎn)化，此過程中能量間的轉(zhuǎn)化性能系數(shù)較高。因此無需蓄冷系統(tǒng)的介入，風能可滿足全時段內(nèi)的制冷負荷的需求，但系統(tǒng)對風能的利用率僅為44.95%，遠低于其在單一供電模式下對風能的利用率。夏季系統(tǒng)在單一供能模式下，對風能利用情況的對比如圖4所示。

由于風能對電力負荷的能量供給采用的是分時電價按量計費的方式，為了方便計算，對制冷負荷的能量供給同樣采用按量計費的方式，其單位供給量計價為0.2元／（kW·h）。因此，當系統(tǒng)對風能的利用方式采用基于能量等效轉(zhuǎn)化模型下的混合供能模式時，在供能價格機制的引導下，08∶00—23∶00 時間段內(nèi)，系統(tǒng)將優(yōu)先滿足電力負荷需求，以取得更高的能售效益，其他過剩的風能用于對制冷負荷的能量供給；而在 23∶00至次日 08∶00時間段內(nèi)，系統(tǒng)則將優(yōu)先滿足系統(tǒng)內(nèi)部的制冷負荷需求，其他過剩的風能用于對電力負荷能量的供給。各時段過剩的風能同樣是在供能價格引導機制的作用下，分別以電能和冷能的形式在時序上形成轉(zhuǎn)移和再利用。這在提高能源利用率的同時，使系統(tǒng)取得更高的能售效益，其各蓄能系統(tǒng)的運行工況如圖5所示。

圖4 夏季典型日單一供能模式下風能利用對比Fig.4 Comparison of wind-energy utilization between single energy-supply modes for typical day of summer

圖5 夏季典型日蓄能系統(tǒng)運行工況Fig.5 Operating condition of energy storage system for typical day of summer

在整個運行調(diào)度周期內(nèi)，風能以電能形式的轉(zhuǎn)移量占風能總供給量的17.23%，而以冷能形式的轉(zhuǎn)移量占風能總供給量的1.92%。夏季系統(tǒng)在混合供能模式下，風能的供能特性如圖6所示。其中，風能對制冷負荷的供給量占總供給量的13.58%。由能源轉(zhuǎn)移模型（式（4）、（5））可知，系統(tǒng)在風能的轉(zhuǎn)移過程中存在能量損失，故系統(tǒng)對風能的綜合利用率為98.36%而不是100%。

圖6 夏季典型日風能供能特性Fig.6 Energy-supply characteristic of wind-energy for typical day of summer

夏季系統(tǒng)在混合供能模式下，風能在時序上的轉(zhuǎn)移量、綜合利用率及所取得的收益如表1所示。結合圖4可知，系統(tǒng)在采用單一制冷模式時，風能能夠滿足全時段內(nèi)的制冷負荷的需求，但系統(tǒng)對風能的利用率極低，從而造成較大比例的棄風，系統(tǒng)供能收益也相對較低。而在單一供電模式下，借助電能在時序上的轉(zhuǎn)移作用，能明顯提高系統(tǒng)對風能的利用率和能售效益，但對風能的利用率依舊不足。相比單一的供能模式，基于能量等效轉(zhuǎn)化利用模型的混合供能模式能夠進一步地提高系統(tǒng)對風能的利用和消納能力，并取得更高的能售效益。

表1 夏季不同供能模式下風能利用對比Table 1 Comparison of wind-energy utilization among different energy-supply modes for summer

3.2.2 冬季

結合圖2可知，冬季風能的可利用量高于夏季，同時熱能負荷主要集中于夜間，并出現(xiàn)2個高峰時段。系統(tǒng)對風能的利用在采用單一制熱的運行模式時，能量雖然依舊是從“高品質(zhì)”形式向“低品質(zhì)”形式轉(zhuǎn)化，但其轉(zhuǎn)化性能系數(shù)遠低于其對冷能的轉(zhuǎn)化性能系數(shù)。因此，系統(tǒng)采用單一供電模式時，在整個運行周期內(nèi)，其只能滿足75%時間段的制熱負荷的需求；借助蓄熱系統(tǒng)的補償作用，對風能以熱能的形式在時序上形成轉(zhuǎn)移后，系統(tǒng)可滿足全時段內(nèi)的制熱負荷需求，對風能的利用率可達到84.68%。其蓄熱系統(tǒng)的運行工況如圖7所示。

圖7 單一供電模式下蓄能系統(tǒng)運行工況Fig.7 Operating condition of energy storage system in single power-supply mode

而系統(tǒng)采用單一供電模式時，在整個調(diào)度運行周期內(nèi)，系統(tǒng)能夠滿足83% 時間段內(nèi)的電力負荷需求，對風能的利用率為71.32%。借助蓄電系統(tǒng)的補償作用，對風能以電能的形式在時序上形成轉(zhuǎn)移利用后，可滿足全時段的電力負荷需求，但系統(tǒng)對風能的利用率也只能提高到74.62%，蓄電系統(tǒng)的運行工況如圖7所示。冬季系統(tǒng)在單一供能模式下，對風能的利用情況的對比如圖8所示。

圖8 冬季典型日單一供能模式下風能利用對比Fig.8 Comparison of wind-energy utilization between single energy-supply modes for typical day of winter

為使能量統(tǒng)一和計算方便，冬季對熱能的供給依舊采用按量計費的方式，單位能耗計價為0.25元／（kW·h）。在供能價格機制的引導下，系統(tǒng)對風能的利用消納在采用混合供能模式時，在23∶00至次日07∶00時間段內(nèi)，其對熱能的供給取得更大的收益。因此，該時段內(nèi)系統(tǒng)將優(yōu)先滿足制熱負荷的需求，過剩的風能將用于電力負荷需求的能量供給；而剩余時間段內(nèi)則與之相反，系統(tǒng)優(yōu)先滿足電力負荷的需求，過剩的風能用于對制熱負荷進行能量的供給。過剩的風能在供能價格機制的引導作用下，在不同時間段內(nèi)將分別以電能和熱能的形式在時序上形成轉(zhuǎn)移再利用，以提高系統(tǒng)對風能的綜合利用率及能售效益。其蓄能系統(tǒng)的運行工況如圖9所示。

圖9 冬季典型日蓄能系統(tǒng)運行工況Fig.9 Operating condition of energy storage system for typical day of winter

在整個運行調(diào)度周期內(nèi)，風能以電能形式的轉(zhuǎn)移量占風能總供給量的3.75%，而以熱能形式的轉(zhuǎn)移量僅占風能總供給量的1.12%。冬季系統(tǒng)在混合供能模式下，風能的供能特性如圖10所示。其中，風能對制熱負荷的供給量占總供給量的27.89%。結合圖5可知，冬季系統(tǒng)在整個運行時間段內(nèi)，風能在時序上的轉(zhuǎn)移利用量相對夏季較低，能損也相對較低，系統(tǒng)對風能的綜合利用率可達到99.61%。

圖10 冬季典型日風能轉(zhuǎn)化利用方式Fig.10 Conversion and utilization of wind energy for typical day of winter

冬季系統(tǒng)在混合供能模式下，風能在時序上的轉(zhuǎn)移量、綜合利用率及其所取得的收益如表2所示。

表2 冬季不同供能模式下風能利用對比Table 2 Comparison of wind-energy utilization among different energy-supply modes for winter

結合圖8可知，當系統(tǒng)采用單一供電或制熱模式時，在整個運行調(diào)度周期內(nèi)，并不能滿足全時段內(nèi)的負荷需求，都需要借助蓄能系統(tǒng)對風能在時序上形成轉(zhuǎn)移以滿足負荷需求的供給，但其對風能的轉(zhuǎn)移量較低，導致蓄能系統(tǒng)的利用率不高。而相對于單一供電模式，單一制熱模式下，雖然其對風能的利用率較高，但由于制熱價格機制的原因，其收益遠低于單一供電模式下系統(tǒng)所取得的收益。基于能量等效轉(zhuǎn)化利用模型的混合供能模式下，系統(tǒng)能夠在保證對風能利用率最大化的同時，取得更高的能售收益。

4 結論

本文通過深入分析不同“能質(zhì)”能量之間的等效轉(zhuǎn)化關系，構建風能逐級等效轉(zhuǎn)化利用模型，以實現(xiàn)風能的利用率最大化，并提高系統(tǒng)對風能的消納能力；綜合考慮負荷需求特性及供能價格因素對風能轉(zhuǎn)化利用方式的影響，以提高能源利用率和綜合效益為目標對風能的轉(zhuǎn)化方式進行優(yōu)化，提出風能的最佳轉(zhuǎn)化利用方式；與傳統(tǒng)風能的單一利用方式進行對比，結果表明，基于能量之間的等效轉(zhuǎn)化模型在不同季節(jié)下，系統(tǒng)根據(jù)負荷需求的不同，可靈活轉(zhuǎn)變風能的利用方式，可有效提高能耗系統(tǒng)對風能的有效利用率和消納能力，并提升系統(tǒng)的供能效益。其為大規(guī)模風能的開發(fā)和利用提供了一種新的思路。

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