林虎， 黃志清， 鄒曉松

(1.貴州電網(wǎng)物資有限公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司銅仁供電局，貴州 銅仁 554300；3.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

區(qū)域倉庫在功能、空間和負(fù)荷特性等方面的特殊性，采用光伏建筑一體化(building integrated photovoltaics，BIPV)具有天然的優(yōu)勢(shì)。一方面，倉庫屋頂是重要的光伏發(fā)電資源，也是區(qū)域倉庫實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要途徑；另一方面，可以推進(jìn)綠色區(qū)域倉庫與配送行動(dòng)計(jì)劃，優(yōu)化區(qū)域倉庫的用能模式，實(shí)現(xiàn)分散式光伏風(fēng)機(jī)發(fā)電。但風(fēng)光預(yù)測(cè)出力的誤差是限制其發(fā)展的主要因數(shù)，如何提高可再生能源的消納是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[1]，區(qū)域倉庫的微網(wǎng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)通過配置分布式電源離網(wǎng)運(yùn)行，如何在提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性以及可靠性需提高分布式電源的優(yōu)化配置，是電力工業(yè)未來發(fā)展的趨勢(shì)[2]。

目前關(guān)于分布式電源配置為題國內(nèi)外已有研究，文獻(xiàn)[3]以經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和電能質(zhì)量等方面為研究對(duì)象，建立經(jīng)濟(jì)優(yōu)化和碳排放作為優(yōu)化目標(biāo)，采用NSGA-Ⅱ算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[4]通過以風(fēng)速、光照度和溫度等數(shù)據(jù)為對(duì)象，搭建優(yōu)化微網(wǎng)電源配置的目標(biāo)模型，并通過智能算法求解最優(yōu)配置方案。文獻(xiàn)[5]在柴、風(fēng)、光和儲(chǔ)聯(lián)合微網(wǎng)系統(tǒng)中通過以可靠性指標(biāo)為約束，建立計(jì)及經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)型以及提高電源利用率的優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[6]分析了微網(wǎng)電源的一次成本、運(yùn)維成本以及環(huán)境污染成本等一系列經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，并通過分析分布式電源經(jīng)濟(jì)收益建立了微網(wǎng)孤網(wǎng)成本-收益優(yōu)化模型。以上對(duì)微網(wǎng)分布式電源配置進(jìn)行了系統(tǒng)的建模，求解方式多采用智能算法，并未考慮分布式電源故障停運(yùn)等運(yùn)行可靠性層面，隨機(jī)生產(chǎn)模擬在分析機(jī)組故障停運(yùn)和運(yùn)行成本的表現(xiàn)突出。文獻(xiàn)[7]綜述了隨機(jī)生產(chǎn)模擬在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍，并針對(duì)應(yīng)用場景提出了建議。文獻(xiàn)[8]在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬時(shí)引入直接購電交易，更全面地分析成本效益。文獻(xiàn)[9]對(duì)含有可再生能源的系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬，通過分析風(fēng)機(jī)出力的時(shí)序性等，提高隨機(jī)性可再生能源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。文獻(xiàn)[10]針對(duì)新能源隨機(jī)性出力的特征提出了一種基于隨機(jī)生產(chǎn)模擬的新能源消納能力評(píng)估方法，以提高系統(tǒng)對(duì)風(fēng)光等可再生能源的消納能力。

本文在此基礎(chǔ)上，采用等效電量函數(shù)法的隨機(jī)生成模擬計(jì)算基于BIPV區(qū)域倉庫的分布式電源容量配置，在基于對(duì)風(fēng)光隨機(jī)出力誤差的處理的基礎(chǔ)上，為提高BIPV區(qū)域倉庫系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性，提出了不同的分布式電源配置方案，并分析了各類方案的優(yōu)勢(shì)，為BIPV區(qū)域倉庫系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供有益的參考。

1 分布式電源優(yōu)化配置模型

本文研究對(duì)象是基于BIPV的區(qū)域倉庫的分布式電源優(yōu)化配置，該倉庫負(fù)荷類型類似于工業(yè)負(fù)荷，一般情況負(fù)荷電量由供電系統(tǒng)和光伏電源供應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)分布式電源需要即時(shí)調(diào)節(jié)出力，如微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)和燃料電池等供應(yīng)，以確保在該工況模式下的系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1.1 光伏/風(fēng)電出力隨機(jī)誤差模型

風(fēng)光的功率預(yù)測(cè)影響因數(shù)較多，是一個(gè)復(fù)雜的概率問題，其出力極具隨機(jī)性。直接通過風(fēng)光的預(yù)測(cè)功率表征風(fēng)光實(shí)際功率將會(huì)帶來較大誤差，影響調(diào)度結(jié)果的合理性。因此本文將風(fēng)光實(shí)際功率，分為風(fēng)光功率的預(yù)測(cè)值與風(fēng)光功率的預(yù)測(cè)誤差來表征。風(fēng)光實(shí)際出力的具體方式如下：

(1)

式中：Pr.cat(t)、Pr.pre(t)分別為光伏實(shí)際出力和預(yù)測(cè)出力；Pw.cat(t)、Pw.pre(t)分別為風(fēng)機(jī)實(shí)際出力和預(yù)測(cè)出力；ξr(t)、ξw(t)分別為t時(shí)刻下光、風(fēng)預(yù)測(cè)出力誤差。根據(jù)大量實(shí)際風(fēng)光歷史數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)光的預(yù)測(cè)誤差分布滿足中心極限定理，誤差值服從均值為零的正態(tài)分布，其正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差σr(t)、σw(t)與實(shí)際機(jī)組參數(shù)有關(guān)，具體表示為：

(2)

式中：PrN、PwN分別為光伏電池和風(fēng)電機(jī)組的額定功率。

1.2 基于BIPV的隨機(jī)生產(chǎn)模擬

基于BIPV的隨機(jī)生產(chǎn)模擬需要考慮風(fēng)光預(yù)測(cè)出力對(duì)負(fù)荷的修正得到凈負(fù)荷，即基于凈負(fù)荷曲線進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬。根據(jù)凈負(fù)荷獲取持續(xù)負(fù)荷曲線(load duration curve，LDC)基礎(chǔ)上，考慮機(jī)組容量、電量約束、各機(jī)組故障停運(yùn)和機(jī)組的帶載運(yùn)行順序，通過不斷修正原始持續(xù)負(fù)荷曲線形成等效持續(xù)負(fù)荷曲線(equivalent load duration curve，ELDC)的過程。

圖1中:f(x)為原始的持續(xù)負(fù)荷曲線；Ci為逐個(gè)考慮各機(jī)組故障停運(yùn)后的等效增加負(fù)荷；fi(x)為等效持續(xù)負(fù)荷曲線卷積過程,如式(3)所示;EEENS為裝機(jī)容量為Pload時(shí)的電量不足期望(expected energy not supplied，EENS)；PLOLP為此時(shí)的電力不足概率(loss of load probability，LOLP)。

圖1 等效持續(xù)凈負(fù)荷曲線

fi(x)=(1-qi)fi-1(x)+qifi-1(x-Ci)

(3)

式中：qi為機(jī)組i的強(qiáng)迫停運(yùn)率;1-qi為機(jī)組可行率。

基于BIPV的隨機(jī)生產(chǎn)模擬計(jì)算需要區(qū)域負(fù)荷數(shù)據(jù)和分布式發(fā)電機(jī)組參數(shù)，從而求解各機(jī)組等效電量Eg和系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的PLOLP以及EEENS等，能夠衡量一段時(shí)期內(nèi)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行能力。

(4)

式中：Eg為考慮機(jī)組容量滿足最大負(fù)荷后提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性投運(yùn)的機(jī)組功率；PLmax為最大負(fù)荷點(diǎn)功率為裝機(jī)容量；PLmax+E為裝機(jī)容量大于最大負(fù)荷點(diǎn)的裝機(jī)容量。

等效電量函數(shù)法[11]直接利用電量函數(shù)進(jìn)行卷積和反卷積運(yùn)算，計(jì)算量較小，且精度較高，適合于有多狀態(tài)機(jī)組的電力系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬。通過將圖1中x軸根據(jù)Δx離散分段，定義離散Δx分段的電量如下：

(5)

根據(jù)等效電量函數(shù)法式(5)重寫式(4)，具體如下：

(6)

式中:Δx為分布式電源容量得最小公約數(shù);Eg(J)為單位離散變量Δx對(duì)應(yīng)的電量；Ki=Ci/Δx；M=PLmax/Δx。Ki、M均為整數(shù)。

1.3 目標(biāo)函數(shù)

1) 隨機(jī)生產(chǎn)模擬成本

根據(jù)分布式電源優(yōu)化配置方案進(jìn)行配置成本評(píng)估，具體表達(dá)式如下：

(7)

式中：Eg為分布式電源的發(fā)電量；Cg為發(fā)電成本;Ni為i類分布式電源臺(tái)數(shù);Ce為對(duì)應(yīng)i類分布式電源的單價(jià)。

2) 可靠性指標(biāo)

可靠性指標(biāo)根據(jù)隨機(jī)生產(chǎn)模擬可知，由電量不足期望和電力不足概率表征，具體表達(dá)式如下：

(8)

1.4 約束條件

1) 功率平衡約束

分布式電源配置方案需滿足功率平衡約束，即各時(shí)段分布式電源總的功率應(yīng)等于該時(shí)刻負(fù)荷值，具體表達(dá)式如下：

Pload(t)=Pr(t)+Pw(t)+Pg(t)

(9)

式中：Pload(t)為t時(shí)刻負(fù)荷；Pr(t)、Pw(t)分別為t時(shí)刻光、風(fēng)預(yù)測(cè)出力；Pg(t)為t時(shí)刻分布式電源出力。

2) 電源出力約束

(10)

式中:(Pr.min,Pr.max)、(Pw.min,Pw.max)、(Pg.min,Pg.max)分別為光、風(fēng)和分布式電源出力區(qū)間。

2 配置方案求解流程

考慮到光、風(fēng)出力誤差符合均值為零的正態(tài)分布，采用蒙特卡洛抽樣對(duì)光、風(fēng)預(yù)測(cè)出力進(jìn)行取值，并通過BIPV區(qū)域倉庫負(fù)荷疊加求解凈負(fù)荷曲線，基于凈負(fù)荷曲線進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬，具體步驟下：

(1) 形成原始持續(xù)負(fù)荷曲線Pload、光、風(fēng)預(yù)測(cè)出力及預(yù)測(cè)誤差的概率分布。隨機(jī)抽樣求解預(yù)測(cè)誤差，修正原始持續(xù)負(fù)荷曲線，獲得凈負(fù)荷曲線。

(2) 確定分布式電源出力優(yōu)先順序，帶載優(yōu)先性根據(jù)運(yùn)行成本安排。

(3) 逐個(gè)考慮分布式電源故障停運(yùn)，并計(jì)算電量，修正求解等效負(fù)荷曲線。

(4) 用式(3)求等效負(fù)荷持續(xù)曲線fi(x)。

(5) 重復(fù)步驟(3)、步驟(4)，直至所有分布式電源投運(yùn)完畢。

(6) 用式(4)計(jì)算可靠性指標(biāo)，并根據(jù)各分布式電源配置和發(fā)電量，由式(5)計(jì)算經(jīng)濟(jì)成本。

(7) 根據(jù)式(5)、式(6)求得配置方案的情況。

具體流程如圖2所示。

圖2 基于BIPV的隨機(jī)生產(chǎn)模擬過程

3 算例分析

本文以貴州銅仁地區(qū)某倉庫為研究對(duì)象，通過隨機(jī)生產(chǎn)模擬進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性分析。該系統(tǒng)接入風(fēng)電場容量為150 kW，光伏電場容量為200 kW，風(fēng)光預(yù)測(cè)誤差抽樣分析次數(shù)為100，根據(jù)式(1)、式(2)對(duì)該區(qū)域倉庫原始負(fù)荷修正，如圖3所示。

圖3 時(shí)序負(fù)荷曲線圖

根據(jù)文獻(xiàn)[12]所述分布式機(jī)組類型進(jìn)行分布式電源配置研究，機(jī)組參數(shù)如表1所示。

表1 分布式電源機(jī)組類型

考慮到系統(tǒng)故障時(shí)，系統(tǒng)分布式電源需要即時(shí)調(diào)節(jié)出力，機(jī)組容量不小于最大負(fù)荷配置。如圖3所示，凈負(fù)荷時(shí)序曲線的最大負(fù)荷值為1 470.04 kW。分布式電源配置按不小于最大負(fù)荷的配置原則，根據(jù)表1所示機(jī)組類型，設(shè)置不同機(jī)組配置方案，如表2所示。

表2 不同機(jī)組配置方案

通過表2可以看出，在滿足最大負(fù)荷配置條件下的機(jī)組配置對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本和可靠性均有很大影響，5種方案配置均具有重要的參考價(jià)值。當(dāng)研究對(duì)象對(duì)運(yùn)行可靠性需求較高或者停電損失較大時(shí),對(duì)比PLOLP可參考方案4的配置；當(dāng)研究對(duì)象對(duì)系統(tǒng)成本需求高時(shí),對(duì)比成本可參考方案1的配置；當(dāng)研究對(duì)象對(duì)配置機(jī)組利用率較高時(shí),對(duì)比Eg可參考方案3的配置；當(dāng)研究對(duì)象對(duì)于可靠性有極高要求或者要求微網(wǎng)在離網(wǎng)時(shí)不間斷運(yùn)行，可參考方案5的配置增加機(jī)組配置。

4 結(jié)束語

本文基于BIPV區(qū)域倉庫的優(yōu)化運(yùn)行，研究了風(fēng)光出力的誤差概率模型，建立了計(jì)及隨機(jī)生產(chǎn)模擬的BIPV區(qū)域倉庫分布式電源最優(yōu)配置。為提高隨機(jī)生產(chǎn)模擬效率，通過等效電量函數(shù)法進(jìn)行分析，綜合評(píng)估了系統(tǒng)運(yùn)行成本和可靠性。根據(jù)研究對(duì)象對(duì)不同指標(biāo)的需求，設(shè)置的多種優(yōu)化配置方案，并對(duì)比分析了各種配置方案的優(yōu)勢(shì)，提高了BIPV區(qū)域倉庫的綜合優(yōu)化運(yùn)行能力。