李 媛，遲 昆，王 洲，彭 婧，賈春蓉

(國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730050)

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，能源危機(jī)成為各國共同關(guān)心的課題。當(dāng)前，不可再生能源在社會(huì)的發(fā)展中占有主導(dǎo)地位，對(duì)其的過度開發(fā)導(dǎo)致了嚴(yán)重的能源危機(jī)以及環(huán)境污染問題[1-2]。鑒于能源短缺以及自然環(huán)境污染等問題，構(gòu)建新能源電力系統(tǒng)刻不容緩。在分布式新能源電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的今天，為緩解分布式電源控制效果較差的問題，儲(chǔ)能單元的概念逐漸被提出。目前，儲(chǔ)能單元的容量選擇多按照電力系統(tǒng)中的設(shè)備個(gè)數(shù)配置儲(chǔ)能配件，理論依據(jù)較差。相關(guān)資料表明，將儲(chǔ)能裝置與電容器共同組成復(fù)合儲(chǔ)能的方式，可以充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，提升電力系統(tǒng)中蓄電池的充電與放電效果[3]。

在電力系統(tǒng)中，由于設(shè)備的不斷增加，當(dāng)前的復(fù)合儲(chǔ)能單元的性能問題慢慢凸顯，為提升其使用效果，需要對(duì)其展開針對(duì)性優(yōu)化。當(dāng)前使用的新能源電力系統(tǒng)復(fù)合儲(chǔ)能優(yōu)化方法在使用后僅能對(duì)其單一性能展開優(yōu)化，這種優(yōu)化方式不具備經(jīng)濟(jì)性。張濤等[4]提出了一種可再生能源發(fā)電量規(guī)劃以及投資收益優(yōu)化模型，此模型通過控制儲(chǔ)能單元的充放電過程，達(dá)到提升經(jīng)濟(jì)效益的目的。此種優(yōu)化方式僅僅能完成單一的優(yōu)化項(xiàng)目，儲(chǔ)能單元優(yōu)化是一種較為復(fù)雜的工作，單一的優(yōu)化結(jié)果無法滿足其工作需求。為此，在此次研究中，選擇機(jī)會(huì)約束規(guī)劃技術(shù)作為儲(chǔ)能單元優(yōu)化中的核心技術(shù)，設(shè)計(jì)基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的新能源電力系統(tǒng)復(fù)合儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化方法。希望通過此方法，改善當(dāng)前儲(chǔ)能單元中的性能問題，實(shí)現(xiàn)新能源電力系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

1 復(fù)合儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)電單元結(jié)構(gòu)特征

新能源一般指可以在新技術(shù)基礎(chǔ)上可開發(fā)再利用的能源。當(dāng)前常見的能量類型包括太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、光能、地?zé)崮?、潮汐能等[5-6]。此次研究中主要對(duì)光能與風(fēng)能展開研究。

將風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)置固定的輸出功率，發(fā)電功率與風(fēng)速之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率與風(fēng)速之間的關(guān)系

由圖1可以看出，在風(fēng)力發(fā)電的過程中，風(fēng)速對(duì)風(fēng)力發(fā)電功率具有一定的影響[7]。當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出功率與風(fēng)速相差較大時(shí)，風(fēng)機(jī)中的保護(hù)裝置會(huì)暫停風(fēng)機(jī)的工作。

光伏發(fā)電指的是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，應(yīng)用太陽電池板、控制器、電子元器件等進(jìn)行串聯(lián)組成的發(fā)電裝置，如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電實(shí)景

選擇光能風(fēng)能作為新能源電力系統(tǒng)的發(fā)電來源具有安全、環(huán)保、無噪音等優(yōu)點(diǎn)，不受資源分布和地域分布的限制，節(jié)省了燃料消耗和架設(shè)輸電線路的成本，能源質(zhì)量較為穩(wěn)定。

1.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

通過風(fēng)能光能的發(fā)電原理，構(gòu)建電力系統(tǒng)符合能源容量數(shù)學(xué)模型。得到了風(fēng)機(jī)的輸出功率，才能確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用效果。其具體公式如下：

(1)

(2)

式中，Ahi，j為發(fā)電機(jī)的實(shí)際發(fā)電功率；As為固定功率；Vb1為發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速；Vb2為發(fā)電機(jī)的切出風(fēng)速；Ve為發(fā)電機(jī)的預(yù)設(shè)風(fēng)速；Vk為發(fā)電機(jī)安裝位置的風(fēng)速；q為發(fā)電機(jī)的安裝高度；qk為發(fā)電機(jī)安裝高度的實(shí)測(cè)風(fēng)速。

光伏發(fā)電的功率具有明顯的非線性，并主要受到光照與環(huán)境溫度的影響[8-9]。根據(jù)此原理，可得到光伏發(fā)電的輸出功率：

(3)

式中，Aw為正常環(huán)境下光伏功率；T1為該發(fā)電模塊運(yùn)行溫度；QW為工作周期中的光照強(qiáng)度；p為計(jì)算運(yùn)行溫度的系數(shù)；TW為該系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)參考值。

將此部分計(jì)算內(nèi)容與風(fēng)能計(jì)算部分相結(jié)合，可得到復(fù)合能源儲(chǔ)能容量的數(shù)學(xué)模型，復(fù)合儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)在充電時(shí)可表示為：

(4)

根據(jù)此公式可得到放電過程的儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)：

(5)

式中，L為某時(shí)刻下儲(chǔ)能單元的特點(diǎn)狀態(tài)；δ為放電率；U為充電功率；H為儲(chǔ)能單元容量；ω為充電效率；ω′為放電效率；Δt為研究周期。在此次研究中，將式(4)與式(5)作為電力系統(tǒng)復(fù)合能源容量數(shù)學(xué)模型，為此次優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

2 基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的優(yōu)化

2.1 復(fù)合儲(chǔ)能目標(biāo)函數(shù)設(shè)定

研究中將主要對(duì)復(fù)合儲(chǔ)能單元的運(yùn)行成本與電量流失部分展開優(yōu)化。一般情況下，針對(duì)儲(chǔ)能單元的運(yùn)行成本多采用成本函數(shù)[10-11]進(jìn)行計(jì)算，通常通過對(duì)儲(chǔ)能單元中的控制器、逆變器、卸荷器運(yùn)行成本求和獲得。主要對(duì)電量流失目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行設(shè)定，假設(shè)在新能源電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)的發(fā)電量已經(jīng)無法滿足其他設(shè)備的電能要求，如果新能源電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能部分可達(dá)到預(yù)設(shè)的設(shè)備電能，在電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中會(huì)產(chǎn)生電荷量流失Δx[12-15]，可通過前一天儲(chǔ)能單元中的剩余電量與光能風(fēng)能電池發(fā)電量之和，減去當(dāng)日的電能需求量計(jì)算得出。當(dāng)Δx>0時(shí)，保證儲(chǔ)能單元可實(shí)現(xiàn)能源供給；當(dāng)Δx≤0時(shí)，表示儲(chǔ)能單元不能實(shí)現(xiàn)能源供給。在此次目標(biāo)函數(shù)設(shè)定的過程中，將其約束條件設(shè)定為電力系統(tǒng)中各設(shè)備的使用數(shù)量，以此完成目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建過程。

2.2 復(fù)合儲(chǔ)能優(yōu)化函數(shù)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃求解

為對(duì)上文中設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，使用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃技術(shù)完成目標(biāo)函數(shù)的求解過程。將目標(biāo)函數(shù)劃分為期望值、機(jī)會(huì)約束條件以及相關(guān)機(jī)會(huì)規(guī)劃[16-17]。根據(jù)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃技術(shù)，可將此次研究的目標(biāo)函數(shù)求解過程設(shè)定為如圖3所示。

圖3 機(jī)會(huì)約束規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)約束示意

利用上述模型進(jìn)行求解時(shí)，可出現(xiàn)多種優(yōu)化方案，為在此方案中選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)解，將儲(chǔ)能最優(yōu)方案的約束條件設(shè)定為：

(6)

式中，qi為儲(chǔ)能優(yōu)化計(jì)算過程中的隨機(jī)變量；Z為系統(tǒng)的電力總功；Zi為電力系統(tǒng)承載總負(fù)荷；E與E′分別為儲(chǔ)能單元中的正備用與負(fù)備用[18]；μ為置信度函數(shù)。根據(jù)此式(6)可確定優(yōu)化方案應(yīng)用后的置信度水平，根據(jù)此數(shù)據(jù)可設(shè)定最優(yōu)優(yōu)化方案求解模型，具體模型如下所示：

(7)

式中，m為計(jì)算過程中的機(jī)會(huì)約束條件。

完成此計(jì)算后，可得到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。采用粒子群算法[19-20]將儲(chǔ)能單元的發(fā)電能力作為計(jì)算中的約束條件，滿足L≤L′≤L+L′，對(duì)以上公式進(jìn)行整合。至此，基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的新能源電力系統(tǒng)復(fù)合儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)完成。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與環(huán)境

研究中使用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃技術(shù)，構(gòu)建了新能源電力系統(tǒng)復(fù)合儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化方法。為證實(shí)此方法具有一定的研究?jī)r(jià)值，選擇本地區(qū)某電力能源企業(yè)的新能源改進(jìn)電力系統(tǒng)位實(shí)驗(yàn)對(duì)象，此系統(tǒng)中含有15臺(tái)光能發(fā)電機(jī)，2個(gè)風(fēng)力電廠以及1個(gè)復(fù)合儲(chǔ)能單元。風(fēng)電場(chǎng)的負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)來源于以往研究中的技術(shù)數(shù)據(jù)，在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上等比例縮放，為此次算例實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)(表1)。

表1 風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

儲(chǔ)能單元的額定充放電功率為200 MW，電量釋放區(qū)間為50～500 MWh。實(shí)驗(yàn)中的復(fù)合儲(chǔ)能單元的充放電功率波動(dòng)特征如圖4所示。

圖4 復(fù)合儲(chǔ)能單元的充放電功率波動(dòng)特征

在復(fù)合儲(chǔ)能優(yōu)化的過程中，儲(chǔ)能設(shè)備壽命損耗參考值設(shè)定為0。電力系統(tǒng)中各組件運(yùn)行成本設(shè)定見表2。

表2 算例電力系統(tǒng)組件個(gè)數(shù)及單價(jià)

使用上述數(shù)據(jù)完成算例實(shí)驗(yàn)過程。為研究此次提出優(yōu)化方法的可行性，在不考慮儲(chǔ)能單元壽命消耗的前提下，利用機(jī)會(huì)約束優(yōu)化方法對(duì)復(fù)合儲(chǔ)能單元展開優(yōu)化。與此同時(shí)，將電力系統(tǒng)的最小運(yùn)行成本以及電力系統(tǒng)電量流失率作為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算復(fù)合儲(chǔ)能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)復(fù)合儲(chǔ)能單元的最優(yōu)配置。將實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定為冬季與夏季，對(duì)用電量較大的2個(gè)季節(jié)優(yōu)化結(jié)果展開分析，確定機(jī)會(huì)約束優(yōu)化方法的使用性能。

3.2 算例結(jié)果分析

3.2.1 成本優(yōu)化結(jié)果分析

已知電力系統(tǒng)運(yùn)行成本計(jì)算公式由電力系統(tǒng)全部設(shè)備的運(yùn)行成本相加得到。因此，根據(jù)此公式可得到電力系統(tǒng)最小運(yùn)行成本如圖5所示。

圖5 電力系統(tǒng)最小運(yùn)行成本優(yōu)化結(jié)果

在對(duì)電力系統(tǒng)的最小運(yùn)行成本進(jìn)行優(yōu)化后，得到上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)此部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以看出，當(dāng)發(fā)電量一致的情況下，在冬季與夏季的3個(gè)月份中，電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本得到了控制，且未出現(xiàn)大幅提升或驟降的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合儲(chǔ)能單元進(jìn)行優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約運(yùn)行成本的優(yōu)化目標(biāo)。

3.2.2 電量流失率優(yōu)化結(jié)果分析

在電力系統(tǒng)電量流失率優(yōu)化過程中，根據(jù)復(fù)合儲(chǔ)能單元的充放電功率波動(dòng)特征，結(jié)合上文計(jì)算公式，將表1數(shù)據(jù)輸入復(fù)合能源容量數(shù)學(xué)模型，確定電力系統(tǒng)電量流失率具體數(shù)據(jù)。將電力系統(tǒng)最小運(yùn)行成本與電力系統(tǒng)電量流失率同時(shí)作為優(yōu)化目標(biāo)，通過復(fù)合儲(chǔ)能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算，得出復(fù)合儲(chǔ)能單元的最佳配置。電力系統(tǒng)電量流失率優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6 電力系統(tǒng)電量流失率優(yōu)化結(jié)果

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可以看出，機(jī)會(huì)約束優(yōu)化方法使用后，在實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)最小運(yùn)行成本優(yōu)化的同時(shí)，也完成了對(duì)電力系統(tǒng)電量流失率的控制。在為期3個(gè)月的計(jì)算周期中，電力系統(tǒng)電量流失率達(dá)到了歷史數(shù)據(jù)中的最低值，并維持了整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期。根據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定，機(jī)會(huì)約束優(yōu)化方法能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行，且使用其進(jìn)行優(yōu)化的過程中可同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)展開處理。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，機(jī)會(huì)約束規(guī)劃技術(shù)使用后可實(shí)現(xiàn)復(fù)合儲(chǔ)能單元多目標(biāo)優(yōu)化。在日后的新能源電力系統(tǒng)管理過程中，可將機(jī)會(huì)約束優(yōu)化方法作為儲(chǔ)能單元的主要控制技術(shù)。

4 結(jié)語

隨著新能源電力系統(tǒng)比例的提升，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能逐漸成為影響電力系統(tǒng)應(yīng)用效果的重要因素。針對(duì)當(dāng)前復(fù)合儲(chǔ)能單元優(yōu)化方法的不足，在此次研究中提出一種新型優(yōu)化方法，并取得了相應(yīng)的研究成果。后續(xù)研究中，將在此次研究的基礎(chǔ)上提出更加優(yōu)異的優(yōu)化方法，為新能源電力系統(tǒng)應(yīng)用效果的提升作出貢獻(xiàn)。