夏榆杭,劉穎杰,劉怡君,楊天波,陳俊岳,黃 曦
(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司 成都供電公司,四川 成都 610065)
隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展,預(yù)計(jì)到2025年,我國(guó)分布式電源總裝機(jī)規(guī)模約在7.5~8.0億kW,約占全國(guó)電源總裝機(jī)的 26%~28%,發(fā)電量占比約為12%。預(yù)計(jì)到2030年,我國(guó)的分布式電源占比將達(dá)到28%,成為分布式電源占比較高的國(guó)家[1]。大量風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能裝置等分布式電源接入配電網(wǎng),改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)中能量的單向流動(dòng),減少了輸電線路的潮流,滿足了配電網(wǎng)部分末端負(fù)荷[2-3]。為了實(shí)現(xiàn)大量多種類的分布式電源在配電網(wǎng)中的高效利用,虛擬發(fā)電廠(virtual power plant,VPP)[4-6]應(yīng)運(yùn)而生。
虛擬發(fā)電廠通過(guò)運(yùn)用精細(xì)化的多源協(xié)調(diào)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了小容量的分布式電源集中打捆參與主網(wǎng)電力市場(chǎng)交易[7-9]。在VPP參與電力市場(chǎng)交易方面,文獻(xiàn)[10]提出了基于節(jié)點(diǎn)電價(jià)的VPP的最優(yōu)運(yùn)行模型,通過(guò)分析VPP中各分布式電源在各節(jié)點(diǎn)的能量注入量和相應(yīng)的潮流計(jì)算,解決了電價(jià)不確定性下的VPP內(nèi)部機(jī)組組合問(wèn)題。文獻(xiàn)[11]提出了一種直接負(fù)荷控制算法(direct load control,DLC),實(shí)現(xiàn)了對(duì)VPP內(nèi)部大量的溫控負(fù)荷的優(yōu)化管理;這不僅有助于減少VPP內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)損耗和阻塞,還能增加VPP的電力市場(chǎng)收益。在VPP管理內(nèi)部分布式電源方面,文獻(xiàn)[12]提出了將小容量電源和負(fù)荷構(gòu)造為一個(gè)小型的多代理系統(tǒng)進(jìn)行控制,通過(guò)分散的多代理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)VPP的最優(yōu)運(yùn)行。在VPP整體碳排放方面,文獻(xiàn)[13]提出了將微型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(micro heat and power cogeneration unit,CHP)進(jìn)行周期性的“再調(diào)度”策略,通過(guò)實(shí)例證明了該策略能夠減少 90%電量平衡誤差;但該策略卻導(dǎo)致了 VPP中其它常規(guī)機(jī)組的頻繁啟停。文獻(xiàn)[14-15]研究了CHP聯(lián)合消納風(fēng)電的策略。由于風(fēng)電的波動(dòng)特性,使得在 VPP對(duì)用戶供熱的過(guò)程中,CHP機(jī)組和常規(guī)分布發(fā)電機(jī)組頻繁啟停,顯著增加了VPP的整體碳排放。
通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),VPP中用戶具有一定的熱能需求(如晚秋、早春等)。VPP中CHP、儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐等制熱系統(tǒng)的存在,使得VPP同時(shí)也具備了對(duì)用戶供熱的能力。在傳統(tǒng)的“以熱定電”運(yùn)行模式[16]下,VPP內(nèi)機(jī)組出力受制于熱負(fù)荷,機(jī)組無(wú)法適應(yīng)熱負(fù)荷的頻繁變化,降低了機(jī)組的能量轉(zhuǎn)化效率,也大大增加了VPP的碳排放。
在冬季負(fù)荷低谷時(shí)段(一般為凌晨0:00—5:00),VPP內(nèi)部用戶的熱負(fù)荷需求較大,風(fēng)電機(jī)組此時(shí)一般處于高功率運(yùn)行狀態(tài),VPP內(nèi)出現(xiàn)富余電量,而該時(shí)段主網(wǎng)對(duì)富余電量的接受度較低。此時(shí)可根據(jù)VPP內(nèi)風(fēng)機(jī)出力與用戶熱能需求的互補(bǔ)性,實(shí)現(xiàn)電-熱解耦。電鍋爐為一種利用電阻發(fā)熱或電磁感應(yīng)發(fā)熱的熱能機(jī)械設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能源轉(zhuǎn)化效率高(最高可達(dá) 98%)、運(yùn)行方式靈活的特點(diǎn)。對(duì)此,在考慮VPP內(nèi)用戶熱能需求的基礎(chǔ)上,本文提出了一種在VPP內(nèi)部考慮電鍋爐和分布式風(fēng)機(jī)的 VPP電熱聯(lián)合運(yùn)行策略:將 VPP內(nèi)分布式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能,一部分提供給電鍋爐制熱,另一部分用來(lái)補(bǔ)償CHP機(jī)組在降低熱出力中所減小的有功出力。使用該策略不僅能改善VPP內(nèi)由于風(fēng)機(jī)等可再生分布式電源的出力波動(dòng)對(duì) VPP中其它機(jī)組運(yùn)行的影響,還能減少 VPP碳排放,降低VPP的運(yùn)行成本。
圖1示出VPP的典型結(jié)構(gòu),主要包括了CHP、分布式風(fēng)機(jī)(光伏)、儲(chǔ)能(熱)裝置,以及一定數(shù)量的可控負(fù)荷。
圖1 VPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of VPP system
當(dāng)VPP內(nèi)部分布式電源出力大于內(nèi)部負(fù)荷需求時(shí),VPP能作為整體參與電力市場(chǎng)交易(Pexp);當(dāng)VPP內(nèi)部的電量小于用戶需求時(shí),VPP通過(guò)聯(lián)絡(luò)線從主網(wǎng)中購(gòu)買一定的電量Pimp。此外,由于CHP機(jī)組、儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐的存在,使得VPP具備了對(duì)內(nèi)部用戶提供熱能的能力。VPP將數(shù)量眾多的分布式電源聚合為了一個(gè)整體可控、柔性運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng),并根據(jù)負(fù)荷/電價(jià)等情況隨時(shí)實(shí)現(xiàn)聚合或解散,對(duì)外呈現(xiàn)出開放系統(tǒng)的特征:這就是VPP與微網(wǎng)的主要區(qū)別。
將風(fēng)電電能一部分提供給電鍋爐,實(shí)現(xiàn)對(duì)VPP用戶供熱;另一部分則補(bǔ)償CHP機(jī)組在“以熱定電”模式下的有功出力減少的部分。模型如圖2所示。
圖2 含電鍋爐的VPP電—熱解耦模型Fig.2 Electric-thermal decoupling model of VPP including the electric boiler
CHP機(jī)組、電鍋爐和分布式風(fēng)機(jī)的出力存在以下關(guān)系式:
式中:ΔPCHP為 CHP機(jī)組所減小的出力;PEB為電鍋爐的出力;Pw為風(fēng)電機(jī)組出力。
在給定CHP機(jī)組燃料利用率βCHP和熱電效率比γCHP條件下,燃?xì)庑虲HP機(jī)組產(chǎn)生單位電能所需要消耗的天然氣體積為[17]:
由于電鍋爐的能源轉(zhuǎn)化效率非常高,因此文中取βEB=1。據(jù)式(1)和(2),可以得出消納風(fēng)機(jī)出力Pw時(shí),燃?xì)庑虲HP所節(jié)省的天然氣量為:
由于只考慮電鍋爐利用風(fēng)能制熱,因此其短期的運(yùn)行成本可以忽略不計(jì)。根據(jù)式(3),VPP通過(guò)電鍋爐消納風(fēng)電的收益為:
式中:ρgas為天然氣售價(jià)。
VPP中,碳排放的主要來(lái)源為小型柴油機(jī)等常規(guī)分布式電源和CHP機(jī)組。通過(guò)增加VPP總的碳排放量約束[18],可促進(jìn)VPP內(nèi)部風(fēng)電、光伏等可再生分布式電源的消納。VPP的碳排放成本為:
式中:p為碳交易價(jià)格;σi為機(jī)組i的碳排放強(qiáng)度;PGi,t為機(jī)組i在t時(shí)刻的輸出功率;ΔT為時(shí)段間隔。
VPP的運(yùn)行成本中包括了常規(guī)分布式電源的運(yùn)行成本,風(fēng)機(jī)和光伏出力的偏差成本,CHP機(jī)組的運(yùn)行成本,儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行成本,即:
為了量化風(fēng)機(jī)和光伏出力的偏差對(duì)整個(gè) VPP電熱系統(tǒng)運(yùn)行的影響,引入風(fēng)機(jī)和光伏的出力偏差成本fd,t,即:
式中:fi,t,fl,t,fk,t分別為常規(guī)分布式電源、微型CHP機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用函數(shù);Pw,t,Ppv,t,分別表示為t時(shí)段風(fēng)機(jī)和光伏的實(shí)際出力和額定出力;λuw和λdw分別為風(fēng)機(jī)和光伏的高估成本系數(shù)和低估成本系數(shù)。
VPP內(nèi)部風(fēng)機(jī)、光伏等可再生分布式機(jī)組出力的波動(dòng)性,使得VPP必須通過(guò)“虛擬連接點(diǎn)”與主網(wǎng)進(jìn)行能量交互,即:
式中:αt和βt分別為VPP在t時(shí)段向主網(wǎng)的購(gòu)電和售電價(jià)格;xα(t)和xβ(t)分別為t時(shí)段VPP向主網(wǎng)的購(gòu)售電狀態(tài)變量;Pm,t為VPP與主網(wǎng)間的交易電量。假設(shè)Pm,t<0時(shí),xα(t)=1;Pm,t>0時(shí),xβ(t)=-1。于是,有:
(1)目標(biāo)函數(shù)
本文將一個(gè)調(diào)度周期T設(shè)定為24 h。令碳排放成本、VPP的熱電運(yùn)行成本和VPP與主網(wǎng)的電量交易成本最小,即:
(2)約束條件
① VPP內(nèi)部約束
a.有功平衡約束
式中:Nstr、NCHP、Ndg分別為儲(chǔ)能裝置、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、常規(guī)分布式機(jī)組的數(shù)量;Pload,t為t時(shí)刻時(shí)的系統(tǒng)負(fù)荷。
b.熱能平衡約束
②CHP機(jī)組約束
熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行區(qū)間主要利用一系列的線性不等式約束進(jìn)行描述。對(duì)于第i臺(tái)CHP機(jī)組,其運(yùn)行區(qū)間共有Ni個(gè)不等式約束,即:
式中:α1—αNi,β1—βNi,γ1—γNi分別為第i臺(tái)CHP機(jī)組運(yùn)行區(qū)間的不等式約束系數(shù)。
③電鍋爐約束
本文中的電鍋爐采用電阻絲加熱元件進(jìn)行電熱轉(zhuǎn)換。第i臺(tái)電鍋爐的出力約束條件如下:
④其它約束
常規(guī)分布式電源、儲(chǔ)能裝置等機(jī)組的出力以及相應(yīng)的爬坡率等約束,見(jiàn)文獻(xiàn)[19-21]。
文中的目標(biāo)函數(shù)為非線性函數(shù),傳統(tǒng)的線性規(guī)劃算法難以對(duì)其進(jìn)行有效處理;因此本文利用量子進(jìn)化算法(quantum-inspired evolutionary algorithm,QEA)進(jìn)行求解。QEA是一種利用概率幅的量子位進(jìn)行編碼,并通過(guò)量子門旋轉(zhuǎn)方式更新量子位的新型進(jìn)化算法;其具有尋優(yōu)能力強(qiáng)、全局收斂速度快等特點(diǎn),算法流程圖如圖3所示。
圖3 量子進(jìn)化算法流程圖Fig.3 Flow chart of QEA
式中:α,β分別為基態(tài)取0或1的概率幅,且同時(shí)滿足
式中:α2和β2分別表示對(duì)量子位取值為0或1的概率。
QEA算法中的每代種群Qg={q1,g,q2,g,…,qN,g}中的每個(gè)個(gè)體qi,g都是一個(gè)量子串,即:
式中:m為量子串長(zhǎng)度;N為種群規(guī)模;g為進(jìn)化代數(shù)。
由于量子均有可能處于0或1的狀態(tài),故QEA中的每個(gè)個(gè)體均可以以一定的概率處于 2m個(gè)狀態(tài)。如對(duì)于長(zhǎng)度為3的量子串,有:
從式(18)中可以發(fā)現(xiàn),個(gè)體包含了 1/16、3/16、1/16等 8個(gè)狀態(tài),且量子串可進(jìn)行多個(gè)狀態(tài)的線性疊加。由此可知,基于量子串的群體具有強(qiáng)大的搜索能力。
在進(jìn)化過(guò)程中,QEA算法在維持一個(gè)量子種群Qg的同時(shí),保留了對(duì)應(yīng)的基于二進(jìn)制的種群Rg和最優(yōu)種群Bg,即:
量子個(gè)體qi,g通過(guò)如下規(guī)則生成二進(jìn)制個(gè)體ri,g,即:
VPP中機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。VPP結(jié)構(gòu)如圖4所示,其中電負(fù)荷1為居民負(fù)荷,電負(fù)荷2為商業(yè)負(fù)荷,電負(fù)荷3—5為工業(yè)負(fù)荷??偟碾娯?fù)荷、熱負(fù)荷、風(fēng)機(jī)和光伏預(yù)測(cè)出力曲線如圖5所示。?。?jiǎn)挝浑娏康奶寂欧排漕~為0.56 kg/(kW·h)。
表1 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Parameters of units in VPP kW
圖4 VPP結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of the VPP
圖5 VPP內(nèi)的熱電負(fù)荷和風(fēng)機(jī)光伏預(yù)測(cè)出力曲線Fig.5 Curve of predicted output of photovoltaic, wind and heat-power load profile of VPP
圖5中,碳交易價(jià)格為120元/t,風(fēng)電的高估成本系數(shù)和低估成本系數(shù)分別為 0.125元/kW、0.23元/kW,CHP機(jī)組的燃料利用率βCHP為0.9,CHP機(jī)組的熱電效率比γCHP值為 1.5,天然氣價(jià)格為2.5元/m3。將VPP的電價(jià)時(shí)段:01:00—07:00、23:00—24:00為低谷時(shí)段,08:00—10:00、15:00—18:00、21:00—23:00為平時(shí)段,11:00—14:00、19:00—21:00為高峰時(shí)段,具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[16]中數(shù)據(jù)。此外,VPP與主網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線的容量限值為80 kW。
取QEA算法中種群大小為60,量子串長(zhǎng)度為20,最大進(jìn)化迭代數(shù)為100。在算法初始化中,設(shè)定α和β為,并根據(jù)文獻(xiàn)[22]中的規(guī)則更新對(duì)應(yīng)的量子位,生成式(19)和式(20)中的ri,g和bi,g,從而計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)值。將計(jì)算結(jié)果與遺傳算法(GA)、粒子群算法(PSO)進(jìn)行了對(duì)比,如圖6所示。
圖6 目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算結(jié)果Fig.6 Results of objective function calculation
圖6可知,QEA在迭代22次就已經(jīng)達(dá)到了最小值,而GA、PSO分別為38次和47次??梢钥闯?,相較于PSO、GA算法,QEA算法具有更強(qiáng)的全局搜索能力,能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得最優(yōu)計(jì)算結(jié)果。
為了分析配置電鍋爐對(duì)VPP內(nèi)機(jī)組運(yùn)行和整體碳排放的影響,下面分析3種場(chǎng)景下的VPP運(yùn)行情況,即基準(zhǔn)場(chǎng)景(不考慮碳排放和未配置電鍋爐)、考慮碳排放下的場(chǎng)景和配置電鍋爐后的場(chǎng)景。
5.2.1 基準(zhǔn)場(chǎng)景
在基準(zhǔn)場(chǎng)景中,不考慮碳排放約束,VPP內(nèi)部未配置電鍋爐,各機(jī)組的出力曲線如圖7所示。
圖7 基準(zhǔn)場(chǎng)景下VPP中各機(jī)組出力Fig.7 Units’ output in VPP under the basic scenario
如圖7所示,由于VPP中未配置電鍋爐,CHP機(jī)組不得不跟隨著系統(tǒng)中熱負(fù)荷曲線的變化運(yùn)行,使得其出力曲線與熱負(fù)荷曲線相似。由于常規(guī)DG運(yùn)行成本低,故常規(guī)分布式電源成為VPP中的主要出力機(jī)組,這也使得常規(guī)DG的出力類似于VPP中的電負(fù)荷曲線。在05:00—11:00時(shí)段,隨著電負(fù)荷水平的增加,儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力逐步增大;而在12:00—14:00時(shí)段,受制于CHP機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行成本,且此時(shí)的風(fēng)機(jī)和光伏出力大部分滿足了電負(fù)荷需求,于是CHP機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力逐漸減少;在15:00—21:00時(shí)段,光伏的出力減少,VPP的熱負(fù)荷需求增加,CHP機(jī)組和儲(chǔ)能的出力增加;同時(shí),為了減少18:00—21:00時(shí)段(高峰時(shí)段)向主網(wǎng)的購(gòu)電量(電價(jià)較高),CHP、常規(guī)機(jī)組、儲(chǔ)能、燃料電池的出力均呈上升趨勢(shì)。
5.2.2 考慮碳排放的場(chǎng)景
該場(chǎng)景分析了考慮碳排放時(shí),VPP未配置電鍋爐條件下各機(jī)組的出力,曲線如圖8所示。
圖8 碳排放場(chǎng)景下的VPP中各機(jī)組出力Fig.8 Units’ output in VPP under the carbon emission scenario
從圖8中可以看出,在VPP中考慮碳排放約束后,燃料電池的低排放特性使得燃料電池成為VPP中的主要出力機(jī)組,常規(guī)DG機(jī)組在絕大多數(shù)時(shí)段處于最小出力狀態(tài);CHP機(jī)組作為VPP中的主要供熱機(jī)組,其出力曲線與熱負(fù)荷曲線變化趨勢(shì)一致。此外,由于儲(chǔ)能裝置有零排放特性,這使得儲(chǔ)能裝置在該場(chǎng)景下的出力面積明顯多于基準(zhǔn)場(chǎng)景中的出力面積。
5.2.3 VPP中配置電鍋爐的場(chǎng)景
考慮碳排放時(shí),在VPP配置電鍋爐后,各機(jī)組的出力曲線如圖9所示。
圖9 配置電鍋爐和碳排放場(chǎng)景下的VPP中各機(jī)組出力Fig.9 Units’ output in VPP when equipped with the electric boiler and under the carbon emission scenario
從圖9中可以看出,在VPP中配置電鍋爐后,CHP機(jī)組出力小于未配置電鍋爐時(shí) CHP機(jī)組的出力,平均降幅為21.34%,這表明配置電鍋爐后實(shí)現(xiàn)了 CHP機(jī)組的電-熱解耦。同時(shí),引入碳排放約束后,在風(fēng)電機(jī)組和電鍋爐聯(lián)合提供的熱量不能滿足VPP內(nèi)部需求的情況下,燃料電池聯(lián)合電鍋爐進(jìn)行供熱,使得在16:00—21:00時(shí)段,燃料電池的出力從84.09 kW急劇上升至148.69 kW,這與熱負(fù)荷的曲線變化一致。
為了分析配置電鍋爐對(duì)風(fēng)電波動(dòng)的抑制作用和減碳的促進(jìn)作用,分別比較了配置電鍋爐與否對(duì)VPP整體碳排放量和交易電量的影響,結(jié)果如圖10所示。
圖10 VPP的整體碳排放量和交易電量Fig.10 Carbon emission and traded electricity of VPP
圖10中,黑色曲線為VPP配置電鍋爐后的碳排放量和交易電量,紅色曲線為 VPP未配置電鍋爐時(shí)的碳排放量和交易電量。可以發(fā)現(xiàn):VPP中配置電鍋爐后,整體的碳排放量顯著降低,總體削減了 698.7 kg,降幅為 23.93%;而VPP與主網(wǎng)的交易電量整體增加了223.92 kW·h,增幅為210.86%,這說(shuō)明VPP內(nèi)電鍋爐聯(lián)合風(fēng)電能夠改善電熱聯(lián)合運(yùn)行中“以熱定電”的弊端。在電負(fù)荷的低谷時(shí)段(如 05:00—06:00時(shí)段,21:00—22:00時(shí)段),是熱負(fù)荷需求的高峰時(shí)段。此時(shí),通過(guò)電鍋爐引導(dǎo)富余的風(fēng)電轉(zhuǎn)換為熱能,明顯降低CHP機(jī)組、常規(guī)機(jī)組等高碳排放量機(jī)組的出力,從而降低了碳排放。同時(shí),相較于未配置電鍋爐的VPP的交易電量曲線,可以發(fā)現(xiàn):配置電鍋爐的VPP僅在熱負(fù)荷最低時(shí)(11:00—12:00時(shí)段)向系統(tǒng)購(gòu)買電能,其余時(shí)段均實(shí)現(xiàn)了對(duì)主網(wǎng)的售電。這說(shuō)明電鍋爐能夠提高VPP對(duì)主網(wǎng)的售電量。
圖11示出VPP內(nèi)機(jī)組運(yùn)行成本比較結(jié)果。從圖中可以看出,整體而言,配置電鍋爐能夠顯著降低VPP的運(yùn)行成本。配置電鍋爐的VPP內(nèi)機(jī)組運(yùn)行成本僅在13:00—15:00時(shí)段大于未配置電鍋爐的VPP內(nèi)機(jī)組運(yùn)行成本。即使在電負(fù)荷和熱負(fù)荷需求的高峰時(shí)段(如20:00—21:00時(shí)),配置電鍋爐后的VPP運(yùn)行成本依然小于未配置電鍋爐時(shí)的運(yùn)行成本。這說(shuō)明電鍋爐利用風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能,避免了CHP機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行,降低了VPP運(yùn)行成本。
圖11 VPP內(nèi)機(jī)組的運(yùn)行成本比較Fig.11 Comparison of units’ operation cost in VPP
為了抑制VPP內(nèi)部風(fēng)電、光伏等可再生能源出力波動(dòng)特性對(duì)VPP運(yùn)行的影響,本文提出了利用電鍋爐聯(lián)合風(fēng)電對(duì)VPP內(nèi)部用戶進(jìn)行供熱的方法。仿真實(shí)例表明:在考慮了VPP整體碳排放成本后,電鍋爐聯(lián)合風(fēng)電運(yùn)行,一定程度實(shí)現(xiàn)了CHP機(jī)組的電熱解耦,避免了傳統(tǒng)CHP機(jī)組“以熱定電”的弊端;對(duì)VPP內(nèi)部引入碳排放約束,從而優(yōu)化了VPP內(nèi)部低碳機(jī)組和高碳機(jī)組的出力,降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用和VPP的整體碳排放量。