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        雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲能技術(shù)研究

        2022-12-17 09:02:10冼鐘業(yè)萬中田馬文琳鄧奕星
        工業(yè)加熱 2022年11期
        關(guān)鍵詞:配電網(wǎng)信號方法

        冼鐘業(yè),左 婧,萬中田,馬文琳,鄧奕星

        (1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局,廣東 佛山 528200;2.廣東南海電力設(shè)計院工程有限公司,廣東 佛山 528200;3.國電華研電力科技有限公司,廣東 廣州 510030)

        1 引 言

        我國在2020年聯(lián)合國大會上提出中國將于2030年將碳排放量[1]達(dá)到峰值并于2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年12月在氣候雄心峰會上就雙碳目標(biāo)[2]做出進(jìn)一步規(guī)劃,作為全球最大的發(fā)展中國家,實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)未來挑戰(zhàn)嚴(yán)峻。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷提升,電力設(shè)備逐年增多。配電網(wǎng)[3]作為輸電網(wǎng)與用電側(cè)的連接設(shè)備,在電力系統(tǒng)中起到的作用巨大。電力負(fù)荷[4]增長迅速,峰谷落差大等問題的出現(xiàn),更是給配電網(wǎng)帶來“低電壓”“標(biāo)準(zhǔn)低”以及“聯(lián)系弱”問題。針對傳統(tǒng)配電網(wǎng)儲能技術(shù)中成本高技術(shù)落后的問題,提出高效簡潔的配電網(wǎng)共享儲能方法,成為整個電力行業(yè)都迫切需要解決的問題之一。

        文獻(xiàn)[5]方法通過對配電網(wǎng)儲能運(yùn)行狀態(tài)的分析,確定了配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的儲能優(yōu)先級;依據(jù)配電網(wǎng)電壓波動以及網(wǎng)損節(jié)點(diǎn)建立目標(biāo)函數(shù);使用粒子群算法優(yōu)化配電網(wǎng)充放電功率,獲取儲能的最佳配置容量,實(shí)現(xiàn)儲能共享。該方法由于未能對配電網(wǎng)電力信號進(jìn)行去噪處理,導(dǎo)致該方法無法處理的儲能充放電功率低。文獻(xiàn)[6]方法首先確定購電、網(wǎng)損、投資等成本指標(biāo),并建立配電網(wǎng)運(yùn)行模型,依據(jù)時間尺度對模型進(jìn)行計算;通過運(yùn)行結(jié)果構(gòu)建儲能選址定容模型,設(shè)定配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓約束范圍,根據(jù)二階規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)儲能優(yōu)化,完成儲能共享。該方法進(jìn)行二階規(guī)劃時存在問題,所以該方法的共享效果差。文獻(xiàn)[7]方法依據(jù)條件的風(fēng)險價值改進(jìn)置信區(qū)間,通過供需平衡角度建立風(fēng)險成本模型;使用定量評估法評價邊界的潛在損失;綜合配電網(wǎng)架構(gòu)。建立安全與經(jīng)濟(jì)性并存的儲能優(yōu)化配置模型,實(shí)現(xiàn)對儲能的優(yōu)化配置,完成儲能共享。該方法在進(jìn)行潛在損失評估時存在誤差,因此,該方法的電網(wǎng)儲能共享性能差。

        為解決上述配電網(wǎng)儲能共享過程中存在的問題,提出雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲能技術(shù)研究。

        2 配電網(wǎng)信號去噪

        在對配電網(wǎng)儲能[8]資源進(jìn)行儲能共享前,需要使用高斯濾波器對配電網(wǎng)中的噪聲信號進(jìn)行去噪處理。

        2.1 濾波器原理

        高斯濾波器[9]在進(jìn)行信號去噪時,通過高斯核函數(shù)對原始噪聲信號進(jìn)行卷積,從而實(shí)現(xiàn)信號去噪。首先設(shè)定一維的高斯函數(shù)為g(t,σ),表達(dá)如式(1)所示:

        (1)

        式中:σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差;t為卷積時間標(biāo)記;exp為指數(shù)函數(shù)。利用上述高斯函數(shù)[10]對配電網(wǎng)噪聲信號進(jìn)行卷積,結(jié)果如式(2)所示:

        S(t,σ)=f(t)×g(t,σ)

        (2)

        式中;×為卷積運(yùn)算符號;g(t,σ)為高斯濾波器;f(t)為一維函數(shù);S(t,σ)為濾波結(jié)果。高斯濾波器能夠通過對標(biāo)準(zhǔn)方差的控制來調(diào)整噪聲信號[11]的平滑程度,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)噪聲信號的去噪。

        2.2 去噪算法

        設(shè)定配電網(wǎng)的電力信號為f(m),其中信號的采樣時間標(biāo)記m,濾波權(quán)值用w(m,σ),原始電力信號標(biāo)記f0(m),平滑去噪后的濾波器輸出標(biāo)記fk+1(m),窗口內(nèi)權(quán)值標(biāo)記wk(m+i,σ),窗口長度用(2M+1)表示,通過計算可獲取信號在k+1次迭代后的濾波器輸出,過程如式(3)所示:

        (3)

        式中:i為常數(shù);M為信號數(shù)量。當(dāng)濾波器的窗口內(nèi)權(quán)值為1時,通過濾波器對配電網(wǎng)電力信號進(jìn)行平滑處理,保留未發(fā)生變異的電力信號[12]。通常情況下,由于配電網(wǎng)電力信號的位置與幅度是未知的,所以不能隨意更改信號權(quán)值,這時就需要利用導(dǎo)數(shù)運(yùn)算方法修正濾波器權(quán)重系數(shù),過程如式(4)所示:

        (4)

        2.3 信號標(biāo)準(zhǔn)差性能分析

        由于電力信號在平滑去噪時,濾波器權(quán)重系數(shù)wk(m,σ)的高低,是通過電力信號一階導(dǎo)數(shù)與信號標(biāo)準(zhǔn)差σ之間的占比來決定的。因此需要通過恒定參數(shù)σ控制信號的迭代變異信息以及信號的平滑程度,過程中需要對濾波器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo),結(jié)果如下:

        (2)當(dāng)wk(m,σ)較小時,信號標(biāo)準(zhǔn)差小于信號一階導(dǎo)數(shù),迭代后的信號以及迭代突變數(shù)據(jù)發(fā)生融合,增強(qiáng)電力信號噪聲。

        (3)當(dāng)wk(m,σ)為0時,信號[13]導(dǎo)數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)方差大致相同,迭代突變信息留存較完整。

        基于上述可知,信號標(biāo)準(zhǔn)方差取值的大小,能夠決定信號的去噪效果。

        2.4 去噪流程

        配電網(wǎng)電力信號去噪具體流程如下:

        (1)對電力原始信號進(jìn)行采樣處理。

        (2)設(shè)定迭代次數(shù)。

        (4)選取不同的信號標(biāo)準(zhǔn)方差對導(dǎo)數(shù)平均值進(jìn)行計算,獲取信號濾波的權(quán)重系數(shù)。

        (5)選取不同的信號標(biāo)準(zhǔn)方差對配電網(wǎng)電力信號進(jìn)行平滑去噪,使用窗口模板計算信號關(guān)聯(lián)程度,過程如式(5)所示:

        (5)

        式中:fk+1(m)為信號的窗口關(guān)聯(lián)程度;i為常數(shù)。

        (6)對迭代次數(shù)進(jìn)行辨別,當(dāng)k=K時,迭代結(jié)束,至濾波器[14]中輸出平滑后電力信號,完成配電網(wǎng)電力信號的去噪處理。

        3 配電網(wǎng)儲能共享技術(shù)

        3.1 確定等效集中儲能參數(shù)

        由于配電網(wǎng)中各項(xiàng)儲能資源儲存位置分散利用率低,所以需要整合配電網(wǎng)各項(xiàng)儲能[15]資源?;谏鲜鋈ピ胄盘柅@取配電網(wǎng)的等效集中參數(shù)。

        首先設(shè)定配電網(wǎng)儲能為SOC,初始儲能標(biāo)記SOC0,儲能最大充電功率標(biāo)記Pchmax、最大放電功率標(biāo)記Pdismax,對配電網(wǎng)的充放電功率進(jìn)行獲取,過程如式(6)所示:

        (6)

        式中:Pirate為第i種儲能的額定功率,kW;Pich為充電功率,kW;Pidis為放電功率,kW;Pallch為配電網(wǎng)總充電功率,kW;Palldis為總放電功率,kW;N為儲能總數(shù)量;fch、fdis分別為儲能函數(shù)?;谏鲜鲇嬎憬Y(jié)果實(shí)現(xiàn)儲能的聚合,由于配電網(wǎng)中各項(xiàng)儲能的額定功率[16]充放電時長不同,所以需要對相對應(yīng)的儲能參數(shù)進(jìn)行表示,結(jié)果如式(7)所示:

        (7)

        式中:Pallrate為等效集中的儲能額定功率,kW;Sallrate為額定容量,kW·h;ηallch為集中充電功率,kW;ηalldis為等效風(fēng)電功率;Pirate、Sirate、ηich分別為儲能i的額定功率、額定容量以及充放電功率。

        在雙碳目標(biāo)下,碳排放量[17]作為衡量共享儲能效果的關(guān)鍵指標(biāo),獲取過程如式(8)所示:

        Q(t)=λPallrate

        (8)

        式中:λ為電網(wǎng)儲能的等效碳排放量系數(shù);Q(t)為碳排放量,kg。

        3.2 建立儲能共享模型

        3.2.1 建立目標(biāo)函數(shù)

        由于配電網(wǎng)中各項(xiàng)儲能受電網(wǎng)削峰填谷以及電網(wǎng)壓力影響,所以需要基于電網(wǎng)的負(fù)荷波動以及電壓差建立共享儲能模型的目標(biāo)函數(shù),其中電網(wǎng)負(fù)荷波動[18]獲取過程如式(9)所示:

        (9)

        式中:K為電網(wǎng)負(fù)荷功率區(qū)間數(shù)量;Mj為功率區(qū)間j的負(fù)荷數(shù)量;Pjavrload為功率平均值;Pjess為儲能的總有功出力;Pavrload為配電網(wǎng)全時段功率平均值;fΔP為獲取的配電網(wǎng)全時段負(fù)荷波動。而配電網(wǎng)的電壓偏差則如式(10)所示:

        (10)

        式中:fΔU為配電網(wǎng)電壓偏差;R為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量;Uji為負(fù)荷功率區(qū)間j的電壓幅值;Uexp為期望電壓。基于上述計算結(jié)果完成目標(biāo)函數(shù)的建立,描述成minF=[fΔP,fΔU]形式。

        3.2.2 約束條件

        為規(guī)避儲能共享對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響,需要提出電壓范圍、儲能充放電功率以及二氧化碳排放量[19]范圍等相關(guān)約束條件。具體約束范圍如式(11)所示:

        (11)

        式中:Umin、Umax為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓上下限;-Pallrate、Pallrate分別為額定功率上下限;Qmin(t)、Qmax(t)分別為配電網(wǎng)二氧化碳排放量上下限。

        3.3 儲能共享

        3.3.1 建立模型

        基于上述獲取的配電網(wǎng)[20]等效集中參數(shù)、建立的目標(biāo)函數(shù)以及制定的約束條件,建立配電網(wǎng)的儲能共享模型,過程如式(12)所示:

        (12)

        式中:SOCgx為建立的配電網(wǎng)儲能共享模型。

        3.3.2 模型求解

        采用粒子群算法對配電網(wǎng)儲能共享模型進(jìn)行求解,從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的儲能共享。過程如下:

        (1)采集配電網(wǎng)各項(xiàng)參數(shù)以及儲能參數(shù)并對其進(jìn)行初始化。

        (2)計算配電網(wǎng)儲能等效集中參數(shù)。

        (3)預(yù)測配電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)、計算負(fù)荷功率并對比各時段配電網(wǎng)負(fù)荷功率占比。

        (4)依據(jù)構(gòu)建的共享模型,使用粒子群算法進(jìn)行模型求解,輸出共享結(jié)果。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        為了驗(yàn)證上述配電網(wǎng)儲能共享方法的整體有效性,需要對此方法進(jìn)行測試。

        分別采用雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲能技術(shù)研究(本文所提方法)、基于網(wǎng)損靈敏度方差的配電網(wǎng)分布式儲能位置與容量優(yōu)化配置方法(文獻(xiàn)[5]方法)、主動配電網(wǎng)中計及靈活性不足風(fēng)險的儲能優(yōu)化配置(文獻(xiàn)[7]方法)進(jìn)行測試。

        配電網(wǎng)儲能在共享過程中,充放電功率的高低、目標(biāo)函數(shù)的大小以及共享性能的優(yōu)劣都會給配電網(wǎng)儲能共享效果帶來巨大影響。將上述三項(xiàng)指標(biāo)設(shè)定為測試指標(biāo),采用本文所提方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法進(jìn)行儲能共享時,完成三項(xiàng)指標(biāo)的測試。

        1)充放電功率測試

        配電網(wǎng)進(jìn)行儲能共享過程中,充放電功率的高低會直接給共享效果帶來影響,采用本文所提方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法進(jìn)行儲能共享,對過程中產(chǎn)生的儲能充放電功率進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖1所示。

        分析圖1(a)可知,本文所提方法測試出的配電網(wǎng)儲能充電功率高于其他兩種方法,文獻(xiàn)[5]方法測試結(jié)果略低于本文所提方法,文獻(xiàn)[7]方法測試結(jié)果較不理想。而在圖1(b)中,本文所提方法測試出的配電網(wǎng)儲能放電功率測試結(jié)果也高于文獻(xiàn)[5]方法與文獻(xiàn)[7]方法。在測試初期,文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法測試出的儲能放電功率相差較小,但是隨著配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的不斷增加,兩種方法的測試結(jié)果逐漸拉開距離。這主要是因?yàn)楸疚乃岱椒ㄔ谶M(jìn)行儲能共享時,利用了高斯濾波器對配電網(wǎng)噪聲信號進(jìn)行了去噪處理。所以本文所提方法在進(jìn)行配電點(diǎn)儲能共享時,儲能的充放電功率高。

        圖1 不同方法的配電網(wǎng)儲能充放電功率測試結(jié)果

        2)去噪前后上級電網(wǎng)總注入有功曲線對比測試

        上級電網(wǎng)在進(jìn)行有功功率注入時,注入的總有功功率方差值大小可以影響功率波動,波動越大共享效果越差,反之則越好。利用本文所提方法進(jìn)行儲能共享時,對去噪前后的配電網(wǎng)上級總有功功率注入時的功率波動進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖2所示。

        圖2 去噪前后上級電網(wǎng)總注入有功功率波動曲線測試結(jié)果

        分析圖2可知,本文所提方法在去噪前測試出的上級電網(wǎng)總注入有功功率曲線波動幅度遠(yuǎn)高于去噪后的功率波動幅度測試結(jié)果。這主要是因?yàn)楸疚乃岱椒ㄔ谶M(jìn)行配電網(wǎng)信號去噪過程中,對配電網(wǎng)信號的標(biāo)準(zhǔn)差性能進(jìn)行了具體分析,降低了功率的方差值,所以本文所提方法在儲能共享過程中,上級電網(wǎng)總注入有功功率波動幅度小。

        3)共享性能對比

        基于上述測試結(jié)果,采用上述三種儲能共享方法進(jìn)行配電網(wǎng)的儲能共享,測試三種方法的共享性能。結(jié)果如表1所示。

        表1 不同共享方法的共享性能測試結(jié)果

        分析表1可知,本文所提方法測試出的配電網(wǎng)儲能共享節(jié)點(diǎn)、儲能額定功率以及額定容量均高于文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法。證明本文所提方法在進(jìn)行配電網(wǎng)儲能共享時的共享性能優(yōu)異。

        綜上所述,本文所提方法在進(jìn)行配電網(wǎng)儲能共享時,儲能的充放電功率高、上級電網(wǎng)總注入有功功率波動幅度小、共享性能好。

        5 結(jié) 語

        隨著雙碳目標(biāo)的提出,國家積極重視配電網(wǎng)儲能削峰填谷、電壓差大等弊端?;谠擁?xiàng)問題提出雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲能技術(shù)研究。該方法首先對配電網(wǎng)信號噪聲進(jìn)行平滑去噪處理,確定等效集中儲能參數(shù);建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件建立配電網(wǎng)儲能共享模型;使用該模型完成配電網(wǎng)的儲能共享,該方法由于在確定等效儲能參數(shù)時存在問題,今后會針對該項(xiàng)問題繼續(xù)優(yōu)化該儲能共享方法。

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