吳沖,陸永燦,楊波,許浩,水恒華,桑丙玉
(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司,江蘇 徐州 221000;2.南京工程學(xué)院,南京 211167;3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司,南京 210003)
“煤改電”工程以電代煤,對(duì)推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖,促進(jìn)我國(guó)能源綠色消費(fèi)具有重要意義[1]。同時(shí),作為電能替代的重要方式之一,“煤改電”工程的實(shí)施也利于我國(guó)“碳達(dá)峰”、“碳中和”[2]目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。然而,隨著“煤改電”工程的深入實(shí)施,大量電采暖負(fù)荷的接入,使得區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷特性發(fā)生顯著變化。電采暖負(fù)荷增長(zhǎng)過快、季節(jié)性特征明顯、峰谷差加大[3-5],嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量,如電壓幅值偏移問題。通過新建或者增容配電裝置可以解決該問題,但存在設(shè)備利用率低的缺點(diǎn)[5]。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用電力電子技術(shù),設(shè)備利用高,可以快速調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率,有效改善“煤改電”區(qū)域節(jié)點(diǎn)電壓偏移問題。但目前儲(chǔ)能系統(tǒng)投資和維護(hù)成本較高,合理配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量成為“煤改電”區(qū)域配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。
目前,國(guó)內(nèi)外在儲(chǔ)能優(yōu)化配置技術(shù)方面已有不少研究。文獻(xiàn)[6]基于滑動(dòng)平均法和儲(chǔ)能荷電狀態(tài)等約束條件,提出一種針對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法,在平抑風(fēng)光功率波動(dòng)的同時(shí)減小了儲(chǔ)能投資成本。文獻(xiàn)[7]基于弱節(jié)點(diǎn)指標(biāo)和發(fā)電機(jī)參與因子,提出了一種針對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方案,有效提高了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]為解決高滲透率分布式光伏配網(wǎng)的電壓越限問題,建立了以改善節(jié)點(diǎn)電壓水平為目標(biāo)函數(shù),系統(tǒng)功率平衡和儲(chǔ)能電池的充放電功率為約束條件的配電網(wǎng)電壓越限優(yōu)化模型,有效改善了節(jié)點(diǎn)電壓越限問題。文獻(xiàn)[9]建立了計(jì)及儲(chǔ)能全壽命周期成本與收益的雙層優(yōu)化模型,采用遺傳與模擬退火相結(jié)合的算法進(jìn)行模型求解,在改善微網(wǎng)電壓質(zhì)量的同時(shí)獲得儲(chǔ)能最優(yōu)配置容量。文獻(xiàn)[10]充分考慮影響儲(chǔ)能壽命的因素,提出了儲(chǔ)能容量規(guī)劃的雙層優(yōu)化模型,即外層規(guī)劃儲(chǔ)能系統(tǒng)投資,內(nèi)層優(yōu)化儲(chǔ)能運(yùn)行成本及壽命,有效降低了儲(chǔ)能投資成本。文獻(xiàn)[11]提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估與運(yùn)行優(yōu)化模型,以全壽命周期凈收益最大為目標(biāo)對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行優(yōu)化配置,以層次分析法構(gòu)建評(píng)判矩陣對(duì)儲(chǔ)能配置方案進(jìn)行評(píng)估,但存在主觀因素的影響,準(zhǔn)確性不足。從已有文獻(xiàn)來看,儲(chǔ)能配置技術(shù)的研究主要集中在風(fēng)光等新能源接入對(duì)電網(wǎng)影響及儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等方面。對(duì)“煤改電”應(yīng)用場(chǎng)景下儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量選配及優(yōu)化研究還不多,亟需開展深入研究。
本文首先分析了“煤改電”區(qū)域負(fù)荷新特性及其對(duì)配網(wǎng)的影響。針對(duì)電采暖負(fù)荷接入后引起的配網(wǎng)電能質(zhì)量問題,以配網(wǎng)電壓偏移量最低和儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),并考慮系統(tǒng)功率平衡和儲(chǔ)能系統(tǒng)自身有關(guān)限制為約束條件,建立了提升“煤改電”地區(qū)配電供電質(zhì)量的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型。同時(shí),引入模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)一步確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù),并采用基于基因遺傳交叉因子的改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法完成儲(chǔ)能優(yōu)化配置求解。最后,構(gòu)建IEEE33 節(jié)點(diǎn)典型模型,開展了仿真驗(yàn)證研究,結(jié)果表明依據(jù)本文所提方法配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效改善“煤改電”區(qū)域配網(wǎng)的電壓偏移問題。
“煤改電”實(shí)施后特征,配網(wǎng)負(fù)荷特性發(fā)生顯著變化,主要體現(xiàn)在年負(fù)荷曲線由單峰轉(zhuǎn)為雙峰特征,日最大負(fù)荷曲線峰值由日間轉(zhuǎn)為夜間[12]。圖1為某地區(qū)“煤改電”前后年負(fù)荷曲線對(duì)比。
圖1 某地區(qū)“煤改電”前/后年負(fù)荷曲線Fig.1 Annual load curve before and after coal-to-electricity modification in a region
由圖1 所示,“煤改電”實(shí)施前,該地區(qū)年度最大負(fù)荷出現(xiàn)在7 月份。“煤改電”實(shí)施后,年負(fù)荷峰值出現(xiàn)在1 月份。此時(shí),年負(fù)荷曲線呈現(xiàn)雙峰特征,引起該地區(qū)年負(fù)荷曲線變化的主要原因,在于該地區(qū)新增了大量電采暖負(fù)荷。
圖2 為某地區(qū)“煤改電”前后冬季日最大負(fù)荷曲線。
圖2 某地區(qū)煤改電前/后冬季最大日負(fù)荷曲線Fig.2 Maximum daily load curve before and after coal-to-electricity modification in a region
由圖2 可以看出,“煤改電”實(shí)施前,冬季典型日負(fù)荷峰值一般出現(xiàn)在上午的9 時(shí)至11 時(shí)和下午17 時(shí)至19 時(shí),峰谷差為30 萬(wàn)kW 左右;“煤改電”實(shí)施后,冬季典型日負(fù)荷峰值一般出現(xiàn)在晚上22時(shí)至次日7 時(shí),峰谷差超過了160 萬(wàn)kW[13]。
為分析“煤改電”區(qū)域新增電采暖負(fù)荷波動(dòng)對(duì)配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓產(chǎn)生的不利影響,建立了“煤改電”區(qū)域配網(wǎng)等效模型,見圖3。
圖3 “煤改電”區(qū)域配電網(wǎng)等效模型Fig.3 Equivalent model of distribution network of coal-to-electricity area
圖中,U2為負(fù)荷接入點(diǎn)電網(wǎng)電壓,PL、QL為普通負(fù)荷從電網(wǎng)吸收的有功功率和無(wú)功功率;PCTEL、QCTEL為“煤改電”負(fù)荷從電網(wǎng)吸收的有功功率為和無(wú)功功率。
根據(jù)線路電壓降落計(jì)算公式,可以得到“煤改電”前后負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓U2、的表達(dá)式為
“煤改電”前后區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓偏移變化量通過式(3)可以計(jì)算。
由式(3)可知,“煤改電”區(qū)域配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏移量與節(jié)點(diǎn)新增電采暖負(fù)荷有功功率和無(wú)功功率有關(guān)。
可以通過配置儲(chǔ)能,利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率控制來維持節(jié)點(diǎn)有功功率的平衡[14-15],從而提高“煤改電”區(qū)域配網(wǎng)末端電壓質(zhì)量。圖4 描述了儲(chǔ)能接入“煤改電”區(qū)域配網(wǎng)的典型等效模型。
圖4 儲(chǔ)能接入“煤改電”區(qū)域配電網(wǎng)等效模型Fig.4 Equivalent model of distribution network with access of storage energy to coal-to-electricity area
假設(shè)在節(jié)點(diǎn)k 上接入儲(chǔ)能系統(tǒng),Pbat、Qbat分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的有功和無(wú)功,節(jié)點(diǎn)a、b 為線路上兩個(gè)節(jié)點(diǎn),線路總的有功負(fù)荷為PCTEL,無(wú)功負(fù)荷為QCTEL。假設(shè)線路負(fù)荷均勻分布,線路長(zhǎng)為l,線路單位阻抗值為Z。
節(jié)點(diǎn)b 為節(jié)點(diǎn)k 后的一個(gè)節(jié)點(diǎn),當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)k 后,配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)0 到節(jié)點(diǎn)b 之間有功、無(wú)功負(fù)荷為
節(jié)點(diǎn)b 之后配電網(wǎng)的有功、無(wú)功負(fù)荷為
根據(jù)式(6)可算得接入儲(chǔ)能系統(tǒng)后節(jié)點(diǎn)b 的電壓Ub公式為
不難發(fā)現(xiàn),儲(chǔ)能改善“煤改電”地區(qū)電壓水平,主要有兩個(gè)因素需要關(guān)注:一為儲(chǔ)能接入的位置,二為儲(chǔ)能的容量大小。
用日均電壓偏差[16-17]表征“煤改電”地區(qū)節(jié)點(diǎn)電壓偏差水平,如式(7)所示。
式中:NL為配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù);Ui*為節(jié)點(diǎn)i處的標(biāo)稱電壓;Ui為節(jié)點(diǎn)i處的實(shí)測(cè)電壓值;ΔUimax為節(jié)點(diǎn)i處的電壓差限值。
儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性成本[18-20]主要包括儲(chǔ)能的單位功率成本、單位容量成本和安裝建設(shè)成本,用式(8)表示。
式中:μ為資金回收函數(shù);τ為貼現(xiàn)率;y為電池壽命;k1和k2分別為儲(chǔ)能功率、能量成本系數(shù)。
以配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏移最小,儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo),則“煤改電”區(qū)域儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置模型總的目標(biāo)函數(shù)為
其中,α與β為權(quán)重系數(shù),分別反映目標(biāo)函數(shù)對(duì)配網(wǎng)電壓偏移指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性成本的敏感程度。
下文式(10)-(17)表征“煤改電”區(qū)域儲(chǔ)能容量配置需要滿足的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量與功率、荷電狀態(tài),系統(tǒng)功率平衡以及配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓等約束。
1)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量約束。
儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量應(yīng)滿足安裝容量上下限。
式中:EBS_min為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量的下限值;EBS_max為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量的上限值。
2)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率約束
為保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,儲(chǔ)能系統(tǒng)功率應(yīng)保持在額定功率上下限內(nèi)。
式中:PBS_max為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率的上限值;PBS_min為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率的下限值。
3)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電狀態(tài)。
充電時(shí),儲(chǔ)能的工作狀態(tài)可以表示為
放電時(shí),儲(chǔ)能的工作狀態(tài)可以表示為
式中:EBS(t-1)和EBS(t)分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)t-1 時(shí)刻和t時(shí)刻的容量;ηC和ηD分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電和放電效率。
4)儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)約束。
為保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命,其荷電狀態(tài)應(yīng)保持在約束范圍以內(nèi)。
式中,SOCmin和SOCmax分別為儲(chǔ)能的SOC 下限值和上限值。
儲(chǔ)能系統(tǒng)配置時(shí)要時(shí)刻保證配電網(wǎng)的功率平衡。
式中:Pzm、Qzm分別為注入節(jié)點(diǎn)m的有功和無(wú)功;Pm、Qm分別為m節(jié)點(diǎn)的有功負(fù)荷和無(wú)功負(fù)荷;Rm-1、Xm-1分別為節(jié)點(diǎn)m-1 與m之間的電阻和電抗;Um-1為節(jié)點(diǎn)m-1 處的電壓;λm為儲(chǔ)能系統(tǒng)接入狀態(tài)。
6)節(jié)點(diǎn)電壓偏移約束。
配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差應(yīng)滿足國(guó)家電能質(zhì)量規(guī)定的電壓偏差指標(biāo)。
式中,Umax、Umin為節(jié)點(diǎn)電壓偏移上下限。
傳統(tǒng)粒子群算法容易陷入局部最優(yōu)[21-29],本文引入了遺傳交叉因子[30]對(duì)傳統(tǒng)粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)。在每次迭代過程中,篩選出適應(yīng)度較高的一半粒子,而另一半粒子兩兩隨機(jī)組合,進(jìn)行基因重組。通過這種基因交叉機(jī)制豐富了粒子的種類,加快了粒子群算法的收斂速度。
經(jīng)交叉重組后得到新粒子的位置和尋優(yōu)速度可表示為
式中:x為D維的位置相量;v為尋優(yōu)速度;Gnew(x)和Gold(x)分別為新粒子和基因重組前粒子的位置;Gnew(v)和Gold(v)分別為新粒子和基因重組前粒子的尋優(yōu)速度;p為D維均勻分布的隨機(jī)數(shù)相量,每個(gè)分量均在[0,1]內(nèi)取值。
1.學(xué)習(xí)掌握情況。此調(diào)查問卷是依照課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的,符合學(xué)生的理解規(guī)則。在此調(diào)查問卷中,學(xué)生對(duì)會(huì)計(jì)專業(yè)表示感興趣所占的比例超過50%,認(rèn)為會(huì)計(jì)操作比較困難的比例是33%;在學(xué)習(xí)方法方面,學(xué)生對(duì)自己動(dòng)手實(shí)踐、小組合作、融入趣味元素感興趣的所占比例高達(dá)80%;對(duì)于教師的教學(xué)方法,學(xué)生更喜歡任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法,如分組進(jìn)行討論分析和上臺(tái)講解問題,比例達(dá)到73%。很多學(xué)生認(rèn)為教師的任務(wù)環(huán)節(jié)有助于督促學(xué)生學(xué)習(xí),比例高達(dá)85%。由此可見,學(xué)生在學(xué)習(xí)中更喜歡該教學(xué)法。
基于改進(jìn)粒子群算法的“煤改電”區(qū)域儲(chǔ)能容量配置求解過程見圖5。
圖5 基于改進(jìn)粒子群的“煤改電”區(qū)域儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算流程圖Fig.5 Multi-objective optimization calculation flow chart of energy storage in coal-to-electricity region based on improved particle swarm
采用模糊綜合評(píng)價(jià)法[31-32]處理目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重,其具體步驟如下:
1)建立儲(chǔ)能系統(tǒng)評(píng)價(jià)因素集U。
式中,ui為影響儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力評(píng)價(jià)的相關(guān)因素,包括儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本、配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏移等。
由于經(jīng)濟(jì)性成本與電壓偏移指標(biāo)量綱不同且數(shù)值相差較大,故先對(duì)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行歸一化[33]處理,具體方法如式(23)-(24)所示。
式中,f1_max、f2_max為儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性成本與配網(wǎng)電壓偏移指標(biāo)的最大值。由此得到評(píng)價(jià)因素的權(quán)重集A。
2)建立評(píng)價(jià)因素評(píng)語(yǔ)集Q。
用“優(yōu)”、“良”、“中”、“及格”、“差”來評(píng)價(jià)儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力,則建立評(píng)語(yǔ)集為
3)建立單因素評(píng)價(jià)矩陣R。
判斷儲(chǔ)能評(píng)價(jià)因素集U中每個(gè)因素相對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度,進(jìn)而得到儲(chǔ)能系統(tǒng)單因素評(píng)價(jià)矩陣R。
式中,m為儲(chǔ)能系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù);n為評(píng)價(jià)等級(jí)個(gè)數(shù)。
4)建立模糊關(guān)系矩陣B,即儲(chǔ)能系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊評(píng)價(jià)矩陣為。
式中,“°”為模糊合成算子,本文采用M(·,⊕),先相乘后求和,該算子權(quán)重提現(xiàn)明顯,綜合程度強(qiáng),可以充分體現(xiàn)配置過程中配網(wǎng)電壓偏移指標(biāo)與儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的重要程度。B=(b1,b2,…bn)為模糊評(píng)價(jià)結(jié)果向量。
圖6 所示為基于模糊綜合評(píng)價(jià)的“煤改電”區(qū)域儲(chǔ)能容量配置多目標(biāo)權(quán)重確定過程。
圖6 基于模糊綜合評(píng)價(jià)的儲(chǔ)能系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化權(quán)重確定流程Fig.6 Multi-objective optimization weight determination process based on fuzzy comprehensive evaluation
為驗(yàn)證所提儲(chǔ)能配置方法的有效性,本文選用IEEE 33 節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。
圖7 為典型10 kV“煤改電”區(qū)域配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖,總負(fù)荷為8+j3 MVA。假設(shè)分別在17、32 節(jié)點(diǎn)接入電采暖負(fù)荷,其運(yùn)行特性曲線見圖8。
圖7 典型“煤改電”區(qū)域的IEEE 33節(jié)點(diǎn)模型Fig.7 IEEE 33 node model of typical coal-to-electricity area
圖8 “煤改電”負(fù)荷運(yùn)行曲線Fig.8 Typical coal-to-electricity load operation curve
假定本案例中選用全釩液流電池作為儲(chǔ)能元件,相關(guān)參數(shù)見表1。
表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)及成本相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of energy storage system and cost
代入上述儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù),采用改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行“煤改電”區(qū)域儲(chǔ)能容量配置,計(jì)算得到“煤改電”區(qū)域儲(chǔ)能系統(tǒng)配置結(jié)果見表2。
表2 儲(chǔ)能額定功率、額定容量Table 2 Rated power and rated capacity of energy storage
為驗(yàn)證本文容量配置及接入位置選擇的正確性,本文設(shè)置了3 種工況進(jìn)行對(duì)比分析。工況1:“煤改電”區(qū)域配電網(wǎng)中未配置儲(chǔ)能系統(tǒng);工況2:在節(jié)點(diǎn)18、33 配置儲(chǔ)能系統(tǒng);工況3:在節(jié)點(diǎn)16、31 配置與工況2 同等規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)。3 種工況下各節(jié)點(diǎn)電壓偏移情況見圖9。
圖9 配置儲(chǔ)能前后“煤改電”區(qū)域配網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓偏移Fig.9 Voltage deviation of each node of distribution grid of coal-to-electricity area before and after storage energy provision
由圖9 可以看出,工況1:配置儲(chǔ)能前,“煤改電”區(qū)域配網(wǎng)電采暖負(fù)荷接入節(jié)點(diǎn)電壓偏移較大。節(jié)點(diǎn)18 電壓偏差最大,超過了8%。工況2,3:配置儲(chǔ)能系統(tǒng)后,節(jié)點(diǎn)電壓偏移問題明顯改善,電能質(zhì)量得到提升[33]。同時(shí),通過工況2、3 的對(duì)比可以看出,與在節(jié)點(diǎn)16、31 配置儲(chǔ)能系統(tǒng)相比,在節(jié)點(diǎn)18、33 配置儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí),“煤改電”區(qū)域配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏移情況得到進(jìn)一步改善,驗(yàn)證了本文所提儲(chǔ)能配置方法的正確性與有效性。
為提高“煤改電”地區(qū)的配網(wǎng)供電質(zhì)量,本文分析了“煤改電”區(qū)域典型負(fù)荷特性及其對(duì)配電網(wǎng)電壓偏移的影響,以“煤改電”區(qū)域配電網(wǎng)電壓偏差、儲(chǔ)能系統(tǒng)成本最小為目標(biāo)建立了儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型。采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù),并采用基于遺傳交叉因子改進(jìn)的粒子群算法完成儲(chǔ)能配置。構(gòu)建了IEEE33 節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行算例分析。可以看出配置儲(chǔ)能系統(tǒng)后“煤改電”地區(qū)配網(wǎng)電壓偏移明顯減小,表明經(jīng)本文所提方法配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)有效改善了“煤改電”區(qū)域的電能質(zhì)量,驗(yàn)證了本文所提儲(chǔ)能配置方法的正確性。