楊 旭，閔永峰

（國(guó)網(wǎng)澄城縣供電公司，陜西 渭南 715200）

0 引 言

隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，可再生能源的應(yīng)用越來越廣泛。然而，可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致傳統(tǒng)配電網(wǎng)面臨眾多挑戰(zhàn)，如電壓波動(dòng)、頻率偏差等。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，電能儲(chǔ)存技術(shù)成為人們廣泛關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。

1 配電網(wǎng)電能儲(chǔ)存技術(shù)綜述

1.1 電能儲(chǔ)存技術(shù)分類及原理

在配電網(wǎng)中，電能儲(chǔ)存技術(shù)可分為化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能以及電磁儲(chǔ)能3 類，如圖1 所示?；瘜W(xué)儲(chǔ)能包括電池、超級(jí)電容器等，主要是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存；機(jī)械儲(chǔ)能主要包括壓縮空氣儲(chǔ)能、機(jī)械惰性儲(chǔ)能等，利用機(jī)械設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)行儲(chǔ)存；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)磁能儲(chǔ)存、電感儲(chǔ)能等，主要是利用電磁場(chǎng)儲(chǔ)存電能。電能儲(chǔ)存技術(shù)的原理是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量進(jìn)行儲(chǔ)存，再將這些儲(chǔ)存的能量在需要時(shí)重新轉(zhuǎn)化為電能供電系統(tǒng)使用[1]。

圖1 電能儲(chǔ)存技術(shù)分類

1.2 儲(chǔ)能設(shè)備在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

在配電網(wǎng)中，儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用旨在提高配電網(wǎng)的靈活性、可靠性和效率，解決電力系統(tǒng)中的眾多挑戰(zhàn)，具體如圖2 所示。

圖2 儲(chǔ)能設(shè)備在配電網(wǎng)中的應(yīng)用領(lǐng)域

首先，儲(chǔ)能設(shè)備可以用于平衡電力系統(tǒng)負(fù)荷與供電之間的不匹配問題。儲(chǔ)能設(shè)備利用儲(chǔ)能技術(shù)可以在低負(fù)荷時(shí)段儲(chǔ)存多余的電能，在高負(fù)荷時(shí)段釋放這些儲(chǔ)能，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡。其次，儲(chǔ)能設(shè)備可以提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。在電網(wǎng)發(fā)生故障或突發(fā)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備可以迅速響應(yīng)，為系統(tǒng)提供備用電源，保障用戶的用電需求。再次，儲(chǔ)能設(shè)備可以提高電力系統(tǒng)的能源利用效率。將可再生能源如風(fēng)能、太陽能等轉(zhuǎn)換的電能儲(chǔ)存起來，有效解決能源的間歇性和不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)能源的平滑利用，降低對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，減少碳排放[2]。最后，儲(chǔ)能設(shè)備在配電網(wǎng)中的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，減少電網(wǎng)壓力，延長(zhǎng)電力設(shè)備的壽命，降低能源成本。

2 配電網(wǎng)電能儲(chǔ)存調(diào)度策略研究

2.1 電能儲(chǔ)存技術(shù)調(diào)度原理分析

在配電網(wǎng)電能儲(chǔ)存調(diào)度策略中，電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的調(diào)度目標(biāo)是最大化系統(tǒng)效益，即最大限度地利用儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。假設(shè)xt表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)變量，包括儲(chǔ)能設(shè)備的電荷狀態(tài)等信息，系統(tǒng)的控制變量ut表示每個(gè)時(shí)間步的儲(chǔ)能設(shè)備的充放電功率。在這種情況下，系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為

式中：f(·)表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，描述儲(chǔ)能設(shè)備狀態(tài)在時(shí)間步t到t+1 之間的變化規(guī)律。

為最大化系統(tǒng)效益，需要定義一個(gè)性能指標(biāo)J，如系統(tǒng)的總成本，反映系統(tǒng)運(yùn)行的成本或效益情況[3]。優(yōu)化問題的目標(biāo)是最小化這個(gè)性能指標(biāo)，可以表示為minutJ(xt,ut)。這是一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題，可以通過各種優(yōu)化算法如動(dòng)態(tài)規(guī)劃、模型預(yù)測(cè)控制等來求解，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的有效調(diào)度。

2.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電能儲(chǔ)存調(diào)度模型

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電能儲(chǔ)存調(diào)度模型旨在利用歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，幫助電能儲(chǔ)存系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度決策，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電能儲(chǔ)存調(diào)度模型的基本思想是通過分析歷史數(shù)據(jù)，提取出儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和特征，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以合理分配儲(chǔ)能設(shè)備充放電功率，最大化系統(tǒng)效益。

通過建立一個(gè)基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型，用于預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷需求和電力市場(chǎng)價(jià)格等關(guān)鍵參數(shù)。常見的預(yù)測(cè)方法包括時(shí)間序列分析、回歸分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等。預(yù)測(cè)模型可以表示為

基于預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立電能儲(chǔ)存調(diào)度模型。該模型的目標(biāo)是最大化系統(tǒng)效益，即最小化儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本。常見的一種調(diào)度模型是基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：J(xt,ut)表示從時(shí)刻t開始的累積成本或效益；αk表示時(shí)間折扣因子；g(xk,uk)表示狀態(tài)xk和控制變量uk的成本或效益函數(shù)。利用優(yōu)化算法求解得到最優(yōu)的調(diào)度方案。常見的優(yōu)化算法包括動(dòng)態(tài)規(guī)劃、遺傳算法、粒子群優(yōu)化等[4]。通過將預(yù)測(cè)模型和調(diào)度模型結(jié)合起來，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的智能調(diào)度，提高配電網(wǎng)的運(yùn)行效率和可靠性。

2.3 多場(chǎng)景電能儲(chǔ)存調(diào)度策略研究

為應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行中的多種復(fù)雜場(chǎng)景和不確定性因素，需要識(shí)別和分析不同的場(chǎng)景，包括不同的負(fù)荷需求、能源價(jià)格以及天氣條件等因素，并研究每種場(chǎng)景下的儲(chǔ)能調(diào)度策略。在多場(chǎng)景電能儲(chǔ)存調(diào)度策略研究中，需要建立場(chǎng)景分類體系，分類不同的運(yùn)行條件和環(huán)境因素。常見的分類包括負(fù)荷水平、季節(jié)變化、天氣情況以及市場(chǎng)價(jià)格等。針對(duì)每種場(chǎng)景，建立相應(yīng)的電能儲(chǔ)存調(diào)度模型。這些模型可以基于歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，并結(jié)合數(shù)學(xué)優(yōu)化方法進(jìn)行建模，以智能調(diào)度儲(chǔ)能系統(tǒng)。例如，可以考慮使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃、線性規(guī)劃或者深度學(xué)習(xí)等方法，針對(duì)不同的場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)應(yīng)的調(diào)度決策。在多場(chǎng)景調(diào)度策略研究中，需要考慮場(chǎng)景轉(zhuǎn)換和切換問題。由于配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的不斷變化，可能會(huì)出現(xiàn)不同場(chǎng)景之間的切換，需要設(shè)計(jì)靈活的調(diào)度策略，能夠在不同場(chǎng)景之間進(jìn)行無縫切換，并保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。多場(chǎng)景調(diào)度策略研究需要考慮不同場(chǎng)景下的調(diào)度目標(biāo)和約束條件[5]。在某些場(chǎng)景下，可能更加注重成本最小化或效益最大化；在另一些場(chǎng)景下，可能更加注重系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，需要根據(jù)不同的場(chǎng)景特點(diǎn)，靈活調(diào)整調(diào)度目標(biāo)和約束條件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全面優(yōu)化。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置

為建立有效的仿真模型，需要考慮電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的特性和配電網(wǎng)的運(yùn)行情況，具體的模型建立流程如圖3 所示。在開始建模之前，需要明確仿真的目標(biāo)和范圍，包括確定仿真所涉及的電能儲(chǔ)存系統(tǒng)類型（電池、超級(jí)電容等）、配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及負(fù)荷模型等。收集實(shí)際配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和電能儲(chǔ)存設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)是建立仿真模型的關(guān)鍵步驟，這些數(shù)據(jù)包括負(fù)荷曲線、電能儲(chǔ)存設(shè)備的容量、充放電效率及充放電速率等?；谶@些數(shù)據(jù)，確定仿真模型中的參數(shù)設(shè)置，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)仿真目標(biāo)和數(shù)據(jù)特性，選擇合適的建模工具和方法。常用的建模工具包括MATLAB/Simulink、PSCAD、DIgSILENT 等，而建模方法可以是基于物理原理的建模或基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模。根據(jù)選定的建模工具和方法，建立仿真模型。在建模過程中，需要考慮電能儲(chǔ)存設(shè)備的特性，如充放電過程、效率損耗及容量限制等，并結(jié)合配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行建模。仿真模型建立完成后，需要驗(yàn)證和調(diào)整模型，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性，可以通過與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比、敏感性分析等方法來完成，對(duì)于存在差異的部分需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。在模型建立過程中，需要設(shè)置各個(gè)參數(shù)，包括電能儲(chǔ)存設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)、負(fù)荷參數(shù)等。這些參數(shù)的設(shè)置需要結(jié)合實(shí)際情況和仿真目標(biāo)，確保模型的準(zhǔn)確性和逼真度。

圖3 仿真模型建立流程

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證配電網(wǎng)電能儲(chǔ)存技術(shù)與調(diào)度策略的有效性，文章選擇一個(gè)實(shí)際的配電網(wǎng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并在其中選取幾個(gè)具有代表性的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在這些節(jié)點(diǎn)中安裝電能儲(chǔ)存設(shè)備，并設(shè)計(jì)不同的調(diào)度策略?；趯?shí)際的負(fù)荷數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用MATLAB 仿真軟件建立配電網(wǎng)的仿真模型，模擬各種場(chǎng)景下的運(yùn)行情況。在仿真過程中，將根據(jù)不同的調(diào)度策略，模擬電能儲(chǔ)存設(shè)備的充放電過程，從而分析對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。

3.3 儲(chǔ)存調(diào)度策略應(yīng)用效果評(píng)估

評(píng)估不同實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)采用的儲(chǔ)存調(diào)度策略進(jìn)行后，其應(yīng)用效果如表1 所示。

表1 儲(chǔ)存調(diào)度策略應(yīng)用效果

從表1 可以看出：在工業(yè)區(qū)應(yīng)用基于功率平衡的調(diào)度策略和鋰離子電池時(shí)，平均負(fù)荷減少120 kW，儲(chǔ)能效率達(dá)到90%，并且系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性提高15%；在商業(yè)區(qū)應(yīng)用負(fù)荷預(yù)測(cè)調(diào)度策略和超級(jí)電容器儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，負(fù)荷平均減少90 kW，儲(chǔ)能效率達(dá)到95%，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性提高10%；在住宅區(qū)應(yīng)用電價(jià)變化調(diào)度策略和鈉硫電池儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，負(fù)荷平均減少80 kW，儲(chǔ)能效率達(dá)到85%，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性提高12%。這些結(jié)果表明，不同的調(diào)度策略和儲(chǔ)能設(shè)備類型對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行效果產(chǎn)生顯著影響，可為實(shí)際配電網(wǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃提供重要參考。

4 結(jié) 論

文章研究和探索配電網(wǎng)的電能儲(chǔ)存技術(shù)與調(diào)度策略，為配電網(wǎng)的智能化運(yùn)行和管理提供重要的理論和實(shí)踐支撐。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和智能化水平的提高，相信文章的研究?jī)?nèi)容會(huì)對(duì)未來配電網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行管理產(chǎn)生積極的影響。