淺談基于儲(chǔ)能電站提高風(fēng)電消納能力的電源規(guī)劃研究

吳春紅

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：文章提出了一種基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型，旨在提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的消納能力并保持系統(tǒng)穩(wěn)定。通過構(gòu)建不同的規(guī)劃方案，分析了儲(chǔ)能電站的引入對(duì)電力系統(tǒng)的影響，包括提升風(fēng)電消納能力、電網(wǎng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益。即使儲(chǔ)能設(shè)施初期投資較高，但長(zhǎng)期看可以有效降低運(yùn)行成本，提高電網(wǎng)的可靠性。此外，文章還探討了允許風(fēng)電輸出波動(dòng)對(duì)規(guī)劃結(jié)果的積極影響，提供了一種在確保電力系統(tǒng)可靠性的同時(shí)降低投資成本的策略。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電消納；電源規(guī)劃；儲(chǔ)能電站

0引言

隨著全球氣候變化和能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，可再生能源的開發(fā)和利用成為世界各國(guó)的共同選擇，其中風(fēng)能作為清潔能源的代表，其開發(fā)利用受到了廣泛關(guān)注。然而，風(fēng)能的間歇性和不穩(wěn)定性給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和風(fēng)電的大規(guī)模消納帶來了挑戰(zhàn)。

1儲(chǔ)能電站提高風(fēng)電消納能力工作機(jī)理

基于儲(chǔ)能電站提高風(fēng)電消納能力的電源規(guī)劃研究，關(guān)注的是如何通過儲(chǔ)能系統(tǒng)提高風(fēng)電的利用效率和穩(wěn)定性。風(fēng)能作為一種可再生能源，雖然環(huán)保，但存在一定的不穩(wěn)定性，特別是風(fēng)速的變化導(dǎo)致發(fā)電量波動(dòng)。為了解決這一問題，儲(chǔ)能電站的作用顯得尤為重要。儲(chǔ)能電站通過存儲(chǔ)風(fēng)能在風(fēng)速較高時(shí)多出的電力，解決了風(fēng)電供應(yīng)不穩(wěn)定的問題。當(dāng)風(fēng)速減弱，風(fēng)力發(fā)電量減少時(shí)，儲(chǔ)能電站可以釋放之前儲(chǔ)存的電力，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。

2模型求解的流程

圖1展示的是一個(gè)基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型求解流程，遺傳算法是一種啟發(fā)式搜索算法，用于解決優(yōu)化和搜索問題。該流程圖詳細(xì)描述了電源規(guī)劃模型的各個(gè)步驟，從初始化種群到解決方案輸出。

流程從“開始”標(biāo)記出發(fā)，首行的是“種群初始化”。在這個(gè)階段，創(chuàng)建了一個(gè)種群，包含多個(gè)個(gè)體，每個(gè)個(gè)體代表電源規(guī)劃問題的一個(gè)潛在解決方案。種群的每個(gè)個(gè)體都有一個(gè)與之相關(guān)的適應(yīng)度值，該值指示該個(gè)體解決問題的能力。接下來，流程進(jìn)入“計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度”的步驟，基于現(xiàn)有的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和參數(shù)約束，計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值。適應(yīng)度值越高的個(gè)體，被認(rèn)為是更好的解決方案。之后，流程圖指向一個(gè)判定環(huán)節(jié)：“滿足條件”，這個(gè)環(huán)節(jié)檢查當(dāng)前種群是否已經(jīng)達(dá)到了既定的停止條件，這些條件可能是解決方案的精度滿足預(yù)定的要求，或者算法已經(jīng)達(dá)到了預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)。

在“選擇”階段，根據(jù)個(gè)體的適應(yīng)度進(jìn)行選擇，適應(yīng)度較高的個(gè)體有更高的機(jī)會(huì)被選中參與下一代的生成，這個(gè)過程模仿了自然選擇，即適者生存的原則。“交叉”是指選定的個(gè)體通過某種方式交換它們的一部分基因，生成新的個(gè)體，這個(gè)過程對(duì)應(yīng)于生物學(xué)中的繁殖和遺傳，有助于產(chǎn)生新的解決方案。

2.1解碼與編碼

在應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行電源規(guī)劃問題求解時(shí)，染色體編碼的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。染色體編碼是算法能否成功應(yīng)用于電源規(guī)劃的決定性因素。一個(gè)有效的編碼滿足3個(gè)基本原則：完備性、健全性和小冗余性。完備性確保編碼可以覆蓋所有可能的解決方案，健全性保證每個(gè)編碼都能夠?qū)?yīng)一個(gè)有效的解決方案，而小冗余性則意味著編碼系統(tǒng)盡可能簡(jiǎn)潔，以降低無效解的出現(xiàn)。

2.2適應(yīng)度函數(shù)的選擇

在遺傳算法中，適應(yīng)度函數(shù)是決定個(gè)體存續(xù)的關(guān)鍵，它衡量了個(gè)體在特定環(huán)境中的生存能力。高適應(yīng)度的個(gè)體有大的概率傳遞其基因到下一代，而適應(yīng)度低的個(gè)體則可能被淘汰。為了有效地引導(dǎo)算法搜索過程，并確保解決方案的質(zhì)量，本文采用了一種懲罰策略來增強(qiáng)個(gè)體的適應(yīng)度。這種策略通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)添加懲罰項(xiàng)來調(diào)整適應(yīng)值函數(shù)，使其能夠反映約束條件的滿足程度。在構(gòu)建小化國(guó)民經(jīng)濟(jì)投入的目標(biāo)函數(shù)時(shí)，電力和電量的約束被作為懲罰項(xiàng)考慮在內(nèi)。這樣做的目的是確保在追求成本效益的同時(shí)，也要滿足電網(wǎng)的基本運(yùn)行要求。類似地，當(dāng)目標(biāo)是大化風(fēng)電消納能力時(shí)，電壓和頻率約束則成為懲罰項(xiàng)。此時(shí)的目標(biāo)函數(shù)為：

這意味著解決方案不僅要追求風(fēng)電的利用，而且要保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)反映了這種平衡的追求。在適應(yīng)度函數(shù)中，電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)被賦予了權(quán)重，這樣可以在種群進(jìn)化的過程中自然淘汰那些可能導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定的解決方案。

2.3遺傳參數(shù)的選擇

經(jīng)過多輪的試驗(yàn)和調(diào)整，確定了適合本文遺傳算法模型的關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)定了一個(gè)由150個(gè)個(gè)體組成的種群，以確保有足夠的多樣性來探索解空間。選擇率設(shè)置為0.65，以平衡精英主義和多樣性的保持。此外，采用了0.78的較高交叉率來鼓勵(lì)信息在個(gè)體間的廣泛交換，而變異率則定為0.05，以引入新的基因變異但又不至于破壞已經(jīng)適應(yīng)的結(jié)構(gòu)。使用0.68作為隨機(jī)數(shù)種子，以保持實(shí)驗(yàn)的一致性和可重復(fù)性。這些參數(shù)的設(shè)置旨在優(yōu)化算法的搜索能力，同時(shí)保持算法的魯棒性和避免過早收斂到局部?jī)?yōu)解。

3算例仿真

3.1規(guī)劃內(nèi)容

采用了一個(gè)虛擬的電網(wǎng)環(huán)境，對(duì)特定地區(qū)的電力系統(tǒng)進(jìn)行了未來7年內(nèi)的規(guī)劃，其中涉及12個(gè)預(yù)期建立的電源。電力總負(fù)荷及總用電量逐年增長(zhǎng)情況如表1所示。特別地，編號(hào)為9～12的電源是規(guī)劃中的儲(chǔ)能電站，它們的容量取決于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源利用情況，因此無法在規(guī)劃開始前準(zhǔn)確設(shè)定。儲(chǔ)能電站的容量將依據(jù)規(guī)劃過程中的具體情況動(dòng)態(tài)確定，每個(gè)電站由若干儲(chǔ)能單元組成，具體的技術(shù)參數(shù)如表2所示。這種規(guī)劃方法允許在考慮風(fēng)能資源的同時(shí)，靈活調(diào)整儲(chǔ)能電站的規(guī)模，以適應(yīng)實(shí)際需求。

3.2不同規(guī)劃方案的結(jié)果及對(duì)規(guī)劃結(jié)果的分析

本文提出的算法與模型應(yīng)用于對(duì)一個(gè)區(qū)域的電力系統(tǒng)實(shí)施了為期7年的電源規(guī)劃，產(chǎn)生了3種不同的規(guī)劃方案。在方案1中，直接采用了本文描述的算法和模型。方案2則在模型的基礎(chǔ)上做了調(diào)整，允許風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率有一定幅度的波動(dòng)。方案3排除了儲(chǔ)能電站的參與，除此之外，與方案1保持一致。這些方案的比較分析旨在評(píng)估儲(chǔ)能電站的影響以，及風(fēng)電輸出波動(dòng)對(duì)區(qū)域電力系統(tǒng)規(guī)劃的影響。優(yōu)化方案結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，可以觀察到以下現(xiàn)象：①不同的投資選擇導(dǎo)致各電廠啟用的順序有所變化。這主要是由于選址的地理位置、當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件及電廠類型的不同考量，進(jìn)而影響了投資總額。②通過比較不同的投資模型，可以看出總投資成本和電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的吸納能力呈現(xiàn)顯著差異。在方案1和方案3的對(duì)比中，方案1由于納入了儲(chǔ)能電站，多出的投資為109.6億元，但其風(fēng)電消納能力顯著優(yōu)于方案3。這表明儲(chǔ)能電站的引入顯著提升了電網(wǎng)的風(fēng)電消納效率，并降低了庫存與缺貨成本，增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。然而，儲(chǔ)能設(shè)備的高成本也使得經(jīng)濟(jì)投入相應(yīng)增加。③在方案2和方案1的對(duì)比中，盡管風(fēng)電消納能力相近，國(guó)民經(jīng)濟(jì)總投入?yún)s降低了31.4億元。這是因?yàn)榉桨?在不犧牲電力系統(tǒng)可靠性的前提下，允許風(fēng)電場(chǎng)輸出功率有更大的波動(dòng)，減少了所需儲(chǔ)能電站的容量。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)成本隨容量增加而上升，因此總投入相應(yīng)減少。綜合分析可知，本文模型有效展現(xiàn)了儲(chǔ)能電站在增強(qiáng)風(fēng)電消納能力上的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了在風(fēng)電波動(dòng)范圍內(nèi)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性之間的平衡，符合當(dāng)前國(guó)際對(duì)環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展、電能可靠性及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力新形勢(shì)的需求。

4安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-2000MG儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)下級(jí)各儲(chǔ)能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實(shí)現(xiàn)與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級(jí)調(diào)度指令，又可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.2應(yīng)用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲(chǔ)能電站、新能源配儲(chǔ)電站。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

4.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)管

對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁及用電負(fù)荷，同時(shí)也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

4.4.2優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對(duì)負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測(cè)，并結(jié)合分布式電源出力與儲(chǔ)能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

4.4.3收益分析

用戶可以查看光伏、儲(chǔ)能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時(shí)可以切換年報(bào)查看每個(gè)月的電量和收益。

4.4.4能源分析

通過分析光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評(píng)估設(shè)備性能與狀態(tài)。

4.4.5策略配置

微電網(wǎng)配置主要對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運(yùn)行策略及統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行設(shè)置。其中策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5硬件及其配套產(chǎn)品

序號(hào)	設(shè)備	型號(hào)	圖片	說明
1	能量管理系統(tǒng)	Acrel-2000MG		內(nèi)部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，由通信管理機(jī)、工業(yè)平板電腦、串口服務(wù)器、遙信模塊及相關(guān)通信輔件組成。 數(shù)據(jù)采集、上傳及轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器及協(xié)同控制裝置 策略控制:計(jì)劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等
2	顯示器	25.1英寸液晶顯示器		系統(tǒng)軟件顯示載體
3	UPS電源	UPS2000-A-2-KTTS		為監(jiān)控主機(jī)提供后備電源
4	打印機(jī)	HP108AA4		用以打印操作記錄，參數(shù)修改記錄、參數(shù)越限、復(fù)限，系統(tǒng)事故，設(shè)備故障，保護(hù)運(yùn)行等記錄，以召喚打印為主要方式
5	音箱	R19U		播放報(bào)警事件信息
6	工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)解決了通信實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)安全性、本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)等技術(shù)問題
7	GPS時(shí)鐘	ATS1200GB		利用gps同步衛(wèi)星信號(hào)，接收1pps和串口時(shí)間信息，將本地的時(shí)鐘和gps衛(wèi)星上面的時(shí)間進(jìn)行同步
8	交流計(jì)量電表	AMC96L-E4/KC		電力參數(shù)測(cè)量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數(shù)等)、復(fù)費(fèi)率電能計(jì)量、 四象限電能計(jì)量、諧波分析以及電能監(jiān)測(cè)和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協(xié)議:帶開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)斷路器開關(guān)的"遜信“和“遙控”的功能
9	直流計(jì)量電表	PZ96L-DE		可測(cè)量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率、正向與反向電能?？蓭?a href="http://srfitnesspt.com/tags/rs/" target="_blank">RS485通訊接口、模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、開關(guān)量輸入/輸出等功能
10	電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)	APView500		實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變、諾波等電能質(zhì)量，記錄各類電能質(zhì)量事件,定位擾動(dòng)源。
11	防孤島裝置	AM5SE-IS		防孤島保護(hù)裝置，當(dāng)外部電網(wǎng)停電后斷開和電網(wǎng)連接
12	箱變測(cè)控裝置	AM6-PWC		置針對(duì)光伏、風(fēng)能、儲(chǔ)能升壓變不同要求研發(fā)的集保護(hù)，測(cè)控，通訊一體化裝置，具備保護(hù)、通信管理機(jī)功能、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)功能的測(cè)控裝置
13	通信管理機(jī)	ANet-2E851		能夠根據(jù)不同的采集規(guī)的進(jìn)行水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)果集匯總: 提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計(jì)算等多項(xiàng)功能:實(shí)時(shí)多任務(wù)并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可多鏈路上送平臺(tái)據(jù):
14	串口服務(wù)器	Aport		功能:轉(zhuǎn)換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到能量管理系統(tǒng)中。 1)空調(diào)的開關(guān)，調(diào)溫，及完全斷電(二次開關(guān)實(shí)現(xiàn)) 2)上傳配電柜各個(gè)空開信號(hào) 3)上傳UPS內(nèi)部電量信息等 4)接入電表、BSMU等設(shè)備
15	遙信模塊	ARTU-K16		1)反饋各個(gè)設(shè)備狀態(tài)，將相關(guān)數(shù)據(jù)到串口服務(wù)器: 讀消防VO信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(關(guān)機(jī)、事件上報(bào)等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)3)給到上層(水浸信號(hào)事件上報(bào)) 4)讀取門禁程傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)

6結(jié)語

本文通過采用遺傳算法對(duì)電力系統(tǒng)的電源規(guī)劃進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明，儲(chǔ)能電站的引入顯著提升了風(fēng)電的消納能力，并增強(qiáng)了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，為風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用和儲(chǔ)能技術(shù)的集成提供了實(shí)用的規(guī)劃策略，對(duì)促進(jìn)可持續(xù)能源發(fā)展和電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

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作者介紹：
吳春紅，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)殡娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)、變電站運(yùn)維平臺(tái)。
手機(jī):18702111910（微信同號(hào)）

審核編輯 黃宇