新能源電力系統(tǒng)復合儲能多目標優(yōu)化研究

李 媛，遲 昆，王 洲，彭 婧，賈春蓉

(國網甘肅省電力公司經濟技術研究院，甘肅 蘭州 730050)

隨著人類社會的不斷發(fā)展，能源危機成為各國共同關心的課題。當前，不可再生能源在社會的發(fā)展中占有主導地位，對其的過度開發(fā)導致了嚴重的能源危機以及環(huán)境污染問題[1-2]。鑒于能源短缺以及自然環(huán)境污染等問題，構建新能源電力系統(tǒng)刻不容緩。在分布式新能源電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的今天，為緩解分布式電源控制效果較差的問題，儲能單元的概念逐漸被提出。目前，儲能單元的容量選擇多按照電力系統(tǒng)中的設備個數(shù)配置儲能配件，理論依據(jù)較差。相關資料表明，將儲能裝置與電容器共同組成復合儲能的方式，可以充分利用兩者的優(yōu)點，提升電力系統(tǒng)中蓄電池的充電與放電效果[3]。

在電力系統(tǒng)中，由于設備的不斷增加，當前的復合儲能單元的性能問題慢慢凸顯，為提升其使用效果，需要對其展開針對性優(yōu)化。當前使用的新能源電力系統(tǒng)復合儲能優(yōu)化方法在使用后僅能對其單一性能展開優(yōu)化，這種優(yōu)化方式不具備經濟性。張濤等[4]提出了一種可再生能源發(fā)電量規(guī)劃以及投資收益優(yōu)化模型，此模型通過控制儲能單元的充放電過程，達到提升經濟效益的目的。此種優(yōu)化方式僅僅能完成單一的優(yōu)化項目，儲能單元優(yōu)化是一種較為復雜的工作，單一的優(yōu)化結果無法滿足其工作需求。為此，在此次研究中，選擇機會約束規(guī)劃技術作為儲能單元優(yōu)化中的核心技術，設計基于機會約束規(guī)劃的新能源電力系統(tǒng)復合儲能多目標優(yōu)化方法。希望通過此方法，改善當前儲能單元中的性能問題，實現(xiàn)新能源電力系統(tǒng)的推廣應用。

1 復合儲能多目標優(yōu)化設計

1.1 發(fā)電單元結構特征

新能源一般指可以在新技術基礎上可開發(fā)再利用的能源。當前常見的能量類型包括太陽能、生物質能、風能、光能、地熱能、潮汐能等[5-6]。此次研究中主要對光能與風能展開研究。

將風力發(fā)電機設置固定的輸出功率，發(fā)電功率與風速之間的關系如圖1所示。

圖1 風力發(fā)電機功率與風速之間的關系

由圖1可以看出，在風力發(fā)電的過程中，風速對風力發(fā)電功率具有一定的影響[7]。當發(fā)電機的輸出功率與風速相差較大時，風機中的保護裝置會暫停風機的工作。

光伏發(fā)電指的是半導體的光電效應，應用太陽電池板、控制器、電子元器件等進行串聯(lián)組成的發(fā)電裝置，如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電實景

選擇光能風能作為新能源電力系統(tǒng)的發(fā)電來源具有安全、環(huán)保、無噪音等優(yōu)點，不受資源分布和地域分布的限制，節(jié)省了燃料消耗和架設輸電線路的成本，能源質量較為穩(wěn)定。

1.2 數(shù)學模型構建

通過風能光能的發(fā)電原理，構建電力系統(tǒng)符合能源容量數(shù)學模型。得到了風機的輸出功率，才能確定風力發(fā)電機的使用效果。其具體公式如下：

(1)

(2)

式中，Ahi，j為發(fā)電機的實際發(fā)電功率；As為固定功率；Vb1為發(fā)電機的切入風速；Vb2為發(fā)電機的切出風速；Ve為發(fā)電機的預設風速；Vk為發(fā)電機安裝位置的風速；q為發(fā)電機的安裝高度；qk為發(fā)電機安裝高度的實測風速。

光伏發(fā)電的功率具有明顯的非線性，并主要受到光照與環(huán)境溫度的影響[8-9]。根據(jù)此原理，可得到光伏發(fā)電的輸出功率：

(3)

式中，Aw為正常環(huán)境下光伏功率；T1為該發(fā)電模塊運行溫度；QW為工作周期中的光照強度；p為計算運行溫度的系數(shù)；TW為該系數(shù)的標準參考值。

將此部分計算內容與風能計算部分相結合，可得到復合能源儲能容量的數(shù)學模型，復合儲能單元的荷電狀態(tài)在充電時可表示為：

(4)

根據(jù)此公式可得到放電過程的儲能單元荷電狀態(tài)：

(5)

式中，L為某時刻下儲能單元的特點狀態(tài)；δ為放電率；U為充電功率；H為儲能單元容量；ω為充電效率；ω′為放電效率；Δt為研究周期。在此次研究中，將式(4)與式(5)作為電力系統(tǒng)復合能源容量數(shù)學模型，為此次優(yōu)化提供基礎。

2 基于機會約束規(guī)劃的優(yōu)化

2.1 復合儲能目標函數(shù)設定

研究中將主要對復合儲能單元的運行成本與電量流失部分展開優(yōu)化。一般情況下，針對儲能單元的運行成本多采用成本函數(shù)[10-11]進行計算，通常通過對儲能單元中的控制器、逆變器、卸荷器運行成本求和獲得。主要對電量流失目標函數(shù)進行設定，假設在新能源電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)的發(fā)電量已經無法滿足其他設備的電能要求，如果新能源電力系統(tǒng)中儲能部分可達到預設的設備電能，在電力系統(tǒng)運行的過程中會產生電荷量流失Δx[12-15]，可通過前一天儲能單元中的剩余電量與光能風能電池發(fā)電量之和，減去當日的電能需求量計算得出。當Δx>0時，保證儲能單元可實現(xiàn)能源供給；當Δx≤0時，表示儲能單元不能實現(xiàn)能源供給。在此次目標函數(shù)設定的過程中，將其約束條件設定為電力系統(tǒng)中各設備的使用數(shù)量，以此完成目標函數(shù)的構建過程。

2.2 復合儲能優(yōu)化函數(shù)機會約束規(guī)劃求解

為對上文中設定的目標函數(shù)進行求解，使用機會約束規(guī)劃技術完成目標函數(shù)的求解過程。將目標函數(shù)劃分為期望值、機會約束條件以及相關機會規(guī)劃[16-17]。根據(jù)機會約束規(guī)劃技術，可將此次研究的目標函數(shù)求解過程設定為如圖3所示。

圖3 機會約束規(guī)劃目標函數(shù)約束示意

利用上述模型進行求解時，可出現(xiàn)多種優(yōu)化方案，為在此方案中選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)解，將儲能最優(yōu)方案的約束條件設定為：

(6)

式中，qi為儲能優(yōu)化計算過程中的隨機變量；Z為系統(tǒng)的電力總功；Zi為電力系統(tǒng)承載總負荷；E與E′分別為儲能單元中的正備用與負備用[18]；μ為置信度函數(shù)。根據(jù)此式(6)可確定優(yōu)化方案應用后的置信度水平，根據(jù)此數(shù)據(jù)可設定最優(yōu)優(yōu)化方案求解模型，具體模型如下所示：

(7)

式中，m為計算過程中的機會約束條件。

完成此計算后，可得到目標函數(shù)的最優(yōu)解。采用粒子群算法[19-20]將儲能單元的發(fā)電能力作為計算中的約束條件，滿足L≤L′≤L+L′，對以上公式進行整合。至此，基于機會約束規(guī)劃的新能源電力系統(tǒng)復合儲能多目標優(yōu)化方法設計完成。

3 實例分析

3.1 實驗參數(shù)與環(huán)境

研究中使用機會約束規(guī)劃技術，構建了新能源電力系統(tǒng)復合儲能多目標優(yōu)化方法。為證實此方法具有一定的研究價值，選擇本地區(qū)某電力能源企業(yè)的新能源改進電力系統(tǒng)位實驗對象，此系統(tǒng)中含有15臺光能發(fā)電機，2個風力電廠以及1個復合儲能單元。風電場的負荷曲線數(shù)據(jù)來源于以往研究中的技術數(shù)據(jù)，在原始數(shù)據(jù)的基礎上等比例縮放，為此次算例實驗提供基礎(表1)。

表1 風力發(fā)電實驗數(shù)據(jù)

儲能單元的額定充放電功率為200 MW，電量釋放區(qū)間為50～500 MWh。實驗中的復合儲能單元的充放電功率波動特征如圖4所示。

圖4 復合儲能單元的充放電功率波動特征

在復合儲能優(yōu)化的過程中，儲能設備壽命損耗參考值設定為0。電力系統(tǒng)中各組件運行成本設定見表2。

表2 算例電力系統(tǒng)組件個數(shù)及單價

使用上述數(shù)據(jù)完成算例實驗過程。為研究此次提出優(yōu)化方法的可行性，在不考慮儲能單元壽命消耗的前提下，利用機會約束優(yōu)化方法對復合儲能單元展開優(yōu)化。與此同時，將電力系統(tǒng)的最小運行成本以及電力系統(tǒng)電量流失率作為優(yōu)化目標，計算復合儲能優(yōu)化目標函數(shù)，以此實現(xiàn)復合儲能單元的最優(yōu)配置。將實驗環(huán)境設定為冬季與夏季，對用電量較大的2個季節(jié)優(yōu)化結果展開分析，確定機會約束優(yōu)化方法的使用性能。

3.2 算例結果分析

3.2.1 成本優(yōu)化結果分析

已知電力系統(tǒng)運行成本計算公式由電力系統(tǒng)全部設備的運行成本相加得到。因此，根據(jù)此公式可得到電力系統(tǒng)最小運行成本如圖5所示。

圖5 電力系統(tǒng)最小運行成本優(yōu)化結果

在對電力系統(tǒng)的最小運行成本進行優(yōu)化后，得到上述實驗結果。對此部分數(shù)據(jù)進行分析后可以看出，當發(fā)電量一致的情況下，在冬季與夏季的3個月份中，電力系統(tǒng)的運行成本得到了控制，且未出現(xiàn)大幅提升或驟降的情況。實驗結果表明，復合儲能單元進行優(yōu)化后，實現(xiàn)了節(jié)約運行成本的優(yōu)化目標。

3.2.2 電量流失率優(yōu)化結果分析

在電力系統(tǒng)電量流失率優(yōu)化過程中，根據(jù)復合儲能單元的充放電功率波動特征，結合上文計算公式，將表1數(shù)據(jù)輸入復合能源容量數(shù)學模型，確定電力系統(tǒng)電量流失率具體數(shù)據(jù)。將電力系統(tǒng)最小運行成本與電力系統(tǒng)電量流失率同時作為優(yōu)化目標，通過復合儲能優(yōu)化目標函數(shù)的計算，得出復合儲能單元的最佳配置。電力系統(tǒng)電量流失率優(yōu)化結果如圖6所示。

圖6 電力系統(tǒng)電量流失率優(yōu)化結果

對上述實驗結果進行分析后可以看出，機會約束優(yōu)化方法使用后，在實現(xiàn)電力系統(tǒng)最小運行成本優(yōu)化的同時，也完成了對電力系統(tǒng)電量流失率的控制。在為期3個月的計算周期中，電力系統(tǒng)電量流失率達到了歷史數(shù)據(jù)中的最低值，并維持了整個實驗周期。根據(jù)此實驗結果可以確定，機會約束優(yōu)化方法能夠實現(xiàn)電力系統(tǒng)的高效運行，且使用其進行優(yōu)化的過程中可同時對多個目標展開處理。

根據(jù)實驗結果可知，機會約束規(guī)劃技術使用后可實現(xiàn)復合儲能單元多目標優(yōu)化。在日后的新能源電力系統(tǒng)管理過程中，可將機會約束優(yōu)化方法作為儲能單元的主要控制技術。

4 結語

隨著新能源電力系統(tǒng)比例的提升，復合儲能系統(tǒng)的性能逐漸成為影響電力系統(tǒng)應用效果的重要因素。針對當前復合儲能單元優(yōu)化方法的不足，在此次研究中提出一種新型優(yōu)化方法，并取得了相應的研究成果。后續(xù)研究中，將在此次研究的基礎上提出更加優(yōu)異的優(yōu)化方法，為新能源電力系統(tǒng)應用效果的提升作出貢獻。