基于自適應(yīng)分段云模型的可再生能源電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫馳

（北京明耀通達(dá)電力工程設(shè)計(jì)有限公司，北京 100068）

針對(duì)能源短缺問題，開發(fā)了一種新能源，即可再生能源。然而，由于自然條件下的不確定性，單一應(yīng)用一種可再生能源電力系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)效率低下、成本高、難以控制等問題。為了解決這一問題，開發(fā)了可再生能源電力系統(tǒng)。現(xiàn)在的電力系統(tǒng)是獨(dú)立的，在傳送網(wǎng)絡(luò)層次上，系統(tǒng)的工作重心會(huì)受到固定負(fù)荷調(diào)控影響，使輸電網(wǎng)與電源的負(fù)荷一致，這就導(dǎo)致可再生能源電力系統(tǒng)的電力負(fù)荷平衡問題成為阻礙動(dòng)態(tài)配電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素。傳統(tǒng)調(diào)度方法無法充分利用各個(gè)層級(jí)的可調(diào)度資源，從而導(dǎo)致公用節(jié)點(diǎn)的功率失衡。文獻(xiàn)[1]提出的面向用戶側(cè)源儲(chǔ)資源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，通過構(gòu)建的區(qū)塊鏈平臺(tái)，將分布式發(fā)電負(fù)荷進(jìn)行聚合，并進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中可再生能源的直接調(diào)控；文獻(xiàn)[2]提出的多時(shí)間尺度下的調(diào)度系統(tǒng)，充分考慮市場(chǎng)競(jìng)爭及時(shí)間尺度間的調(diào)度關(guān)系，通過分析可再生能源電源、儲(chǔ)能及負(fù)荷需求響應(yīng)，得到需求響應(yīng)時(shí)間尺度特性，以日內(nèi)調(diào)度收益最大為目標(biāo)，調(diào)控電力系統(tǒng)中的可再生能源。然而，上述這兩種方法沒有將電力負(fù)荷平衡因素納入研究中，導(dǎo)致在電力系統(tǒng)中接入可再生能源出現(xiàn)了不可預(yù)計(jì)的各種情況。為此，提出了基于自適應(yīng)分段云模型的可再生能源電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于自適應(yīng)分段云模型的可再生能源電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力、太陽能進(jìn)行了綜合利用，對(duì)節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)具有重要作用，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，風(fēng)力通過風(fēng)扇帶動(dòng)外面的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，采用了光電變換板，把太陽能轉(zhuǎn)換成直流電，再把它變成內(nèi)轉(zhuǎn)子的直流繞組[3]。內(nèi)饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)已經(jīng)投入使用，可以為用戶提供電力，多余的電能被整流器整流并儲(chǔ)存起來。

1.1 內(nèi)窺式感應(yīng)發(fā)電機(jī)

如果對(duì)可再生資源強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，會(huì)導(dǎo)致供電不穩(wěn)定。所以，必須采用電池、超級(jí)電容這樣的高能量存儲(chǔ)裝置[4]。將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電，將風(fēng)能（海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮埽┺D(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過一種新的能量轉(zhuǎn)換裝置，在出口處獲取兩者的能量總和（穩(wěn)定電力），這種能量轉(zhuǎn)換裝置稱為內(nèi)饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 內(nèi)饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，太陽能通過光電轉(zhuǎn)化為DC，通過電線流入內(nèi)轉(zhuǎn)子1 的DC 線圈，在內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)形成一個(gè)磁場(chǎng)[5]。這時(shí)，當(dāng)風(fēng)力（生物質(zhì)能、地?zé)岬龋┯娠L(fēng)力（渦輪機(jī)）驅(qū)動(dòng)電機(jī)外殼和外部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在外部轉(zhuǎn)子處的閉合線圈中會(huì)產(chǎn)生一種電動(dòng)勢(shì)，從而在電路中形成相應(yīng)的電場(chǎng)[6-7]。內(nèi)轉(zhuǎn)子三相交流繞組在該磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生逆向電動(dòng)勢(shì)，在導(dǎo)線上形成三相交流電，供用戶使用[8]。

1.2 電力轉(zhuǎn)換器

電力轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)變流器、兩個(gè)變壓器和一個(gè)雙回路組成。在主饋線上串聯(lián)一個(gè)變流器和一個(gè)變壓器，用于對(duì)主回路的電壓進(jìn)行補(bǔ)償，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電力轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，電力轉(zhuǎn)換器在兩條饋線之間仍然保持著與變壓器的連接，所以可以為各側(cè)的獨(dú)立變壓器提供合適的匝數(shù)比例，從而使該系統(tǒng)能夠適用于任何功率饋線，用以均衡電力[9-10]。

1.3 光熱互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

光熱互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用了高倍激光的光電光熱互補(bǔ)組件，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 光熱互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖4 可以看出，太陽光首先通過菲涅耳透鏡的點(diǎn)聚焦，集中于副光學(xué)元件。然后利用副光學(xué)元件聚集太陽光，使其變得更均勻[11]。太陽光集中到三結(jié)砷化太陽能電池的表面，然后將其轉(zhuǎn)化為電能和熱能。電能從電網(wǎng)供應(yīng)給用戶，也可以通過儲(chǔ)能裝置供應(yīng)。熱能的利用是通過加熱的方式將熱能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量供給。剩余的熱能由儲(chǔ)熱盒儲(chǔ)存[12]。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

為了解決電力系統(tǒng)中的不均衡問題，設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)分段云模型的可再生能源電力系統(tǒng)的軟件部分。電力負(fù)荷是指在電網(wǎng)中不同資源的利用率，因?yàn)槊總€(gè)計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷是不平衡的，所以有一些任務(wù)在等待服務(wù)，而另一些則是低負(fù)荷甚至是閑置的[13]。電力負(fù)荷平衡就是把負(fù)荷主機(jī)下的任務(wù)轉(zhuǎn)移到一個(gè)較小負(fù)荷的主機(jī)上，使得整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷達(dá)到一個(gè)平衡，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率[14]。

2.1 基于自適應(yīng)分段云模型負(fù)荷數(shù)據(jù)相似度計(jì)算

在描述分布式調(diào)度任務(wù)之前，首先要建立一個(gè)單一的區(qū)域，同時(shí)考慮多個(gè)不確定負(fù)荷平衡的分布式調(diào)度模式，并對(duì)其進(jìn)行了分析。在調(diào)度算法中，考慮電力系統(tǒng)電荷不均衡問題，提出了一種基于自適應(yīng)分段云模型的負(fù)荷數(shù)據(jù)相似度計(jì)算方法。

對(duì)于系統(tǒng)中可再生能源不確定性因素i在時(shí)間段t內(nèi)產(chǎn)生的力，可描述為：

負(fù)荷w在時(shí)間段t內(nèi)的預(yù)測(cè)結(jié)果可表示為：

針對(duì)連續(xù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的局部特征，提出了一種基于自適應(yīng)分段云模型負(fù)荷數(shù)據(jù)相似度計(jì)算方法。首先，通過云模型的熵判斷分段聚集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，使其能夠自適應(yīng)地產(chǎn)生穩(wěn)定的云模型[15]。其次，使用基于云模型的序列相似度的方法，可以在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)對(duì)相同的連續(xù)指標(biāo)進(jìn)行近似估算，從而得到最優(yōu)解[16]。

充分考慮基礎(chǔ)云對(duì)綜合云的貢獻(xiàn)程度，計(jì)算兩個(gè)云的相似度，公式為：

式中，S1、S2分別表示基礎(chǔ)云X1和綜合云X2的區(qū)域面積；Sz表示綜合云與橫軸構(gòu)造的面積。

充分考慮云模型的熵，需要對(duì)式（3）進(jìn)行修正，修正結(jié)果如下：

式中，En表示云模型的熵；He表示云模型的超熵。

充分考慮不確定性因素，以修正相似度計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，剔除重復(fù)數(shù)據(jù)，為可再生能源電力負(fù)荷調(diào)度提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2.2 負(fù)荷平衡調(diào)度方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中全部電力負(fù)荷偏差都是由電力機(jī)組按照一定參與系數(shù)來承擔(dān)的，這樣不僅可以保證系統(tǒng)的負(fù)荷均衡，而且可以確定系統(tǒng)的調(diào)度目標(biāo)，其函數(shù)表示為：

式中，t表示系統(tǒng)正常工作的時(shí)間；t′表示在負(fù)荷缺失情況下的工作時(shí)間；t″表示有負(fù)荷情況下的工作時(shí)間；Ri表示調(diào)整前的可再生資源強(qiáng)度；R′i表示調(diào)整后可再生資源強(qiáng)度；P表示電力系統(tǒng)處理過程存在的不確定性因素。

基于此，設(shè)計(jì)負(fù)荷平衡調(diào)度方案如下：

步驟一：采用現(xiàn)有的索引服務(wù)對(duì)資源進(jìn)行采集，在無負(fù)載狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)服務(wù)節(jié)點(diǎn)通信內(nèi)容的存儲(chǔ)。

步驟二：在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)某個(gè)資源節(jié)點(diǎn)負(fù)荷過大，則按式（5）進(jìn)行負(fù)荷平衡分配。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了證明基于自適應(yīng)分段云模型的可再生能源電力系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在城市電網(wǎng)中，選擇一種具有一定規(guī)模的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)置了15 m/s 的風(fēng)速，以此為背景條件，分析電力系統(tǒng)備用需求與發(fā)電機(jī)組停運(yùn)率之間的關(guān)系，如表1 所示。

由表1 可知，當(dāng)電力系統(tǒng)工作時(shí)，風(fēng)電機(jī)組自行、強(qiáng)迫停運(yùn)率與電力系統(tǒng)備用需求之間存在線性關(guān)系，隨著停運(yùn)率變大而增加。

基于上述實(shí)驗(yàn)背景，設(shè)計(jì)理想情況下無線接收器單元電力負(fù)荷平衡的調(diào)度情況，如圖5 所示。

表1 備用需求與機(jī)組停運(yùn)率之間的關(guān)系

圖5 理想情況下無線接收器單元電力負(fù)荷平衡調(diào)度結(jié)果

由圖5 可知，Pmin是無線接收器單元能夠調(diào)節(jié)的下限功率；Pmax是是無線接收器單元能夠調(diào)節(jié)的上限功率；P2是啟停臨界點(diǎn)功率。調(diào)度結(jié)果可描述為，在T1時(shí)刻以前，無線接收器單元穩(wěn)定運(yùn)行在P1功率附近。T1時(shí)刻以后，系統(tǒng)控制程序?qū)υ搯卧掳l(fā)了控制命令，使得無線接收器單元開始出力，跨出調(diào)節(jié)死區(qū)。在T2時(shí)刻后，P3為啟磨區(qū)域，一直到T3時(shí)刻啟磨過程才結(jié)束，無線接收器單元繼續(xù)出力。T4又進(jìn)入調(diào)節(jié)死區(qū)，在P4范圍波動(dòng)，并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。T5時(shí)刻，系統(tǒng)控制程序又對(duì)該單元發(fā)出新的控制命令，功率大幅度下降，直到T7時(shí)刻，功率下降到P2，并在其附近穩(wěn)定運(yùn)行。

將實(shí)驗(yàn)指標(biāo)作為實(shí)驗(yàn)分析依據(jù)，分別使用面向用戶側(cè)源儲(chǔ)資源優(yōu)化調(diào)度的系統(tǒng)、多時(shí)間尺度下的調(diào)度系統(tǒng)和基于自適應(yīng)分段云模型的系統(tǒng)，對(duì)比分析電力負(fù)荷平衡調(diào)度結(jié)果，如圖6 所示。

由圖6（a）可知，使用該系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)果與理想結(jié)果均不一致，尤其在T7時(shí)刻，功率下降到P1，與理想調(diào)度結(jié)果P3不一致，說明使用該系統(tǒng)無法平衡調(diào)度電力負(fù)荷。

由圖6（b）可知，使用該系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)果只有在T7時(shí)刻與理想結(jié)果一致，其余結(jié)果均與理想結(jié)果不一致。

由圖6（c）可知，使用該模型在兩個(gè)調(diào)節(jié)死區(qū)出現(xiàn)了調(diào)節(jié)時(shí)間偏長的問題，與理想調(diào)度結(jié)果存在一定偏差，但該模型通過縮短時(shí)間快速調(diào)節(jié)的方式，使其在理想時(shí)間內(nèi)又達(dá)到理想狀態(tài)，說明該模型能夠平衡調(diào)度電力負(fù)荷。

圖6 三種系統(tǒng)電力負(fù)荷平衡調(diào)度結(jié)果對(duì)比

通過上述分析結(jié)果可知，使用基于自適應(yīng)分段云模型的系統(tǒng)，具有平衡調(diào)度電力負(fù)荷的功能，說明使用該系統(tǒng)能夠均衡調(diào)度可再生能源。

4 結(jié)束語

該文設(shè)計(jì)的基于自適應(yīng)分段云模型的可再生能源電力系統(tǒng)，根據(jù)可再生能源集中接入電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用自適應(yīng)分段云模型，給出了一種兼顧多種不確定條件下的平衡調(diào)度電力負(fù)荷方案。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)與理想調(diào)度結(jié)果基本一致，能夠確定電力系統(tǒng)備用需求，具有較好的平衡調(diào)度電力負(fù)荷性能，一定程度上可以有效實(shí)現(xiàn)均衡調(diào)度可再生能源。