產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)優(yōu)化配置方法研究

新電改背景下產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置方法研究

1.研究背景

隨著新一輪電力體制改革在全國(guó)各地的深入推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)園區(qū)由于用電量大、用能形式多樣、供電獨(dú)立性好的特點(diǎn)成為配售電側(cè)最主要的改革試點(diǎn)。同時(shí)，采用分布式新能源發(fā)電來替代傳統(tǒng)的配電網(wǎng)集中式供電模式是產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。

傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)規(guī)劃一般只包含負(fù)荷預(yù)測(cè)和線網(wǎng)設(shè)計(jì)兩方面的內(nèi)容，分布式電源的出現(xiàn)使得電源側(cè)的容量?jī)?yōu)化配置問題成為產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)規(guī)劃中的關(guān)鍵性問題。現(xiàn)有研究主要圍繞著容量?jī)?yōu)化配置模型和求解算法兩個(gè)方面展開，大都局限于純粹的電源側(cè)優(yōu)化，對(duì)容量?jī)?yōu)化配置時(shí)負(fù)荷側(cè)的影響研究得較少。隨著配售電側(cè)逐步放開，配售電價(jià)機(jī)制將更為靈活，電力用戶的用電行為時(shí)空分布特性受電價(jià)機(jī)制的影響程度將加深，這一方面使得負(fù)荷預(yù)測(cè)面臨更多的不確定性，增加了負(fù)荷預(yù)測(cè)的難度；另一方面，靈活的電價(jià)機(jī)制也有助于需求側(cè)響應(yīng)（DemandResponse，DR）的實(shí)施，增加了負(fù)荷側(cè)運(yùn)行的靈活性，為電源側(cè)提供了進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

現(xiàn)有研究已經(jīng)分別從發(fā)電側(cè)、需求側(cè)及儲(chǔ)能等多個(gè)方面對(duì)分布式電源容量?jī)?yōu)化配置問題展開了分析，不足的是關(guān)于綜合利用多能互補(bǔ)特性、需求側(cè)響應(yīng)及源-儲(chǔ)-荷協(xié)調(diào)互動(dòng)關(guān)系來深層次改善配電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)分布式電源/儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置的研究尚未見開展。另外，現(xiàn)有研究多數(shù)為基于激勵(lì)的可中斷負(fù)荷DR，而對(duì)受配售電價(jià)放開影響較大的電價(jià)類DR研究較少?；诖?，本文開展了產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)分布式電源/儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置方法的研究。

2.主要技術(shù)路線

本文首先通過分析產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)能量管理策略及分布式風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)互補(bǔ)特性，提出了風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)；引入基于日前分時(shí)電價(jià)的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制，利用電力需求彈性矩陣建立需求側(cè)響應(yīng)模型，并針對(duì)基于傳統(tǒng)電力需求彈性矩陣建立的需求側(cè)響應(yīng)模型存在著電力轉(zhuǎn)移不平衡及需求側(cè)過度響應(yīng)等問題，提出了改進(jìn)的需求側(cè)響應(yīng)模型；在此基礎(chǔ)上，建立以總費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)的園區(qū)供電系統(tǒng)分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，并利用遺傳算法與模式搜索算法相結(jié)合的組合型智能算法對(duì)優(yōu)化配置模型進(jìn)行求解；最后利用典型算例對(duì)提出的優(yōu)化配置方法進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

3.產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

3.1系統(tǒng)能量管理策略

本文研究的含風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，系統(tǒng)除了可以由大電網(wǎng)獲取電能以外，還可以由光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)等多類型分布式電源供電。另外，產(chǎn)業(yè)園區(qū)中通常會(huì)配置柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池系統(tǒng)等發(fā)電設(shè)備作為大電網(wǎng)故障時(shí)的應(yīng)急備用電源，這些備用電源的配置需根據(jù)相關(guān)規(guī)定按照一級(jí)負(fù)荷、消防負(fù)荷和某些業(yè)主要求的二級(jí)重要負(fù)荷容量來計(jì)算。

圖1產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于分布式電源/儲(chǔ)能容量配置與供電系統(tǒng)的能量管理策略密切相關(guān)，本文供電系統(tǒng)采用的能量管理策略如圖2所示。

圖2能量管理策略

3.2多能互補(bǔ)特性分析及評(píng)價(jià)指標(biāo)

多能互補(bǔ)是一種采用多種類型分布式電源，并利用不同分布式電源之間的互補(bǔ)特性來改善分布式電源出力特性的供能方式。如太陽(yáng)能與風(fēng)能各自都具有較強(qiáng)的間歇性和波動(dòng)性，但在時(shí)間分布上兩者卻有很強(qiáng)的互補(bǔ)性：白天光照強(qiáng)時(shí)，風(fēng)比較小，晚上沒有光照，但風(fēng)能較強(qiáng)；夏季光照強(qiáng)度大而風(fēng)小，冬季光照強(qiáng)度弱而風(fēng)大。很明顯，利用太陽(yáng)能與風(fēng)能的互補(bǔ)特性，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電方式，可以改善分布式發(fā)電的出力特性。同時(shí)，在風(fēng)光互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，增加適量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以進(jìn)一步優(yōu)化多能互補(bǔ)特性。

本文提出分布式電源供電電量不足比和分布式電源供電不足小時(shí)數(shù)比兩個(gè)指標(biāo)來表征多能互補(bǔ)特性。

4.基于日前分時(shí)電價(jià)的需求側(cè)響應(yīng)建模

由于實(shí)時(shí)電價(jià)存在測(cè)量精度、通訊實(shí)時(shí)性和管理成本等多個(gè)方面的局限性難以得到推廣，而通過日前制定第二天的分時(shí)電價(jià)（DayAheadRealTimePrice，DARTP），電力用戶能夠更合理地提前安排第二天的用電計(jì)劃，有利于多時(shí)段需求側(cè)響應(yīng)的實(shí)施。

利用電力需求彈性理論建立的24小時(shí)需求側(cè)響應(yīng)模型。在理想情況下，日前分時(shí)電價(jià)引起的需求側(cè)響應(yīng)只是改變了電力需求的時(shí)間分布情況，而其電力總需求不會(huì)發(fā)生變化。但在進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)模型時(shí)并不能保證一天各時(shí)段移入和移出的電力需求保持相等。另外，DR模型還存在過度響應(yīng)的問題。如圖3所示，在區(qū)域A對(duì)應(yīng)的時(shí)段內(nèi)，原本可再生能源出力比電力需求大，但通過實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)以后，可再生能源出力反而比電力需求小，電力需求過度移入到該時(shí)段會(huì)導(dǎo)致不必要的儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本和大電網(wǎng)供電。在區(qū)域D對(duì)應(yīng)的時(shí)段內(nèi)，情況剛好相反，電力需求過度移出會(huì)導(dǎo)致額外的需求側(cè)響應(yīng)電價(jià)補(bǔ)貼成本，并引起不必要的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。

圖3 DARTP-DR過度響應(yīng)

基于上述分析，本文提出了一種基于電力需求彈性矩陣的DR模型修正方法。

5.容量?jī)?yōu)化配置方法

以產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)綜合成本凈現(xiàn)值最小為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)建立了容量?jī)?yōu)化配置模型。綜合成本凈現(xiàn)值包括初始投資成本凈現(xiàn)值、運(yùn)行維護(hù)成本凈現(xiàn)值、可再生能源發(fā)電收入凈現(xiàn)值和DR實(shí)施成本凈現(xiàn)值。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)每年發(fā)用電情況、可再生能源電價(jià)補(bǔ)貼等因素均相同。

本文將某地區(qū)的一個(gè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)作為仿真算例，對(duì)以上提出的容量?jī)?yōu)化配置方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。為了兼顧風(fēng)電系統(tǒng)控制的靈活性和單臺(tái)發(fā)電容量，選用的風(fēng)電系統(tǒng)為100kW可變槳永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)速、輻照度及負(fù)荷8760小時(shí)數(shù)據(jù)來自氣象局和電力公司，電力需求彈性系數(shù)則通過對(duì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)用戶用電情況實(shí)際調(diào)查分析得到。

經(jīng)過仿真計(jì)算，沒有需求側(cè)響應(yīng)、采用傳統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)模型和采用改進(jìn)型需求側(cè)響應(yīng)模型的產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)分布式電源/儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果如表1所示。三種配置方案中都是6臺(tái)100kW風(fēng)電機(jī)組和1484kW光伏，沒有需求側(cè)響應(yīng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置容量為3882kW˙h，額定功率為1066kW，采用傳統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)模型時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置容量為3623kW˙h，額定功率為931kW，采用改進(jìn)型需求側(cè)響應(yīng)模型時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置容量為3589kW˙h，額定功率為919kW，并且沒有需求側(cè)響應(yīng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池更換次數(shù)為6次，而采用傳統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)或改進(jìn)型需求側(cè)響應(yīng)模型時(shí)儲(chǔ)能電池減少到4次，三種配置方案的綜合成本分別為3106萬元、2692萬元和2588萬元。顯然，由于消除了DR過度響應(yīng)的問題，采用改進(jìn)型需求響應(yīng)模型的容量配置方案經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于采用傳統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)模型的容量配置方案。

表1容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果

6.結(jié)語

1）由于目前儲(chǔ)能系統(tǒng)成本仍然較高，單純采用儲(chǔ)能系統(tǒng)來調(diào)節(jié)分布式電源和產(chǎn)業(yè)園區(qū)用電負(fù)荷之間的錯(cuò)配現(xiàn)象經(jīng)濟(jì)成本過高，本文提出的產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置方法，重點(diǎn)考慮多能互補(bǔ)和源儲(chǔ)荷協(xié)同特性對(duì)容量?jī)?yōu)化配置的影響，可以有效降低供電系統(tǒng)容量配置綜合成本。

2）針對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)特性，本文提出了分布式電源供電電量不足比和分布式電源供電不足小時(shí)數(shù)比兩個(gè)指標(biāo)。通過這兩個(gè)指標(biāo)，描述了多能互補(bǔ)特性與產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)容量配置綜合成本之間的關(guān)系；同時(shí)分布式電源供電電量不足比也能從多能互補(bǔ)特性的角度來反映需求側(cè)響應(yīng)的實(shí)施效果。

3）利用電力需求彈性矩陣對(duì)基于日前分時(shí)電價(jià)的需求側(cè)響應(yīng)進(jìn)行了建模，并針對(duì)負(fù)荷轉(zhuǎn)移平衡及需求側(cè)過度響應(yīng)等問題，提出了相應(yīng)的需求側(cè)響應(yīng)模型修正方法，提高了需求側(cè)響應(yīng)模型的合理性和準(zhǔn)確性，該研究對(duì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)實(shí)施基于日前分時(shí)電價(jià)的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制具有一定的實(shí)際意義和參考價(jià)值。（吳鳴，任學(xué)婧，周丹，蘇劍，寇凌峰，梁惠施）