新電改背景下產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)容量優(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、供電獨立性好的特點成為配售電側(cè)最主要的改革試點。同時，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)測和線網(wǎng)設(shè)計兩方面的內(nèi)容，分布式電源的出現(xiàn)使得電源側(cè)的容量優(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?，F(xiàn)有研究主要圍繞著容量優(yōu)化配置模型和求解算法兩個方面展開，大都局限于純粹的電源側(cè)優(yōu)化，對容量優(yōu)化配置時負(fù)荷側(cè)的影響研究得較少。隨著配售電側(cè)逐步放開，配售電價機制將更為靈活，電力用戶的用電行為時空分布特性受電價機制的影響程度將加深，這一方面使得負(fù)荷預(yù)測面臨更多的不確定性，增加了負(fù)荷預(yù)測的難度；另一方面，靈活的電價機制也有助于需求側(cè)響應(yīng)（DemandResponse，DR）的實施，增加了負(fù)荷側(cè)運行的靈活性，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)及儲能等多個方面對分布式電源容量優(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特性、需求側(cè)響應(yīng)及源-儲-荷協(xié)調(diào)互動關(guān)系來深層次改善配電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡關(guān)系，進(jìn)而實現(xiàn)配電網(wǎng)分布式電源/儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置的研究尚未見開展。另外，現(xiàn)有研究多數(shù)為基于激勵的可中斷負(fù)荷DR，而對受配售電價放開影響較大的電價類DR研究較少?；诖耍疚拈_展了產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)分布式電源/儲能系統(tǒng)容量優(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)互補特性，提出了風(fēng)光儲多能互補評價指標(biāo)；引入基于日前分時電價的需求側(cè)響應(yīng)機制，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優(yōu)化配置模型進(jìn)行求解；最后利用典型算例對提出的優(yōu)化配置方法進(jìn)行了分析驗證。

3.產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)運行特性分析

3.1系統(tǒng)能量管理策略

本文研究的含風(fēng)光儲多能互補產(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)中通常會配置柴油發(fā)電機、燃料電池系統(tǒng)等發(fā)電設(shè)備作為大電網(wǎng)故障時的應(yīng)急備用電源，這些備用電源的配置需根據(jù)相關(guān)規(guī)定按照一級負(fù)荷、消防負(fù)荷和某些業(yè)主要求的二級重要負(fù)荷容量來計算。

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多能互補特性分析及評價指標(biāo)

多能互補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特性來改善分布式電源出力特性的供能方式。如太陽能與風(fēng)能各自都具有較強的間歇性和波動性，但在時間分布上兩者卻有很強的互補性：白天光照強時，風(fēng)比較小，晚上沒有光照，但風(fēng)能較強；夏季光照強度大而風(fēng)小，冬季光照強度弱而風(fēng)大。很明顯，利用太陽能與風(fēng)能的互補特性，采用風(fēng)光互補發(fā)電方式，可以改善分布式發(fā)電的出力特性。同時，在風(fēng)光互補的基礎(chǔ)上，增加適量的儲能系統(tǒng)，可以進(jìn)一步優(yōu)化多能互補特性。

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數(shù)比兩個指標(biāo)來表征多能互補特性。

4.基于日前分時電價的需求側(cè)響應(yīng)建模

由于實時電價存在測量精度、通訊實時性和管理成本等多個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電價（DayAheadRealTimePrice，DARTP），電力用戶能夠更合理地提前安排第二天的用電計劃，有利于多時段需求側(cè)響應(yīng)的實施。

利用電力需求彈性理論建立的24小時需求側(cè)響應(yīng)模型。在理想情況下，日前分時電價引起的需求側(cè)響應(yīng)只是改變了電力需求的時間分布情況，而其電力總需求不會發(fā)生變化。但在進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)模型時并不能保證一天各時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對應(yīng)的時段內(nèi)，原本可再生能源出力比電力需求大，但通過實施需求側(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段會導(dǎo)致不必要的儲能系統(tǒng)運行成本和大電網(wǎng)供電。在區(qū)域D對應(yīng)的時段內(nèi)，情況剛好相反，電力需求過度移出會導(dǎo)致額外的需求側(cè)響應(yīng)電價補貼成本，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.容量優(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)建立了容量優(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實施成本凈現(xiàn)值。為了簡化計算，假設(shè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)每年發(fā)用電情況、可再生能源電價補貼等因素均相同。

本文將某地區(qū)的一個產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)作為仿真算例，對以上提出的容量優(yōu)化配置方法進(jìn)行仿真驗證。為了兼顧風(fēng)電系統(tǒng)控制的靈活性和單臺發(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)電機組。風(fēng)速、輻照度及負(fù)荷8760小時數(shù)據(jù)來自氣象局和電力公司，電力需求彈性系數(shù)則通過對產(chǎn)業(yè)園區(qū)用戶用電情況實際調(diào)查分析得到。

經(jīng)過仿真計算，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/儲能容量優(yōu)化配置結(jié)果如表1所示。三種配置方案中都是6臺100kW風(fēng)電機組和1484kW光伏，沒有需求側(cè)響應(yīng)時儲能系統(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)模型時儲能系統(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)模型時儲能系統(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)時儲能系統(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)模型時儲能電池減少到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容量優(yōu)化配置結(jié)果

6.結(jié)語

1）由于目前儲能系統(tǒng)成本仍然較高，單純采用儲能系統(tǒng)來調(diào)節(jié)分布式電源和產(chǎn)業(yè)園區(qū)用電負(fù)荷之間的錯配現(xiàn)象經(jīng)濟成本過高，本文提出的產(chǎn)業(yè)園區(qū)供電系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法，重點考慮多能互補和源儲荷協(xié)同特性對容量優(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）針對風(fēng)光儲多能互補特性，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數(shù)比兩個指標(biāo)。通過這兩個指標(biāo)，描述了多能互補特性與產(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；同時分布式電源供電電量不足比也能從多能互補特性的角度來反映需求側(cè)響應(yīng)的實施效果。

3）利用電力需求彈性矩陣對基于日前分時電價的需求側(cè)響應(yīng)進(jìn)行了建模，并針對負(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，該研究對產(chǎn)業(yè)園區(qū)實施基于日前分時電價的需求側(cè)響應(yīng)機制具有一定的實際意義和參考價值。（吳鳴，任學(xué)婧，周丹，蘇劍，寇凌峰，梁惠施）