基于儲(chǔ)能電站提升風(fēng)電消納能力的電源規(guī)劃研究淺析

摘要：本文提出基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型，以提升電網(wǎng)風(fēng)電消納能力與系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過(guò)構(gòu)建方案，分析儲(chǔ)能電站引入對(duì)電力系統(tǒng)的多方面影響，包括提升風(fēng)電消納能力、電網(wǎng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益等。盡管儲(chǔ)能設(shè)施初期投資高，但長(zhǎng)期能降低運(yùn)行成本、提高電網(wǎng)可靠性。此外，探討了允許風(fēng)電輸出波動(dòng)對(duì)規(guī)劃結(jié)果的積極作用及降低投資成本策略。

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)加劇，可再生能源開(kāi)發(fā)成為各國(guó)共同選擇，風(fēng)能作為清潔能源代表備受關(guān)注。但其間歇性和不穩(wěn)定性給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和風(fēng)電大規(guī)模消納帶來(lái)挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能電站提高風(fēng)電消納能力工作機(jī)理該研究關(guān)注通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)提升風(fēng)電利用效率和穩(wěn)定性。風(fēng)能雖環(huán)保但不穩(wěn)定，風(fēng)速變化致發(fā)電量波動(dòng)，儲(chǔ)能電站通過(guò)存儲(chǔ)風(fēng)速高時(shí)多余電力，風(fēng)速減弱時(shí)釋放電力，保障電網(wǎng)穩(wěn)定供電。

2模型求解的流程

• 基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型求解流程如圖 1 所示。遺傳算法是用于解決優(yōu)化和搜索問(wèn)題的啟發(fā)式算法。

• 基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型求解流程如圖 1 所示。遺傳算法是用于解決優(yōu)化和搜索問(wèn)題的啟發(fā)式算法。
• 流程從 “開(kāi)始” 出發(fā)，首先是 “種群初始化”，創(chuàng)建包含多個(gè)個(gè)體的種群，每個(gè)個(gè)體代表電源規(guī)劃問(wèn)題的潛在解決方案，且有適應(yīng)度值指示解決問(wèn)題能力。
• 接著 “計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度”，基于系統(tǒng)數(shù)據(jù)和參數(shù)約束計(jì)算每個(gè)個(gè)體適應(yīng)度值，適應(yīng)度值高的個(gè)體被認(rèn)為是更好的解決方案。
• 然后是 “滿(mǎn)足條件” 判定環(huán)節(jié)，檢查當(dāng)前種群是否達(dá)到停止條件，如解決方案精度要求或預(yù)設(shè)迭代次數(shù)。

• 在 “選擇” 階段，根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度進(jìn)行選擇，適應(yīng)度較高的個(gè)體有更高機(jī)會(huì)被選中參與下一代生成，模仿自然選擇原則。
• “交叉” 是指選定個(gè)體交換部分基因生成新個(gè)體，對(duì)應(yīng)生物學(xué)繁殖和遺傳，有助于產(chǎn)生新解決方案。

2.1解碼與編碼

在應(yīng)用遺傳算法求解電源規(guī)劃問(wèn)題時(shí)，染色體編碼設(shè)計(jì)至關(guān)重要。一個(gè)有效的編碼需滿(mǎn)足完備性（覆蓋所有可能解決方案）、健全性（每個(gè)編碼對(duì)應(yīng)有效解決方案）和小冗余性（編碼系統(tǒng)簡(jiǎn)潔以降低無(wú)效解出現(xiàn)）三個(gè)基本原則。

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(guò)程，并確保解決方案的質(zhì)量，本文采用了一種懲罰策略來(lái)增強(qiáng)個(gè)體的適應(yīng)度。這種策略通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)添加懲罰項(xiàng)來(lái)調(diào)整適應(yīng)值函數(shù)，使其能夠反映約束條件的滿(mǎn)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(mǎn)足電網(wǎng)的基本運(yùn)行要求。類(lèi)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(guò)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)多輪試驗(yàn)調(diào)整，確定適合本文遺傳算法模型的關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)定由 150 個(gè)個(gè)體組成的種群以確保解空間探索多樣性；選擇率為 0.65 以平衡精英主義和多樣性保持；交叉率為 0.78 鼓勵(lì)個(gè)體間信息廣泛交換；變異率為 0.05 引入新基因變異且不破壞已適應(yīng)結(jié)構(gòu)；隨機(jī)數(shù)種子為 0.68 保持實(shí)驗(yàn)一致性和可重復(fù)性。這些參數(shù)設(shè)置旨在優(yōu)化算法搜索能力，同時(shí)保持魯棒性并避免過(guò)早收斂到局部?jī)?yōu)解。

3算例仿真

3.1規(guī)劃內(nèi)容

采用虛擬電網(wǎng)環(huán)境，對(duì)特定地區(qū)電力系統(tǒng)進(jìn)行未來(lái) 7 年規(guī)劃，涉及 12 個(gè)預(yù)期建立的電源，其中 9 - 12 號(hào)為儲(chǔ)能電站，其容量依風(fēng)能資源利用情況動(dòng)態(tài)確定，每個(gè)電站由若干儲(chǔ)能單元組成。本文算法與模型應(yīng)用產(chǎn)生 3 種規(guī)劃方案：方案 1 采用本文算法和模型；方案 2 在模型基礎(chǔ)上允許風(fēng)電場(chǎng)輸出功率有一定波動(dòng)；方案 3 排除儲(chǔ)能電站參與，其他與方案 1 一致。

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

①不同投資選擇導(dǎo)致各電廠(chǎng)啟用順序變化，受選址地理位置、環(huán)境條件及電廠(chǎng)類(lèi)型等因素影響投資總額。②方案 1 因納入儲(chǔ)能電站投資多出 109.6 億元，但風(fēng)電消納能力顯著優(yōu)于方案 3，表明儲(chǔ)能電站提升風(fēng)電消納效率，降低庫(kù)存與缺貨成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，不過(guò)經(jīng)濟(jì)投入也增加。③方案 2 與方案 1 風(fēng)電消納能力相近，但國(guó)民經(jīng)濟(jì)總投入降低 31.4 億元，因方案 2 允許風(fēng)電場(chǎng)輸出功率有更大波動(dòng)，減少儲(chǔ)能電站容量，鑒于儲(chǔ)能系統(tǒng)成本隨容量增加而上升，總投入相應(yīng)減少。綜合分析，本文模型展現(xiàn)了儲(chǔ)能電站在增強(qiáng)風(fēng)電消納能力的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電波動(dòng)范圍內(nèi)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的平衡，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(zhuān)門(mén)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(xún)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(xiàn)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(xiàn)、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(mǎn)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(guò)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(hù)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(guò)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(xiàn)、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

	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(xiàn)、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(wèn)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(wú)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(kāi)關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)斷路器開(kāi)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://ttokpm.com/tags/rs/" target="_blank">RS485通訊接口、模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、開(kāi)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(lèi)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(kāi)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(kāi)關(guān)，調(diào)溫，及完全斷電(二次開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)) 2)上傳配電柜各個(gè)空開(kāi)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(mén)禁程傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)

6結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)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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審核編輯 黃宇