淺談基于儲能電站提高風電消納能力的電源規(guī)劃研究

摘要：文章提出了一種基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型，旨在提高電網對風電的消納能力并保持系統(tǒng)穩(wěn)定。通過構建不同的規(guī)劃方案，分析了儲能電站的引入對電力系統(tǒng)的影響，包括提升風電消納能力、電網穩(wěn)定性和經濟效益。即使儲能設施初期投資較高，但長期看可以有效降低運行成本，提高電網的可靠性。此外，文章還探討了允許風電輸出波動對規(guī)劃結果的積極影響，提供了一種在確保電力系統(tǒng)可靠性的同時降低投資成本的策略。

關鍵詞：風電消納；電源規(guī)劃；儲能電站

0引言

隨著全球氣候變化和能源危機的日益嚴峻，可再生能源的開發(fā)和利用成為世界各國的共同選擇，其中風能作為清潔能源的代表，其開發(fā)利用受到了廣泛關注。然而，風能的間歇性和不穩(wěn)定性給電網的穩(wěn)定運行和風電的大規(guī)模消納帶來了挑戰(zhàn)。

1儲能電站提高風電消納能力工作機理

基于儲能電站提高風電消納能力的電源規(guī)劃研究，關注的是如何通過儲能系統(tǒng)提高風電的利用效率和穩(wěn)定性。風能作為一種可再生能源，雖然環(huán)保，但存在一定的不穩(wěn)定性，特別是風速的變化導致發(fā)電量波動。為了解決這一問題，儲能電站的作用顯得尤為重要。儲能電站通過存儲風能在風速較高時多出的電力，解決了風電供應不穩(wěn)定的問題。當風速減弱，風力發(fā)電量減少時，儲能電站可以釋放之前儲存的電力，保證電網的穩(wěn)定供電。

2模型求解的流程

圖1展示的是一個基于遺傳算法的電源規(guī)劃模型求解流程，遺傳算法是一種啟發(fā)式搜索算法，用于解決優(yōu)化和搜索問題。該流程圖詳細描述了電源規(guī)劃模型的各個步驟，從初始化種群到解決方案輸出。

流程從“開始”標記出發(fā)，首行的是“種群初始化”。在這個階段，創(chuàng)建了一個種群，包含多個個體，每個個體代表電源規(guī)劃問題的一個潛在解決方案。種群的每個個體都有一個與之相關的適應度值，該值指示該個體解決問題的能力。接下來，流程進入“計算個體適應度”的步驟，基于現(xiàn)有的系統(tǒng)數據和參數約束，計算每個個體的適應度值。適應度值越高的個體，被認為是更好的解決方案。之后，流程圖指向一個判定環(huán)節(jié)：“滿足條件”，這個環(huán)節(jié)檢查當前種群是否已經達到了既定的停止條件，這些條件可能是解決方案的精度滿足預定的要求，或者算法已經達到了預設的迭代次數。

在“選擇”階段，根據個體的適應度進行選擇，適應度較高的個體有更高的機會被選中參與下一代的生成，這個過程模仿了自然選擇，即適者生存的原則。“交叉”是指選定的個體通過某種方式交換它們的一部分基因，生成新的個體，這個過程對應于生物學中的繁殖和遺傳，有助于產生新的解決方案。

2.1解碼與編碼

在應用遺傳算法進行電源規(guī)劃問題求解時，染色體編碼的設計至關重要。染色體編碼是算法能否成功應用于電源規(guī)劃的決定性因素。一個有效的編碼滿足3個基本原則：完備性、健全性和小冗余性。完備性確保編碼可以覆蓋所有可能的解決方案，健全性保證每個編碼都能夠對應一個有效的解決方案，而小冗余性則意味著編碼系統(tǒng)盡可能簡潔，以降低無效解的出現(xiàn)。

2.2適應度函數的選擇

在遺傳算法中，適應度函數是決定個體存續(xù)的關鍵，它衡量了個體在特定環(huán)境中的生存能力。高適應度的個體有大的概率傳遞其基因到下一代，而適應度低的個體則可能被淘汰。為了有效地引導算法搜索過程，并確保解決方案的質量，本文采用了一種懲罰策略來增強個體的適應度。這種策略通過對目標函數添加懲罰項來調整適應值函數，使其能夠反映約束條件的滿足程度。在構建小化國民經濟投入的目標函數時，電力和電量的約束被作為懲罰項考慮在內。這樣做的目的是確保在追求成本效益的同時，也要滿足電網的基本運行要求。類似地，當目標是大化風電消納能力時，電壓和頻率約束則成為懲罰項。此時的目標函數為：

這意味著解決方案不僅要追求風電的利用，而且要保證電網的穩(wěn)定性和可靠性。目標函數的設計反映了這種平衡的追求。在適應度函數中，電網的穩(wěn)定運行參數被賦予了權重，這樣可以在種群進化的過程中自然淘汰那些可能導致電網不穩(wěn)定的解決方案。

2.3遺傳參數的選擇

經過多輪的試驗和調整，確定了適合本文遺傳算法模型的關鍵參數。設定了一個由150個個體組成的種群，以確保有足夠的多樣性來探索解空間。選擇率設置為0.65，以平衡精英主義和多樣性的保持。此外，采用了0.78的較高交叉率來鼓勵信息在個體間的廣泛交換，而變異率則定為0.05，以引入新的基因變異但又不至于破壞已經適應的結構。使用0.68作為隨機數種子，以保持實驗的一致性和可重復性。這些參數的設置旨在優(yōu)化算法的搜索能力，同時保持算法的魯棒性和避免過早收斂到局部優(yōu)解。

3算例仿真

3.1規(guī)劃內容

采用了一個虛擬的電網環(huán)境，對特定地區(qū)的電力系統(tǒng)進行了未來7年內的規(guī)劃，其中涉及12個預期建立的電源。電力總負荷及總用電量逐年增長情況如表1所示。特別地，編號為9～12的電源是規(guī)劃中的儲能電站，它們的容量取決于當地的風能資源利用情況，因此無法在規(guī)劃開始前準確設定。儲能電站的容量將依據規(guī)劃過程中的具體情況動態(tài)確定，每個電站由若干儲能單元組成，具體的技術參數如表2所示。這種規(guī)劃方法允許在考慮風能資源的同時，靈活調整儲能電站的規(guī)模，以適應實際需求。

3.2不同規(guī)劃方案的結果及對規(guī)劃結果的分析

本文提出的算法與模型應用于對一個區(qū)域的電力系統(tǒng)實施了為期7年的電源規(guī)劃，產生了3種不同的規(guī)劃方案。在方案1中，直接采用了本文描述的算法和模型。方案2則在模型的基礎上做了調整，允許風電場的輸出功率有一定幅度的波動。方案3排除了儲能電站的參與，除此之外，與方案1保持一致。這些方案的比較分析旨在評估儲能電站的影響以，及風電輸出波動對區(qū)域電力系統(tǒng)規(guī)劃的影響。優(yōu)化方案結果如表3所示。

根據表3的數據，可以觀察到以下現(xiàn)象：①不同的投資選擇導致各電廠啟用的順序有所變化。這主要是由于選址的地理位置、當地環(huán)境條件及電廠類型的不同考量，進而影響了投資總額。②通過比較不同的投資模型，可以看出總投資成本和電網對風電的吸納能力呈現(xiàn)顯著差異。在方案1和方案3的對比中，方案1由于納入了儲能電站，多出的投資為109.6億元，但其風電消納能力顯著優(yōu)于方案3。這表明儲能電站的引入顯著提升了電網的風電消納效率，并降低了庫存與缺貨成本，增強了市場競爭力。然而，儲能設備的高成本也使得經濟投入相應增加。③在方案2和方案1的對比中，盡管風電消納能力相近，國民經濟總投入卻降低了31.4億元。這是因為方案2在不犧牲電力系統(tǒng)可靠性的前提下，允許風電場輸出功率有更大的波動，減少了所需儲能電站的容量。由于儲能系統(tǒng)成本隨容量增加而上升，因此總投入相應減少。綜合分析可知，本文模型有效展現(xiàn)了儲能電站在增強風電消納能力上的優(yōu)勢。同時，也實現(xiàn)了在風電波動范圍內的可靠性和經濟性之間的平衡，符合當前國際對環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展、電能可靠性及市場競爭力新形勢的需求。

4安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現(xiàn)與上級調度系統(tǒng)和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經濟運行。

4.2應用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

4.3系統(tǒng)結構

4.4系統(tǒng)功能

4.4.1實時監(jiān)管

對微電網的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數據、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

4.4.2優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經濟優(yōu)化調度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

4.4.3收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數據，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

4.4.4能源分析

通過分析光伏、風電、儲能設備的發(fā)電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態(tài)。

4.4.5策略配置

微電網配置主要對微電網系統(tǒng)組成、基礎參數、運行策略及統(tǒng)計值進行設置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5硬件及其配套產品

6結語

本文通過采用遺傳算法對電力系統(tǒng)的電源規(guī)劃進行了深入分析。結果表明，儲能電站的引入顯著提升了風電的消納能力，并增強了電網的穩(wěn)定性，為風電大規(guī)模應用和儲能技術的集成提供了實用的規(guī)劃策略，對促進可持續(xù)能源發(fā)展和電力系統(tǒng)的經濟運行具有重要意義。

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