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廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣西大學(xué)）的研究人員吉斌、譚建成等，在2018年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，研究電力市場環(huán)境下新能源產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略。根據(jù)超短期風(fēng)光發(fā)電預(yù)測，選擇產(chǎn)業(yè)園工業(yè)負(fù)荷的日運(yùn)行方式；利用產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)與躉售電力市場的交互，補(bǔ)償產(chǎn)業(yè)園綜合不平衡電量，在分時(shí)電價(jià)激勵(lì)下，參與電網(wǎng)削峰填谷。建立了產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)電力市場環(huán)境的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，編制了Matlab程序進(jìn)行求解。

通過對3種典型案例的分析，驗(yàn)證了所提儲能控制策略的可行性，討論了風(fēng)光預(yù)測不確定性的實(shí)時(shí)電力市場應(yīng)對方案，通過儲能的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)了電力市場環(huán)境下新能源產(chǎn)業(yè)園與電網(wǎng)的無縫連接、調(diào)度及間歇性可再生能源的異地消納。

能源是人類社會生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)，是社會發(fā)展的保障。近年來，隨著化石能源消耗的增長，因化石能源而引發(fā)的生態(tài)、氣候、國家安全問題也日益顯著，備受世界各國關(guān)注。

目前關(guān)于能源主要存在以下問題：①化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境問題日趨突出，而人類對能源的需求卻日益增大，因化石能源而引發(fā)的世界范圍的社會安全問題也日益增多；②使用化石能源而導(dǎo)致的霧霾，已嚴(yán)重影響我國北方工業(yè)政治中心的發(fā)展，綠色低碳已成為未來能源的發(fā)展趨勢；③風(fēng)起云涌的風(fēng)、光可再生能源的快速發(fā)展，對電網(wǎng)的調(diào)度優(yōu)化提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的發(fā)生，已成為可再生能源消納必須解決的問題。

傳統(tǒng)日前調(diào)度為確定性發(fā)電機(jī)組的非凸混合整數(shù)非線性規(guī)劃優(yōu)化問題，以系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)，滿足功率平衡、電壓安全，機(jī)組起停、爬坡及有功、無功上下限等約束條件。

含風(fēng)光不確定性能源的日前調(diào)度主要采用：

①不確定規(guī)劃法，利用Monte Carlo模擬、機(jī)會約束規(guī)劃、相關(guān)機(jī)會規(guī)劃等技術(shù)進(jìn)行求解。當(dāng)采樣規(guī)模足夠大時(shí)可獲得滿意的計(jì)算精度，但計(jì)算量過大；

②引入電力不足概率、電量不足期望值、負(fù)荷不足期望指標(biāo)、系統(tǒng)失負(fù)荷等風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的隨機(jī)優(yōu)化問題，通常無法直接采用隨機(jī)變量的分布函數(shù)進(jìn)行求解[4]，往往將其進(jìn)行離散化處理，演繹成具有有限個(gè)情景的概率問題；

③多案例方法[5]，根據(jù)概率分布，對風(fēng)光發(fā)電樣本抽樣形成多個(gè)離散運(yùn)行案例，并對單個(gè)案例進(jìn)行分別尋優(yōu)的優(yōu)化方法。多案例調(diào)度中案例的生成多采用不確定變量概率分布的蒙特卡羅法、拉丁超立方抽樣法等，樣本集規(guī)模龐大。

以上求解方法雖考慮了風(fēng)光新能源的隨機(jī)性、不確定性，但究其實(shí)質(zhì)還是將不確定的風(fēng)光發(fā)電轉(zhuǎn)化為允許風(fēng)險(xiǎn)下的擬常規(guī)機(jī)組的調(diào)度方式。

隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，儲能已成為提升能源互聯(lián)網(wǎng)靈活性、安全性、穩(wěn)定性，提高可再生能源消納的關(guān)鍵技術(shù)之一[6]。應(yīng)用儲能平抑風(fēng)電波動，已有大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[7-8,15]。文獻(xiàn)[9]研究儲能系統(tǒng)用于提高風(fēng)電接入的規(guī)劃和運(yùn)行綜合優(yōu)化模型，構(gòu)建了多源并存的風(fēng)-火-水-儲-氣聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。

文獻(xiàn)[10]進(jìn)一步研究含大規(guī)模儲能的火電儲協(xié)調(diào)調(diào)度模型，提出了基于雙層規(guī)劃和機(jī)會約束目標(biāo)規(guī)劃結(jié)合求解方法。文獻(xiàn)[11]給出了儲能在主動配電網(wǎng)的容量配置方案。綜合分析以上文獻(xiàn)，儲能多用于平滑風(fēng)電出力曲線，其在系統(tǒng)中的作用并不明確。如能針對系統(tǒng)平衡電量（負(fù)荷與風(fēng)光出力之差）曲線進(jìn)行補(bǔ)償，可有效地降低電網(wǎng)調(diào)節(jié)難度。

文獻(xiàn)[12]建立電力市場環(huán)境下發(fā)電側(cè)、供電側(cè)、大規(guī)模儲能系統(tǒng)及用戶響應(yīng)的實(shí)時(shí)電價(jià)動態(tài)博弈聯(lián)動模型，指出大規(guī)模儲能電站的設(shè)置，可降低負(fù)荷峰谷差及各時(shí)段的電價(jià)差；需求側(cè)大規(guī)模電池儲能是解決電源、電網(wǎng)建設(shè)瓶頸及消納新能源發(fā)電的理想途徑。

文獻(xiàn)[13]提出了基于模型預(yù)測控制的風(fēng)/儲集成發(fā)電系統(tǒng)的滾動調(diào)控策略，并將預(yù)測值作為調(diào)度指令，通過功率調(diào)節(jié)單元內(nèi)的控制策略計(jì)算出合理的儲能充放電功率，以補(bǔ)償調(diào)度指令和風(fēng)場實(shí)際輸出的差值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)/儲集成系統(tǒng)跟蹤調(diào)度指令的能力。

隨著現(xiàn)場實(shí)測的風(fēng)光物理預(yù)測技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)光發(fā)電的在線預(yù)測精度正穩(wěn)步提高。未來7天144h的短期功率預(yù)測精度已達(dá)90%左右，超短期預(yù)測誤差可小于2.5%。相比于不確定規(guī)劃法、機(jī)會規(guī)劃法，在線風(fēng)光功率預(yù)測的調(diào)度規(guī)劃將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性及可靠性。規(guī)?；瘍δ芤矊⒆鳛樾履茉床⒕W(wǎng)消納的明星技術(shù)之一，正向商業(yè)化模式發(fā)展。

隨著新能源占比的提高，100%新能源的本地消納模式將成為間歇性可再生能源消納的發(fā)展趨勢。常規(guī)確定性可調(diào)機(jī)組的調(diào)度策略及其改進(jìn)算法無法勝任完全不可調(diào)度的風(fēng)光新能源的本地消納模式的優(yōu)化與調(diào)度，從而本文提出一種電力市場環(huán)境下產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略。不同于常規(guī)確定性機(jī)組的調(diào)度優(yōu)化，而采用風(fēng)光發(fā)電預(yù)測驅(qū)動負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)制。

根據(jù)超短期風(fēng)光發(fā)電預(yù)測，選擇產(chǎn)業(yè)園工業(yè)負(fù)荷的日運(yùn)行方式；利用產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)與躉售電力市場的交互，補(bǔ)償產(chǎn)業(yè)園綜合不平衡電量，并參與電網(wǎng)的削峰填谷，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)園供需平衡、安全穩(wěn)定運(yùn)行及間歇性可再生能源的本地消納。

本文簡單介紹了新能源產(chǎn)業(yè)園的源網(wǎng)荷構(gòu)架，產(chǎn)業(yè)園的儲能配置及優(yōu)化控制策略。建立了產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)電力市場環(huán)境下的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，編制了Matlab程序進(jìn)行求解。對3種典型案例的分析，驗(yàn)證了該機(jī)制的可行性。

1 新能源產(chǎn)業(yè)園的配網(wǎng)架構(gòu)

新能源產(chǎn)業(yè)園采用±20kV柔直電網(wǎng)，由4條±20kV直流線路、兩個(gè)柔性直流換流站、兩個(gè)DC/DC變換站組成。主要負(fù)荷為3組6MW工業(yè)負(fù)荷，及為其提供輔助服務(wù)的可中斷負(fù)荷。電能的供應(yīng)主要由本區(qū)域的風(fēng)力發(fā)電廠、光伏發(fā)電站供給。產(chǎn)業(yè)園基地安裝有12.5MW×4h儲能電池單元，應(yīng)急發(fā)電機(jī)等設(shè)備。新能源產(chǎn)業(yè)園通過單點(diǎn)接入主電網(wǎng)，參與躉售電力市場的實(shí)時(shí)交易。

1.1 風(fēng)力發(fā)電廠

風(fēng)力發(fā)電廠由10臺2.5MW、GW121-2500直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組成，共25MW。單機(jī)額定風(fēng)速為9.3m/s，額定功率為2500kW。機(jī)組切入風(fēng)速為3m/s，10min平均切出風(fēng)速為22m/s，3s可承受最大風(fēng)速為52.5m/s。

圖1 新能源產(chǎn)業(yè)園配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 光伏電站

新能源產(chǎn)業(yè)園的光伏電站額定發(fā)電容量為10MW。新能源產(chǎn)業(yè)園的光伏發(fā)電單元的主接線采用單母分段結(jié)構(gòu)，接入母線5，經(jīng)DC/DC雙向隔離變壓后由母線3接入±20kV柔性直流電網(wǎng)為產(chǎn)業(yè)園負(fù)荷供電。

1.3 儲能系統(tǒng)

產(chǎn)業(yè)園的儲能系統(tǒng)采用能量密度功率密度優(yōu)越的超級電容電池（super-capacitor energy storage system, SESS）模型，具有超級電容及電池儲能的綜合優(yōu)勢，功率密度高、充放電速度快，循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)S1關(guān)斷，S2以給定占空比通斷時(shí)，超級電容電池以給定速度向系統(tǒng)釋放能量（放電控制）；反之，當(dāng)S2關(guān)斷，S1以給定占空比通斷時(shí)，超級電容電池以給定速度吸收來自系統(tǒng)的能量（充電控制）。設(shè)ESOCmin為儲能系統(tǒng)的禁放電量，ESOCmax為儲能系統(tǒng)的禁充電量，則儲能系統(tǒng)禁充電量可定義為其額定容量，禁放電量可按需進(jìn)行配置。

圖2 超級電容電池儲能系統(tǒng)

1.4 產(chǎn)業(yè)園與電網(wǎng)的交互

新能源產(chǎn)業(yè)園經(jīng)并網(wǎng)點(diǎn)PCC與交流電網(wǎng)相聯(lián)，參與躉售電力市場交易、獲取所需的相關(guān)輔助服務(wù)。PCC點(diǎn)柔性換流器采用虛擬同步機(jī)控制策略，具有同步發(fā)電機(jī)、同步電動機(jī)運(yùn)行模式。

當(dāng)產(chǎn)業(yè)園售出盈余電量時(shí)，PCC柔性換流器運(yùn)行于同步發(fā)電機(jī)控制模式；在買入系統(tǒng)電量時(shí)，切換至同步電動機(jī)模式。柔性換流器還具有獨(dú)立的有功、無功、交流電壓、直流電壓控制功能，可獨(dú)立控制PCC交流母線電壓、有功無功輸出，執(zhí)行調(diào)度下達(dá)的調(diào)頻調(diào)壓指令。

2 新能源產(chǎn)業(yè)園源荷綜合平衡

2.1 風(fēng)光發(fā)電預(yù)測（略）

風(fēng)光發(fā)電預(yù)測可分為物理預(yù)測及統(tǒng)計(jì)預(yù)測兩大類[17]。基于統(tǒng)計(jì)的預(yù)測根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，對未來某時(shí)段的非水可再生能源發(fā)電進(jìn)行預(yù)測，適用于中長期規(guī)劃?；谖锢淼念A(yù)測方法，接收多方實(shí)時(shí)數(shù)字天氣預(yù)報(bào)信息，結(jié)合風(fēng)光發(fā)電站測光塔和測風(fēng)塔現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)（如風(fēng)速、風(fēng)向、光照強(qiáng)度、光照角度、濕度、溫度等因素），考慮風(fēng)光發(fā)電廠周圍地理環(huán)境，采用風(fēng)光發(fā)電設(shè)備廠家提供的出力曲線進(jìn)行預(yù)測。

風(fēng)光可再生能源發(fā)電集合預(yù)報(bào)含預(yù)測值，及給定置信水平下的預(yù)區(qū)間[預(yù)測上限Pmax，預(yù)測下限Pmin]，如圖3所示。

圖3 基于物理方法的新能源發(fā)電集合預(yù)測系統(tǒng)

3 儲能參與日前電力市場的數(shù)學(xué)模型（略）

接入產(chǎn)業(yè)園的風(fēng)光可再生能源，其邊際發(fā)電成本接近零邊際成本價(jià)，通過優(yōu)惠電價(jià)與產(chǎn)業(yè)園工業(yè)企業(yè)達(dá)成大用戶直購電協(xié)議，激勵(lì)地區(qū)工業(yè)的發(fā)展。產(chǎn)業(yè)園微網(wǎng)運(yùn)維商利用產(chǎn)業(yè)園儲能配置容量，結(jié)合產(chǎn)業(yè)園運(yùn)行方式優(yōu)化，通過虛擬同步發(fā)電機(jī)控制，參與躉售電力市場博弈。

有電力需求時(shí)，產(chǎn)業(yè)園作為買方從躉售電力市場購電，有剩余電量時(shí)作為賣方向躉售電力市場輸出剩余電能，從而實(shí)現(xiàn)間歇性可再生能源的本地消納和供需平衡，并通過躉售電力市場，將盈余電量送至遠(yuǎn)方異地消納。

4 案例分析

為驗(yàn)證本文提出的儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，首先需要對產(chǎn)業(yè)園的風(fēng)光進(jìn)行在線發(fā)電預(yù)測，結(jié)合預(yù)測結(jié)果匹配相應(yīng)的電解鋁運(yùn)行方式，利用Matlab軟件根據(jù)約束式（4）至式（13）進(jìn)行編程確定產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)參與躉售電力市場的時(shí)間和交易電量。本文通過對產(chǎn)業(yè)園給定的3種綜合不平衡電量案例進(jìn)行綜合分析，論證本方案的可行性。

4.1 案例1

風(fēng)光發(fā)電預(yù)測見表1。應(yīng)用式（5）得產(chǎn)業(yè)園運(yùn)行方式1綜合平衡電量最小，該運(yùn)行方式三組電解鋁負(fù)荷全開，其24h風(fēng)光、發(fā)電預(yù)測、負(fù)荷用電及綜合平衡電量、相關(guān)電價(jià)見表1。

表1 產(chǎn)業(yè)園綜合平衡1

由圖7（a）可見，產(chǎn)業(yè)園24h不平衡電量波動幅度較小時(shí)，利用儲能容量參與實(shí)時(shí)電力市場，根據(jù)儲能充放電約束和市場價(jià)格變化編制Matlab程序，確定儲能系統(tǒng)在1∶00—5∶00和9∶00—15∶30時(shí)段參與實(shí)時(shí)電力市場購電，對應(yīng)躉售電力市場電力供大于求的時(shí)段；其他時(shí)段儲能參與售電，獲得利益。

圖7 產(chǎn)業(yè)園綜合平衡1

由圖7（b）可知，躉售電力市場電高峰時(shí)段 [6∶00—9∶00]，[16∶00—21∶00]電價(jià)高，根據(jù)Matlab求解結(jié)果確定產(chǎn)業(yè)園向電力市場售出盈余電能的時(shí)刻和電量，此時(shí)產(chǎn)業(yè)園運(yùn)行于虛擬同步發(fā)電機(jī)模式，向外電網(wǎng)供電；在躉售電力市場“低谷”時(shí)，產(chǎn)業(yè)園運(yùn)行于虛擬同步電動機(jī)模式，根據(jù)Matlab計(jì)算的結(jié)果確定低價(jià)“吸納”主電網(wǎng)多余電能的電量和時(shí)刻，用于生產(chǎn)和儲存，參與電價(jià)激勵(lì)下的主電網(wǎng)削峰填谷運(yùn)行。

觀察圖7（b）可知，時(shí)段[1∶00—4∶00]為“低谷”時(shí)段，分時(shí)電價(jià)出現(xiàn)負(fù)值，儲能系統(tǒng)“吸納”主電網(wǎng)多余電量的同時(shí)，還增加了部分收益。低谷負(fù)電價(jià)使儲能系統(tǒng)充放電雙向獲益，激勵(lì)將來典型儲能調(diào)峰調(diào)頻的發(fā)展，有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)削峰填谷。

躉售電力市場出現(xiàn)負(fù)電價(jià)，主要原因有：①作為基荷的核電機(jī)組無法短時(shí)經(jīng)濟(jì)退出；②新能源機(jī)組的邊際成本價(jià)格因受補(bǔ)貼的影響可能低于零邊際成本價(jià)。

4.2 案例2

表2給出對應(yīng)風(fēng)光發(fā)電預(yù)測。應(yīng)用式（5）求得產(chǎn)業(yè)園運(yùn)行方式k。在0∶00—16∶00時(shí)段，三組電解鋁負(fù)荷全部投運(yùn)；在16∶00—24∶00高峰負(fù)荷時(shí)段，一組電解鋁負(fù)荷退出進(jìn)入保溫狀態(tài)運(yùn)行。

對產(chǎn)業(yè)園工業(yè)運(yùn)行方式的分析計(jì)算，表明運(yùn)行方式k較適宜該風(fēng)光預(yù)測案例。由圖8可觀察，1∶00—5∶00時(shí)段為用電“低谷”，電網(wǎng)電價(jià)較低，此時(shí)三組電解鋁負(fù)荷及儲能系統(tǒng)全部投入，消耗廉價(jià)電量。16∶00—24∶00高峰時(shí)段，一組電解鋁負(fù)荷退出，儲能SOC逐步減少，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)園的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表2 產(chǎn)業(yè)園綜合平衡k

圖8 產(chǎn)業(yè)園綜合平衡k

4.3 案例3

風(fēng)光預(yù)測發(fā)電量波動較大，產(chǎn)業(yè)園電解鋁負(fù)荷全天開兩組，對應(yīng)運(yùn)行方式1。觀察圖9（a）可見，24h綜合平衡電量波動較小，利用Matlab確定具體產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)具體參與市場的時(shí)間和電量。根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果確定儲能系統(tǒng)在1∶00—5∶00時(shí)段和14∶00—15∶00時(shí)段進(jìn)入充電狀態(tài)。

結(jié)合圖9（b）分時(shí)電價(jià)可看出，電價(jià)較低，電網(wǎng)運(yùn)行于“低谷”時(shí)段，產(chǎn)業(yè)園通過PCC點(diǎn)向電網(wǎng)購電。在7∶00—10∶00時(shí)段和17∶00—22∶00時(shí)段，電價(jià)較高，電網(wǎng)處于用電“高峰”時(shí)段，根據(jù)Matlab的結(jié)算結(jié)果確定產(chǎn)業(yè)園通過PCC點(diǎn)向電力市場售出電量，獲得最優(yōu)收益，滿足儲能系統(tǒng)充放電速度及容量約束條件。

圖9 產(chǎn)業(yè)園綜合平衡j

綜上，在電力市場環(huán)境下，通過產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)參與日前電力市場的優(yōu)化控制策略，受躉售電力市場實(shí)時(shí)電價(jià)引導(dǎo)和自身儲能充放電速度以及容量的限制。通過算例結(jié)果可知，將風(fēng)光發(fā)電-產(chǎn)業(yè)園生產(chǎn)運(yùn)行-儲能系統(tǒng)三者合理優(yōu)化組合參與躉售電力市場可以獲得可觀的收益。

結(jié)論

本文研究電力市場環(huán)境下新能源產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略。根據(jù)超短期風(fēng)光發(fā)電預(yù)測，選擇產(chǎn)業(yè)園工業(yè)負(fù)荷的日運(yùn)行方式；利用產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)與躉售電力市場的交互，補(bǔ)償產(chǎn)業(yè)園綜合不平衡電量，并參與電網(wǎng)的削峰填谷。建立了產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)電力市場環(huán)境的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，編制了Matlab程序進(jìn)行求解。對3種典型案例的分析，驗(yàn)證了該機(jī)制的可行性。

不同于常規(guī)確定性機(jī)組的調(diào)度優(yōu)化，100%新能源產(chǎn)業(yè)園依據(jù)風(fēng)光發(fā)電預(yù)測選擇工業(yè)負(fù)荷運(yùn)行方式。通過控制規(guī)模儲能系統(tǒng)的充放，與躉售電力市場交互。對產(chǎn)業(yè)園儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制，既補(bǔ)償了產(chǎn)業(yè)園綜合不平衡電量，在分時(shí)電價(jià)激勵(lì)下參與電網(wǎng)的削峰填谷，又同時(shí)通過躉售電力市場將盈余電量送至遠(yuǎn)方異地消納。