安(ān)科(kē)瑞 劉邁

摘要：文章提(tí)出(chū)了(liǎo)一種基於(yú)遺傳算法(fǎ)的電(diàn)源規(guī)劃模型，旨(zhǐ)在提(tí)高(gāo)電(diàn)網(wǎng)對風電的(dí)消納能力並(bìng)保持係統(tǒng)穩定(dìng)。通過構建不(bù)同的(dí)規劃(huá)方(fāng)案，分析了儲能(néng)電(diàn)站的引(yǐn)入對(duì)電力係統的影(yǐng)響，包括提升(shēng)風電消(xiāo)納能力(lì)，電(diàn)網(wǎng)穩定性(xìng)和(hé)經(jīng)濟效益(yì)。即使儲(chǔ)能(néng)設(shè)施(shī)初(chū)期(qī)投資(zī)較(jiào)高(gāo)，但長期看可以(yǐ)有效(xiào)降低運行(háng)成(chéng)本，提高電(diàn)網的可靠性(xìng)。此(cǐ)外(wài)，文(wén)章(zhāng)還探討了(liǎo)允許風(fēng)電輸(shū)出波(bō)動對規劃(huá)結果的積(jī)極影響(xiǎng)，提(tí)供了(liǎo)一種(zhǒng)在確(què)保電(diàn)力係(xì)統(tǒng)可靠(kào)性的同時降(jiàng)低(dī)投資成本(běn)的策略。

關鍵詞：風電消納(nà)；電源(yuán)規(guī)劃；儲(chǔ)能(néng)電(diàn)站

0引(yǐn)言

隨著全(quán)球氣候變化和能源危機的(dí)日益嚴峻，可(kě)再生(shēng)能源的(dí)開(kāi)發和利用(yòng)成(chéng)為shijiegeguo的共(gòng)同選(xuǎn)擇，其中(zhōng)風能作(zuò)為(wéi)清潔能源(yuán)的(dí)代表(biǎo)，其(qí)開發利(lì)用(yòng)受到了廣泛(fàn)關注。然(rán)而(ér)，風能(néng)的(dí)間歇性和不穩定性給(gěi)電(diàn)網的穩(wěn)定(dìng)運行(háng)和風電(diàn)的(dí)大規模消納帶來了挑戰。

1儲能(néng)電(diàn)站提(tí)高(gāo)風(fēng)電消(xiāo)納能力(lì)工(gōng)作(zuò)機理(lǐ)

基於儲能電站(zhàn)提(tí)高風電消納(nà)能力(lì)的電(diàn)源規劃(huá)研究(jiū)，關(guān)注的是(shì)如(rú)何(hé)通過儲能係統提高(gāo)風(fēng)電的利(lì)用(yòng)效率和(hé)穩定性。風能(néng)作為一(yī)種可再(zài)生能源，雖然(rán)環(huán)保，但存(cún)在一定(dìng)的不穩(wěn)定性，特別是(shì)風(fēng)速(sù)的(dí)變(biàn)化導致發電量波動。為(wéi)了(liǎo)解(jiě)決(jué)這一(yī)問(wèn)題(tí)，儲(chǔ)能(néng)電站的作用顯得尤(yóu)為重(zhòng)要(yào)。儲(chǔ)能(néng)電(diàn)站(zhàn)通過(guò)存儲風能(néng)在風速較高時(shí)多出的電(diàn)力(lì)，解決了(liǎo)風(fēng)電(diàn)供應(yīng)不穩(wěn)定(dìng)的問題。當風速減弱，風(fēng)力發電(diàn)量減(jiǎn)少時，儲能電(diàn)站可以釋(shì)放(fàng)之(zhī)前(qián)儲(chǔ)存的(dí)電(diàn)力(lì)，保(bǎo)證電(diàn)網的穩(wěn)定(dìng)供(gōng)電。

2模(mó)型求解(jiě)的流程(chéng)

圖1展(zhǎn)示的是(shì)一(yī)個基於遺傳算法的電源規劃(huá)模型(xíng)求解流程，遺傳算法是(shì)一種啟發式搜(sōu)索算法(fǎ)，用於(yú)解(jiě)決優(yōu)化(huà)和搜索問(wèn)題(tí)。該(gāi)流程圖詳細(xì)描述(shù)了電(diàn)源規(guī)劃模(mó)型(xíng)的(dí)各個步(bù)驟(zhòu)，從初始(shǐ)化種群(qún)到解(jiě)決(jué)方案輸出(chū)。

流程(chéng)從“開始"標記出(chū)發(fā)，首行的是(shì)“種群初始(shǐ)化"。在(zài)這個階段，創(chuàng)建(jiàn)了一(yī)個(gè)種群(qún)，包含多個個體，每個個體(tǐ)代(dài)表(biǎo)電(diàn)源規劃問題(tí)的(dí)一(yī)個潛(qián)在解(jiě)決方案。種(zhǒng)群的(dí)每(měi)個(gè)個體都有一(yī)個(gè)與之(zhī)相(xiāng)關的適應(yīng)度值(zhí)，該值(zhí)指示該個體解(jiě)決問題的(dí)能(néng)力。接(jiē)下來(lái)，流(liú)程進(jìn)入“計算個體適應(yīng)度(dù)"的步驟，基於現有的(dí)係統(tǒng)數據和參(cān)數約(yuē)束，計算(suàn)每(měi)個個體的適應度值(zhí)。適應度(dù)值(zhí)越(yuè)高的個(gè)體，被(bèi)認為(wéi)是更好的解(jiě)決方案。之後(hòu)，流(liú)程(chéng)圖指向一個判定環節：“滿足(zú)條件"，這(zhè)個環(huán)節檢查當(dāng)前種群(qún)是否(fǒu)已經(jīng)達(dá)到了既定的(dí)停(tíng)止(zhǐ)條(tiáo)件(jiàn)，這些條(tiáo)件(jiàn)可能是解決方(fāng)案的(dí)精(jīng)度(dù)滿足預定的要求，或者算法已經(jīng)達(dá)到(dào)了預(yù)設(shè)的迭代(dài)次(cì)數(shù)。

在“選(xuǎn)擇"階段(duàn)，根據個(gè)體的適應度(dù)進(jìn)行選擇，適(shì)應度較(jiào)高(gāo)的個體有更高(gāo)的機會(huì)被(bèi)選中(zhōng)參與下一代(dài)的生成，這(zhè)個過(guò)程模仿(fǎng)了自(zì)然選擇，即(jí)適(shì)者(zhě)生(shēng)存(cún)的原則。“交叉"是指選定(dìng)的(dí)個體通(tōng)過某種(zhǒng)方(fāng)式交換(huàn)它們的(dí)一(yī)部分基因，生成新的個體，這(zhè)個過程對(duì)應(yīng)於生物(wù)學(xué)中的繁(fán)殖和遺傳(chuán)，有助於產(chǎn)生(shēng)新的解決(jué)方(fāng)案。

2.1解碼與編(biān)碼

在應用(yòng)遺(yí)傳(chuán)算法(fǎ)進行(háng)電(diàn)源(yuán)規劃問題求解時，染(rǎn)色(sè)體(tǐ)編(biān)碼的設計(jì)至關(guān)重(zhòng)要(yào)。染色(sè)體編碼是算法(fǎ)能否成(chéng)功(gōng)應用於(yú)電(diàn)源(yuán)規(guī)劃(huá)的決(jué)定性因素(sù)。一(yī)個(gè)有(yǒu)效的(dí)編碼滿(mǎn)足(zú)3個(gè)基本原(yuán)則(zé)：完備性，健全性(xìng)和小冗餘(yú)性(xìng)。完(wán)備(bèi)性確(què)保編(biān)碼(mǎ)可(kě)以覆蓋所有可能(néng)的解決(jué)方(fāng)案，健全(quán)性保證每(měi)個編(biān)碼都能夠對應一個(gè)有效(xiào)的(dí)解決(jué)方(fāng)案，而小(xiǎo)冗餘(yú)性(xìng)則(zé)意味著(zhuó)編碼係統(tǒng)盡(jìn)可(kě)能(néng)簡潔，以降低無效(xiào)解(jiě)的(dí)出(chū)現(xiàn)。

2.2適(shì)應度(dù)函數的(dí)選擇(zé)

在遺傳算法(fǎ)中，適應度(dù)函數是(shì)決(jué)定(dìng)個(gè)體(tǐ)存(cún)續的關(guān)鍵，它衡(héng)量(liáng)了個(gè)體在特定環境(jìng)中的(dí)生(shēng)存能力(lì)。高適應(yīng)度(dù)的個體有大的概(gài)率(shuài)傳遞其基(jī)因到下一(yī)代，而適(shì)應度低的(dí)個體(tǐ)則可能(néng)被淘汰。為(wéi)了(liǎo)有效(xiào)地引導算法搜(sōu)索(suǒ)過(guò)程(chéng)，並確保解決方(fāng)案(àn)的(dí)質量(liáng)，本(běn)文采用(yòng)了(liǎo)一(yī)種懲(chéng)罰(fá)策(cè)略來(lái)增強個體的適(shì)應度。這種(zhǒng)策(cè)略通過(guò)對目(mù)標函數(shù)添(tiān)加(jiā)懲(chéng)罰項(xiàng)來(lái)調整(zhěng)適應(yīng)值函數，使其(qí)能(néng)夠反映約束(shù)條件的滿足(zú)程度。在(zài)構建小(xiǎo)化(huà)國民(mín)經濟(jì)投入的目(mù)標函數(shù)時，電力(lì)和電(diàn)量的約束(shù)被作為懲罰項(xiàng)考慮(lǜ)在(zài)內。這樣做的目的是確(què)保(bǎo)在追求(qiú)成本效益的(dí)同時，也(yě)要滿(mǎn)足(zú)電(diàn)網的基本運行(háng)要求。類(lèi)似地(dì)，當目(mù)標是大化風電消(xiāo)納(nà)能力時(shí)，電(diàn)壓和頻率(shuài)約(yuē)束則成為(wéi)懲(chéng)罰項(xiàng)。此(cǐ)時的目標函(hán)數(shù)為：

這意(yì)味(wèi)著解決(jué)方案(àn)不(bù)僅(jǐn)要(yào)追(zhuī)求風(fēng)電(diàn)的利用(yòng)，而且要保證電(diàn)網的(dí)穩(wěn)定(dìng)性和可靠性。目標(biāo)函數的設(shè)計反(fǎn)映(yìng)了(liǎo)這(zhè)種(zhǒng)平(píng)衡(héng)的追求。在適應度函(hán)數中，電網(wǎng)的穩(wěn)定(dìng)運(yùn)行(háng)參數被賦(fù)予(yú)了(liǎo)權(quán)重(zhòng)，這樣可以在(zài)種群(qún)進化的過程中(zhōng)自然淘(táo)汰那些可能導致電(diàn)網不穩定的(dí)解決方案(àn)。

2.3遺傳參數的(dí)選(xuǎn)擇

經過多(duō)輪的試驗(yàn)和調整，確(què)定(dìng)了(liǎo)適合(hé)本(běn)文遺傳算(suàn)法模型(xíng)的關(guān)鍵參(cān)數。設(shè)定了(liǎo)一(yī)個由150個個體(tǐ)組成的(dí)種群，以(yǐ)確保有足夠(gòu)的多(duō)樣(yàng)性來探(tàn)索解空間。選擇(zé)率(shuài)設置(zhì)為0.65，以平(píng)衡精英(yīng)主(zhǔ)義(yì)和多(duō)樣(yàng)性(xìng)的(dí)保持(chí)。此(cǐ)外(wài)，采(cǎi)用了0.78的較(jiào)高交叉率來(lái)鼓(gǔ)勵信息在個體(tǐ)間的(dí)廣泛(fàn)交(jiāo)換(huàn)，而(ér)變(biàn)異率(shuài)則(zé)定(dìng)為(wéi)0.05，以引入(rù)新(xīn)的基因(yīn)變異但(dàn)又不至於破壞已經適應的結(jié)構。使用(yòng)0.68作(zuò)為隨機(jī)數種子，以(yǐ)保(bǎo)持實(shí)驗的一(yī)致性(xìng)和(hé)可(kě)重(zhòng)復性。這(zhè)些(xiē)參數的(dí)設(shè)置旨在(zài)優化(huà)算法(fǎ)的搜索(suǒ)能力(lì)，同時保持算(suàn)法(fǎ)的魯(lǔ)棒(bàng)性(xìng)和避免過早收斂到(dào)局部(bù)優解(jiě)。

3算例仿真(zhēn)

3.1規(guī)劃(huá)內容(róng)

采(cǎi)用(yòng)了(liǎo)一(yī)個虛擬的電(diàn)網環境，對特(tè)定(dìng)地(dì)區的(dí)電力係統進行了(liǎo)未來7年內的(dí)規劃(huá)，其中(zhōng)涉及(jí)12個預(yù)期(qī)建立的電(diàn)源。電(diàn)力總負荷及(jí)總(zǒng)用電量(liáng)逐(zhú)年增長情況如(rú)表1所(suǒ)示(shì)。特別地(dì)，編號為(wéi)9～12的(dí)電源(yuán)是規(guī)劃(huá)中的儲(chǔ)能(néng)電站，它們(mén)的容(róng)量取決於當(dāng)地(dì)的風能資源(yuán)利用情況，因此無(wú)法(fǎ)在規(guī)劃開始(shǐ)前(qián)準確(què)設定(dìng)。儲(chǔ)能電(diàn)站的容量(liáng)將依據(jù)規(guī)劃過程中的具(jù)體情況(kuàng)動(dòng)態確(què)定(dìng)，每個電(diàn)站由(yóu)若(ruò)幹(gān)儲能單元組成(chéng)，具體的(dí)技(jì)術參(cān)數(shù)如(rú)表(biǎo)2所示。這種規(guī)劃方法允(yǔn)許在考慮(lǜ)風能資源(yuán)的同時，靈(líng)活(huó)調整(zhěng)儲能電站(zhàn)的規模，以適(shì)應實(shí)際需(xū)求(qiú)。

3.2不同規劃方(fāng)案的(dí)結(jié)果及(jí)對規劃(huá)結果的分(fēn)析(xī)

本文提出的算法與(yǔ)模(mó)型應用於對一(yī)個(gè)區(qū)域(yù)的電力係統實施了為期7年的電源規(guī)劃，產生(shēng)了3種不同的規劃方案。在方案1中，直接采(cǎi)用了本文(wén)描述的算法(fǎ)和模(mó)型。方案2則(zé)在模(mó)型的基礎上做(zuò)了(liǎo)調整(zhěng)，允(yǔn)許(xǔ)風(fēng)電場(cháng)的輸出功率(shuài)有一(yī)定(dìng)幅(fú)度的(dí)波動。方案3排除了(liǎo)儲能(néng)電站的(dí)參與(yǔ)，除此(cǐ)之外(wài)，與(yǔ)方案(àn)1保持一(yī)致(zhì)。這(zhè)些方案(àn)的比較分析旨(zhǐ)在(zài)評(píng)估儲能電站(zhàn)的(dí)影(yǐng)響以(yǐ)，及(jí)風電(diàn)輸(shū)出波動(dòng)對區域電(diàn)力係(xì)統規劃(huá)的影響。優化方(fāng)案(àn)結(jié)果如表(biǎo)3所示(shì)。

根(gēn)據(jù)表3的(dí)數據，可以觀察到以下(xià)現象(xiàng)：①不同(tóng)的投資選擇(zé)導致(zhì)各電(diàn)廠(chǎng)啟用的(dí)順序(xù)有所(suǒ)變(biàn)化(huà)。這主要(yào)是(shì)由於(yú)選址的地理位(wèi)置(zhì)，當地(dì)環境條(tiáo)件(jiàn)及(jí)電(diàn)廠(chǎng)類型的(dí)不同考(kǎo)量，進而(ér)影(yǐng)響(xiǎng)了(liǎo)投(tóu)資總額。②通(tōng)過比較(jiào)不(bù)同的投(tóu)資模(mó)型，可(kě)以(yǐ)看(kàn)出(chū)總投(tóu)資成本和電(diàn)網對(duì)風電的(dí)吸(xī)納能(néng)力呈(chéng)現顯(xiǎn)著(zhù)差異(yì)。在(zài)方(fāng)案(àn)1和方(fāng)案(àn)3的(dí)對(duì)比中，方(fāng)案(àn)1由於(yú)納(nà)入(rù)了儲(chǔ)能(néng)電(diàn)站，多(duō)出(chū)的投資為109.6億元，但其風(fēng)電(diàn)消納能力顯著優(yōu)於(yú)方案(àn)3。這(zhè)表明儲能(néng)電站的引(yǐn)入(rù)顯(xiǎn)著(zhù)提升了(liǎo)電網(wǎng)的風電消納效率，並降低了庫存與(yǔ)缺(quē)貨成(chéng)本，增強了(liǎo)市場(cháng)競爭(zhēng)力。然而，儲能設(shè)備(bèi)的高(gāo)成本(běn)也(yě)使得經(jīng)濟(jì)投入(rù)相應增(zēng)加。③在方案2和方(fāng)案1的對比中，盡管風(fēng)電消納能(néng)力相近，國民(mín)經濟總投(tóu)入卻降低(dī)了31.4億(yì)元(yuán)。這是(shì)因(yīn)為方案(àn)2在不(bù)犧(xī)牲(shēng)電力係統可(kě)靠(kào)性的(dí)前(qián)提下(xià)，允許(xǔ)風(fēng)電場輸出(chū)功率有更(gēng)大的(dí)波動(dòng)，減少了所需(xū)儲能(néng)電站(zhàn)的容(róng)量(liáng)。由於儲能係統(tǒng)成本(běn)隨(suí)容量(liáng)增(zēng)加而上(shàng)升，因(yīn)此總(zǒng)投入(rù)相應(yīng)減(jiǎn)少(shǎo)。綜合分析(xī)可(kě)知，本(běn)文模型(xíng)有效(xiào)展現了儲能(néng)電站(zhàn)在增(zēng)強風電(diàn)消(xiāo)納(nà)能力(lì)上(shàng)的優勢。同時(shí)，也(yě)實(shí)現了(liǎo)在(zài)風(fēng)電(diàn)波動範圍(wéi)內的(dí)可(kě)靠性和經濟(jì)性之間的平(píng)衡(héng)，符合當(dāng)前(qián)國際(jì)對(duì)環境保護，可持續發(fā)展(zhǎn)，電(diàn)能可靠性及(jí)市場(cháng)競爭力新形勢(shì)的(dí)需求(qiú)。

4安科(kē)瑞Acrel-2000MG微(wēi)電(diàn)網能(néng)量管理(lǐ)係(xì)統(tǒng)

4.1概(gài)述

Acrel-2000MG儲能能(néng)量管理(lǐ)係(xì)統(tǒng)是安科瑞專(zhuān)門(mén)針對工商業儲(chǔ)能(néng)電(diàn)站研製的本地(dì)化(huà)能(néng)量管(guǎn)理係統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲(chǔ)能(néng)電(diàn)站的數(shù)據采集，數據(jù)處(chǔ)理，數據存儲，數據(jù)查詢與(yǔ)分析(xī)，可(kě)視(shì)化(huà)監控，報警管(guǎn)理(lǐ)，統(tǒng)計報表，策略管(guǎn)理，歷(lì)史曲綫(xiàn)等(děng)功能。其中策略(lüè)管(guǎn)理，支持(chí)多(duō)種(zhǒng)控製策(cè)略選擇，包含(hán)計劃曲(qū)綫(xiàn)，削峰填(tián)穀(gǔ)，需量(liáng)控製，防逆流等。該係統(tǒng)不僅可(kě)以實(shí)現下級(jí)各儲能單元的(dí)統一監控和管理(lǐ)，還可(kě)以實(shí)現與上級調度(dù)係統和雲平台(tái)的數(shù)據(jù)通訊與交互(hù)，既(jì)能接(jiē)受上(shàng)級調(tiáo)度(dù)指令(líng)，又可以(yǐ)滿足遠程(chéng)監控與運維(wéi)，確(què)保(bǎo)儲能係統安(ān)全，穩定(dìng)，可靠，經濟運(yùn)行。

4.2應(yīng)用場景(jǐng)

適(shì)用(yòng)於工商業儲能電站，新(xīn)能(néng)源配(pèi)儲電站。

4.3係(xì)統結(jié)構(gòu)

4.4係(xì)統功能

4.4.1實(shí)時(shí)監管(guǎn)

對(duì)微(wēi)電(diàn)網(wǎng)的(dí)運行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管(guǎn)，包(bāo)含市電(diàn)，光伏，風電(diàn)，儲能，充(chōng)電樁(zhuāng)及(jí)用電負荷，同時(shí)也包(bāo)括收益(yì)數據，天氣狀況，節能(néng)減排等信(xìn)息。

4.4.2優化控製

通過分(fēn)析(xī)歷史用(yòng)電(diàn)數據(jù)，天(tiān)氣(qì)條件對(duì)負荷(hé)進行功率(shuài)預測(cè)，並結合(hé)分布(bù)式電(diàn)源出力(lì)與(yǔ)儲能狀(zhuàng)態(tài)，實(shí)現經濟(jì)優化調度，以(yǐ)降(jiàng)低(dī)尖(jiān)峰或(huò)者(zhě)高峰時刻的(dí)用電(diàn)量(liáng)，降(jiàng)低(dī)企業(yè)綜合(hé)用(yòng)電成本。

4.4.3收益(yì)分析(xī)

用(yòng)戶(hù)可(kě)以查(chá)看光伏(fú)，儲能，充電樁三(sān)部(bù)分(fēn)的(dí)每天電(diàn)量(liáng)和(hé)收益(yì)數據，同(tóng)時(shí)可以(yǐ)切(qiē)換年報(bào)查看每個月的電量(liáng)和收(shōu)益(yì)。

4.4.4能(néng)源分(fēn)析(xī)

通(tōng)過(guò)分(fēn)析光伏(fú)，風(fēng)電，儲(chǔ)能(néng)設備(bèi)的發(fā)電(diàn)效(xiào)率，轉化效(xiào)率(shuài)，用於評(píng)估(gū)設備(bèi)性能與(yǔ)狀(zhuàng)態。

4.4.5策(cè)略配置(zhì)

微電網配置主要對微電網係統(tǒng)組成，基礎參數，運行(háng)策(cè)略(lüè)及(jí)統計值進(jìn)行(háng)設(shè)置(zhì)。其(qí)中策(cè)略(lüè)包(bāo)含(hán)計劃曲綫，削(xiāo)峰填穀(gǔ)，需量(liáng)控(kòng)製，新能源(yuán)消(xiāo)納(nà)，逆功率(shuài)控製(zhì)等。

5硬件及其配(pèi)套(tào)產(chǎn)品(pǐn)

6結語(yǔ)

本(běn)文通過采用(yòng)遺傳(chuán)算法對電力(lì)係統(tǒng)的電源規劃進(jìn)行了(liǎo)深(shēn)入(rù)分(fēn)析。結(jié)果(guǒ)表(biǎo)明(míng)，儲能(néng)電(diàn)站的引(yǐn)入顯(xiǎn)著提(tí)升了風電(diàn)的(dí)消(xiāo)納能(néng)力(lì)，並增強了(liǎo)電網的穩定(dìng)性(xìng)，為(wéi)風(fēng)電大規模應用和(hé)儲能(néng)技術的集(jí)成提供(gōng)了實用(yòng)的規(guī)劃(huá)策(cè)略，對促(cù)進(jìn)可持(chí)續(xù)能源發展(zhǎn)和(hé)電力(lì)係(xì)統(tǒng)的(dí)經濟(jì)運行(háng)具(jù)有(yǒu)重要意(yì)義(yì)。