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基于商业园区源/储/荷协同运行的储能系统多目标优化配置

北极星智能电网在线  来源:电网技术    2017/12/22 9:07:55  我要投稿  

北极星智能电网在线讯: 摘要: 科技园等商业园区的用电负荷类型多样,用电特征和规律与传统高耗能工厂园也有较大区别。通过分析商业园区多负荷特征和人员作息规律,基于分时电价机制采取低谷储能峰平释能的运行策略动态调整冷负荷侧制冷机组功率和园区与电网联络线功率,既实现了对蓄冰槽出力的优化调度,同时由园区能量平衡原则得到储能系统的实时充放电功率,实现对储能功率和容量的配置。建立基于能效、经济、环境的多目标优化模型,分别实现蓄能装置的循环电量和循环冷量最小、储能系统成本及购电费用之和最少和环境污染成本最小。采用基于动态惯性权重的多目标非支配粒子群算法对所建模型进行求解,对生成的 Pareto 解集使用模糊隶属度法筛选得到最优解。通过上海某商业园区算例验证了所提方法的有效性和可行性。

0、引言

随着我国经济转型和产业调整,商业园区规模不断扩大,其用电、用能需求量持续攀高。园区中用电负荷类型多样,对供电、供能质量要求不断提高。将太阳能与传统冷热电联供系统相结合,基于生命周期法从能源、环境和经济角度对联供系统的设备容量和运行策略进行优化,实现综合效益最大化。构建包含储热的热电联产机组,将储热纳入包含风电的电力系统有功调度体系,通过仿真分析了储热提升风电消纳能力的效果。但是上述研究未考虑储能技术在能源高效利用、多元负荷协同优化运行方面的显著优势。现有商业区存在的负荷峰谷差大; 用户缺乏对市场价格信号或激励机制的响应,并且缺乏高效互动的运行机制等问题,可通过配置一定规模的储能解决。

文献[9-10]从容量配置、协调控制策略等不同方面先后开展了源/荷的相关研究,提倡储能装置连接在直流侧与分布式电源作为整体通过电力电子接口连接到微电网;文献[11-12]在协调海水淡化负荷、蓄电池及柴油发电机运行功率分配策略的基础上,提出了含风/光/柴/蓄及海水淡化负荷的微电网多目标容量优化配置模型,建立了含系统投资运行成本和可再生能源利用比例的目标函数,构造了考虑分布式电源、储能及柴机运行特点的约束条件,模型采用自适应多目标差分进化算法进行求解;文献[13]根据楼宇的地理位置和用途,用建筑负荷动态模拟软件 DeST 对于全年空调工况进行动态分析, 选择以燃气内燃机为原动机的冷热电联产系统,并考虑利用补燃方式和电制冷机进行能量补充的 2 套 BCHP 系统;之后参照传统分产系统,基于一次能源节约率、年运行费用节约率和投资回收期等评价指标对不同发电功率下的 BCHP系统进行分析;文献[14]在考虑电价不确定性和波动性的基础上,建立决策过程的目标函数,并提出通过储能系统实现利润最大化的动态规划模型。然而上述研究多侧重源/储的协调应用,几乎不考虑负荷侧的动态调度。由于商业园区具有多负荷特征,需结合用户侧负荷特性进行源/储/荷三者的协同容量配置。

针对上述研究中存在的不足,本文在商业园区冷热电多类型负荷联产场景下,以夏季园区为例,研究储能系统功率和容量配置。将储能作为源/荷系统之间重要枢纽,在分时电价下采取低谷储能峰平释能的运行策略动态调整冷负荷侧制冷机组功率和园区与电网联络线功率,通过实现对蓄冰槽出力的优化调度,由园区能量平衡原则得到储能系统的实时充放电功率,从而实现对储能功率和容量的配置。根据约束条件建立基于能效、经济、环境的多目标优化模型,分别实现蓄能装置的循环电量和循环冷量最小、储能系统成本及购电费用之和最少和环境污染成本最小。采用基于动态惯性权重的多目标非支配粒子群算法对所建模型进行求解,对生成的 Pareto 解集使用模糊隶属度法筛选得到最优解。通过上海某商业园区算例验证了所提方法的有效性和可行性。

1、商业园区源/储/荷系统概况

1.1 商业园区典型结构分析

本文所述的商业园区夏季典型源/储/荷结构如图 1 所示,主要包括分布式光伏发电系统、光伏逆变器、储能系统、储能 DC/AC 变流器、常规电负荷、冰蓄冷空调、冷负荷、园区与电网联络线、大电网。冰蓄冷空调的制冷机组利用从园区与电网联络线获取的电能制冷,将冷量直接供给冷负荷或送至蓄冰槽存储,蓄冰槽存储的冷量可通过换热装置供给冷负荷。当园区中分布式光伏发电系统不足以向负荷供电时,则从大电网购电,分布式发电为负荷供电后如有富余,则可向电网反送电。

1.2 商业园区典型日光伏及负荷特性分析

商业园区内的负荷变化与楼内人员的活动规律有密切关系,主要包括常规电负荷、夏季冷负荷和冬季热负荷。常规电负荷主要指照明、电梯、办公电器等用电负荷,它们不随室外空气温度的变化而变化,可认为在全年期间保持基本稳定。夏季冷负荷和冬季热负荷不同时存在,但均与园区内人员作息有密切关系,由于以高科技产业园为代表的商业园区内的人员作息几乎不受季节影响,因此可认为冬季夏季空调负荷变化特征基本保持一致。由文献[17]可知,冰蓄冷空调在冬夏季不同制热制冷工况下的能效比相匹配,用冰蓄冷机组可满足该地区的供热需求。通过对上海某商业园区全年负荷及光伏出力数据进行统计分析,选取的仿真数据来自夏季时段,获得如图2所示的典型日光伏出力、冷

电负荷及分时电价曲线图。从图2看出,光伏主要出力时段为早晨6点左右至下午6点左右,中午时刻达到峰值。空调冷负荷从早上8点左右随着楼内人员工作的开始而迅速上升至高峰,12点左右午休时间有所下降, 17点左右又随着楼内人员工作的结束迅速下降; 电负荷的变化规律与此类似,在晚上10点至次日清晨最低,仅供维持基础设备的运行以及外部照明。结合分时电价来看,冷电负荷高需求时段基本处于电价高峰期,因此通过储能配置进行削峰填谷和能量再分配具有重要的经济价值和研究意义。

2、冰蓄冷空调特性及设备配置

随着城市峰谷电价差增大,冰蓄冷空调采用冰作为储能介质,使大型空调机组在用电低谷期储存能量,在电网供电高峰期释放能量,达到移峰填谷、减少用电成本的目的。

2.1 制冷机组工作特性

上海某商业园区采用离心式双工况制冷机组,离心式制冷机组具有单机制冷容量大、转速高、运行平稳等优点。双工况机组有2种工作模式:空调模式和制冰模式。根据冷负荷特征和分时电价政策,可采用夜间电价低谷时段制冰,白天非谷时段空调制冷和蓄冰槽融冰释冷相结合的运行策略。

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