隨著全球能源需求不斷增長(zhǎng)與環(huán)境問題日益突出，新能源技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，推動(dòng)了能源結(jié)構(gòu)的深刻變革。傳統(tǒng)配電網(wǎng)在應(yīng)對(duì)化石燃料能源枯竭和減少溫室氣體排放方面顯得力不從心，因此正逐步向高比例可再生能源集成的新能源配電網(wǎng)轉(zhuǎn)型。然而，由于新能源具備顯著的間歇性和波動(dòng)性，這對(duì)配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

《中國(guó)電力》2025年第8期刊發(fā)了陳峰等撰寫的《基于可逆抽水儲(chǔ)能的新能源配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法》一文。文章提出了一種基于RPHS的新能源配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法。與現(xiàn)有的儲(chǔ)能優(yōu)化技術(shù)相比，本方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于：1）針對(duì)可逆泵渦輪的運(yùn)行特性，提出了一種新方法，提高了系統(tǒng)的調(diào)度精度；2）結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，在最小化平準(zhǔn)化能源成本（levelized cost of energy，LCOE）的同時(shí)優(yōu)化配電網(wǎng)規(guī)模，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（來源：中國(guó)電力  作者：陳峰1，趙鵬2

1.國(guó)網(wǎng)新源集團(tuán)有限公司

2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

(重慶大學(xué))）

摘要

當(dāng)前，新能源在配電網(wǎng)中占比持續(xù)攀升，其固有的間歇性與波動(dòng)性給配電網(wǎng)管理帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，提出一種基于可逆抽水儲(chǔ)能（reversible pumped hydro-storage，RPHS）的新能源配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，構(gòu)建基于RPHS的能源管理系統(tǒng)，以最小化平準(zhǔn)化能源成本（levelized cost of energy，LCOE）為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)新能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化配置，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法。結(jié)果顯示，RPHS在提高能源利用效率、降低運(yùn)行成本、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面成效顯著。

01

并網(wǎng)混合電力系統(tǒng)建模

分布式能源資源（distributed energy resources，DERs）不僅包含了公用電網(wǎng)，還考慮到了RPHS組件和BESS。光伏模塊和風(fēng)力渦輪機(jī)作為主要的可再生能源（renewable energy，RESs），是該系統(tǒng)的主要能源來源。若光伏模塊的降額系數(shù)fPV為0.98，該系數(shù)考慮了光伏模塊老化、接線損耗、模塊污染、積雪和陰影的影響。在滿足目標(biāo)函數(shù)的條件下，調(diào)整光伏模塊的額定功率PPV_rat達(dá)到最佳值，則t時(shí)刻光伏的輸出功率Ppv(t)可參考文獻(xiàn)[17-18]。風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率PW受風(fēng)速v的影響很大，具體模型可參考文獻(xiàn)[19-20]。

DC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換器對(duì)于新能源配電網(wǎng)而言都是必須的。提供給負(fù)載或注入主電網(wǎng)的最大交流預(yù)期需求必須通過這些轉(zhuǎn)換器來處理。因此，逆變器的額定功率Pcon,rate(t)為

式中：ηinv為逆變器的工作效率。

本文所提出的能源管理策略的關(guān)鍵即選擇以一定的間隔向公用電網(wǎng)購(gòu)買或出售能源，具體可參考文獻(xiàn)[23-24]。電池通常用作混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的存儲(chǔ)元件。電池的最大額定容量CBat可用預(yù)期自主天數(shù)NAD和平均負(fù)載需求來計(jì)算，具體可參考文獻(xiàn)[25-26]。

混合抽水儲(chǔ)能-電池儲(chǔ)能為ESS的主要組成部分。在充電和放電階段，通常使用兩個(gè)獨(dú)立的泵和渦輪機(jī)。在充電模式下，通過泵將水從下部水庫移動(dòng)到上部水庫，將剩余RES的電能存儲(chǔ)為重力勢(shì)能。在放電模式下，渦輪機(jī)通過發(fā)電機(jī)將水庫中存儲(chǔ)的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。本文中抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)是由一個(gè)可逆泵渦輪機(jī)，以及兩個(gè)水庫組成的，這樣可以有效降低LCOE，從而降低了總費(fèi)用。計(jì)算上水庫和下水庫的最佳水位、容量以及可逆泵渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的數(shù)量是抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要優(yōu)化目標(biāo)。在排放模式（泵送階段）期間，當(dāng)剩余能量超過泵容量的振動(dòng)極限時(shí)，可逆式機(jī)器運(yùn)行。

在充電模式期間，當(dāng)可再生能源不能滿足需求并且渦輪機(jī)運(yùn)行并開始供給負(fù)載時(shí)，t時(shí)刻從上水庫排出的水流速qt(t)為

式中：η為可逆泵效率；ρ為水密度；g為勢(shì)能參數(shù)；hur為上水庫的高度；E(t)為t時(shí)刻輸入到可逆式泵渦輪機(jī)的能量。

盡管利用一臺(tái)機(jī)器會(huì)節(jié)省成本，但由于可逆泵存在嚴(yán)重的非線性和振動(dòng)的特點(diǎn)，必須對(duì)其進(jìn)行一定的限制約束。通過可逆泵的最大水流速Q(mào)max計(jì)算為

式中：Prate為可逆泵的額定功率；np為平均效率，給定為50%。

如果天氣的不可預(yù)測(cè)性得到了解決，則可以獲取更加可靠的優(yōu)化配置，從而有效地在混合ESS和主電網(wǎng)之間分配電力。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，過去十年的太陽輻射的變化基本是一致的，大部分?jǐn)?shù)據(jù)位于中位數(shù)以上。風(fēng)速和溫度的異常值說明了利用混合ESS的必要性。

02

新能源電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化

粒子群優(yōu)化（particle swarm optimization，PSO）是一種具有高開發(fā)能力的傳統(tǒng)生物過程優(yōu)化器，該方法通過尋求捕獲全局最佳（globel best，GB）和個(gè)體最佳（personal best，PB）解決方案以改進(jìn)現(xiàn)有的整體解決方案。天鷹優(yōu)化（aquila optimizer，AO）同樣也是一種生物啟發(fā)的優(yōu)化算法。對(duì)于AOPSO方法，在t?2T/3時(shí)刻的探索與利用轉(zhuǎn)移意味著探索特征優(yōu)先于利用特征。在AO中，所有初始化的獵物位置都參與更新最佳獵物解，與PSO相反，不存在最佳個(gè)體。為了對(duì)受限的利用步驟進(jìn)行更新，AO的全局最佳（Xb）被用來更新Aquila的速度。對(duì)于PSOAO方法，在本文中，AO可能會(huì)改進(jìn)PSO的探索特征，這將降低總成本和二氧化碳排放的最終盈利能力。因此，PSO的設(shè)置是通過指定AO和PSO的參數(shù)來完成的。PSO觸發(fā)并更新個(gè)體種群，而AO在此之后對(duì)運(yùn)行中的解進(jìn)行額外更新。

實(shí)現(xiàn)新能源配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化的關(guān)鍵是如何構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來確定最佳容量與配置，從而降低成本和保持足夠的環(huán)境水平。因此構(gòu)建一個(gè)目標(biāo)函數(shù)f1來確保含有可逆抽水儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能配電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性，即

式中：Xt為包含搜索空間的決策變量；C為能源成本；T為每年的總小時(shí)數(shù)。

使用成本回收系數(shù)（cost recovery coefficient，CRC）CCRC計(jì)算總凈現(xiàn)值成本（total net present cost，TNPC）CTNPC為

式中：Cslv為殘值收入；Cpfg、Cs2g分別為從公用事業(yè)電網(wǎng)購(gòu)買、銷售能源的成本；i為利率；N為項(xiàng)目的壽命年限；Ct為t時(shí)刻的維護(hù)成本。

為了能夠正確處理混合配電網(wǎng)系統(tǒng)組件并創(chuàng)建可訪問資源，組件的容量應(yīng)該足以滿足負(fù)載期望，混合配電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)滿足功率約束。部分可再生能源被收集起來供給上部水庫或電池。反之，則可以從可逆抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)或公用電網(wǎng)獲得短缺能量。與此同時(shí)，從主電網(wǎng)出售或購(gòu)買的能源受平均成本約束。

03

仿真驗(yàn)證

為了實(shí)現(xiàn)最小化LCOE，通過求解優(yōu)化問題來確定混合微電網(wǎng)組件的最佳容量。選擇相同的步長(zhǎng)及容量，對(duì)本文所提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證。比較了4種優(yōu)化方法的最優(yōu)參數(shù)如表1所示。根據(jù)表1中決策變量的不同，可以發(fā)現(xiàn)混合優(yōu)化方法在執(zhí)行時(shí)間和成本方面比單獨(dú)使用任一算法更快地接近最優(yōu)解。

表1  混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與可逆抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)最佳參數(shù)

Table 1  Optimal parameters of hybrid energy storage system and reversible pumped storage system

輸入?yún)?shù)包括實(shí)時(shí)風(fēng)速、光照強(qiáng)度、負(fù)荷需求及水庫水位，輸出為最優(yōu)儲(chǔ)能調(diào)度指令。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為3層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（輸入層12節(jié)點(diǎn)，隱含層8節(jié)點(diǎn)，輸出層4節(jié)點(diǎn)），采用ReLU激活函數(shù)。訓(xùn)練數(shù)據(jù)基于歷史氣象數(shù)據(jù)（2013—2023年）及實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行記錄，通過5折交叉驗(yàn)證優(yōu)化權(quán)重，訓(xùn)練周期為100次，學(xué)習(xí)率設(shè)為0.001。優(yōu)化算法的目標(biāo)是確定全年可再生能源的最佳容量。此外，還滿足目標(biāo)函數(shù)，即在保持可接受的溫室氣體排放水平的同時(shí)，降低LCOE。為了達(dá)到最低的LCOE，會(huì)選擇在上述超參數(shù)和執(zhí)行時(shí)間方面表現(xiàn)優(yōu)于其他優(yōu)化器的優(yōu)化器，因?yàn)樗哂袃?nèi)在的探索和利用特性。同時(shí)，每次迭代中獲得的最佳決策變量中，最佳解決方案是決定性的。為了防止死區(qū)并確保渦輪機(jī)模式按計(jì)劃發(fā)生，渦輪機(jī)不以低于0.28 p.u.的標(biāo)準(zhǔn)化流速運(yùn)行。

為驗(yàn)證所提RPHS協(xié)調(diào)優(yōu)化方法的綜合性能，本節(jié)增設(shè)兩組算例對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別與傳統(tǒng)PHS及混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（RPHS+BESS）進(jìn)行多維度性能對(duì)比。實(shí)驗(yàn)采用相同的歷史氣象數(shù)據(jù)及電網(wǎng)負(fù)荷參數(shù)，確保結(jié)果可靠性。在固定光伏（8個(gè)）與風(fēng)力渦輪機(jī)（6個(gè)）配置條件下，對(duì)比RPHS與傳統(tǒng)PHS在相同水庫容量下的性能差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，RPHS憑借可逆泵渦輪雙向運(yùn)行特性，儲(chǔ)能效率提升11.7%，且響應(yīng)時(shí)間縮短至28 s，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)PHS。此外，電壓波動(dòng)率降低39.5%，證明其在平抑新能源波動(dòng)性方面更具優(yōu)勢(shì)。因此，RPHS在提升儲(chǔ)能效率、縮短響應(yīng)時(shí)間及增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其適用于平抑新能源波動(dòng)性場(chǎng)景。

表2  RPHS與傳統(tǒng)PHS性能對(duì)比

Table 2  Performance comparison between RPHS and traditional PHS

為進(jìn)一步探究混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的適用性，在相同負(fù)荷需求下對(duì)比單獨(dú)RPHS與RPHS+BESS混合系統(tǒng)的性能差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其中供電可靠性通過失負(fù)荷概率（loss of load probability，LOLP）來表示。從表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，引入BESS后，混合系統(tǒng)LOLP降低33.3%，LCOE進(jìn)一步下降9.3%，但初期投資成本增加14.6%。結(jié)果表明，在高波動(dòng)性場(chǎng)景下，混合系統(tǒng)可通過電池快速響應(yīng)彌補(bǔ)RPHS的慣性延遲，提升供電可靠性。

表3  RPHS與RPHS+BESS性能對(duì)比

Table 3  Performance comparison between RPHS and RPHS+BESS

從場(chǎng)景適用性來看，RPHS更適合中長(zhǎng)期儲(chǔ)能及高功率需求場(chǎng)景，而RPHS+BESS混合系統(tǒng)在短時(shí)高頻次波動(dòng)調(diào)節(jié)中表現(xiàn)更優(yōu)，二者互補(bǔ)可實(shí)現(xiàn)全時(shí)間尺度的能源優(yōu)化調(diào)度。經(jīng)濟(jì)性方面，混合系統(tǒng)雖需額外初期投資，但其LCOE降低與可靠性提升可覆蓋增量成本，尤其在新能源滲透率較高的區(qū)域電網(wǎng)中具有推廣價(jià)值。

04

結(jié)論

本研究針對(duì)新能源間歇性和波動(dòng)性給配電網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)，提出了基于可逆抽水儲(chǔ)能的新能源配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，主要工作如下。

1）提出基于RPHS的新能源配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電過剩與不足時(shí)的能源有效存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換，大幅提升能源轉(zhuǎn)換效率。

2）通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性，展示出RPHS在能源利用效率、運(yùn)行成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性方面相比傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)。

綜上，RPHS在面對(duì)突發(fā)能源波動(dòng)時(shí)，展現(xiàn)出更高的靈活性和適應(yīng)性，能夠快速調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率平衡，顯著增強(qiáng)了整個(gè)配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。