基于多源融合的船岸供電系統協調運行優化策略

賈俊國,陳曉楠,房鑫炎,金力,李亦凡

(1.國網電動汽車服務有限公司,北京 100032; 2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院, 上海200240)

0 引 言

根據國際海事組織(IMO)報告[1],全球海運每年約消耗3億噸燃油,排放出大量尾氣,包括SO2、NOX、CO2和顆粒物(PM),嚴重影響了地球生態環境。國家相關政策規定,新建港口必須配備岸電供電技術,船舶岸電供電技術已經成為了綠色港口評價標準的重要內容。岸電技術通過使用岸基電源替代柴油發電機,直接對靠岸郵輪等進行供電,實現靠港船舶的尾氣零排放,能有效減少港口碼頭的污染,響應了國家節能減排的號召[2]。

船舶岸電技術在國內外已經得到了廣泛應用。早在1989年,瑞典哥德堡港首次使用岸電為滾裝輪渡供電。截止2008年,美國已經有洛杉磯港、長灘港等6個港口在使用船舶供岸電系統,在歐洲也有哥德堡港、斯德哥爾摩港等10個港口安裝了船舶供岸電系統。近年來,我國港口岸電也快速發展,在青島港、連云港港等地配置岸電系統。

目前,國內外學者對岸電系統的主要研究集中在岸電對接船舶負荷時供電的控制方法策略[3-4]、岸電變頻電源的控制技術[5]和控制參數的辨識方法[6]等方面。對于當前多源接入岸電系統的協調優化運行方面的研究較少,使得港口岸電系統的新能源消納率不高,經濟性無法做到最優化。

目前存在不少應用于配電網或微電網的協調優化控制策略的研究。包括了有功無功協調優化辦法,多能互補的微電網多目標非線性優化辦法,基于能源路由器的多區域虛擬電廠優化調度方法以及多層次的優化辦法[7]。

針對岸電系統存在的問題,提出了岸電系統的分層分布式優化調配策略。上層優化通過邊緣計算[8](Edge Computing)減少因預測誤差和出力波動帶來的不利影響;下層優化通過結合分時電價和移動儲能電源實現“谷充峰放”和“風光互補”的運行模式,提高新能源消納率以及多個投資主體的收益。構建風、光、儲、網等多源供電模式下的岸電系統協調運行優化模型,明確對應的優化目標及邊界條件,用于提高可再生能源消納率、岸電系統運行經濟性。最后利用混合整數線性規劃方法(Mix Integer Linear Programming, MILP)對該模型進行求解。在MATLAB的YALMIP工具箱中調用CPLEX軟件包驗證所提策略和模型的有效性、合理性。

1 移動儲能電源

移動儲能電源在岸電中主要用于為?？吭诮腻^地離岸較遠的船舶提供供電服務。能夠實現電源即插即充、負載即插即用。主要組成部件有：蓄電池及電池管理系統(Battery Management System, BMS)、儲能變流器(Power Conversion System, PCS)、能量管理系統(Energy Management System, EMS)、數據傳輸設備、消防控制設備、溫度控制設備、計量設備。其系統架構如圖1所示。

圖1 移動儲能電源系統架構

移動儲能電源的工作核心是蓄電池部分,主要采用磷酸鐵鋰或者三元鋰電,由多組蓄電池及BMS模塊組合。其工作模式是從電網側交流母線處獲取電能,通過PCS變流模塊,將交流電轉換為對應電壓等級的直流電,儲存在蓄電池模塊中,EMS模塊作用是對電池的充放電量進行控制,數據傳輸設備是將從岸電系統中采集到的相關數據傳輸到移動儲能電源,從而決定其充放電模式的設備。其余設備主要為了保證安全可靠運行。目前市場上常見的應用于港口岸電領域的移動儲能電源容量主要有15 kW/30 kWh和30 kW/60 kWh。

2 多源接入的船舶岸電系統結構

國內外的船舶岸電系統通常由3部分組成[9]：(1)岸基變電站,國內通常采用110 kV作為接入配電網處的變電站受端母線電壓等級。通過110 kV/10 kV變壓器降壓,作為船舶或者港口其他用電設備的配電電壓;(2)岸電電纜及硬連接部分,負責連接岸電與受電船舶,主要包括電纜管理系統,國內岸電常見的是碼頭上安裝高壓插座箱,高壓岸電電纜盤卷在船舶上,在靠岸時通過插座箱和電纜供給船舶電力;(3)船舶受電部分,包括船舶變壓器與船舶負荷。

根據相關數據顯示,港口地區可再生能源資源豐富,現有岸電基地的分布式供電主要由風電和光伏組成[10]。分布式電源的電量消納通常采用“自發自用、余電上網”的模式,通常會與本地負荷形成能源子系統形式。在港口岸電技術的未來發展中需要將分布式能源納入規劃。文中將風電、光伏、配電網作為岸電系統的供電電源,在公共母線上實現各子系統的互聯,通過移動儲能設備協調各個子系統的出力情況。岸電地區接線圖如圖2所示。

圖2 岸電系統接線圖

3 岸電系統分層分布式運行優化策略

基于公共母線與移動儲能設備的岸電各子系統互聯以后,可以通過能量在各個子系統之間的局域調配,提高分布式能源的消納率,提高岸電系統的收益。但在整個運行過程中依舊存在如風電光伏出力的預測誤差大,導致分布式能源消納率不高、船舶負荷接入岸電時間不可控導致的成本較大問題。為了解決實際運行中存在的這些問題,提出岸電系統分層分布式運行優化策略,具體優化策略框圖如圖3所示。

圖3 雙層優化策略

3.1 基于邊緣計算的上層分布式優化方法

為了解決因可再生能源出力的預測誤差,導致的日前調配計劃準確性低、可再生能源的消納率不高等問題。提出了基于邊緣計算的上層分布式優化方法。

通過在岸電供電系統終端、各風電光伏子系統終端、移動儲能和公共母線接口終端分別建立邊緣服務器進行通信交互,將實時的節點數據進行傳輸協調配合,通過邊緣計算得出各節點當前的調配策略,實現對日前調度計劃一定程度的修正,可以減少因預測誤差帶來的不利影響。圖4為邊緣計算在岸電系統中的應用模型。

圖4 岸電系統邊緣計算模型

根據邊緣計算是與鄰近節點通信的特點,本層優化主要目標是根據鄰近節點傳輸信息,達到可再生能源消納率更高的效果。構建的數學模型可以表示為：

(1)

式中F1為一層優化目標函數,Pload,t為一層優化后t時刻的等效船舶負荷,Pwind,t為t時刻的風電出力,PPV,t為t時刻的光伏出力。

根據邊緣服務器實時讀取的相關分布式能源的出力情況和船舶負荷的相應情況,通過約束條件式(11)～式(18)確定合理的分布式能源出力取值范圍,之后在邊緣節點處進行逐一計算,達到分布式能源出力與船舶負荷需求的差值最小的目標(即式(1)),從中選取分布式能源出力的最大值,保證消納率的最高。

上層優化根據終端服務器提供的實時數據情況進行計算分析,實現各分布式電源與船舶受電系統的互動消納,并將得到的結果應用于下層優化中。

3.2 基于分時電價與移動儲能的下層收益優化方法

下層優化主要是對岸電互聯運營的各子系統,合理應用配電網側對應的分時電價機制,通過移動儲能單元的“谷充峰放”和“風光互補”的工作模式實現更優化的收益分配模式。

3.2.1 “谷充峰放”運行模式

儲能裝置的“谷充峰放”運行模式,主要是在電價的低谷時段,以高于低谷電價的價格對儲能裝置進行充電;在電價尖峰時期,以低于尖峰電價的價格從儲能裝置放電,從而使得儲能投資商從中獲得利益,使得船舶電力用戶也能從中獲益。

假設谷時電價為s1,尖峰電價為s2,谷時儲能充電電價為s1(1+a),尖峰儲能放電電價為s2(1-b),儲能充放電效率為η。假設儲能容量為Qs。則可以得到各相關主體的對應收益如表1所示。

表1 “谷充峰放”模式各主體收益

3.2.2 “風光互補”運行模式

由于分布式能源的出力情況受氣象因素的制約嚴重,波動性情況較為明顯,經常會出現各個子系統內部無法實現分布式電源的就地消納,或者分布式電源無法滿足本地負荷需求的問題。通過移動儲能設備能夠實現“風光互補”運行模式,即轉移消納。在風電或者光伏出力過剩時,按照高于發電上網的電價收購余電,在風電或光伏出力不足時,按照低于實時電價的價格放電,通過公共母線將無法內部消納的分布式電能轉移至其他子系統或者船舶受電系統中合理消納。

假設分布式電源發電上網電價為k1,實時電價為k2,儲能充電倍率為δ1,儲能放電倍率為δ2,儲能容量為Qs。則可以得到各相關主體的對應收益如表2所示。

表2 “風光互補”模式各主體收益

4 多源岸電系統運行模型

4.1 目標函數

在岸電系統運行優化的模型中,以利潤最高作為模型的優化目標。

maxf=∑b-∑a

(2)

式中f為總收益函數;b為收益函數;a為成本函數。具體函數見下文。

4.1.1 成本函數

假設港口岸電的基礎設備都已經齊全,忽略其投資成本。

(1)運維成本

(3)

式中α1為運維成本;n為設備總數;wi為第i各設備的運維成本;β為運維成本的逐年遞增比例;q為年份。運維成本在當年中保持固定數額,因此在利潤計算過程中可以將其忽略。

(2)購電成本

(4)

式中α2為購電成本;t為小時;st為t時段的電價;Pi,t,buy為第i個設備在t時段的購電量。

(3)懲罰成本

為了能夠提高分布式能源的消納率,將棄風棄光量折算成懲罰成本,計入分布式子系統的運行成本中。同時計及磷酸鐵鋰電池的使用壽命問題,將其折算成折舊成本計入移動儲能商的成本中。

(5)

4.1.2 收益函數

整個岸電互聯系統的收益主要來自售電收益和新能源政府補貼收益。

(1)售電收益

b1=b11+b12+b13

(6)

式中b1為售電總收益;b11為子系統自發自用部分的售電收益;b12為余電上網部分的售電收益;b13為儲能的電價差收益。

(7)

式中θi為第i個子系統的自用率;Pi,t為第i個子系統在t時段的發電量。

(8)

式中st,sell為余電上網電價。

b13=(ηs2(1-b)-s1(1+a))Qshs

(9)

式中hs為移動儲能充滿放的次數。

(2)政府補貼收益

(10)

式中αnew為新能源單位電量的補貼價。

4.2 約束條件

(1)功率平衡約束條件

(11)

(2)風電光伏的實際出力約束條件：

(12)

(13)

風、光出力實際情況應小于當時的預測出力。

(3)移動儲能約束條件

SOCmin≤SOCi,t≤SOCmax

(14)

(15)

(16)

(17)

(4)購售電約束條件

ubuy,t+usell,t≤1

(18)

式中ubuy,t、usell,t分別為t時刻購售電狀態,為0,1數,其中1為購(售)電狀態,0為無購(售)電狀態。

4.3 求解辦法

將所列出的約束條件中的非線性約束簡化成線性約束,將非線性問題轉化為混合整數線性規劃問題,并采用CPLEX軟件包進行求解。

5 算例分析

5.1 算例介紹

長江流域某港口含可再生能源接入的岸電系統拓撲圖如圖5所示,移動儲能電源可以自由接入公共母線充電或者為靠岸船舶供電。調研該港口監測系統中的2019年份的大量數據,并選取某典型日數據作為算例進行分析計算。該港口地區當日分時電價如圖6所示,存在明顯的分時電價機制。當日的各子系統預測出力情況如圖7所示,為了考慮到風光預測出現誤差的情況,在預測數據的基礎上加上白噪聲生成實測數據(預測誤差服從正態分布),誤差范圍控制在5%以內。

圖5 岸電系統拓撲圖

圖6 典型日分時電價圖

圖7 典型日各系統預測出力

單個移動儲能容量為15 kW/30 kWh,本港口配置數量為10臺,單日單個移動儲能設備的充放電次數無限制,其使用成本與壽命折算成本系數總計0.2。

新能源懲罰成本系數α1取固定值0.75元/kWh,政府補貼價取1.25元/kWh。三個分布式子系統的自發自用率均取50%。

5.2 對比方案結果分析

為了能夠更好地研究岸電系統的分層分布式運行優化策略對岸電系統提高可再生能源消納率與降低運行成本的作用,設置三種不同的策略方案。具體設置如下：

方案1：岸電各子系統不互聯,無移動儲能轉移消納。本方案中主要以滿足船舶負荷的用電需求為主,不考慮各子系統之間的能量互補,不優化對分布式能源預測結果的準確性;

方案2：岸電各子系統之間互聯運營,可以通過公共母線和移動儲能單元實現各子系統之間的能量調度和轉移消納,并通過邊緣計算的上層優化對典型日的分布式能源預測結果進行優化;

方案3：岸電各子系統之間互聯運營,可以通過公共母線和移動儲能單元實現各子系統之間的能量調度和轉移消納,并通過邊緣計算的上層優化對典型日的分布式能源預測結果進行優化,結合分時電價通過移動儲能單元實現“谷充峰放”和“風光互補”模式的運行,最大程度提高分布式能源的消納率和主體運營商的利潤。

各方案下岸電系統的運行成本和對應的可再生能源消納率情況如表3所示。

表3 可再生能源消納率與運行成本

對表3數據進行分析如下：方案1中可再生能源消納率最低,只有64.13%,因此在成本的計算方法中,會存在較高的棄風棄光懲罰成本,使其毛利潤最小;方案2通過公共母線和移動儲能設備,將岸電各子系統互聯運營,各子系統之間可以通過轉移消納的辦法實現一定程度的能量轉移,實現分布式能源的空間互補,并且通過邊緣計算的辦法,將分布式能源的預測誤差減小,綜合使分布式能源消納率有了明顯提升,同時懲罰成本下降,獲得總利潤有所提升;方案3在方案2的基礎上,通過基于分時電價的移動儲能單元,實現“谷充峰放”和“風光互補”模式,對分布式能源的消納從空間互補,上升到時空尺度上的互補,同時合理利用分時電價機制,獲得更高的純利潤。

方案1～方案3下岸電系統風電、光伏、配電網購售電和移動儲能充放電情況如圖8～圖10所示。

圖8 方案1運行結果圖

結合圖8～圖10的運行情況,可以得到如下結論：

(1)岸電系統的船舶負荷接入時間大多在日間(8：00-18：00),在夜間(19：00-次日6：00)時無船舶負荷;

(2)可再生能源中的風電一直處于可發電狀態,光伏在日間發電,兩者的功率出力波動明顯;

(3)方案2單獨采用邊緣計算對風光預測誤差進行修正,從圖9中也可以看出,邊緣計算能夠小幅的改變對應DG出力情況,由于設置的誤差白噪聲比例較低(5%),改變的幅度較小;

圖9 方案2運行結果圖

(4)由于分時電價與儲能設備削峰填谷的存在,岸電系統會在風、光電源出力更多的時候,通過移動儲能存儲一定的電量,并在風電低發、電價較高的時候將存儲的電量用于船舶負荷的供電。

從表3中數據和圖8～圖10的分析可以得出結論：岸電各子系統的互聯運營,能夠從空間上為分布式能源的消納提供解決辦法;所提的分層分布式運行優化策略,上層通過邊緣計算的辦法,從分布式能源的預測數據準確性層面,提高新能源消納率,減小懲罰成本;下層通過基于分時電價的移動儲能單元,實現“谷充峰放”和“風光互補”模式,從時空尺度上實現能量的互補,以及岸電系統運行成本最小。

圖10 方案3運行結果圖

6 結束語

通過分析港口碼頭和內河流域地區的分布式能源接入岸電系統問題。提出了基于移動儲能的多源融合岸電協調運行模型和分層分布式運行優化策略。經過算例驗證,所提的分層分布式運行優化策略在岸電區域互聯系統中的應用,能夠通過邊緣計算,從數據準確性角度,通過互聯運營的空間互補,通過移動儲能的時空互補手段,有效實現提高可再生分布式能源的消納率,降低總成本,提高主體運營商獲利的目的。

綜上所述,所提的分層分布式運行優化策略和多源融合岸電協調運行模型,能夠應用于我國大部分采用岸電的港口區域,能夠降低岸電系統運行成本,提高新能源消納率。