PDF《考虑多能耦合及品位差异的含储能微网可靠性评估》

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a e p s G i n f o . c o m 考虑多能耦合及品位差异的含储能微网可靠性评估 葛少云1 ,李吉峰1 ,刘洪1 ,王莹2 ,孙昊1 ,路志英1 ( 1. 智能电网教育部重点实验室( 天津大学) ,天津市

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0 0

7 2;

2. 国网天津市电力公司,天津市

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1 0 ) 摘要:随着能源互联网的发展和能源交互程度的加深, 多能源集成耦合系统对供能可靠性提出了 更高的要求.因此, 量化不同能源之间的耦合逻辑关系, 研究综合可靠性评估方法是目前亟待解决 的重要问题.针对传统可靠性评估方法难以合理有效地评估多能源耦合系统供能可靠性的问题, 首先, 以综合能源微网作为研究对象, 结合能源集线器模型构建了典型微网系统的物理模型.其次, 建立设备元件的状态模型并梳理微网系统可靠性的评价指标.然后, 在此基础上, 分析微网系 统的运行机制、 时序模型及存在的能源品位差异的问题, 并通过故障模式影响分析法与蒙特卡洛模 拟法相结合的方法, 分别建立并网与电孤岛两种典型运行模式可靠性的评估模型, 提出评估流程. 最后, 通过实际算例, 评估综合能源微网年可靠性指标及典型场景典型时段内预安排停运的可靠 性, 进一步说明所提方法的有效性与实用性. 关键词:综合能源微网;

能源集线器;

可靠性;

蒙特卡洛模拟法;

故障模式影响分析法 收稿日期:

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1 7 G

0 9 G

0 3;

修回日期:

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1 1 G

2 1. 上网日期:

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1 8 G

0 1 G

1 0. 国家重大科学仪器设备开发专 项项目(

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1 3 YQ

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0 9

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1 0) ;

国家自然科学基金资助项目(

5 1

7 7

7 1

3 3 ) .

0 引言 随着能源互联网建设的不断深入, 打破各供能 系统单独规划、 独立运行的既有模式, 实现电、 气、 热(冷) 多能源的协同供应, 将是未来供能系统的发展 趋势.而作为能源互联网的关键节点, 综合能源微 网由于其灵活的运行方式, 受到了广泛的 关注[ 1] . 供电可靠性是衡量电力系统持续供电能力的重要指 标, 是提出理想规划方案的基础.对于多能耦合的 综合能源系统, 可靠性评估同样重要, 而多能源系统 之间耦合特性的增强也对可靠性产生了 一定的影 响: 一方面, 由于能源之间的耦合关系, 对于需求侧 而言相当于拥有多个能源供给点, 增强了供能可靠 性;

另一方面, 由于供能系统的多能耦合, 某个供能 系统出现问题都可能对系统整体的能源供给产生影 响.因此, 研究面向多能耦合的可靠性评估方法是 目前亟待解决的重要问题. 针对综合能源微网概念与架构的建设, 文献[

2 ] 率先提出了能源集线器模型;

在此基础上, 文献[ 3] 进一步提出了综合能源系统的概念.同时, 随着微 电网概念[

4 G

6 ] 的提出, 分布式供能及储能装置进一步 融入综合能源系统, 形成运行方式更加灵活的综合 能源微网, 为可再生能源的有效消纳及与能源主网 的相互支撑提供保障. 作为运行及规划过程中的关键技术, 可靠性评 估方法的研究一直得到广泛的关注.在元件停运分 析环节, 解析法与模拟法[

7 G

8 ] 是电力系 统常用的方法;

在系统状态评估环节, 故障模式影响分析(FME A) 法通过遍历元件故障对系统负荷的影响, 被广泛使 用, 其计算思路也被应用到微电网可靠性[

9 G

1 0] 的评估中.然而, 针对综合能源供能可靠性, 目前的研究较少.对于主动配电网, 文献[

1 1] 分析 了包含分布式电源与电动汽车的能源集线器的运行 模式, 并建立可靠性评估的数学解析模型;

文献[

1 2 ] 建立双层网络分区模型, 并结合蒙特卡洛模拟法评 估可靠性.针对多能源网络, 文献[

1 3 G

1 4] 以能源集 线器作为研究对象, 建立能源传输的状态空间, 通过 数学解析 模型实现多能源系统的可靠性评估;

文献[

1 5 ] 通过建立电网与燃气网中元件设备的状态模 型, 结合蒙特卡洛模拟法建立可靠性评估模型, 并评 估系统典型时段的可靠性. 上述成果为本文课题的研究奠定了一定的基 础.然而, 现有的研究存在以下问题: ①研究对象大 多仍停留在以电能为代表的单一能源网络, 难以满 足综合能源协同规划的需求;

②常规数学解析方法 无法体 现机组设备及用户需求时序方面的特征;

③上述文献缺少对储能能量充放策略影响的考虑;

④上述文献未能考虑不同能源之间的能源品位差异 化并由此产生的供能优先级和负荷削减的策略.

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1 第4 2卷第4期2018年2月2 5日Vol.42N o . 4F e b .

2 5,

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1 8 D O I :

1 0.

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2 针对传统可靠性评估方法只能评估单一能源网 络可靠性的问题, 本文首先结合能源集线器模型分 析多能源网络的耦合关系.其次, 通过 FME A 法与 蒙特卡洛模拟法相结合的方式, 在分析微网系统内 部能量关系的基础上, 进一步体现微网系统运行的 时序特性, 弥补数学解析法的不足.然后, 对储电、 储热装置在微网系统不同运行模式下的充放策略进 行分析, 以体现各类储能装置对能量平衡产生的影 响, 在此基础上, 通过微网系统的运行模式、 负荷削 减策略与评价指标三个方面, 体现不同能源之间的 能源品位差异.最后, 通过算例对比分析, 说明本文 所提方法的有效性与实用性.

1 综合能源微网架构 综合能源微网是可以自治运行的能量系统, 由 能量管理设备、 分布式可再生能源装置、 储能装置、 能量转换装置和能源负荷组成, 在结构上可分为能 源输入、 转换、 存储和输出等环节.本文结合能源集 线器模型, 构建包含分布式冷热电联供机组、 燃气热 泵、 分布式光伏系统、 电制冷机、 储电装置、 储热装置 等设备, 及电、 气、 热( 冷) 多种终端能源在内的综合 能源微网, 典型的微网系统的结构如图1所示. 图1 综合能源微网结构图 F i g .

1 S t r u c t u r eo fm u l t i G e n e r g ym i c r o g r i d 综合能源微网作为能源互联网在用户终端、 独 立可控的基本单元, 其灵活的运行模式可以降低能 源在传输过程中的损耗, 同时实现可再生能源的有 效消纳.后文将主要针对微网系统两种典型运行模 式的可靠性进行分析, 即并网式与电孤岛式运行模 式.同时, 本文对综合能源微网模型做出如下假设.

1 ) 针对综合能源微网内部的网架结构, 能源配 送网均为 单母线辐射网结构, 并考虑设备之间的隔离.

2 ) 不同类型的能源负荷由相应的机组集中供给.

3 ) 不同机组设备的故障相互独立, 并且只考虑 单重故障的情况[

1 6] .

4 ) 假设外部能源主网络能在必要时刻提供足够 的电能和天然气.

2 综合能源微网可靠性评估 2.

1 设备元件状态模型 在微网系统内, 以光伏与冷热电三联供为代表 的机组设备出力及不同能源负荷的需求均具有较强 的时序特性, 仅通过数学解析的方法难以反映微网 系统内的时序特性, 从而影响可靠性的评估结 果. 因此需要建立设备元件的状态模型, 并结合蒙特卡 洛法模拟设备机组状态, 体现微网系统内时序特性. 对于微网系统内机组设备的处理方法采用马尔 可夫两个状态模型来进行描述[

1 7] .即机组设备的 正常状态采用指数分布, 机组设备从正常状态运行 到故障状态的持续时间为: Tf , k =-

1 λ k ? è ? ? ? ÷ l nuk k∈{ 1, 2, ?, n} (

1 ) 式中: λ k 为第k 类元件设备的故障率;

n 为机组设 备的总数;

uk 为[ 0,

1 ] 区间均匀分布的随机数. 机组设备均为可修复设备, 故障持续时间同样 采用指数分布, 机组设备的故障持续时间为: Tr , k =-

1 μk ? è ? ? ? ÷ l nuk k∈{ 1, 2, ?, n} (

2 ) 式中: μk 为第k 类元件设备的修复率. 2.

2 可靠性评估指标 本文分别选取能量供给期望、 缺供能量期望、 能 量不足持续时间作为评估综合能源微网不同类型能 源可靠性的指标, 并在此基础上结合能源价格构建 综合能源可靠性评价指标.指标的意义与计算方法 如下.

1 ) 能量供给期望( RE S S) 该指标表示在统计时间段内某一类型能源能够 顺利传输到用户需求侧的概率, 能源供给期望越高, 代表该类型能源在抽样时间段内能源供给能够满足 能源需求, 供能可靠性越高.具体求解方法如下. 将能源集线器模型中的能源转换矩阵[

2 ] 扩展为 能源传输功率矩阵C, C 矩阵包括机组供应矩阵Cm 和可调用资源矩阵Cs, 矩阵的表达形式如式(

3 ) 和式(

4 ) 所示.矩阵的行代表运行过程中可能出现的 不同运行场景( 包括正常运行及故障场景) ;

矩阵的 列代表针对电能、 热能、 冷能的供应. Cm = CC C H P+CP V CC CH P+CGH P CC CH P+CC A C CP V CGH P CC A C CC C H P+CP V CC CH P+CGH P CC C H P CC C H P+CP V CC C H P CC CH P+CC A C CC C H P+CP V CC CH P+CGH P CC CH P+CC A C CP V

0 CC A C é ? ê ê ê ê ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú ú ú ú ú (

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0 1 8,

4 2 (

4 ) ?多能互补、 集成优化能源系统关键技术? h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m Cs= CE N+CE S CH S

0 CE N+CE S CH S

0 CE N+C E S CH S

0 CE N+CE S CH S

0 CE S CH S

0 CE N+CE S CH S

0 é ? ê ê ê ê ê ê ê ê ù ? ú ú ú ú ú ú ú ú (

4 ) 式中: Cm 为某一时间段内机组按照不同类型能源需 求所提供的出力;

Cs 为某一时间段内后备资源或者 外部电网可以为微网提供的能量, 具体数值大小与 制定的运行策略有关;

CC C H P为热电冷联产系统的出 力;

CP V 为光伏的出力;

CGH P 为燃气热泵的出力;

CC A C为电制冷机的出力;

CE N 为外部电网 可以提供 的电量;

CE S 储电装置可以提供的电量;

CH S 为储热 装置可以提供的热量. 因此, 在抽样时间段内对应第i 种场景的能源 传输矩阵C i=Cm, i+Cs , i.同时, 建立负荷能源需求 矩阵L=[ Le, Lh, Lc] , 表示在抽样时间段内电、 热、 冷能源的需求情况, 下标e , h, c分别代表电能、 热 能和冷能. 在此基础上, 建立供给/需求对比矩阵 Q, Q 矩 阵内的元素是布尔变量, 矩阵中的元素Qk, j, i表示第 k( k∈{ e, h, c} ) 种能源, 在第i( i∈{ 1, 2, 3, 4, 5} ) 种 场景下的第j( j∈{ 1, 2, ?, N } ) 次抽样的判别情况.以电能为例, 矩阵中的判别方法为: Qe , j, i=

0 Le>

Cm, e , i+Cs , e , i

1 Le≤Cm, e , i+Cs , e , i { (

5 ) 因此, 微网系统内电、 热、 冷能这3种能源的能 源供给期望的计算方法如下: RE E S, e =

1 N ∑ N j=1 Qe , j, i (

6 ) RE E S, h =

1 N ∑ N j=1 Qh , j, i (

7 ) RE E S, c =

1 N ∑ N j=1 Qc , j, i (

8 ) 式中: N 为蒙特卡洛模拟抽样的时间段数.

2 ) 缺供能量期望( RL O E E) 该指标表示在统计时间段内, 某一类型能源由 于机组故障或停运事故所缺供的总能量.缺供能量 期望越高, 代表该类型能源受机组故障的影响越大, 供能可靠性越低.缺供能量期望的求解方法为: RLO E E, e =

87 6

0 T ∑ N j=1 RLO E E, e , j (

9 ) RLO E E, h =

87 6

0 T ∑ N j=1 RLO E E, h , j (

1 0 ) RLO E E, c =

87 6

0 T ∑ N j=1 RLO E E, c , j (

1 1 ) 式中: T 为蒙特卡洛模拟的时长.

3 ) 系统能源不足持续时间( RS A I D I) 该指标表示在统计时间段内, 某一类型能源由 于机组故障或停运事故所造成能源供给不足的持续 时间.时间越长, 代表该类型能源受机组故障的影 响越大供能可靠性越低.具体求解方法为: RS A I D I , e =

87 6

0 T ∑ N j=1 RS A I D I , e , j (

1 2 ) RS A I D I , h =

87 6

0 T ∑ N j=1 RS A I D I , h , j (

1 3 ) RS A I D I , c =

87 6

0 T ∑ N j=1 RS A I D I , c , j (

1 4 )

4 ) 综合能源可靠性影响评价指标 本文基于文献[

1 8] 的分析思想, 通过不同类型 能源缺供能量期望结合相应能源价格, 计算综合可 靠性影响评价指标.指标数值从价格方面评估机组 设备 失效对微网系统造成的损失. 具体测算如式(

1 5 ) 所示: I=we RL O E E, e+wh RL O E E, h+wc RL O E E, c (

1 5 ) 式中: I 为综合可靠性影响评价指标, 表示停运造成 能源不足的损失, 数值越大代表机组失效对微网系 统供能可靠性的影响越严重;

we, wh, wc 分别为电、 热、 冷能的能源价格. 2.

3 机组设备运行机制及元件时序模型 2. 3.

1 运行机制分析

1 ) 机组运行机制 综合能源微网内包含多种设备机组, 通过互补 来满足不同能源负荷的需求.电负荷由冷热电三联 供机组及光伏系统进行供应, 若出力不足则考虑调 用储电装置或者从外部电网购电;

热负荷由冷热电 三联供机组及燃气热泵进行供应, 若出力不足, 则考 虑调用储热装置;

冷负荷由冷热电三联供机组及电 制冷机进行供应.不同........