基于多源融合的船岸供电系统协调运行优化策略

贾俊国,陈晓楠,房鑫炎,金力,李亦凡

(1.国网电动汽车服务有限公司,北京 100032; 2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海200240)

0 引 言

根据国际海事组织(IMO)报告[1],全球海运每年约消耗3亿吨燃油,排放出大量尾气,包括SO2、NOX、CO2和颗粒物(PM),严重影响了地球生态环境。国家相关政策规定,新建港口必须配备岸电供电技术,船舶岸电供电技术已经成为了绿色港口评价标准的重要内容。岸电技术通过使用岸基电源替代柴油发电机,直接对靠岸邮轮等进行供电,实现靠港船舶的尾气零排放,能有效减少港口码头的污染,响应了国家节能减排的号召[2]。

船舶岸电技术在国内外已经得到了广泛应用。早在1989年,瑞典哥德堡港首次使用岸电为滚装轮渡供电。截止2008年,美国已经有洛杉矶港、长滩港等6个港口在使用船舶供岸电系统,在欧洲也有哥德堡港、斯德哥尔摩港等10个港口安装了船舶供岸电系统。近年来,我国港口岸电也快速发展,在青岛港、连云港港等地配置岸电系统。

目前,国内外学者对岸电系统的主要研究集中在岸电对接船舶负荷时供电的控制方法策略[3-4]、岸电变频电源的控制技术[5]和控制参数的辨识方法[6]等方面。对于当前多源接入岸电系统的协调优化运行方面的研究较少,使得港口岸电系统的新能源消纳率不高,经济性无法做到最优化。

目前存在不少应用于配电网或微电网的协调优化控制策略的研究。包括了有功无功协调优化办法,多能互补的微电网多目标非线性优化办法,基于能源路由器的多区域虚拟电厂优化调度方法以及多层次的优化办法[7]。

针对岸电系统存在的问题,提出了岸电系统的分层分布式优化调配策略。上层优化通过边缘计算[8](Edge Computing)减少因预测误差和出力波动带来的不利影响;下层优化通过结合分时电价和移动储能电源实现“谷充峰放”和“风光互补”的运行模式,提高新能源消纳率以及多个投资主体的收益。构建风、光、储、网等多源供电模式下的岸电系统协调运行优化模型,明确对应的优化目标及边界条件,用于提高可再生能源消纳率、岸电系统运行经济性。最后利用混合整数线性规划方法(Mix Integer Linear Programming, MILP)对该模型进行求解。在MATLAB的YALMIP工具箱中调用CPLEX软件包验证所提策略和模型的有效性、合理性。

1 移动储能电源

移动储能电源在岸电中主要用于为停靠在江心锚地离岸较远的船舶提供供电服务。能够实现电源即插即充、负载即插即用。主要组成部件有：蓄电池及电池管理系统(Battery Management System, BMS)、储能变流器(Power Conversion System, PCS)、能量管理系统(Energy Management System, EMS)、数据传输设备、消防控制设备、温度控制设备、计量设备。其系统架构如图1所示。

图1 移动储能电源系统架构

移动储能电源的工作核心是蓄电池部分,主要采用磷酸铁锂或者三元锂电,由多组蓄电池及BMS模块组合。其工作模式是从电网侧交流母线处获取电能,通过PCS变流模块,将交流电转换为对应电压等级的直流电,储存在蓄电池模块中,EMS模块作用是对电池的充放电量进行控制,数据传输设备是将从岸电系统中采集到的相关数据传输到移动储能电源,从而决定其充放电模式的设备。其余设备主要为了保证安全可靠运行。目前市场上常见的应用于港口岸电领域的移动储能电源容量主要有15 kW/30 kWh和30 kW/60 kWh。

2 多源接入的船舶岸电系统结构

国内外的船舶岸电系统通常由3部分组成[9]：(1)岸基变电站,国内通常采用110 kV作为接入配电网处的变电站受端母线电压等级。通过110 kV/10 kV变压器降压,作为船舶或者港口其他用电设备的配电电压;(2)岸电电缆及硬连接部分,负责连接岸电与受电船舶,主要包括电缆管理系统,国内岸电常见的是码头上安装高压插座箱,高压岸电电缆盘卷在船舶上,在靠岸时通过插座箱和电缆供给船舶电力;(3)船舶受电部分,包括船舶变压器与船舶负荷。

根据相关数据显示,港口地区可再生能源资源丰富,现有岸电基地的分布式供电主要由风电和光伏组成[10]。分布式电源的电量消纳通常采用“自发自用、余电上网”的模式,通常会与本地负荷形成能源子系统形式。在港口岸电技术的未来发展中需要将分布式能源纳入规划。文中将风电、光伏、配电网作为岸电系统的供电电源,在公共母线上实现各子系统的互联,通过移动储能设备协调各个子系统的出力情况。岸电地区接线图如图2所示。

图2 岸电系统接线图

3 岸电系统分层分布式运行优化策略

基于公共母线与移动储能设备的岸电各子系统互联以后,可以通过能量在各个子系统之间的局域调配,提高分布式能源的消纳率,提高岸电系统的收益。但在整个运行过程中依旧存在如风电光伏出力的预测误差大,导致分布式能源消纳率不高、船舶负荷接入岸电时间不可控导致的成本较大问题。为了解决实际运行中存在的这些问题,提出岸电系统分层分布式运行优化策略,具体优化策略框图如图3所示。

图3 双层优化策略

3.1 基于边缘计算的上层分布式优化方法

为了解决因可再生能源出力的预测误差,导致的日前调配计划准确性低、可再生能源的消纳率不高等问题。提出了基于边缘计算的上层分布式优化方法。

通过在岸电供电系统终端、各风电光伏子系统终端、移动储能和公共母线接口终端分别建立边缘服务器进行通信交互,将实时的节点数据进行传输协调配合,通过边缘计算得出各节点当前的调配策略,实现对日前调度计划一定程度的修正,可以减少因预测误差带来的不利影响。图4为边缘计算在岸电系统中的应用模型。

图4 岸电系统边缘计算模型

根据边缘计算是与邻近节点通信的特点,本层优化主要目标是根据邻近节点传输信息,达到可再生能源消纳率更高的效果。构建的数学模型可以表示为：

(1)

式中F1为一层优化目标函数,Pload,t为一层优化后t时刻的等效船舶负荷,Pwind,t为t时刻的风电出力,PPV,t为t时刻的光伏出力。

根据边缘服务器实时读取的相关分布式能源的出力情况和船舶负荷的相应情况,通过约束条件式(11)～式(18)确定合理的分布式能源出力取值范围,之后在边缘节点处进行逐一计算,达到分布式能源出力与船舶负荷需求的差值最小的目标(即式(1)),从中选取分布式能源出力的最大值,保证消纳率的最高。

上层优化根据终端服务器提供的实时数据情况进行计算分析,实现各分布式电源与船舶受电系统的互动消纳,并将得到的结果应用于下层优化中。

3.2 基于分时电价与移动储能的下层收益优化方法

下层优化主要是对岸电互联运营的各子系统,合理应用配电网侧对应的分时电价机制,通过移动储能单元的“谷充峰放”和“风光互补”的工作模式实现更优化的收益分配模式。

3.2.1 “谷充峰放”运行模式

储能装置的“谷充峰放”运行模式,主要是在电价的低谷时段,以高于低谷电价的价格对储能装置进行充电;在电价尖峰时期,以低于尖峰电价的价格从储能装置放电,从而使得储能投资商从中获得利益,使得船舶电力用户也能从中获益。

假设谷时电价为s1,尖峰电价为s2,谷时储能充电电价为s1(1+a),尖峰储能放电电价为s2(1-b),储能充放电效率为η。假设储能容量为Qs。则可以得到各相关主体的对应收益如表1所示。

表1 “谷充峰放”模式各主体收益

3.2.2 “风光互补”运行模式

由于分布式能源的出力情况受气象因素的制约严重,波动性情况较为明显,经常会出现各个子系统内部无法实现分布式电源的就地消纳,或者分布式电源无法满足本地负荷需求的问题。通过移动储能设备能够实现“风光互补”运行模式,即转移消纳。在风电或者光伏出力过剩时,按照高于发电上网的电价收购余电,在风电或光伏出力不足时,按照低于实时电价的价格放电,通过公共母线将无法内部消纳的分布式电能转移至其他子系统或者船舶受电系统中合理消纳。

假设分布式电源发电上网电价为k1,实时电价为k2,储能充电倍率为δ1,储能放电倍率为δ2,储能容量为Qs。则可以得到各相关主体的对应收益如表2所示。

表2 “风光互补”模式各主体收益

4 多源岸电系统运行模型

4.1 目标函数

在岸电系统运行优化的模型中,以利润最高作为模型的优化目标。

maxf=∑b-∑a

(2)

式中f为总收益函数;b为收益函数;a为成本函数。具体函数见下文。

4.1.1 成本函数

假设港口岸电的基础设备都已经齐全,忽略其投资成本。

(1)运维成本

(3)

式中α1为运维成本;n为设备总数;wi为第i各设备的运维成本;β为运维成本的逐年递增比例;q为年份。运维成本在当年中保持固定数额,因此在利润计算过程中可以将其忽略。

(2)购电成本

(4)

式中α2为购电成本;t为小时;st为t时段的电价;Pi,t,buy为第i个设备在t时段的购电量。

(3)惩罚成本

为了能够提高分布式能源的消纳率,将弃风弃光量折算成惩罚成本,计入分布式子系统的运行成本中。同时计及磷酸铁锂电池的使用寿命问题,将其折算成折旧成本计入移动储能商的成本中。

(5)

4.1.2 收益函数

整个岸电互联系统的收益主要来自售电收益和新能源政府补贴收益。

(1)售电收益

b1=b11+b12+b13

(6)

式中b1为售电总收益;b11为子系统自发自用部分的售电收益;b12为余电上网部分的售电收益;b13为储能的电价差收益。

(7)

式中θi为第i个子系统的自用率;Pi,t为第i个子系统在t时段的发电量。

(8)

式中st,sell为余电上网电价。

b13=(ηs2(1-b)-s1(1+a))Qshs

(9)

式中hs为移动储能充满放的次数。

(2)政府补贴收益

(10)

式中αnew为新能源单位电量的补贴价。

4.2 约束条件

(1)功率平衡约束条件

(11)

(2)风电光伏的实际出力约束条件：

(12)

(13)

风、光出力实际情况应小于当时的预测出力。

(3)移动储能约束条件

SOCmin≤SOCi,t≤SOCmax

(14)

(15)

(16)

(17)

(4)购售电约束条件

ubuy,t+usell,t≤1

(18)

式中ubuy,t、usell,t分别为t时刻购售电状态,为0,1数,其中1为购(售)电状态,0为无购(售)电状态。

4.3 求解办法

将所列出的约束条件中的非线性约束简化成线性约束,将非线性问题转化为混合整数线性规划问题,并采用CPLEX软件包进行求解。

5 算例分析

5.1 算例介绍

长江流域某港口含可再生能源接入的岸电系统拓扑图如图5所示,移动储能电源可以自由接入公共母线充电或者为靠岸船舶供电。调研该港口监测系统中的2019年份的大量数据,并选取某典型日数据作为算例进行分析计算。该港口地区当日分时电价如图6所示,存在明显的分时电价机制。当日的各子系统预测出力情况如图7所示,为了考虑到风光预测出现误差的情况,在预测数据的基础上加上白噪声生成实测数据(预测误差服从正态分布),误差范围控制在5%以内。

图5 岸电系统拓扑图

图6 典型日分时电价图

图7 典型日各系统预测出力

单个移动储能容量为15 kW/30 kWh,本港口配置数量为10台,单日单个移动储能设备的充放电次数无限制,其使用成本与寿命折算成本系数总计0.2。

新能源惩罚成本系数α1取固定值0.75元/kWh,政府补贴价取1.25元/kWh。三个分布式子系统的自发自用率均取50%。

5.2 对比方案结果分析

为了能够更好地研究岸电系统的分层分布式运行优化策略对岸电系统提高可再生能源消纳率与降低运行成本的作用,设置三种不同的策略方案。具体设置如下：

方案1：岸电各子系统不互联,无移动储能转移消纳。本方案中主要以满足船舶负荷的用电需求为主,不考虑各子系统之间的能量互补,不优化对分布式能源预测结果的准确性;

方案2：岸电各子系统之间互联运营,可以通过公共母线和移动储能单元实现各子系统之间的能量调度和转移消纳,并通过边缘计算的上层优化对典型日的分布式能源预测结果进行优化;

方案3：岸电各子系统之间互联运营,可以通过公共母线和移动储能单元实现各子系统之间的能量调度和转移消纳,并通过边缘计算的上层优化对典型日的分布式能源预测结果进行优化,结合分时电价通过移动储能单元实现“谷充峰放”和“风光互补”模式的运行,最大程度提高分布式能源的消纳率和主体运营商的利润。

各方案下岸电系统的运行成本和对应的可再生能源消纳率情况如表3所示。

表3 可再生能源消纳率与运行成本

对表3数据进行分析如下：方案1中可再生能源消纳率最低,只有64.13%,因此在成本的计算方法中,会存在较高的弃风弃光惩罚成本,使其毛利润最小;方案2通过公共母线和移动储能设备,将岸电各子系统互联运营,各子系统之间可以通过转移消纳的办法实现一定程度的能量转移,实现分布式能源的空间互补,并且通过边缘计算的办法,将分布式能源的预测误差减小,综合使分布式能源消纳率有了明显提升,同时惩罚成本下降,获得总利润有所提升;方案3在方案2的基础上,通过基于分时电价的移动储能单元,实现“谷充峰放”和“风光互补”模式,对分布式能源的消纳从空间互补,上升到时空尺度上的互补,同时合理利用分时电价机制,获得更高的纯利润。

方案1～方案3下岸电系统风电、光伏、配电网购售电和移动储能充放电情况如图8～图10所示。

图8 方案1运行结果图

结合图8～图10的运行情况,可以得到如下结论：

(1)岸电系统的船舶负荷接入时间大多在日间(8：00-18：00),在夜间(19：00-次日6：00)时无船舶负荷;

(2)可再生能源中的风电一直处于可发电状态,光伏在日间发电,两者的功率出力波动明显;

(3)方案2单独采用边缘计算对风光预测误差进行修正,从图9中也可以看出,边缘计算能够小幅的改变对应DG出力情况,由于设置的误差白噪声比例较低(5%),改变的幅度较小;

图9 方案2运行结果图

(4)由于分时电价与储能设备削峰填谷的存在,岸电系统会在风、光电源出力更多的时候,通过移动储能存储一定的电量,并在风电低发、电价较高的时候将存储的电量用于船舶负荷的供电。

从表3中数据和图8～图10的分析可以得出结论：岸电各子系统的互联运营,能够从空间上为分布式能源的消纳提供解决办法;所提的分层分布式运行优化策略,上层通过边缘计算的办法,从分布式能源的预测数据准确性层面,提高新能源消纳率,减小惩罚成本;下层通过基于分时电价的移动储能单元,实现“谷充峰放”和“风光互补”模式,从时空尺度上实现能量的互补,以及岸电系统运行成本最小。

图10 方案3运行结果图

6 结束语

通过分析港口码头和内河流域地区的分布式能源接入岸电系统问题。提出了基于移动储能的多源融合岸电协调运行模型和分层分布式运行优化策略。经过算例验证,所提的分层分布式运行优化策略在岸电区域互联系统中的应用,能够通过边缘计算,从数据准确性角度,通过互联运营的空间互补,通过移动储能的时空互补手段,有效实现提高可再生分布式能源的消纳率,降低总成本,提高主体运营商获利的目的。

综上所述,所提的分层分布式运行优化策略和多源融合岸电协调运行模型,能够应用于我国大部分采用岸电的港口区域,能够降低岸电系统运行成本,提高新能源消纳率。