考慮儲電船舶參與的近海海島靈活供能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃
李飛宇, 隨權(quán), 林湘寧, 李正天, 魏繁榮
（強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學），湖北 武漢 430074）
摘要：能源供給是近海海島開發(fā)的先決條件，純粹的獨立微網(wǎng)供能方式往往面臨著一定的可靠性問題，而海底電纜高昂的建設(shè)及維護成本，較大程度上限制了近海海島的開發(fā)和利用。為此，提出一種考慮儲電船舶（electric vessel，EV）參與的近海海島靈活供能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略。首先，針對典型近海人居島和資源島相對位置及其可再生能源出力特點，提出包含EV能量鏈路、溝通人居島、資源島和大電網(wǎng)并網(wǎng)點的靈活供能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以充分利用無人島上的可再生資源以及大電網(wǎng)的穩(wěn)定支撐能力；進而，量化分析不同場景對EV交通轉(zhuǎn)移的時延特性影響，搭建EV時空轉(zhuǎn)移模型；以規(guī)劃期內(nèi)的海島電網(wǎng)收益最大為目標函數(shù)，建立連續(xù)-離散能量流混合網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型。此外，提出了一種兩階段求解算法，第一階段預估EV數(shù)量，第二階段確定規(guī)劃模型的最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明：所提規(guī)劃方案具有優(yōu)越性，為海島負荷供電及可再生能源開發(fā)利用提供了一種新的思路。
引文信息
李飛宇, 隨權(quán), 林湘寧, 等. 考慮儲電船舶參與的近海海島靈活供能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[J]. 中國電力, 2022, 55(11): 10-20.
LI Feiyu, SUI Quan, LIN Xiangning, et al. Flexible energy supply network planning for offshore islands considering participation of electric vessels[J]. Electric Power, 2022, 55(11): 10-20.
引言
近海海島在開發(fā)過程中一般有2種能源供給模式，（1）依靠風/光/儲系統(tǒng)或者柴油等傳統(tǒng)機組供給的離網(wǎng)運行模式[1]，（2）通過海底電纜與陸地電網(wǎng)進行互聯(lián)的并網(wǎng)運行模式。對于離網(wǎng)運行模式，由于新能源出力間歇性較強，島嶼在光伏、風機出力較低時難以實現(xiàn)能量自持，供電可靠性堪憂；另一方面，孤島微網(wǎng)對柴油機組的依賴性較強，高昂的發(fā)電成本給人民的生產(chǎn)生活帶來了較大負擔。例如，珠海市大萬山島微電網(wǎng)在獨立運行10余年之后，由于電價過高等原因，最終選擇并入電網(wǎng)[2]。對于并網(wǎng)運行模式，海底電纜高昂的造價一定程度上限制了海島的開發(fā)與利用。譬如，在海南海底電纜工程中，30 km海底電纜的建設(shè)成本和后期維護成本高達2億元[3]。
針對上述2種供電模式的優(yōu)缺點，眾多學者在海島供能方面做出了研究。在離網(wǎng)型海島電網(wǎng)規(guī)劃方面，文獻[4-5]考慮利用多能互補，建立綜合能源系統(tǒng)來增強離網(wǎng)運行的可靠性，實現(xiàn)孤島微網(wǎng)的經(jīng)濟運行；在此基礎(chǔ)上，文獻[6-8]針對海島可再生能源機組出力的不確定性和波動性，研究了風/光/儲能的合理配置方法和能量管理策略。上述文獻試圖通過充分挖掘島嶼自身的可再生能源潛力，盡可能實現(xiàn)島嶼能源自給。然而，受制于島嶼面積，大部分島嶼無法完全實現(xiàn)能量自持，只能高度依賴柴油機的能源補給。為此，文獻[9]結(jié)合海底電纜壽命周期特點，構(gòu)建了包括建設(shè)、故障損失、運行維護成本的海纜全壽命周期成本模型；文獻[10-11]量化分析了考慮環(huán)境因素下的海底電纜并入大電網(wǎng)與獨立微網(wǎng)的規(guī)劃運行成本。在此基礎(chǔ)上，許多專家針對海底電纜的傳輸[12]、保護[13]等問題也開展了進一步的探索和研究。但是，上述文獻針對的都是負荷較為集中、電源裝機容量較大的海島電網(wǎng)，當負荷需求較小、傳輸距離較遠時，采用海底電纜進行電能傳輸?shù)慕?jīng)濟性將大大降低。以上2種模式的選擇，實質(zhì)上是在可靠性和經(jīng)濟性之間進行折中，始終難以做到兩全。因此，亟須突破性地設(shè)計一種島嶼供能規(guī)劃方案，以實現(xiàn)經(jīng)濟、可靠的島嶼供電。
現(xiàn)在以儲電船舶（electric vessel，EV）為代表的移動式儲能的發(fā)展，為海島供電提供了一種兼顧經(jīng)濟性和可靠性的新方案。文獻[14]提出大容量、能夠靈活轉(zhuǎn)移的儲電船舶概念，緊接著文獻[15]從數(shù)學上量化分析了復雜氣象、海況耦合條件下的共享儲能裝置的時空分布特性，建立了電氣流和交通流聯(lián)合仿真模型；在此基礎(chǔ)上，文獻[16-17]從多能流優(yōu)化調(diào)度、環(huán)境因子量化分析、魯棒優(yōu)化模型、求解算法等方面進行了改進和創(chuàng)新。上述文獻從運行層面為這種供能模式的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。文獻[18]通過船舶運行航路代替海底電纜傳輸?shù)男问?，?gòu)建了遠洋海島群的混合電能傳輸通道?？傮w來看，利用EV作為能量傳輸通道即EV能源鏈路，不僅可以提高島上負荷的供電可靠性，同時，移動式儲能相對于電纜的低成本優(yōu)勢，也有望實現(xiàn)海島的經(jīng)濟供電。然而，上述文獻針對的都是遠洋海島的供能網(wǎng)絡(luò)，未能考慮到海島與大陸電網(wǎng)的互聯(lián)對規(guī)劃模型的影響，對于已經(jīng)與大電網(wǎng)相聯(lián)的近海海島群（部分島嶼未能與大電網(wǎng)相聯(lián)）而言，上述模型已經(jīng)不再適用。
為此，本文首先提出包含EV能量鏈路的近海海島群的靈活供能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，量化分析多種場景對EV在各節(jié)點間交通轉(zhuǎn)移的時延影響，以規(guī)劃周期內(nèi)電網(wǎng)收益最大為目標函數(shù)，建立連續(xù)-離散能量流混合供能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型。最后，設(shè)計兩階段求解算法，規(guī)劃合理的EV數(shù)量和可再生能源機組容量，實現(xiàn)了該問題快速有效的求解。
1 基于EV的近海海島靈活供能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
1.1 基于EV的近海海島靈活供能模式
近海海島按照資源分布不同與人類活動差異可分為資源富集島和人居島。其中，一些占地面積大、負荷需求量高、人類活動較為頻繁的島嶼已經(jīng)通過海底電纜與大陸電網(wǎng)進行了互聯(lián)，其用電可靠性得到了長久的保障。然而，其他島嶼由于存在天然的地理隔離，能源傳輸通道受阻，資源富集島的能量不能及時進行消納，人居島的功率缺額也無法及時得到補充?；诖耍疚奶岢隹紤]EV參與的近海海島群靈活供能模式。
EV由于兼具可移動性和儲能系統(tǒng)特性，可以作為新型能量傳輸通道實現(xiàn)海島負荷的靈活供電。在此架構(gòu)下，對于與大陸電網(wǎng)直接相連的海島，電網(wǎng)可以通過海底電纜進行能量傳輸；而對于沒有聯(lián)網(wǎng)的海島，可以通過EV在海島間進行能量傳輸，實現(xiàn)海島的經(jīng)濟供電。
1.2 EV時空轉(zhuǎn)移過程
圖1表示了EV的時空轉(zhuǎn)移特性。如圖1所示，EV在3個停泊點和其之間的6條航路之間行駛。EV的時間鏈、空間鏈相互耦合，t時刻的位置是由t–1時刻的位置所決定；EV儲能模塊的充放電行為不只和EV所處的空間位置密切相關(guān)，還與停泊位置的負荷需求以及分布式電源（distributed generation, DG）出力相互耦合。
2 海島靈活供能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型
2.1 目標函數(shù)
以規(guī)劃期內(nèi)海島電網(wǎng)總收益最大為規(guī)劃目標，建立供能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型，即
2.2.2 電網(wǎng)潮流約束
在電網(wǎng)規(guī)劃模型中，與節(jié)點i相連的傳輸線路、DG 、EV、柴油機以及常規(guī)負荷構(gòu)成了節(jié)點i的注入功率，即
3 兩階段求解算法
由式（20）可知，本文所提模型是一個與EV數(shù)量N深度耦合、存在大量整數(shù)型決策變量以及非線性約束的規(guī)劃問題，針對這類問題的求解過程較為復雜；如果先行確定EV的數(shù)量N，不僅可以大大削減模型的非線性程度，還能夠?qū)崿F(xiàn)一些決策變量的解耦，加快模型求解速度。為此本文提出了兩階段求解算法。
3.1 第一階段：預配置EV數(shù)量
式（11）~（13）所給出的EV轉(zhuǎn)移時延模型是一個非線性的、含大量布爾型變量的表達式，模型較為復雜；若假設(shè)轉(zhuǎn)移模型中參數(shù) τ=0 ，即EV從一個停泊點移動到另一個停泊點的轉(zhuǎn)移時間為0。注意到，由于EV瞬時轉(zhuǎn)移，EV的位置集合中不再有在各站點間的變量，故位置集合為 S0 。EV的相關(guān)約束松弛為式（31）所示EV在瞬時轉(zhuǎn)移時的空間位置約束、式（32）所示EV的充放電功率約束。
通過求解以上模型得到瞬時轉(zhuǎn)移模型下的規(guī)劃方案最優(yōu)EV配置數(shù)量N1。然而，需要注意的是， N1 與EV真實運行時的場景還是存在一些偏差。（1）在EV時空轉(zhuǎn)移模型中，EV從i站點出發(fā)，需要在經(jīng)歷時間 τij 之后才能在j站點進行工作，EV的利用率較低；（2）瞬時轉(zhuǎn)移模型中，在各泊位間的轉(zhuǎn)移沒有延時，較時空轉(zhuǎn)移模型而言，單個EV轉(zhuǎn)移頻率更高，傳輸能量也更大。綜上所述，在時空轉(zhuǎn)移模型中需要更多的EV才能實現(xiàn)海島微電網(wǎng)的最優(yōu)運行調(diào)度。即EV在時空轉(zhuǎn)移模型下的最優(yōu)配置數(shù)量N2須滿足 N1?N2 。
3.2 第二階段：確定規(guī)劃模型最優(yōu)解
定義海島微電網(wǎng)通過海底電纜傳輸?shù)奈㈦娋W(wǎng)運行收益為 Pc ，考慮到EV能量傳輸效率和EV轉(zhuǎn)移成本，本文所提的EV能量鏈路傳輸模型的微電網(wǎng)運行收益 Popr 小于通過海底電纜連接的微電網(wǎng)運行收益 Pc 。并且， Popr 隨著EV數(shù)量N增加單調(diào)遞增。此外，由式（9）可知，本文所提方案的規(guī)劃成本 Cinv 與EV數(shù)量N成一次函數(shù)關(guān)系，目標函數(shù) F(N) 如圖3所示。
由式（33）可知，此時 PEV(t) 只與 Pk,e(t) 相關(guān)，實現(xiàn)了決策變量N與充放電功率 PEV(t) 的解耦，削減了模型的復雜程度，大大提升了求解速度。本節(jié)所提出的兩階段算法的求解流程如圖4所示。
4 算例分析
4.1 算例參數(shù)
圖5為基于EV提出的海島電網(wǎng)靈活供能模式的示意。其中，泊位1所在的海島與大陸電網(wǎng)通過海底電纜互聯(lián)，島上電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)基于IEEE 14節(jié)點[20]修改而成，額定電壓為10 kV，并且配置有柴油發(fā)電機和充電站；泊位2所在的海島為資源富集島，泊位3所在的海島為人居島，島上存在負荷需求；其中人居島和資源島上的風力資源較為豐富，具有一定的開發(fā)潛力，受限于島嶼面積，各島嶼風機容量不超過1 MW。EV容量為4 MW·h，最大充放電功率為1 MW，參與調(diào)度的時間周期為24 h，調(diào)度尺度為1 h。開始工作時EV的SOC設(shè)置為50%。算例的規(guī)劃年限為15年，年折現(xiàn)率為5%。
本算例選取的EV擬采用小型貨用船舶，船舶參數(shù)來自舟山市江海船舶工程設(shè)計有限公司設(shè)計的貨運船，采用柴油驅(qū)動，航行速度為15 km/h。同等載重類型的船舶購置費用約為50~80 萬元，本算例暫取船舶投資成本為80萬元。風機、柴油發(fā)電機的數(shù)據(jù)如表1所示[21]，其中，柴油的定價為6元/L。此外，海島微電網(wǎng)向大陸電網(wǎng)的購電費用為0.8元/（kW·h）。
儲能電池參照儲能電池生產(chǎn)廠商的價格，能量成本為3元/（W·h），電池充放電次數(shù)為6 000次。在計算儲能運維成本時，考慮到儲能電池的循環(huán)壽命，將儲能電池的投資費用折算到單次充放電成本[22]。此外，針對表征環(huán)境因子的影響，將環(huán)境因子的預測數(shù)據(jù)直接輸入到式（2）~（5）中，能夠獲得島上的負荷及風機出力數(shù)據(jù)，以及EV的島際轉(zhuǎn)移時間矩陣。
為了驗證本文所提出的規(guī)劃方案有較好的適應(yīng)性，使用場景削減法對全年負荷用電功率進行處理，生成夏季典型場景、冬季典型場景以及極端天氣場景3個場景，不同場景下的風電出力如圖6所示。
4.2 結(jié)果分析
按照所提兩階段求解算法，在Matlab R2017a-Yalmip平臺上調(diào)用gurobi對該算例進行求解，結(jié)果如下。
（1）EV最優(yōu)數(shù)量。
第一階段求得的EV規(guī)劃數(shù)量為1。按照第二階段求解算法，比較EV數(shù)量 N∈{1,2,3,4} 時對應(yīng)的規(guī)劃總收益 F(N) 的大小，結(jié)果如圖7所示，可以看出，規(guī)劃期內(nèi)總收益 F(N) 隨著EV數(shù)量N的增大，先增大再減小，并在N=2時取得最大值，因此，規(guī)劃方案的最優(yōu)EV數(shù)量為2。
（2）EV的運行調(diào)度方案。
圖8為不同運行場景下的EV的轉(zhuǎn)移路線。由圖8可知，EV的轉(zhuǎn)移存在時延。夏季典型場景下EV的傳輸路徑分別為3→2→1→3和2→3→1→2。冬季場景下，由于氣候變化，用電負荷和風電的出力較夏季場景有所不同，冬季典型場景下EV的傳輸路徑為3→1→3和2→3→1→2。極端天氣下，風能資源發(fā)生變化較大；除此之外，由于海上風浪影響，EV的轉(zhuǎn)移時延變長，EV轉(zhuǎn)移路徑變?yōu)?→1→3和2→3→2→3→1→2。由此可知，不同的運行場景對EV的時空轉(zhuǎn)移影響較為顯著。
圖9為不同運行場景下的EV充放電功率，其中定義充電功率為正，放電功率為負。
由圖9、10可知，EV通過儲能充放電特性在各并網(wǎng)點之間進行電能傳輸；此外，EV在各泊位間轉(zhuǎn)移具有明顯延時，所以其能量傳輸呈現(xiàn)離散性。特別地，在極端天氣場景下，EV的轉(zhuǎn)移受到風浪影響，能量傳輸?shù)臅r延變長。與此同時，EV的充放電功率及SOC值均在安全運行范圍內(nèi)，表明了本文所提EV能源鏈路在實際運行過程中的合理性。
（3）停泊點的功率分布情況。
圖11、12為不同場景下的海島微電網(wǎng)的功率分布情況。
由圖11、12可知，EV在功率富余的節(jié)點進行充電，在功率缺額的節(jié)點進行放電，實現(xiàn)了電能的有效傳輸；此外，EV在各停泊節(jié)點之間的能量傳輸具有明顯的延時特性，并且在極端天氣場景下延時時間明顯變長。綜上所述，3種場景下的混合能量傳輸通道能夠?qū)崿F(xiàn)近海海島間的能量傳輸，證明了本文所提規(guī)劃方案的可行性。
4.3 常規(guī)供電模式對比
為了能夠充分體現(xiàn)新型能源傳輸通道的優(yōu)越性，特設(shè)置以下對照方案。
（1）方案1。本文所提方案，即利用EV和分布式可再生能源對孤島微網(wǎng)進行供電；
（2）方案2。使用海底電纜作為能量傳輸通道對孤島微網(wǎng)供電，對風機數(shù)目進行規(guī)劃；
（3）方案3。用柴油發(fā)電機對孤立負荷進行供電，并在人居島上配置固定式儲能；
（4）方案4。使用海底電纜作為能量傳輸通道對孤島微網(wǎng)供電，且新建風機數(shù)目與方案二保持一致。
假定電纜沿著EV行駛航線包括從泊位1到泊位2、泊位1到泊位3兩段，總長度為26.4 km。海纜綜合投資費用為100萬元/km[23]。
圖13為方案2各場景下的泊位3的功率分布曲線。圖14為方案3泊位1的功率分布曲線。由圖13、14可知方案2、3功率分布滿足配電網(wǎng)相關(guān)約束。
表2為不同方案對應(yīng)的規(guī)劃期內(nèi)電網(wǎng)的運行成本。由表2可知，綜合3個場景方案1的運行收益為7 824萬元，方案2的運行收益10 169萬元，方案3的運行收益為6 253萬元，方案4的運行收益為8 493萬元。
表3為規(guī)劃方案的投資成本。其中，算例結(jié)果表明，方案1在泊位2處新建風機500 kW，泊位3處新建風機600 kW；方案2在泊位2、3處新建風機各1 MW；其中，方案2中海島由于存在穩(wěn)定的電力外送通道（海底電纜），風機出力更容易被大電網(wǎng)消納，所以新建的風機數(shù)目較方案1而言更多。需要說明，由于儲能電池的運行成本是通過電池的充放電次數(shù)和投資建造成本進行核算，所以在此不再重復計算電池的投資成本。
綜合考慮上述方案規(guī)劃期內(nèi)的總收益，可知方案1的規(guī)劃期內(nèi)的總收益為6 564萬元，較方案2收益提高了18.7%；較方案3收益提高了5%；較方案4收益提高了38%。其中，方案4新建的風機數(shù)目與方案1保持一致，在考慮年化收益的情況下，海底電纜投資成本回收期會更長。上述結(jié)果表明，本文所提出的規(guī)劃方案經(jīng)濟性更優(yōu)。
4.4 求解算法對比分析
為了體現(xiàn)本文所提兩階段求解算法的優(yōu)越性，利用gurobi直接求解該規(guī)劃模型，表4為算法對比分析結(jié)果。可以看出，本文采用的兩階段算法相比于直接求解，計算時間縮短了2 020.22 s（86.96%），且2種求解算法求得的最優(yōu)EV數(shù)量一致，可見本文所提的求解算法具有較為顯著的優(yōu)勢。
5 結(jié)論
本文提出了一種考慮儲電船舶參與的近海海島靈活供能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略。通過量化分析不同場景對EV交通轉(zhuǎn)移時延特性影響，以規(guī)劃周期內(nèi)的電網(wǎng)收益最大為目標函數(shù)，構(gòu)建了連續(xù)-離散能量流混合網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型。得出結(jié)論如下。
（1）所提的海島電網(wǎng)靈活供能網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)電能的傳輸，具有可行性；同時在現(xiàn)有的電能收益和建造運行成本下，該規(guī)劃方案綜合收益較傳統(tǒng)的電力電纜供電模式收益提高了18.7%，較分布式柴油發(fā)電機供電模式收益提高了5%，經(jīng)濟性更佳。
（2）所提的兩階段求解算法，將含有大量布爾型變量的混合整數(shù)規(guī)劃問題分為兩步進行求解，大大削減了布爾型變量的數(shù)目，與直接求解相比求解時間減少了86.96%，顯著提高了該規(guī)劃模型的求解效率。
