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不同运行模式下的交通自洽能源系统架构
配置优化
黄虹鑫，胡力群，张懿璞，徐先峰
摘要
为推进交通空间内的可再生能源利用，针对复杂的交通工程建设运营条件，提出了4种运行模式及对应的交通自洽能源系统架构，并建立每种运行模式下的系统架构配置优化模型，使用改进非支配排序优化遗传算法对配置优化模型进行求解；结合案例对不同运行模式下的系统架构配置方案的影响因素进行分析，给出了不同运行模式下的系统架构配置方案性能特征及适应环境。结果表明：运行模式A的经济性和环保性最好，建设条件容易达到，但系统可靠性最差，无附加约束情况下模拟运行结果显示缺电概率为6.7%，低重要性负荷断电概率为23.23%；运行模式D的系统可靠性最佳，但对并网条件要求高，并网联络功率可达483.53 kW；模式B和C的特征较为均衡，可应用交通环境最多；不同优化目标的优化方向存在冲突，技术或环保性能指标每提高1%，经济投入都将增加数百万元；弃电率主要影响输出功率具有强烈波动的电源及储能的配置容量，本文案例中利用水电时弃电率超过40%；不同约束指标以及与优化目标之间联动影响，且根据不同约束要求的严格程度差异，存在约束遮盖现象。
为推进交通领域可再生能源的利用，本文建立了交通自洽能源系统主要节点设施的容量配置优化模型，首先对交通自洽能源系统的“源-网-荷-储”4个主要组成要素进行分析，并提出4种系统架构运行模式；之后提出交通自洽能源系统架构的主要概念并构建其初步设计流程；在此基础上建立交通自洽能源系统架构设施装机容量配置优化模型，搭配NSGA-II进行模型求解；在初始架构最大配置容量的约束下，对架构配置进行精简优化，得到满足系统架构运行要求的最佳配置容量；最后，选择了某高速服务区进行算例分析，研究不同的约束优化条件以及运行模式对交通自洽能源系统架构配置优化结果的影响。本文研究贡献主要包含以下几个方面：1.给出了交通自洽能源系统架构组成及设计方法；2.归纳总结出了交通自洽能源系统可能面临的4种运行模式，并给出了不同运行模式下系统架构配置优化模型；3.阐明了不同约束指标变化对系统架构配置优化结果的影响。
1.1 交通自洽能源系统组成要素
交通自洽能源系统的实际物理终端主要包含电源要素、负荷要素、储能要素以及互联微电网要素，视作“源-网-荷-储”四大要素。
其中，互联微电网要素作为不同要素终端之间的沟通要素，负责能源流的调配、保证系统要素正常发挥作用。同时，为适应不同的工程条件，划分了以下四种运行模式：
（1）运行模式A：此时系统离网，在可再生能源以及储能设施的实时供给功率不足时，削减交通负荷电力需求，对低重要性交通电力负荷进行临时断电，其基本架构如图1（a）所示。此模式主要适用于西北或山区无电网地区的低重要性交通基础设施服务区或车站，也可用于“零碳”示范工程。
（2）运行模式B：系统离网，可再生能源以及储能供电不足时，使用柴油电机等备用电源进行临时供电，如图1（b）所示。此模式适用于重要性较高，且位于偏远无电网地区或远距离高成本供电的车站、服务区、管理区域等；
（3）运行模式C：此时系统并网，但仅可进行单向供电，且可能拉闸限电。此模式下首先仍由可再生能源供电，其次为储能设施，电力不足时，由大电网进行功率补足，维持系统功率平衡, 基本架构如图1（c）。此模式在弱网及阶段性断电、政策限制并网地区的车站、港口、服务区等具有较好的适用性；
（4）运行模式D：系统完全并网，大电网可双向供购电。可再生能源电力供给不足时，由储能供电，其次由大电网进行功率补足；可再生能源电力剩余时，首先进行储能要素充电，其余送电上网, 基本架构如图1（d）所示。此模式适用于电网情况良好且并网政策宽松地区的交通服务管理设施、车站及港口地区。
图 1 不同运行模式下的交通自洽能源系统基础架构
1.2 交通自洽能源系统架构初步设计
交通自洽能源系统架构为该系统的物理主体结构，由“源-网-荷-储”4个要素构成。如图2所示，表明系统内主体设施布局及运行模式，并界定所利用清洁能源类型、方式、电源设施装机容量及储能方式、装机容量。
图 2交通自洽能源系统架构初始设计流程
建立交通自洽能源系统架构方案，首先，确定交通基础设施类型，明确交通负荷电力需求，确定可利用空间，将其划分为多个模块（表1），同时得到每个空间模块的可利用方式、可布设装置及其最大安装容量约束；最后，确定本系统的并网条件，结合交通负荷的重要性等级和系统建设运行要求，选定运行模式。此时，可利用的各类发电、储能设施最大允许安装容量作为架构方案初始配置容量，选定的运行模式作为架构方案沟通运行策略，联合交通电力负荷初步构成系统架构方案。
表 1 典型可利用交通空间场所
不同运行模式下的系统架构不同，系统建设目的以及约束条件也各有特征，如表2所示。
表 2不同运行模式下的交通自洽能源系统架构配置优化目标及约束条件
2.1目标函数
运行模式A、B、C、D下交通自洽能源系统总净现成本分别为CA、CB、CC、CD，具体公式如下
2.2 约束条件
在运行模式C的弱网条件下，可能会限电，在每天的Ts时刻至Te时刻之间停电。
2.3运行策略
电力负荷首先由电源要素进行供给，其次为储能要素，最后为备用供电方式。电源要素的输出功率首先供给负荷要素，其次对储能设施充电，余电弃置或上网。本着以上原则，制定了交通自洽能源系统架构运行策略，如图3所示。
图 3 交通自洽能源系统架构运行策略
如图4~图7，为案例分析所用光、风、水自然气候资源数据。
图 4 光辐照及环境温度数据
图 5 风速数据
图 6 河道水流流量及流速数据
图 7 负荷数据
3.1运行模式A
如表3所示，随着临时断电概率约束的放松，系统负荷功率需求降低，发电设施及储能设施配置要求降低，总净现成本降低，储能调峰能力降低，弃电率上升。弃电的增加、发电设施配置容量的减少，可再生能源供给能力降低量多于限电量。
表 3 运行模式A下负荷临时断电概率影响
如表4所示，可断电比例每增加10%，缺电概率及断电概率约平均下降1%，此为断电量逐渐超过缺电量所致。若停电负荷较多，储能设施充电，储能设施补充放电能力增强，避免了断电现象的复现。
表 4 运行模式A下可临时断电负荷比例影响
如表5所示，弃电率约束值越大，总净现值越小，低重要性交通负荷断电概率越低。在弃电率约束放松之后，水轮机组投入使用。在弃电率约束值超过40%后，约束效果过小，储能配置容量下降，缺电概率以及临时断电概率上升。
表 5 运行模式A下弃电率影响
3.2运行模式B
根据表6，由可再生能源实时供给交通负荷的电量，产生的自洽率值满足自洽率约束。自洽率约束值越大，对储能要求越高，总净现值以及自洽率优化目标值增大，弃电率指标随之降低。其中，当配置方案满足约束条件所需代价过大，超过了惩罚函数的惩罚作用，将会出现优化目标结果不满足约束条件的情况，表明电源要素条件相对交通负荷需求差，无法满足约束要求。
表 6 可再生能源自洽率的影响
自洽率同时作为优化目标以及约束条件，在自洽率不满足约束条件时，适度值函数的分子与分母具有同比例的数值，对自洽率优化目标的影响规律相同，但对总净现值的影响差异较大，会以不同比例放大总净现值，增大其适度值的波动性，降低其种群迭代收敛速度，且对自洽率要求越严格，影响越明显，可能会遮盖其他约束的作用。如图8，随着自洽率约束值的增大，标准差越大，收敛速度越慢。
图 8 不同自洽率约束下的种群优化目标标准差分布
3.3运行模式C
根据表7，弃电率约束放松，开始利用水轮机，净现值降低约500万，自洽率超过95%，水轮机的单机发电能力及成本较高，但单位供电成本低。优化目标的优化方向之间相互冲突，为提高自洽率，需额外的储能电柜，成本增加。在最优解集内，同一非劣等级内的配置方案对不同优化目标的偏重，可能导致优化结果的差异，如弃电率约束由10%放松至40%时，储能电柜数量翻倍。
表 7 运行模式C下弃电率的影响
在表8内，在缺电概率约束为0时，优化目标变化剧烈，此时缺电概率的约束作用，明显遮盖弃电率约束。根据惩罚函数，约束惩罚作用与其要求严格程度成正相关关系，要求越严格，违反约束时的惩罚作用越明显，能够较好的符合求解目的要求，但同时可能会遮盖其他约束条件的作用。
表 8 运行模式C下缺电概率的影响
3.4运行模式D
对表9分析发现，在无约束的情况下，利用时水电，成本下降约3000万，自洽率提高17.32%。因此，水电的利用可大幅改善系统效能。但光、风电在长时间跨度上分布较为平衡，短时间跨度内可依赖储能调峰。水电在短时间内分布较均衡，但存在汛期高峰，若完全消纳则对储能容量要求极高。
表 9 运行模式D下售电率的影响
3.5 不同运行模式下交通自洽能源系统架构配置优化方案对比
在总净现值方面，运行模式A不需要备用电源，运行模式D存在大量的水电上网收益，运行模式D的经济性最优。根据图9，除运行模式D，其余的初始建设成本占比分布在60%~80%，运维成本约占10%，其次为备用电源发电成本，受制于油价及发电效率，柴油发电成本远高于电网购电成本。因此，在忽略水电应用的影响下，经济性：运行模式A>D>C>B，若可利用水电且可余电上网，运行模式D的经济性最佳，具有极大的系统建设经济效益。
图 9 交通自洽能源系统架构配置方案成本分析
如图10所示，在架构性能方面，由于无备用电源，缺电概率较大，运行模式A最差，但100%可再生能源供电，环保性最佳。运行模式B用柴油补充供电，其环保性最差，但无缺电现象。运行模式C依赖电网补充供电，但可能存在停电行为，系统可靠性较差，大电网的碳排放因子低于柴油发电，环保性较好。运行模式D可依赖大电网进行双向购售电，无弃电且碳排放因子较小，环保性好，对可再生能源以及储能的依赖较小，其可靠性最佳，但案例分析中大电网的购电功率可达483.53 kW，对并网条件要求高。
图 10 不同运行模式下的系统架构性能特征
（1）提出了具备4种运行模式交通自洽能源系统架构及初步设计方法。系统架构的初始设计主要是对项目内的空间、设施以及环境、电网条件等进行调研，确定运行模式和优化目标、约束条件。
（2）建立了交通自洽能源系统架构配置优化模型方法，该方法能够在不同交通场景下得到当前工程条件下的最佳交通自洽能源系统架构配置方案。
（3）不同运行模式下优化目标以及约束条件影响各有特征。弃电率会限制大波动性可再生能源的应用，与储能容量配置及自洽率负相关；低重要性负荷断电概率约束的放松有助于改善经济投入，但缺电概率会上升；可临时断电比例约束的放松有助于提高架构稳定性；缺电概率要求严格可改善自洽率，但会增加储能配置。在优化目标及约束条件内包含同一指标，可增加计算过程中在该优化指标方向的侧重，但会降低在该指标上的收敛速度。同时，对某一约束指标要求越严格，其影响程度越大，并可能会遮盖其余附加约束的作用，使其约束作用丧失。
（4）不同运行模式下的系统架构方案配置结果特征不同，运行模式A的经济性及环保性好；模式D的可靠性最佳，且在具有大量可再生能源售电时，具备项目直接盈利能力；运行模式C和D的性能较为均衡。对不同因素的影响规律分析，有助于设计人员合理设置交通自洽能源系统建设运行条件。
（5）交通领域内具有不同的环境特征及工程条件，本文建立了对应的交通自洽能源系统架构方案配置求解方法，为交通领域的可再生能源系统建设开发提供了理论支持，但本文所提方法仅适用单个交通负荷节点，面对交通网络内多个自洽能源系统电力互济的发展需求，仍需进一步的深入研究。
作者简介
胡力群
长安大学二级教授
国务院政府特殊津贴专家
陕西省中青年科技创新领军人才
教育部新世纪优秀人才
交通部百名优秀工程师
交通部交通科技英才
交通运输部道路结构与料交通运输行业重点实验室（西安）主任
长期从事道路路面材料与结构、路面智能感知以及交通能源融合等方向的科研与教学工作。主持和参加国家、省部级科研项目20余项，两项成果分别获得2009年、2013年国家科学技术进步二等奖，参与完成的成果获省级科学技术一等奖3项、二等奖6项；参与编写8部国家、交通部、住建部标准规范。
本文主要内容源自《交通运输工程学报》2024年第5期, 点击查看文章全文：
黄虹鑫，胡力群，张懿璞，徐先峰. 不同运行模式下的交通自洽能源系统架构配置优化[J]. 交通运输工程学报，2024，24(5): 23-39.
制作/排版：程 静 苏书杰
编辑：荣依依
校对：戴 杰
审核：韩跃杰
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