質(zhì)量技術(shù)獎案例 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在風(fēng)光儲輸工程優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

◆劉 波 王蘇北 唐勇俊/ 文

在發(fā)展智能電網(wǎng)時，如何安全、可靠地接入各種可再生能源電源是當(dāng)今面臨的一大挑戰(zhàn)。本文結(jié)合張北國家風(fēng)光儲一期工程項(xiàng)目，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用風(fēng)光互補(bǔ)特性配合儲能裝置對電能的存儲和釋放，對改善整個風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)功率曲線進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在風(fēng)光儲輸工程中的研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)基本原理

試驗(yàn)設(shè)計(jì)源于1920年統(tǒng)計(jì)與遺傳學(xué)家費(fèi)希爾的研究，后經(jīng)田口玄一博士集其大成，試驗(yàn)設(shè)計(jì)在工業(yè)界得以普及和應(yīng)用。DOE（Design of Experiment）試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種安排試驗(yàn)和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過有目的地改變一個系統(tǒng)的輸入來觀察輸出的改變情況，以較小的試驗(yàn)規(guī)模(次數(shù))、較短的試驗(yàn)周期和較低的試驗(yàn)成本，獲得理想的試驗(yàn)結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的可能包括：

（1）確定哪些參數(shù)對響應(yīng)的影響最大；

（2）確定應(yīng)把有影響的參數(shù)設(shè)定在什么水平，以使響應(yīng)達(dá)到或盡可能靠近希望值；

（3）確定把有響應(yīng)的參數(shù)設(shè)定在什么水平，以使響應(yīng)的分散度（或方差）盡可能?。?/p>

（4）確定應(yīng)把有響應(yīng)的參數(shù)設(shè)定在什么水平，以使不可控參數(shù)（噪聲參數(shù)）對響應(yīng)的影響盡可能小。

因此，在生產(chǎn)、制造等過程的開發(fā)設(shè)計(jì)以及解決過程中出現(xiàn)的問題時均可采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對試驗(yàn)進(jìn)行合理安排。

DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法可分為七個步驟。

（1）確定目標(biāo)。對于運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)解決的問題，首先要確定目標(biāo)，分析問題帶來的危害及運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的必要性。

（2）剖析流程。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的展開是建立在流程的深層剖析基礎(chǔ)之上的，盡可能詳盡地列出可能的因素，確認(rèn)其輸入輸出，理解問題的可能因素有助于確定解決問題的總方向。

（3）篩選因素。使用一些低解析度的兩水平試驗(yàn)或者專門的篩選試驗(yàn)來篩選因素，以掌握影響指標(biāo)的主要因素，從而避免因選錯主要因素而造成的時間、經(jīng)濟(jì)成本浪費(fèi)。

（4）快速接近。通過篩選因素，同時得到主要因素對指標(biāo)的影響趨勢，快速找到試驗(yàn)?zāi)康牡目赡軈^(qū)域。使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的快速上升（下降）方法，根據(jù)篩選試驗(yàn)所得到的影響趨勢來確定一些因子水平進(jìn)行試驗(yàn)。

（5）析因試驗(yàn)。在快速接近的水平區(qū)間內(nèi)選取因子水平進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步度量因素的主效應(yīng)、交互作用以及高階效應(yīng)。析因試驗(yàn)主要選擇各因素構(gòu)造的幾何體的頂點(diǎn)以及中心點(diǎn)來完成，試驗(yàn)的最終通過方差分析來檢定這些效應(yīng)是否顯著，同時對之前的篩選、快速接近試驗(yàn)也是一個驗(yàn)證。

（6）回歸試驗(yàn)。考慮到功效問題，需要進(jìn)一步安排一些試驗(yàn)來最終確定因素的最佳影響水平。

（7）穩(wěn)健設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是通過設(shè)置可以調(diào)控的一些關(guān)鍵因素來達(dá)到控制指標(biāo)的目的，試驗(yàn)設(shè)計(jì)只是提供達(dá)到這種目的的可能和途徑，同時現(xiàn)實(shí)中還存在著很難通過人為控制來使其最優(yōu)的因素，即噪聲因素。此時，可采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)優(yōu)化，即選擇一些抗干擾的因素來緩解干擾因素的影響。

在本項(xiàng)目中，針對風(fēng)光儲系統(tǒng)的特殊性，為得到系統(tǒng)最佳出力功率曲線，上海電力設(shè)計(jì)院有限公司利用DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)對這個問題進(jìn)行了詳盡的分析研究。

1.2 風(fēng)光儲系統(tǒng)送出電力特點(diǎn)

風(fēng)光儲能系統(tǒng)是綜合利用風(fēng)光互補(bǔ)并配合儲能系統(tǒng)的一種合理的電源系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)是白天發(fā)電、夜晚不發(fā)電，白天光伏電站作為電源送出電力（以下簡稱出力），隨光照強(qiáng)度的變化而變化，輸出功率不穩(wěn)定，夜晚光伏電站不發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)以風(fēng)作為原動力，風(fēng)的隨機(jī)波動性和間歇性決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出特性也是波動和間歇的。

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，風(fēng)電的實(shí)際出力波動較大，太陽能發(fā)電出力相對穩(wěn)定，兩者疊加出力盡管可在一定程度上彌補(bǔ)風(fēng)電場出力波動加大的情況，但總體疊加出力波動仍較大，不能滿足電網(wǎng)出力平穩(wěn)的穩(wěn)定需求?？梢雰δ苎b置用于平滑風(fēng)光疊加出力，使得風(fēng)光輸出功率的波動盡量平穩(wěn)、波動性小。因此，需要運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定最佳的風(fēng)光儲配比，并通過智能控制調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行控制儲能裝置的補(bǔ)償功能，以達(dá)到系統(tǒng)總出力功率盡量平穩(wěn)的目的。

1.3 確定試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲系統(tǒng)總出力功率曲線最佳平滑，根據(jù)1.1節(jié)介紹的試驗(yàn)設(shè)計(jì)基本原理，通過1.2節(jié)的流程分析得知，風(fēng)光儲系統(tǒng)波動主要是由風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的出力特性決定的，主要受風(fēng)的波動性、間歇性和光照強(qiáng)度的影響。影響風(fēng)光發(fā)電的因素主要有風(fēng)速、空氣密度、風(fēng)能利用系數(shù)和風(fēng)機(jī)半徑、光照強(qiáng)度、光伏組件的傾角和方位角、組件效率和溫度、儲能裝置的平滑能力等。風(fēng)速、空氣密度、光照強(qiáng)度等因素受地理氣候的影響，屬于自然條件，是非可控因素。但是，可以通過選擇風(fēng)機(jī)、光伏組件，調(diào)整風(fēng)機(jī)半徑、光伏組件的傾角和方位角等措施，設(shè)定不同的風(fēng)光容量配比，利用風(fēng)光互補(bǔ)的特性來平滑風(fēng)光出力。儲能裝置的平滑能力取決于其容量和功率的大小，通過不同容量和功率的試驗(yàn)比較，可以獲得不同的系統(tǒng)總出力平滑能力。

經(jīng)過分析，選定風(fēng)光容量的配比、儲能裝置的容量和功率這3個可控因素作為此次DOE試驗(yàn)的3個因子?？紤]到張北國家風(fēng)光儲一期工程規(guī)模的限制，每個因子選取2個水平，風(fēng)光容量配比分別選取1：1和2：1的配比方式。根據(jù)風(fēng)光儲輸一期工程最大出力規(guī)模需求，同時兼顧經(jīng)濟(jì)性的考慮，儲能裝置的容量分別選取-1和1兩個因子，功率分別選取-1和1兩個因子進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)中所考察的因子水平數(shù)，進(jìn)行全因子分析，運(yùn)用Minitab設(shè)計(jì)計(jì)劃表進(jìn)行模擬試驗(yàn)控制，獲取16個典型日在不同風(fēng)光儲配比條件下系統(tǒng)總出力功率曲線的標(biāo)準(zhǔn)差。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果

在每個試驗(yàn)中，通過不同的風(fēng)光容量配比、儲能裝置容量和功率選取都會得到一組風(fēng)光儲能系統(tǒng)總出力功率數(shù)據(jù)。通過計(jì)算這組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)識不同風(fēng)光儲配比情況下的出力平滑效果，標(biāo)準(zhǔn)差越小，說明系統(tǒng)出力平滑的效果越好。

從風(fēng)光儲能系統(tǒng)出力標(biāo)準(zhǔn)差分析結(jié)果來看，風(fēng)光配比、儲能裝置容量、儲能裝置功率、風(fēng)光配比與儲能功率的交互作用、儲能容量和儲能功率的交互作用的主效應(yīng)在統(tǒng)計(jì)意義上是顯著的，它們的P值均小于顯著性水平0.05。其它因素的交互作用效應(yīng)是不顯著的，分別為0.082和0.966，大于0.05。

另外，在分析研究風(fēng)光儲能系統(tǒng)出力標(biāo)準(zhǔn)差的同時，還對風(fēng)光儲能系統(tǒng)出力標(biāo)準(zhǔn)差主效應(yīng)圖和交互作用進(jìn)行了分析研究（參見圖1）。其中風(fēng)光儲能系統(tǒng)出力標(biāo)準(zhǔn)差主效應(yīng)圖反映了風(fēng)光配比、儲能容量和儲能功率對于風(fēng)光儲能系統(tǒng)出力功率平穩(wěn)性的效應(yīng)。從圖中可以看出，當(dāng)風(fēng)光配比為高水平、儲能容量為高水平、儲能功率為高水平時，整個風(fēng)光儲能系統(tǒng)總出力功率平穩(wěn)性好。

交互作用圖顯示了風(fēng)光配比、儲能容量、儲能功率三個因子間的相互影響。從交互作用圖可以看出，當(dāng)風(fēng)光配比為高水平、儲能水平為高水平、儲能功率為高水平時，風(fēng)光儲能系統(tǒng)總出力功率平穩(wěn)性最好。

2 風(fēng)光儲能系統(tǒng)智能控制調(diào)度系統(tǒng)

通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定了最優(yōu)風(fēng)光儲配比的選取，但僅僅確定風(fēng)光儲能配比對于實(shí)現(xiàn)平滑系統(tǒng)出力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。需要設(shè)計(jì)一套智能控制調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時根據(jù)風(fēng)光變化和調(diào)度曲線目標(biāo)來控制儲能裝置的充放電過程，從而最大程度地補(bǔ)償平滑出力。

圖1 風(fēng)光儲能系統(tǒng)出力標(biāo)準(zhǔn)差主效應(yīng)圖和交互作用圖

智能控制調(diào)度系統(tǒng)是整個風(fēng)光儲項(xiàng)目的控制核心。它根據(jù)電網(wǎng)下達(dá)的調(diào)度曲線、風(fēng)能預(yù)測和光照預(yù)測，通過調(diào)節(jié)風(fēng)、光、儲三者的功率輸出來平滑系統(tǒng)出力。國家風(fēng)光儲輸示范工程的智能控制調(diào)度系統(tǒng)采用“一體化”的設(shè)計(jì)原則，在統(tǒng)一的通信平臺上，配置一體化的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對上述所有設(shè)備的監(jiān)測和控制，并實(shí)現(xiàn)智能控制調(diào)度的目的。

智能控制調(diào)度系統(tǒng)功能包括SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）功能、儲能監(jiān)控功能、光伏監(jiān)控功能、風(fēng)機(jī)監(jiān)控功能、環(huán)境監(jiān)控功能等。在此基礎(chǔ)上，另制定了風(fēng)光儲能系統(tǒng)能量調(diào)度策略、儲能電池的能量調(diào)度策略以及風(fēng)光儲能系統(tǒng)的整個調(diào)度流程。通過智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，可以實(shí)現(xiàn)儲能裝置的智能補(bǔ)償，得到最優(yōu)的系統(tǒng)出力功率曲線。張北國家風(fēng)光儲輸一期工程的智能控制調(diào)度系統(tǒng)主要監(jiān)控對象有：220kV大河智能變電站、光伏電站、儲能、小東梁風(fēng)電場和孟家梁風(fēng)電場。智能控制調(diào)度系統(tǒng)布置在大河變電站內(nèi)的集控中心內(nèi)，通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)光儲電站的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

3 小結(jié)

本項(xiàng)目風(fēng)光儲能系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)首次突破性地運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和智能控制調(diào)度系統(tǒng)，通過選取最優(yōu)風(fēng)光配比、儲能容量和功率，提高了風(fēng)光儲能系統(tǒng)總體出力功率的平滑性和并網(wǎng)質(zhì)量，為風(fēng)光儲新能源的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。在整個試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，由于風(fēng)光儲示范工程的特殊性，無法對每個因子選取多個水平進(jìn)行非常詳盡的分析，因此如何選取合理恰當(dāng)?shù)囊蜃铀匠蔀榻鉀Q問題的關(guān)鍵。為此，上海電力設(shè)計(jì)院根據(jù)以往風(fēng)光儲系統(tǒng)項(xiàng)目的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)并通過軟件模擬仿真，結(jié)合張北國家風(fēng)光儲的規(guī)模等因素，選取了本次試驗(yàn)的因子水平，試驗(yàn)結(jié)果及后續(xù)的實(shí)際運(yùn)行情況表明，最后得到的最優(yōu)因子水平很好的滿足了工程目的的實(shí)現(xiàn)。

該技術(shù)在張北國家風(fēng)光儲輸一期工程中得到了很好的驗(yàn)證，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對增強(qiáng)可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的核心競爭力，促進(jìn)國內(nèi)風(fēng)電、光電的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展，推動我國風(fēng)資源和光資源的開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)國家能源可持續(xù)發(fā)展的總體戰(zhàn)略具有重要意義。張北國家風(fēng)光儲能系統(tǒng)總出力功率的平滑性能夠滿足電網(wǎng)調(diào)度的需求，提高了并網(wǎng)質(zhì)量。

（略）