孤網(wǎng)運(yùn)行下新能源配比與儲(chǔ)能配置研究

楊菠，邵如平，張佑鵬

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

孤網(wǎng)運(yùn)行下新能源配比與儲(chǔ)能配置研究

楊菠，邵如平，張佑鵬

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

結(jié)合某風(fēng)光水互補(bǔ)微網(wǎng)，討論了孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，不同新能源發(fā)電比例對(duì)儲(chǔ)能容量配置的影響。介紹了儲(chǔ)能配置優(yōu)化方法，建立了數(shù)學(xué)模型。通過優(yōu)化仿真實(shí)例，分析了不同新能源發(fā)電比下使得儲(chǔ)能配置容量最小的光電、風(fēng)電、小水電配置情況，驗(yàn)證了優(yōu)化方法的可行性。

新能源發(fā)電；孤網(wǎng)運(yùn)行；儲(chǔ)能配置

隨著化石能源的衰竭，新能源發(fā)電(如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、小水電等)的利用漸漸得到人們的重視[1]。然而對(duì)于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電與小水電，其發(fā)電方式受地區(qū)天氣狀況、季節(jié)因素影響，存在較強(qiáng)的間歇性、隨機(jī)性，因此需要配置一定的儲(chǔ)能來平抑這些新能源所帶來的波動(dòng)[2]。

根據(jù)一項(xiàng)歐洲風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能配置的研究報(bào)告，每年大約有12%～15%的能量消耗在能量的存儲(chǔ)與釋放過程中。就歐洲當(dāng)?shù)厍闆r而言，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電量占到60%而光伏發(fā)電量占40%。這樣的混合發(fā)電比例不僅能夠很好地抵御季節(jié)性的依賴，同時(shí)也可以削弱對(duì)負(fù)荷的負(fù)面影響。如果將風(fēng)光發(fā)電比改為100%的風(fēng)力發(fā)電或者100%的光伏發(fā)電，則不僅輸變電設(shè)備的利用率較低，而且所需配置儲(chǔ)能的數(shù)值也會(huì)大大的增加[3－4]。因此，研究新能源發(fā)電配比對(duì)儲(chǔ)能配置的影響具有重要意義。

1 儲(chǔ)能配置優(yōu)化方法簡(jiǎn)介

某示范工程由光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和小水電三個(gè)部分組成互補(bǔ)微網(wǎng)，選取該地區(qū)3年風(fēng)、光、水以及負(fù)荷平均值作為典型年的數(shù)值進(jìn)行分析。在典型年中風(fēng)、光、水及負(fù)荷曲線如圖1所示。

圖1 典型年中風(fēng)、光、水及負(fù)荷變化

由于本文所討論的內(nèi)容是在孤網(wǎng)運(yùn)行之下，新能源配比對(duì)儲(chǔ)能容量配置影響的問題。因此，為了簡(jiǎn)化分析，典型年之中的風(fēng)、光、水及負(fù)荷的數(shù)據(jù)均除以了其年平均值，以此進(jìn)行標(biāo)幺，從而使得風(fēng)、光、水與負(fù)荷的平均值均為1[5]。

設(shè)風(fēng)、光、水每小時(shí)的輸出功率及負(fù)荷所消耗的功率分別為W(t)、S(t)、H(t)和L(t)，則每小時(shí)的功率失配可以表示為：

此表達(dá)式也直接決定了所需要的存儲(chǔ)容量。式中：g表示的是新能源發(fā)電比例，g－1代表的是新能源相較負(fù)荷平均多發(fā)電量。a、b、1－a－b分別對(duì)應(yīng)于光伏、水電與風(fēng)電的份額。

圖2所示為一年中，當(dāng)新能源相對(duì)負(fù)荷比g=1.2時(shí)該地區(qū)的失配情況。圖2中藍(lán)色部分所表示的是新能源發(fā)電量大于負(fù)荷時(shí)多發(fā)出的功率，紅色部分所表示的是尚不能供給負(fù)荷的欠發(fā)功率。由于g=1.2，因此全年中多發(fā)出功率的總額將表現(xiàn)出大于全年欠發(fā)電量的總和，即在圖2中表示為：藍(lán)色區(qū)域的面積大于紅色區(qū)域的面積。每日風(fēng)光水與負(fù)荷的失配情況與季節(jié)呈現(xiàn)很強(qiáng)的相關(guān)性，當(dāng)某一階段中風(fēng)、光、水等資源較為充沛時(shí)，將會(huì)有多余電量剩余。

圖2 每日新能源與負(fù)荷的失配情況

當(dāng)功率失配為正值時(shí)，表示多發(fā)的電量能夠被儲(chǔ)能裝置所存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)的效率為hin。當(dāng)功率失配為負(fù)值時(shí)，欠發(fā)電量能夠通過儲(chǔ)能裝置釋放出來，其釋放電能的效率為hout[6]。這里將儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)與釋放能量的表達(dá)式記為：

式中：H_store(t)表示在沒有限制條件下儲(chǔ)能裝置所儲(chǔ)存的能量隨時(shí)間變化的情況。在風(fēng)光水和負(fù)荷情況確定以及新能源發(fā)電比、儲(chǔ)能裝置充放電效率因子確定的情況下，H_store(t)會(huì)相應(yīng)生成?；谝陨蠗l件，所選擇的最小化儲(chǔ)能配置容量可表示為：

如圖3所示，由于在所選定的典型年年初風(fēng)光水資源條件不是很充沛，所以儲(chǔ)能裝置在短暫的增加后就會(huì)減少。隨著時(shí)間的增加，風(fēng)光水資源逐漸增加，這也會(huì)使得儲(chǔ)能裝置在這段期間中能量持續(xù)增長(zhǎng)。所需配置儲(chǔ)能容量的標(biāo)幺值為當(dāng)?shù)啬曦?fù)荷值的20.14%，這一數(shù)值是相當(dāng)大的。這是由于平均發(fā)電功率減去儲(chǔ)能的消耗仍大于負(fù)載。因此，所需配置儲(chǔ)能的數(shù)值將會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加。在這種情況下，簡(jiǎn)單的采用全部時(shí)間段上存儲(chǔ)容量的最大值減去最小值就會(huì)顯得沒有意義。因此，重新定義配置容量表達(dá)式為：

圖3 每日新能源與負(fù)荷的失配累計(jì)

當(dāng)配置容量以上述表達(dá)式來表示時(shí)，僅關(guān)注新能源多發(fā)電量下的儲(chǔ)能裝置對(duì)外放電時(shí)使儲(chǔ)能降低的情況，即使儲(chǔ)能裝置在對(duì)外放電時(shí)儲(chǔ)能不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。在t時(shí)刻沒有限制下的存儲(chǔ)容量等級(jí)是H_store(t)。對(duì)于t'≤t的時(shí)間段中，沒有限制下的存儲(chǔ)容量等級(jí)不會(huì)小于。這兩種儲(chǔ)能容量等級(jí)的差值反映了在任意t時(shí)刻需要對(duì)外釋放存儲(chǔ)的能量。在整個(gè)時(shí)間段上的最大值即為所需配置的能量容量EH。

根據(jù)表達(dá)式(4)中所需配置儲(chǔ)能容量的定義，在沒有限制的存儲(chǔ)容量等級(jí)的表達(dá)式能夠轉(zhuǎn)化為有限制條件下的存儲(chǔ)容量等級(jí)，其隨時(shí)間變化的情況可表示為：

按照這樣的定義，所限制的容量等級(jí)將不會(huì)超過存儲(chǔ)容量上限EH。如果對(duì)于在儲(chǔ)能裝置具有較大的儲(chǔ)能初始值0

如圖4所示，當(dāng)達(dá)到限制值EH=0.013 4后，儲(chǔ)能裝置將無法吸收多余的新能源所發(fā)出的能量，因此將會(huì)使得風(fēng)光水多發(fā)的電量被舍棄。而這一點(diǎn)也正是與沒有限制儲(chǔ)能容量最大值情況時(shí)的主要不同點(diǎn)。

圖4 滿足最大負(fù)荷缺額供應(yīng)時(shí)儲(chǔ)能變化關(guān)系

2 新能源配比與儲(chǔ)能配置優(yōu)化仿真實(shí)例

2.1 確定新能源發(fā)電比下儲(chǔ)能配置的優(yōu)化

利用上節(jié)所述優(yōu)化方法，假設(shè)該地區(qū)的新能源發(fā)電比g為1.3，則表示需配置的當(dāng)?shù)匦履茉窗l(fā)電量為負(fù)荷的1.3倍。不妨假設(shè)實(shí)際儲(chǔ)能的綜合充放電效率為0.36，且充放電效率相等則討論各種新能源配置比例對(duì)儲(chǔ)能配置的影響。

采用剖分網(wǎng)格的方法，直接繪制該種情況下所需配置儲(chǔ)能隨決策變量光伏配置比例、儲(chǔ)能配置比例變化的關(guān)系圖。仿真結(jié)果如圖5所示，其中a代表的是光伏配置比例，b代表的是小水電配置比例，則1－a－b為風(fēng)能的配置比例。

如圖5所示，圖5中的右上側(cè)深藍(lán)色區(qū)域表示的是各項(xiàng)比例之和大于1而不去考慮的區(qū)域?？尚杏蛟谠搱D形的左下側(cè)，所需配置的儲(chǔ)能容量大小隨著顏色逐漸加深而數(shù)值減小?？梢酝ㄟ^觀察發(fā)現(xiàn)，為使得所需配置儲(chǔ)能容量盡可能的減小，需要配置70%左右的小水電資源而所需光伏配置量較少，主要起到輔助的作用。

圖5 新能源配置比例與儲(chǔ)能配置關(guān)系

采用遺傳算法對(duì)各種新能源比例進(jìn)行優(yōu)化，確定其最優(yōu)配置比例。編寫遺傳算法函數(shù)，選擇種群個(gè)體數(shù)目為50，最大遺傳代數(shù)為50代，代溝為0.9，重組概率為0.7，變異概率采用變異函數(shù)默認(rèn)概率。運(yùn)行程序，可以得到種群經(jīng)過50代迭代后解的變化情況如圖6所示?？蓮膱D6中發(fā)現(xiàn)，從第一代開始所優(yōu)化的所需配置儲(chǔ)能容量的數(shù)值相對(duì)較小，為0.00675，隨著遺傳算法迭代代數(shù)的增加，在12代以后儲(chǔ)能容量的數(shù)值相對(duì)較為穩(wěn)定，此時(shí)最優(yōu)解為配置光伏發(fā)電占新能源發(fā)電比例的3.82%，小水電占新能源發(fā)電比例的74.63%，則風(fēng)電占新能源發(fā)電比例的21.55%。此時(shí)所需配置儲(chǔ)能容量就相對(duì)較小為0.0061。

圖6 經(jīng)過50代后配置儲(chǔ)能的變化情況

2.2 改變新能源發(fā)電比的儲(chǔ)能配置優(yōu)化

上一節(jié)中主要對(duì)于確定的新能源發(fā)電比進(jìn)行優(yōu)化分析。同樣的，考慮儲(chǔ)能裝置在存儲(chǔ)和釋放電能的時(shí)候存在一定的功率損耗，其綜合充放電效率為0.36，則有現(xiàn)在則重點(diǎn)考慮改變新能源發(fā)電比來確定各種新能源配置與儲(chǔ)能容量配置關(guān)系。

(1)改變新能源發(fā)電比對(duì)各種新能源配置影響

圖7所示為改變新能源發(fā)電比g并采用遺傳算法確定各種情況下的最優(yōu)新能源比例。從圖7中可見，為了使得不同新能源發(fā)電比下儲(chǔ)能配置最小化，光伏發(fā)電在新能源中所占比例相對(duì)較小約在7%～10%，起到輔助的作用。小水電發(fā)電比例占新能源配置比例相對(duì)較高而風(fēng)電發(fā)電比例所占新能源配置比例略低于小水電發(fā)電比例。當(dāng)新能源發(fā)電比例相對(duì)較小時(shí)，小水電與風(fēng)電配置比例較為接近約為50%，之后隨著新能源發(fā)電比例增加，小水電配置比例略有增加，穩(wěn)定在70%左右，而風(fēng)電配置比例有所減少穩(wěn)定在25%左右。

圖7 不同新能源發(fā)電比所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)新能源配置比例

(2)改變新能源發(fā)電比對(duì)儲(chǔ)能容量配置影響

圖8表示了不同新能源發(fā)電比所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)儲(chǔ)能裝置容量配置比例情況。從圖8中觀察可以發(fā)現(xiàn)，所需配置的儲(chǔ)能會(huì)隨著新能源發(fā)電比g的增加而減小。這是因?yàn)?，增加新能源發(fā)電比，意味著需要配置更多的新能源發(fā)電設(shè)備。大幅增加新能源發(fā)電比的同時(shí)，雖然降低了儲(chǔ)能裝置容量的配置，但是也大大增加了新能源發(fā)電設(shè)備的投入。同時(shí)，由于儲(chǔ)能裝置容量配置較小，在大多數(shù)的孤網(wǎng)運(yùn)行的情況下，新能源所發(fā)電能均被舍棄。綜上所述，適當(dāng)?shù)脑黾有履茉窗l(fā)電比，可以在不大幅增加發(fā)電設(shè)備的同時(shí)使得儲(chǔ)能配置容量降低。從圖8中可知，選取1.1～1.2較為合適。

圖8 不同新能源發(fā)電比所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)儲(chǔ)能裝置容量配置比例

對(duì)應(yīng)不同新能源發(fā)電比的情況下，各種新能源的優(yōu)化比例與儲(chǔ)能配置關(guān)系總結(jié)在表1中。

2.3 新能源配置與儲(chǔ)能配置綜合分析

上一節(jié)中主要改變新能源發(fā)電比進(jìn)行新能源儲(chǔ)能優(yōu)化配置分析。同樣的，考慮儲(chǔ)能裝置在存儲(chǔ)和釋放電能的時(shí)候存在一定的功率損耗。其綜合充放電效率為0.36，則有hin=hout=現(xiàn)將不同新能源發(fā)電比的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析與討論。

從圖9中可見，在相同的新能源發(fā)電比下，通過各種新能源配置比例優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能配置容量大幅降低。而單一的使用風(fēng)、光、小水電等新能源作為新能源發(fā)電設(shè)備為滿足供電可靠性，所需配置的儲(chǔ)能容量相對(duì)較大。一方面，這不僅增加了儲(chǔ)能容量的配置成本，另一方面也增加了新能源發(fā)電設(shè)備的投資成本與多發(fā)出電的浪費(fèi)。所以，本文中所提出的新能源配置優(yōu)化方案將能很好地實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電配比優(yōu)化從而使得儲(chǔ)能裝置容量配比最小化。

圖9 不同新能源發(fā)電比在不同新能源發(fā)電成分情況所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能配置比例

就該方法能實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電配比優(yōu)化而使儲(chǔ)能裝置容量配比最小化的主要原因進(jìn)行深入分析。在新能源發(fā)電比g=1.2的情況下，選取兩種新能源比例進(jìn)行分析。其中第一種新能源比例是人為地隨意指定光伏發(fā)電占新能源發(fā)電比例的25%，風(fēng)力發(fā)電占新能源發(fā)電比例的45%，則小水電發(fā)電占新能源發(fā)電比例的30%。在考慮新能源發(fā)電比可變的情況下，其所需配置的儲(chǔ)能裝置如圖9中粉色曲線與紅色曲線所示情況。可見在各種情況下，通過優(yōu)化方法所求解得出的新能源配置比例均可以實(shí)現(xiàn)配置儲(chǔ)能容量的最小化。

圖10展示了兩種不同新能源比例情況下的每日儲(chǔ)能變化情況。其中圖10(a)是取光伏發(fā)電占新能源發(fā)電比例的25%，風(fēng)力發(fā)電占新能源發(fā)電比例的45%，則小水電發(fā)電占新能源發(fā)電比例的30%；而圖10(b)指的是按照優(yōu)化方案所確定的新能源比例情況進(jìn)行配置儲(chǔ)能的情況。從圖10(a)可見，在典型年的前五個(gè)月中儲(chǔ)能裝置不僅無法儲(chǔ)蓄足夠的能量而且還需要對(duì)外釋放能量以滿足負(fù)荷的正常供應(yīng)。這也就要求在安裝儲(chǔ)能裝置，需要對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電，才可能滿足該系統(tǒng)在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)于負(fù)荷的正常供應(yīng)。這一點(diǎn)顯然是不合理的。同時(shí)在新能源條件有所改善時(shí)，也將有大量的新能源多發(fā)電量而不能被儲(chǔ)能裝置吸收而舍棄，造成資源的浪費(fèi)。而通過優(yōu)化配置新能源發(fā)電比例方案卻能夠很好地結(jié)合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)、光、水等資源，進(jìn)行合理的配置。從而使得在負(fù)荷相對(duì)較重而新能源資源相對(duì)不是很優(yōu)越的情況(如圖10中選取典型年60日～130日)到來之前，利用新能源對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行足量的充電。這也將大大減小儲(chǔ)能容量的配置。這一點(diǎn)無論是對(duì)于提高新能源投資項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性還是供電可靠性都是有利的。

圖10 兩種不同新能源比例情況下的每日儲(chǔ)能變化情況

3 結(jié)論

結(jié)合某風(fēng)光水互補(bǔ)微網(wǎng)示范工程，討論了孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，不同新能源發(fā)電比下為使得儲(chǔ)能配置容量最小的小水電、風(fēng)電、光電等配置情況?？紤]在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，將新能源發(fā)電比定為1.1～1.2。本文中選擇了新能源發(fā)電比g=1.2的情況進(jìn)行討論，此時(shí)當(dāng)光伏發(fā)電配置比例為1.92%，風(fēng)力發(fā)電配置比例為17.19%，小水電發(fā)電配置比例為80.89%將會(huì)使得所需配置的儲(chǔ)能容量配置最小為0.0153。同理，也可以根據(jù)孤網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際新能源發(fā)電比條件來確定相應(yīng)的新能源配置比例，以使得儲(chǔ)能容量最小化。

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New energy power generation ratio and energy storage configuration under islanded operation

YANG Bo，SHAO Ru-ping，ZHANG You-peng
(Nanjing Tech University，Nanjing Jiangsu 211816，China)

Combined w ith a photovoltaic，w ind power and hydro-powerm icro grid，the impacts of differentproportions ofnew energy powergeneration on the configuration ofenergy storage capacity were discussed.The energy storage configuration optim ization method was introduced，and mathematical model was established.By simulating optim ization examp les，the differentnew energy power generation ratio was analyzed to make the m inimum energy storage configuration of photovoltaic，w ind power and small hydro-power，verifying the feasibility of optim ization method.

new energy powergeneration;islanded operation;energy storage configuration

TM 131

A

1002-087 X(2016)07-1469-04

2015-12-06

楊菠(1990—)，男，江蘇省人，碩士，主要研究方向?yàn)榉植际焦夥l(fā)電、微電網(wǎng)和工程應(yīng)用。