直流配電網(wǎng)中儲(chǔ)能容量配置原則及容量配比

吳思圓，周富云

（1．國(guó)網(wǎng)浙江臨海市供電有限公司，浙江 臨海317000；2．國(guó)網(wǎng)臺(tái)州供電公司，浙江 臺(tái)州318000）

0 引 言

儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的配置是配電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)劃中的重要問題［1，2］。目前常用的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置和優(yōu)化方法主要有差額補(bǔ)充法、波動(dòng)平抑分析法、經(jīng)濟(jì)特性優(yōu)化法等［3］。對(duì)于光伏－儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用光伏發(fā)電系統(tǒng)的最小日發(fā)電量與其在雨雪天氣的發(fā)電量的差額作為超級(jí)電容的配置容量是典型的差額補(bǔ)充法。該方法未考慮實(shí)際運(yùn)行過程中儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的動(dòng)態(tài)變化，配置容量不夠精確。波動(dòng)平抑分析法主要根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)功率的平抑效果進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的優(yōu)化配置，具體又分為頻譜分析法、時(shí)間常數(shù)法兩種。頻譜分析法是采用離散傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)所需平抑的功率進(jìn)行變換，確定儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償頻段后再計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)容量；時(shí)間常數(shù)法主要是由并網(wǎng)輸出功率的平抑效果來確定最佳的一階低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，通過該時(shí)間常數(shù)來進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和容量的配置。經(jīng)濟(jì)特性優(yōu)化法主要是通過建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，將儲(chǔ)能系統(tǒng)容量作為其中的優(yōu)化變量，采用模擬退火、差分進(jìn)化等只能算法進(jìn)行求解。常用的目標(biāo)函數(shù)主要包括系統(tǒng)的等年值投資費(fèi)用、單位能量成本、年運(yùn)行總費(fèi)用、電網(wǎng)周期折算成本和廢氣治理成本、儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命／成本、并網(wǎng)效益。HOMER軟件可以總凈現(xiàn)值成本作為目標(biāo)函數(shù)對(duì)不同配置的系統(tǒng)進(jìn)行容量?jī)?yōu)化和經(jīng)濟(jì)性分析。

本文以含有光伏發(fā)電配置儲(chǔ)能系統(tǒng)為主要對(duì)象，從設(shè)計(jì)目標(biāo)等設(shè)計(jì)要素著手，首先分析了影響容量配置的主要考慮因素。然后，提出了一種基于時(shí)序蒙特卡羅模擬的系統(tǒng)性能分析方法，并利用該方法對(duì)光伏陣列、蓄電池組和變流器等關(guān)鍵設(shè)備容量對(duì)EENS等設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響規(guī)律展開研究。

1 光伏－儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的容量配置原則

容量配置直接決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)及光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性［4］，合理的容量配置能夠保證電站正常運(yùn)行，有效完成各項(xiàng)工作指標(biāo)，同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)期維持在一個(gè)較為合理的剩余電量范圍，避免出現(xiàn)提前老化，具有較高的工作效率。在儲(chǔ)能容量配置設(shè)計(jì)方面，應(yīng)遵守以下基本原則：

（1）供電充裕性

充裕性指發(fā)輸電系統(tǒng)連續(xù)地向用戶提供電力和電能量需求的能力。在多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，最常使用的充裕性指標(biāo)有電量不足期望值EENS和電力不足時(shí)數(shù)期望值HLOLE。

EENS表示發(fā)電量滿足用電量需求的程度，也可理解為年發(fā)電量缺額。EENS越大，意味著年發(fā)電量缺額越大；EENS越小，則意味著發(fā)電量越接近負(fù)荷用電量需求。本節(jié)中EENS的單位是兆瓦時(shí)／年（MWh／a），如果除以總負(fù)荷需求電量，可得到EENS占總負(fù)荷需求的百分比EENS。

式中，T是總模擬時(shí)數(shù)；SI是出現(xiàn)切負(fù)荷狀態(tài)的系統(tǒng)狀態(tài)集合；Ci是系統(tǒng)狀態(tài)i的切負(fù)荷電量；ti是系統(tǒng)狀態(tài)i的持續(xù)時(shí)數(shù)。

HLOLE表示發(fā)電功率低于用電功率需求的小時(shí)數(shù)。減小HLOLE意味著縮短了因電力不足造成的用戶限電時(shí)間，HLOLE越小，則一年中總限電時(shí)間越短，零表示不會(huì)限電。本節(jié)中HLOLE的單位是小時(shí)／年（h／a），如果除以全年小時(shí)數(shù)，可得到限電時(shí)數(shù)占全年總時(shí)數(shù)的百分比HLOLE。

（2）可再生發(fā)電利用率

發(fā)電系統(tǒng)包含較高比例的光伏、風(fēng)電等可再生發(fā)電系統(tǒng)，然而在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)系統(tǒng)接納能力不足時(shí)往往要舍棄一部分可再生發(fā)電量，造成“棄光”損失或“棄風(fēng)”損失?？稍偕l(fā)電利用率指可再生發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量占可用發(fā)電量的比重，棄用率則指舍棄的可再生發(fā)電量占可用發(fā)電量的比重。減小棄用率意味著更加有效地利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源，棄用率越低、則利用率越高。

（3）發(fā)電成本

盡管可再生發(fā)電系統(tǒng)的初投資成本仍然比較高，但是與常規(guī)火電廠相比，由于沒有燃料費(fèi)的后期投入，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較低，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等的發(fā)電成本已經(jīng)接近常規(guī)火電廠，在電價(jià)較高、可再生資源較好的一些地區(qū)甚至低于用戶購電電價(jià)。對(duì)于一個(gè)既定系統(tǒng)，電網(wǎng)是既有設(shè)施，一般不用再增加投資，但是光伏、蓄電池、風(fēng)電等發(fā)電系統(tǒng)及配套設(shè)施仍需要較大的初投資，蓄電池在系統(tǒng)生命周期內(nèi)還要更換數(shù)次。因此，光／風(fēng)／儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本是在系統(tǒng)生命周期內(nèi)的投資增量與發(fā)電量增量的比值。減小發(fā)電成本意味著投資更有效，也意味著容量配置方案更加經(jīng)濟(jì)可行。

式中，Ecost表示發(fā)電成本，元／度（RMB／kWh）；costSYS、costREF和costTOM分別是在系統(tǒng)生命周期內(nèi)的系統(tǒng)初投資成本、設(shè)備更換成本和運(yùn)行維護(hù)成本；ERE是在系統(tǒng)生命周期內(nèi)的可再生電源總發(fā)電量。系統(tǒng)初投資成本包括光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能等系統(tǒng)投資，以及輸變電及其他配套設(shè)施的增量投資。設(shè)備更換成本主要指蓄電池更換費(fèi)用，蓄電池更換頻率與每次循環(huán)充放電深度有關(guān)，如果鉛酸蓄電池每次放電后的荷電狀態(tài)SOC均不低于50%，通?？墒褂?年。光伏系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本很少，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維成本略高。

（4）多設(shè)計(jì)目標(biāo)的權(quán)衡問題

指標(biāo)EENS和HLOLE、ECost可分別用來衡量系統(tǒng)的供電充裕性、可再生利用率和經(jīng)濟(jì)性。然而，當(dāng)三類目標(biāo)結(jié)合起來時(shí)，相互之間又存在著矛盾。為了提高供電充裕性，需要加大光伏、風(fēng)電和儲(chǔ)能的裝機(jī)容量，在增加到一定水平以后，出現(xiàn)棄光、棄風(fēng)現(xiàn)象，可再生利用率降低、發(fā)電成本升高。為了提高可再生發(fā)電利用率，可以減小可再生發(fā)電容量、不安裝儲(chǔ)能，這對(duì)提高供電充裕性沒有明顯幫助；也可以加大儲(chǔ)能的裝機(jī)容量，增加系統(tǒng)投資額，有可能提高發(fā)電成本。如何得到供電充裕性、可再生利用率和發(fā)電成本均可以接受的方案，這是設(shè)計(jì)人員所面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，必須在三者之間進(jìn)行仔細(xì)權(quán)衡。

光伏－儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的容量配置原則如下：

① 光伏－儲(chǔ)能充電控制器額定功率按光伏陣列滿發(fā)功率計(jì)算，在太陽能資源豐富的地區(qū)應(yīng)擴(kuò)大1．1～1．3倍。

②儲(chǔ)能裝置額定容量應(yīng)綜合考慮典型日的光伏陣列盈余電量和負(fù)荷電量缺額，由于儲(chǔ)能裝置使用壽命與循環(huán)深度有關(guān)，為了避免經(jīng)常性地深充、深放，儲(chǔ)能容量還應(yīng)除以預(yù)定的放電深度。

③儲(chǔ)能并網(wǎng)變流器額定功率應(yīng)盡量滿足典型日的最大功率缺額。

2 系統(tǒng)隨機(jī)運(yùn)行模擬

EENS、HLOLE等設(shè)計(jì)目標(biāo)可以通過兩條途徑進(jìn)行計(jì)算，一種是直接分析法，另一種是蒙特卡羅模擬（MCS）［5］。然而，在光伏發(fā)電等可再生能源引入發(fā)電系統(tǒng)后，由于一些重要變量與隨機(jī)時(shí)變的氣象條件緊密相關(guān)，直接分析法不再適用，直接分析法也很難反映儲(chǔ)能裝置的影響作用。因此，蒙特卡羅模擬成為分析這類含大量隨機(jī)變量的發(fā)電系統(tǒng)性能的一種實(shí)用技術(shù)。針對(duì)光／風(fēng)／儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)EENS、HLOLE和可再生能量利用率計(jì)算的一個(gè)通用MCS模型，通過將負(fù)荷時(shí)間序列、發(fā)電時(shí)間序列和蓄電池荷電狀態(tài)結(jié)合后計(jì)算得出。

研究場(chǎng)景按月份劃分，共有12個(gè)研究場(chǎng)景，每月均按30天計(jì)算，全年共有8640小時(shí)，雖然全年時(shí)數(shù)略少，但不會(huì)影響到MCS模擬的性能［8］。首先，分別計(jì)算各月的負(fù)荷序列和光、風(fēng)發(fā)電功率序列，再將各序列12個(gè)月的數(shù)據(jù)合并，最終形成完整的8640小時(shí)全年時(shí)間序列，因此，MCS模擬的最小樣本數(shù)量就是8640。每次 MCS模擬均可以得到一組EENS、HLOLE和AVRE，在執(zhí)行多次MCS模擬后，各次結(jié)果取平均值，就得到比較準(zhǔn)確的供電充裕性指標(biāo)和可再生發(fā)電利用率指標(biāo)。

3 發(fā)電系統(tǒng)最佳容量配置算法

光伏、儲(chǔ)能及其變流器的最佳容量應(yīng)當(dāng)盡量提高系統(tǒng)充裕性、提高光伏利用率、降低發(fā)電成本，如果統(tǒng)一用最小化指標(biāo)形式進(jìn)行表述，即最小化EENS、HLOLE和ECost。因此，水／光／儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)最佳容量計(jì)算問題可以歸結(jié)為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題［6，7］。

（1）優(yōu)化目標(biāo)

式中，x是決策變量［CPV，Cbat，Cinv］T，CPV是光伏陣列額定功率（MWp），Cbat是蓄電池組額定容量（MWh），Cinv是蓄電池變流器額定功率（MVA）；KE、KH和KEC分別是EENS、HLOLE和ECost的權(quán)重因子，表示對(duì)應(yīng)指標(biāo)的重要性，權(quán)重系數(shù)均不小于零，且KE＋KH＋KEC＝1。需要注意的是，權(quán)重因子取值依賴于設(shè)計(jì)者的主觀判斷，為了使權(quán)重因子比較接近現(xiàn)實(shí)情況，需要對(duì)EENS、HLOLE和ECost進(jìn)行歸一化處理。

（2）約束條件

約束條件包括電網(wǎng)約束、光伏－儲(chǔ)能電站約束、投資成本約束三類。

電網(wǎng)約束主要有電網(wǎng)可用發(fā)電功率和最小發(fā)電功率，以及通過安全穩(wěn)定性分析確定的光伏和儲(chǔ)能容量上限。從系統(tǒng)安全穩(wěn)定性角度來看，并網(wǎng)光伏電站（無儲(chǔ)能）額定功率通常不應(yīng)超過最大負(fù)荷功率的3%～10%，而含有適當(dāng)儲(chǔ)能的光伏電站對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定有改善作用，可以不受上述比例限制。

光伏－儲(chǔ)能電站約束主要有儲(chǔ)能裝置放電深度和充、放電功率限制值。為了延長(zhǎng)蓄電池組使用壽命，每次放電不宜過深，如果取放電深度下限為50%，蓄電池組壽命約有5年。為了避免大功率充、放電損壞蓄電池組，充、放電功率不應(yīng)超過1．1 Cbat，即充電控制器和逆變器的額定功率均不超過1．1 Cbat。

4 算例分析

假設(shè)光伏裝機(jī)容量在10 MW到200 MW區(qū)間變化，以不棄光為目標(biāo)，按增量10 MW計(jì)算光伏裝機(jī)容量和有效儲(chǔ)能量、儲(chǔ)能額定功率之間關(guān)系，結(jié)果如表1所示。

表1 以提高光伏發(fā)電利用率、不棄光為目標(biāo)的有效儲(chǔ)能量和儲(chǔ)能額定功率配置

圖1 光伏裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量配比關(guān)系

由圖1可見，有效儲(chǔ)能量和光伏裝機(jī)容量之間呈線性關(guān)系。當(dāng)光伏裝機(jī)容量處在30 MW～150 MW之間時(shí)，有效儲(chǔ)能量和光伏裝機(jī)容量比例約在0．16～0．184之間；當(dāng)光伏裝機(jī)容量低于30 MW時(shí)，有效儲(chǔ)能量和光伏裝機(jī)容量比例在0．1以下；當(dāng)光伏裝機(jī)容量高于150 MW時(shí)，有效儲(chǔ)能量和光伏裝機(jī)容量比例在0．2以上。儲(chǔ)能額定功率和光伏裝機(jī)容量的比例在0．648～0．72之間，兩者之間呈近似線性關(guān)系。

有效儲(chǔ)能量和儲(chǔ)能額定功率的比例反映了儲(chǔ)能時(shí)間。當(dāng)光伏裝機(jī)容量低于30 MW時(shí)，儲(chǔ)能時(shí)間小于10分鐘；當(dāng)光伏裝機(jī)容量處在30 MW～150 MW之間時(shí)，儲(chǔ)能時(shí)間在14．7～17．0分鐘變化；當(dāng)光伏裝機(jī)容量高于150 MW時(shí)，儲(chǔ)能時(shí)間超過18分鐘。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)直流電網(wǎng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置，基于蒙特卡羅模擬和遺傳算法求解光伏發(fā)電－儲(chǔ)能系統(tǒng)最佳容量算法，能夠在多約束條件下，求得系統(tǒng)的最佳容量配比，得到有效儲(chǔ)能量和光伏裝機(jī)容量之間呈線性關(guān)系。