充電站微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及容量配置研究

劉 玲

（中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西南昌 330096）

0 引言

電動(dòng)汽車作為清潔環(huán)保的交通工具，受到國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的高度重視和政策扶持，具有廣闊的發(fā)展前景。而電動(dòng)汽車的發(fā)展離不開充電站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。國(guó)家電網(wǎng)公司提出按照“換電為主，插充為輔，集中充電，統(tǒng)一配送”的模式，打造電動(dòng)汽車能源供給體系。根據(jù)目前的研究成果，如果對(duì)電動(dòng)汽車完全采用接入電網(wǎng)的充電模式，按我國(guó)電力系統(tǒng)當(dāng)前的一次能源結(jié)構(gòu)，電動(dòng)汽車的碳排放并不比燃油汽車更低，且電動(dòng)汽車的大量接入會(huì)影響電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展情況，要真正意義上改變電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)是非常困難的，要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的零排放，通過(guò)微電網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與可再生能源的集成應(yīng)用是最直接的方式。在特定的應(yīng)用場(chǎng)景下（如海島供電），如果能將電動(dòng)汽車的發(fā)展需求與風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，可以彌補(bǔ)各自的不足。一方面，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池可以作為儲(chǔ)能，提高風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的供電可靠性；另一方面，又能提高電動(dòng)汽車的清潔能源利用率，有效降低碳排放量。

因此，對(duì)充電站微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和容量?jī)?yōu)化配置進(jìn)行研究，不僅符合未來(lái)充電站建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，亦有助于新能源的消納和電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

受環(huán)境影響，光伏發(fā)電功率和風(fēng)機(jī)發(fā)電功率具有較大的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，電動(dòng)汽車的充電也具有較大隨機(jī)性，為平滑光伏出力的波動(dòng)性，為減少充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的沖擊，需要配置合理的光伏電板、風(fēng)機(jī)容量、儲(chǔ)能設(shè)備和變流器容量。當(dāng)前，對(duì)微電網(wǎng)中的分布式新能源的容量?jī)?yōu)化配置已積累了豐富的理論成果。同時(shí)隨著對(duì)電動(dòng)汽車充電站的研究越來(lái)越多，考慮光伏和充電結(jié)合時(shí)光伏陣列與儲(chǔ)能設(shè)備之間的容量問(wèn)題也有不少研究成果。

文獻(xiàn)[1]為提高獨(dú)立光伏供電可靠及利用率，根據(jù)光伏與儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行特點(diǎn)，提出以負(fù)荷缺電率和能量溢出比為指標(biāo)的光儲(chǔ)容量?jī)?yōu)化配置方法。文獻(xiàn)[2]基于Copula理論構(gòu)建混合函數(shù)，對(duì)光伏出力與充電負(fù)荷相關(guān)性描述，以充電站年運(yùn)行成本最小建立目標(biāo)函數(shù)。文獻(xiàn)[3]在考慮電動(dòng)汽車用電需求的前提下，同時(shí)發(fā)揮電動(dòng)汽車換電模式所具備的儲(chǔ)能能力，以系統(tǒng)投資成本、運(yùn)行成本和電量不足損失成本綜合最低為目標(biāo)，并考慮風(fēng)光系統(tǒng)、充放電機(jī)和動(dòng)力電池的約束條件，構(gòu)造含電動(dòng)汽車充電站的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型。文獻(xiàn)[4]建立基于退役動(dòng)力電池梯次利用的光伏充電站光儲(chǔ)容量配置模型，以充電站年凈收益最大為目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]考慮光儲(chǔ)聯(lián)合出力與調(diào)度計(jì)劃適應(yīng)性，以光儲(chǔ)配置除去常量成本凈收益最優(yōu)為目標(biāo)建立容量?jī)?yōu)化模型。文獻(xiàn)[6]利用負(fù)載缺電率衡量系統(tǒng)可靠性、全壽命周期成本衡量系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，建立以系統(tǒng)容量、儲(chǔ)能電池壽命為約束條件的容量?jī)?yōu)化模型。文獻(xiàn)[7]提出了一種含風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的直流微網(wǎng)，利用電動(dòng)汽車動(dòng)力電池作為輔助儲(chǔ)能，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地為負(fù)載供電。

目前針對(duì)光伏充電站雖然已經(jīng)有較多對(duì)光儲(chǔ)容量?jī)?yōu)化的研究分析，有以負(fù)荷缺電率和能量溢出比為指標(biāo)考慮的、有考慮退役電池梯次利用等，均是在優(yōu)先考慮成本和凈收益最優(yōu)為前提情況下，得到最優(yōu)容量配置，未研究各裝置之間的能量耦合與最優(yōu)容量配置的關(guān)系。

2 交直流微網(wǎng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)分析

2.1 仿真模型

通過(guò)Powerfactory 軟件搭建交直流混合微網(wǎng)模型，并結(jié)合實(shí)際工程問(wèn)題，針對(duì)含交直流混合微網(wǎng)拓?fù)渲泄夥渲梅桨福垂夥鼞?yīng)配置于混合微網(wǎng)的直流側(cè)還是交流側(cè)進(jìn)行仿真研究，用visio軟件畫出的拓?fù)鋱D如圖1，在Powerfactory軟件中搭建的仿真拓?fù)淙鐖D2。

圖1 Visio拓?fù)鋱D

圖2 在DIgSILENT/Powerfactory 搭建的仿真拓?fù)鋱D

仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示。在實(shí)際工程中，可根據(jù)負(fù)荷的用電需求和電能傳輸距離做進(jìn)一步調(diào)整。

仿真條件設(shè)置如下：1）正式的RMS機(jī)電暫態(tài)仿真是從10 s開始。2）PV系統(tǒng)的輸入是一個(gè)光伏電站的采集數(shù)據(jù)（即10 s～105 s過(guò)程。全天每15 min一個(gè)采樣點(diǎn)，共96個(gè)點(diǎn)，模擬全天的光伏出力），交流測(cè)和直流側(cè)的光伏屬于給定的統(tǒng)一的光照數(shù)據(jù)，但是呈倍數(shù)關(guān)系。3）交流負(fù)荷數(shù)據(jù)為某工廠的負(fù)荷數(shù)據(jù)（即10 s～105 s過(guò)程。全天每15 min一個(gè)采樣點(diǎn)，共96個(gè)點(diǎn)，模擬全天的負(fù)荷波動(dòng)），直流負(fù)荷為給定的一個(gè)恒定值。4）交流側(cè)儲(chǔ)能在交流側(cè)光伏出力>交流側(cè)負(fù)荷功率時(shí)關(guān)閉，暫時(shí)未考慮充電過(guò)程，直流側(cè)儲(chǔ)能與交流側(cè)相同。

表1 仿真參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果分析

當(dāng)5 MW 的光伏位于直流側(cè)，主要仿真結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 交流側(cè)與直流側(cè)光伏、儲(chǔ)能出力與負(fù)荷功率

圖4 交流側(cè)與直流側(cè)電壓和交流側(cè)頻率波動(dòng)情況

當(dāng)5 MW 的光伏位于交流側(cè)，主要仿真結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 交流側(cè)與直流側(cè)光伏、儲(chǔ)能出力與負(fù)荷功率

圖6 交流側(cè)與直流側(cè)電壓和交流側(cè)頻率波動(dòng)情況

由仿真結(jié)果可知，在所給仿真參數(shù)下，系統(tǒng)能正常響應(yīng)光伏出力變化以及負(fù)荷變化。直流微網(wǎng)的電壓和交流微網(wǎng)的電壓及頻率均未發(fā)生較大波動(dòng)，證明了該拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)的可行性以及電壓等級(jí)選取的合理性。此外，在仿真中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)遠(yuǎn)期光伏放在交流側(cè)，交流母線在模式切換時(shí)刻的頻率波動(dòng)更小了。如果光伏的工程建設(shè)公司技術(shù)成熟，遠(yuǎn)期光伏放在交流側(cè)更恰當(dāng)。此時(shí)無(wú)需配備交流和直流母線間大容量的AC-DC 換流器。而且一般光伏廠家在實(shí)際操作中都是在交流系統(tǒng)安裝光伏，在相應(yīng)面板串并聯(lián)方案及換流的配套設(shè)備上技術(shù)更為成熟。按照電源與負(fù)載接入系統(tǒng)的形式以及交流和直流母線的配置方式，交直流混合微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為交流耦合型混合微網(wǎng)、直流耦合型混合微網(wǎng)、交直流耦合型混合微網(wǎng)。該仿真選取的混合微網(wǎng)拓?fù)涫墙恢绷黢詈闲突旌衔⒕W(wǎng)，如圖7 所示，外部電網(wǎng)接在交流母線側(cè)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：兩側(cè)子微網(wǎng)系統(tǒng)容量均衡，功率流動(dòng)較少，易于控制。而且由于并網(wǎng)點(diǎn)在交流母線側(cè)，可通過(guò)靈活控制并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)混合微網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行兩種狀態(tài)下切換，適用于交流DG（distributed generation）及交流負(fù)荷占比重較大，而直流DG 和直流負(fù)荷分布較少的場(chǎng)合，目前應(yīng)用較為廣泛。

圖7 交直流混合微網(wǎng)基本拓?fù)?/p>

3 交直流混合充電站的容量?jī)?yōu)化配置研究

3.1 仿真模型

文中通過(guò)Homer軟件搭建交直流混合充電站的微網(wǎng)模型，見圖8所示。以凈現(xiàn)成本最小為優(yōu)化目標(biāo)得到充電站的最優(yōu)容量?jī)?yōu)化配置，并揭示了各裝置之間的耦合關(guān)系，分析耦合關(guān)系對(duì)裝置容量的影響，最后通過(guò)靈敏度分析法分析購(gòu)電電價(jià)對(duì)充電站優(yōu)化規(guī)劃的影響。

該充電站為并網(wǎng)型充電站，主要包括風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能以及變流器。其中，虛線部分表示容量待優(yōu)化的裝置。

圖8 交直流混合充電站微網(wǎng)模型

3.2 仿真結(jié)果分析

文中對(duì)交直流混合充電站進(jìn)行容量?jī)?yōu)化配置時(shí)，在滿足負(fù)荷需求的同時(shí)，以凈現(xiàn)成本最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃。凈現(xiàn)成本包括各裝置的投資成本、置換成本、運(yùn)維成本、購(gòu)電成本以及碳排放成本。文中采用分時(shí)電價(jià)從電網(wǎng)購(gòu)電，如表2 所示。交直流混合充電站的運(yùn)行周期為20年。

表2 分時(shí)電價(jià)

表3 給出了4 種優(yōu)化方案，按照凈現(xiàn)成本從小到大進(jìn)行排列。從表中可以得到，方案1 的凈現(xiàn)成本最小，充電站的最優(yōu)容量配置應(yīng)包括光伏、儲(chǔ)能和變流器。對(duì)比方案1 和方案2，可以得到方案2 的風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量很小，這是因?yàn)樵摰貐^(qū)的風(fēng)能資源較差且風(fēng)機(jī)投資成本較高，不適宜安裝風(fēng)機(jī)。對(duì)比方案1、2、4，可以得到隨著光伏容量的減小，儲(chǔ)能容量一直在增大。這是因?yàn)楣夥萘繙p小，儲(chǔ)能需在電價(jià)較低時(shí)進(jìn)行充電，以滿足高峰負(fù)荷地需求，從而減少購(gòu)電成本，使得充電站高效經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。同時(shí)，從表3 可以得到，方案1 的度電成本最小，隨著電動(dòng)汽車負(fù)荷的增大，方案1的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)更加顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)仿真結(jié)果得到遠(yuǎn)期光伏放在交流側(cè)，可減小交流母線的在模式切換時(shí)刻的頻率波動(dòng)。結(jié)合實(shí)際工程問(wèn)題得到，若光伏的工程建設(shè)公司技術(shù)成熟，遠(yuǎn)期光伏放在交流側(cè)更恰當(dāng)。因此本研究對(duì)交直流混合微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)劃問(wèn)題有一定的指導(dǎo)性。

2）本研究結(jié)合實(shí)際平臺(tái)，建立交直流混合充電站的仿真模型，得到了交直流混合充電站的最優(yōu)容量配置方案，并分析了裝置之間的耦合關(guān)系和購(gòu)電電價(jià)對(duì)容量?jī)?yōu)化配置的影響。由仿真結(jié)果分析可得可再生能源與負(fù)荷會(huì)直接影響到容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果，因此在充電站的前期規(guī)劃中，應(yīng)實(shí)地考察當(dāng)?shù)氐目稍偕茉磁c電動(dòng)汽車充電的需求，在滿足供電可靠的條件下，減小前期的投資成本。對(duì)于并網(wǎng)型交直流混合充電站，應(yīng)在前期規(guī)劃中與電網(wǎng)協(xié)商購(gòu)電電價(jià)，購(gòu)電電價(jià)也會(huì)直接影響到容量?jī)?yōu)化配置的結(jié)果。