并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度研究

揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院 翁 訸 張建華 蔡炯暉 南京熊貓電子股份有限公司 王 健

近年來(lái)能源消耗不斷加劇，因?yàn)榇罅炕瘜W(xué)能源如煤炭、石油等的大量使用，造成的環(huán)境問(wèn)題日益突出，全世界都把目光轉(zhuǎn)向了清潔能源，因此如何充分利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源對(duì)減少一次能源消耗及降低環(huán)境污染顯得尤為重要。然而風(fēng)力和光伏發(fā)電容易受到天氣和氣候的影響，極不穩(wěn)定，這使得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)過(guò)程中會(huì)對(duì)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有較大影響。

并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)間存在相融問(wèn)題，為解決這一問(wèn)題，建立風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)是主要研究方向，儲(chǔ)能裝置在系統(tǒng)中主要起到兩個(gè)作用：一是進(jìn)行了能量的緩沖，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了直接并網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，增加儲(chǔ)能可保證可靠性；二是具有削峰填谷的作用，當(dāng)自然條件良好、系統(tǒng)所發(fā)電量足夠負(fù)荷消耗時(shí)，可將多余電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，當(dāng)自然條件不夠良好時(shí)又可為負(fù)荷提供一定的能量。當(dāng)系統(tǒng)所發(fā)電量能滿足負(fù)載的最低要求時(shí)，為減少系統(tǒng)的發(fā)電成本，除考慮協(xié)調(diào)系統(tǒng)中分布式電源的出力配合，還應(yīng)綜合考慮風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)與大電網(wǎng)的電力能量交互和系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的工作運(yùn)行狀態(tài)。

文獻(xiàn)[1]和[2]主要針對(duì)分布式電源的協(xié)調(diào)管理進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[1]根據(jù)系統(tǒng)并網(wǎng)效益和輸出功率的波動(dòng)性，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，采用NSGA-Ⅱ算法優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)的發(fā)電功率；文獻(xiàn)[2]提出了風(fēng)電優(yōu)先、光電次之、蓄電池輔助的分配原則的供需動(dòng)態(tài)平衡能量?jī)?yōu)化管理策略，風(fēng)電和光電子系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外層使用MPPT和LPTC算法來(lái)生成最佳功率點(diǎn)，內(nèi)層實(shí)現(xiàn)MPPT和LPTC之間的平滑切換，來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)并維持動(dòng)態(tài)平衡的能量供應(yīng)和需求。

文獻(xiàn)[3]和[4]主要針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量調(diào)度進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[3]提出了基于能量波動(dòng)和功率能量約束控制條件的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制管理策略，用加權(quán)移動(dòng)平均自適應(yīng)濾波算法來(lái)對(duì)儲(chǔ)能風(fēng)光輸出功率進(jìn)行平滑移動(dòng)控制，通過(guò)對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的控制，達(dá)到對(duì)輸出功率進(jìn)行控制的目的；文獻(xiàn)[4]提出了將多類型儲(chǔ)能應(yīng)用在儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的研究中，充分利用不同類型儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，減少能量型儲(chǔ)能的充放電次數(shù)，保持功率型儲(chǔ)能的充放電能力，通過(guò)模糊控制策略進(jìn)行優(yōu)化儲(chǔ)能控制，來(lái)提高風(fēng)電跟蹤計(jì)劃出力的能力。從研究現(xiàn)狀來(lái)看，目前的研究多以分布式電源的協(xié)調(diào)管理為主，并缺少對(duì)可控負(fù)荷的考慮。

1 風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略

1.1 并網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行方式

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可同時(shí)利用風(fēng)能和太陽(yáng)能提供能量，并能考慮到時(shí)間和氣候資源變化時(shí)風(fēng)力機(jī)組和光伏電池不同的發(fā)電特性，控制系統(tǒng)正常運(yùn)作和穩(wěn)定輸出功率。并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)主要由分布式電源部分、儲(chǔ)能系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變器等幾部分組成，分布式電源包括風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)和光伏發(fā)電子系統(tǒng)（圖1）。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理是將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，通過(guò)并網(wǎng)逆變器，轉(zhuǎn)換后的交流電要滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，且使用時(shí)不區(qū)分是哪一部分提供的能量。在負(fù)荷需求低于風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電量的情況下，若儲(chǔ)能裝置還未滿電且荷電狀態(tài)未到上限，儲(chǔ)能開(kāi)始吸收能量，處于充電狀態(tài)。若儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)達(dá)到上限時(shí)，考慮到儲(chǔ)能裝置的壽命和安全性，停止充電。當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)電量不能滿足負(fù)荷需求時(shí)，儲(chǔ)能開(kāi)始釋放存儲(chǔ)的能量，以補(bǔ)償所需的負(fù)荷差，儲(chǔ)能處于放電狀態(tài)。

1.2 負(fù)荷分類

根據(jù)對(duì)供電可靠性的要求，將斷電后對(duì)生活和生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響的用電設(shè)備進(jìn)行分級(jí)，優(yōu)先保障停電影響較大的用電設(shè)備，將負(fù)荷分為一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷、三級(jí)負(fù)荷。當(dāng)風(fēng)光出力不滿足負(fù)荷需求時(shí)，按照用電優(yōu)先級(jí)從后向前依次切除負(fù)荷，這類負(fù)荷被稱為可切負(fù)荷，并將一些可轉(zhuǎn)移使用時(shí)間的負(fù)荷稱為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。

1.3 儲(chǔ)能優(yōu)化調(diào)度策略

風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行控制多分為三種：平滑功率輸出模式、跟蹤計(jì)劃出力模式和削峰填谷模式[5]，本文主要討論在削峰填谷模式運(yùn)行條件下儲(chǔ)能的能量調(diào)度策略。儲(chǔ)能的優(yōu)化調(diào)度不僅需考慮分布式電源的出力配合，還需考慮系統(tǒng)與外部大電網(wǎng)間的能量交互。因此，系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略不僅與系統(tǒng)本身的能量協(xié)調(diào)相關(guān)，也與外部大電網(wǎng)的需求側(cè)政策緊密相連，本文提出了基于可控負(fù)荷并與峰谷電價(jià)相結(jié)合的優(yōu)化調(diào)度策略，具體的優(yōu)化調(diào)度策略如下：當(dāng)風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電量不能滿足負(fù)荷需求儲(chǔ)能開(kāi)始放電，若儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)位于儲(chǔ)能約束的下限時(shí)對(duì)部分負(fù)荷進(jìn)行切除，直到風(fēng)力和光伏發(fā)電回到正常水平；當(dāng)儲(chǔ)能能夠正常充放電時(shí)，對(duì)部分負(fù)荷進(jìn)行時(shí)間上的轉(zhuǎn)移，由高電價(jià)期向低電價(jià)期轉(zhuǎn)移，也可由風(fēng)光發(fā)電不足時(shí)期向風(fēng)光發(fā)電充足時(shí)期轉(zhuǎn)移。

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電出力數(shù)學(xué)模型：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)機(jī)的輸出功率是風(fēng)能利用的一個(gè)重要指標(biāo)，風(fēng)力機(jī)組的結(jié)構(gòu)、風(fēng)電場(chǎng)所在地的氣象條件及風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況都會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的輸出功率產(chǎn)生影響，其中風(fēng)速是最重要因素。風(fēng)機(jī)功率的計(jì)算公式為式（1），式中Pwind額為額定功率，單位為kW；vt為當(dāng)前風(fēng)速，單位為m/s；v1為額定風(fēng)速，單位為m/s；v2為切出風(fēng)速，單位為m/s；v3為切入風(fēng)速，單位為m/s。

光伏發(fā)電出力數(shù)學(xué)模型：光伏電池的作用是將光能轉(zhuǎn)化為電能輸出，光伏電池組本身的電氣屬性和溫度等外部自然環(huán)境都會(huì)對(duì)光伏輸出功率產(chǎn)生影響，輻照度和溫度是影響光伏功率的最主要因素，光伏功率的計(jì)算公式為式中Ppv額為標(biāo)準(zhǔn)條件下的額定功率，單位為kW；Tt為當(dāng)前溫度，℃；TSTC為標(biāo)準(zhǔn)溫度，取25℃；Gt為當(dāng)前光強(qiáng)；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，取1000W/m2；k為溫度系數(shù)。

儲(chǔ)能充放電數(shù)學(xué)模型：儲(chǔ)能出力模型中主要考慮儲(chǔ)能的電池荷電狀態(tài)（SOC），本文采用的模型主要考慮儲(chǔ)能的存儲(chǔ)容量約束和充放電功率約束，儲(chǔ)能出力控制模型見(jiàn)式（2），式中Ct為當(dāng)前容量；CESS為系統(tǒng)容量；Pch為充電功率，單位為kW；ηch為充電效率，%；Pdis為放電功率，單位為kW；ηdis為放電效率，%；SOC(t)為蓄電池在t時(shí)刻的荷電狀態(tài)；SOC(t-1)為蓄電池在（t-1）時(shí)刻的荷電狀態(tài)。

3 目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

對(duì)于規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)，在保證供電可靠的前提下系統(tǒng)的運(yùn)行成本最低，本文主要考慮了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)包括與大電網(wǎng)能量交互時(shí)產(chǎn)生的交互成本、儲(chǔ)能老化成本及發(fā)電維修成本，其具體表達(dá)式為minC=C1+C2+C3，C1為系統(tǒng)與大電網(wǎng)能量交互時(shí)產(chǎn)生的交互成本，式中Pgrid為與大電網(wǎng)交互的功率，Price為實(shí)時(shí)電價(jià)；C2為儲(chǔ)能老化成本，式中ε1為儲(chǔ)能老化成本系數(shù)；PESS為充放電功率；C3為發(fā)電維修成本，式中ε2為發(fā)電維修成本系數(shù)，Ppv為光伏發(fā)電出力，Pwind為風(fēng)力發(fā)電出力。

3.2 約束條件

功率平衡約束：在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中的風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能和負(fù)荷必須滿足有功功率平衡，各機(jī)組的出力必須滿足Pload+PESS+Ppv+Pwind+Pgrid=0，其中Pload為系統(tǒng)的固定負(fù)荷；Pload=P剛+Pload-cut+Pload-轉(zhuǎn)移，式中P剛為剛性負(fù)荷，Pload-cut為可切負(fù)荷，Pload-轉(zhuǎn)移為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，PESS為儲(chǔ)能充放電功率，Ppv為光伏發(fā)電出力，Pwind為風(fēng)力發(fā)電出力，Pgrid為與大電網(wǎng)交互的功率。

可控負(fù)荷約束：可切負(fù)荷指選擇切除一些其他不重要的負(fù)荷來(lái)維持系統(tǒng)正常的運(yùn)行工作：0≤Pload-cut≤Pload-max，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷是指在出力充足的情況下，能進(jìn)行轉(zhuǎn)移其運(yùn)行時(shí)間的負(fù)荷，并具有特定的運(yùn)行周期?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷時(shí)間約束t(Pload-轉(zhuǎn)移)∈t1,t2，t(Pload-轉(zhuǎn)移)為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的時(shí)間區(qū)間，t1為開(kāi)始轉(zhuǎn)移時(shí)間，t2為結(jié)束轉(zhuǎn)移時(shí)間。

儲(chǔ)能電量約束：因?yàn)閮?chǔ)能的安全性和壽命與電池的荷電狀態(tài)緊密相關(guān)，所以需滿足荷電狀態(tài)約束和儲(chǔ)能功率約束，具體約束條件為：SOCmin≤SOCt≤SOCmax，式中SOCmin取0.1，SOCmax取0.9，SOCt為t時(shí)刻儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)。

式中Pch為充電功率，Pdis為放電功率，Pch-max為最大充電功率，Pdis-max為最大放電功率。為保證每時(shí)每刻能充電或放電，所以Pch×Pdis=0。

4 仿真分析

算例中，光伏電池的容量為50kW，風(fēng)電機(jī)組的容量為50kW，儲(chǔ)能的容量為50kW，選取揚(yáng)州市一天的氣象數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體氣象數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2～4。

圖2 24h溫度變化曲線圖

圖3 24h風(fēng)速變化曲線圖

圖4 24h光照強(qiáng)度變化曲線圖

在Matlab環(huán)境下采用遺傳算法對(duì)本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能調(diào)度策略進(jìn)行仿真。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，得到這天的風(fēng)力輸出和光伏輸出如圖5～6所示。在仿真過(guò)程中假設(shè)24小時(shí)的負(fù)荷情況如圖7所示。根據(jù)峰谷電價(jià)政策，不同時(shí)間段的電價(jià)有所區(qū)別，在用電高峰期價(jià)格較高，用電低谷期價(jià)格較低，具體電價(jià)分布如圖8。儲(chǔ)能的出力經(jīng)過(guò)優(yōu)化仿真后如圖9，儲(chǔ)能的SOC情況如圖10，SOC始終維持在0.1到0.9之間，儲(chǔ)能運(yùn)行狀況良好。

圖5 風(fēng)力發(fā)電輸出功率曲線圖

圖6 光伏發(fā)電輸出功率曲線圖

圖7 模擬負(fù)荷曲線圖

圖8 電價(jià)分布

圖9 儲(chǔ)能出力曲線圖

圖10 儲(chǔ)能SOC變化曲線圖

5 結(jié)論分析

圖11為優(yōu)化前后儲(chǔ)能與大電網(wǎng)的交互功率的對(duì)比圖，圖12為系統(tǒng)優(yōu)化仿真結(jié)果綜合圖，據(jù)圖11可得到如下結(jié)論：晚上20:00左右為用電高峰期，此時(shí)電價(jià)較高，夜晚光伏發(fā)電不工作，風(fēng)機(jī)發(fā)電量不夠負(fù)荷使用，此時(shí)不足部分由儲(chǔ)能提供；據(jù)圖11可看出優(yōu)化前后的儲(chǔ)能與大電網(wǎng)交互功率的對(duì)比。優(yōu)化前，在20:00左右的用電高峰期系統(tǒng)的發(fā)電量不夠使用，傳統(tǒng)的交互策略導(dǎo)致需要向電網(wǎng)高價(jià)購(gòu)電，而優(yōu)化后需購(gòu)買的用電量大大減少，購(gòu)電成本大幅降低，提高了全天的系統(tǒng)收益。

圖11 優(yōu)化前后與大電網(wǎng)交互對(duì)比圖

圖12 系統(tǒng)優(yōu)化仿真結(jié)果綜合圖

從整體的經(jīng)濟(jì)效益看，日優(yōu)化前所計(jì)算的收益為344.3711元，日優(yōu)化后則為369.1697元，且優(yōu)化時(shí)考慮了儲(chǔ)能的使用壽命，綜上所述，本策略合理地對(duì)儲(chǔ)能的出力進(jìn)行了調(diào)度，并提高了系統(tǒng)的并網(wǎng)收益。