離網(wǎng)直流微網(wǎng)群混合儲能容量優(yōu)化配置方法

阮綿暉,鄭建平,劉堯,廖毅,曹安瑛,張躍,甘德樹

(1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司珠海供電局,廣東 珠海 519000；2. 廣東電網(wǎng)有限責任公司 電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州 510000；3. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院 有限公司,廣東 廣州 510000；4. 廣東電網(wǎng)有限責任公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

儲能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)[1—2]中必不可少的重要組成部分,承擔著平抑分布式電源功率波動以及削峰填谷等任務。隨著直流微電網(wǎng)[3]規(guī)模和數(shù)量的不斷增加,地理位置毗鄰的多個直流微電網(wǎng)可聯(lián)結成直流微網(wǎng)群,以增強微電網(wǎng)對小概率極端事件的緊急應對能力。

當前,國內(nèi)外針對微電網(wǎng)儲能優(yōu)化配置問題的研究已經(jīng)取得了不少的成果。文獻[4]提出一種優(yōu)化微網(wǎng)群聯(lián)絡線功率的混合儲能容量優(yōu)化方法；文獻[5]建立以全生命周期費用理論為基礎的儲能容量優(yōu)化配置模型;文獻[6]提出一種基于改進粒子群算法的儲能容量生命周期費用優(yōu)化配置方法;文獻[7]提出一種基于機會約束規(guī)劃的混合儲能優(yōu)化配置方法。文獻[4—7]均注重單一微電網(wǎng)的電源優(yōu)化配置研究。當直流微網(wǎng)數(shù)目增多時,直流微網(wǎng)之間互聯(lián)的特性有利于進一步優(yōu)化儲能的容量配置,降低直流微網(wǎng)群整體的建設投資成本。文獻[8]建立兩階段優(yōu)化模型,考慮了多主體微電網(wǎng)中用戶的電價激勵需求響應,實現(xiàn)了微電網(wǎng)風-光-柴-儲的容量優(yōu)化配置。文獻[9]以系統(tǒng)成本最小為優(yōu)化目標函數(shù),對風光蓄發(fā)電系統(tǒng)容量進行初級優(yōu)化,從而獲得最優(yōu)系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置。文獻[10]基于動態(tài)規(guī)劃方法求解儲能容量配置的雙層決策模型。此外,部分研究多著眼于多目標優(yōu)化,如經(jīng)濟效益最優(yōu)、提高可再生資源利用率[11]、降低污染物排放[12]、提高供電可靠性[13]。

文中提出了一種離網(wǎng)運行條件下直流微網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置方法。首先,考慮到微網(wǎng)群功率互聯(lián)互濟這一特點,制定了一種適用于獨立型直流微網(wǎng)群的運行策略,通過低通濾波器算法實現(xiàn)凈負荷功率的分解以及混合儲能系統(tǒng)的功率分配；然后,以混合儲能系統(tǒng)投資總成本最小為目標函數(shù),建立獨立型直流微電網(wǎng)群混合儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置模型,并利用改進型自適應粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization,PSO)對模型進行優(yōu)化求解；最后,以某地的獨立型直流多微網(wǎng)群作為算例,通過對比設計方案的結果,分析驗證了文中所提方法的有效性。

1 直流微網(wǎng)群

1.1 直流微網(wǎng)群的拓撲結構

直流微電網(wǎng)通過公共連接點與配電網(wǎng)相連接,可根據(jù)運行模式分為并網(wǎng)型和獨立型,其中獨立型是指斷開與配電網(wǎng)的連接,通過自身分布式電源和儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)功率平衡,并網(wǎng)型是指保持與配電網(wǎng)的連接,依靠大電網(wǎng)慣性來實現(xiàn)功率平衡。直流微電網(wǎng)一般由分布式電源(如風力發(fā)電機和太陽能電池等),混合儲能系統(tǒng),能量轉換裝置以及本地負荷組成。

直流微網(wǎng)群則是通過直流聯(lián)絡線將地理位置上毗鄰的多個直流微電網(wǎng)互聯(lián),通過群內(nèi)子微網(wǎng)之間的能量調(diào)度和互濟,進一步增強微網(wǎng)群的供電可靠性和穩(wěn)定性,提高分布式能源的利用率。常見的獨立型直流微網(wǎng)群聯(lián)結拓撲如圖1所示。

圖1 常見的獨立型直流微電網(wǎng)群拓撲Fig.1 Common topology of DC microgrid cluster

1.2 混合儲能系統(tǒng)

1.2.1 混合儲能系統(tǒng)簡介

在獨立型直流微電網(wǎng)中,由于風電和太陽能發(fā)電等分布式電源的輸出功率具有間歇性和隨機性的特點[14],且負荷變化存在波動性,因此須提供儲能系統(tǒng)以保證獨立型直流微電網(wǎng)可持續(xù)穩(wěn)定運行。儲能系統(tǒng)可在風光出力不足時為負荷提供所需功率,在風光出力過剩時儲存多余能量。儲能裝置可分為功率型儲能和能量型儲能[15],功率型儲能的裝置常采用超級電容器,而能量型儲能可采用鉛酸電池。相對于單一儲能,采用混合儲能系統(tǒng)(hybrid energy storage system,HESS)可大幅提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性,且可延長能量型儲能的使用壽命,避免頻繁充放電。

因此,文中針對超級電容器和鉛酸電池相結合的混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置問題進行研究。

1.2.2 混合儲能系統(tǒng)的功率分配

根據(jù)兩者不同的特性,超級電容器和鉛酸電池可分別提供混合儲能系統(tǒng)總功率的高頻和低頻分量,即功率型分量和能量型分量。文中采用低通濾波器算法進行混合儲能功率分配,其計算公式為：

(1)

式中：s為拉式變換的復變量；Ps,Pb分別為超級電容和鉛酸電池需提供的功率[16]；PH為混合儲能系統(tǒng)的輸出總功率；TL為低通濾波器的時間常數(shù),TL的取值必須滿足采樣定理的約束條件,可表示為：

(2)

式中：fp為分解頻率；Ts為采樣時間。

2 獨立型直流微網(wǎng)群儲能系統(tǒng)控制策略

文中制定了一種獨立型直流微網(wǎng)群的運行控制策略,優(yōu)化了微網(wǎng)群內(nèi)各子微網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)之間的能量調(diào)動和互濟,以維持微網(wǎng)群的功率平衡,實現(xiàn)微網(wǎng)群的穩(wěn)定運行,策略流程如圖2所示。

圖2 微網(wǎng)群運行控制策略流程Fig.2 Microgrid cluster control strategy

首先假設一個獨立型直流微網(wǎng)群含有n個子微網(wǎng),且已知第i個子微網(wǎng)的超級電容和鉛酸電池容量分別為Es,i和Eb,i,額定功率分別為Ps,i和Pb,i,各儲能裝置的電池剩余電量(state of charge,SOC)初始值均為50%。以下是運行控制策略的詳細步驟說明。

(1) 載入各子微網(wǎng)所在地的風力、光照強度數(shù)據(jù)以及負荷曲線數(shù)據(jù),分別計算在t時刻各子微網(wǎng)的凈負荷功率Pi(t),其計算公式為：

Pi(t)=PL(t)-PP(t)-PW(t)

(3)

式中：PL(t),PP(t),PW(t)分別為t時刻的本地負荷需求功率、太陽能電池組輸出功率和風電機組輸出功率。當Pi(t)>0時,混合儲能系統(tǒng)放電為負荷提供能量；當Pi(t)<0時,混合儲能系統(tǒng)充電以存儲風光發(fā)電過剩能量。

(2) 分解凈負荷功率。各子微網(wǎng)的凈負荷功率將優(yōu)先考慮由自身的混合儲能系統(tǒng)來補償,若存在功率缺額再考慮尋求微網(wǎng)群內(nèi)其他子微網(wǎng)的功率援助。

利用1.2.2節(jié)所述方法先將各子微網(wǎng)的凈負荷功率分解為功率型分量Pi,s和能量型分量Pi,b,并由超級電容器和鉛酸電池分別負責平衡。計算t時刻各凈負荷功率分量的功率缺額ΔPs(t),ΔPb(t),為方便下文描述,文中將用E統(tǒng)一指代下標符號s或b,并用ΔPE(t)表示,如下式所示。

ΔPE(t)=PE(t)-|Pi,E(t)|

(4)

式中：PE(t),Pi,E(t)分別為t時刻超級電容或鉛酸電池提供的最大功率及其期望補償?shù)膬糌摵晒β史至?。當ΔPE(t)>0時,儲能裝置不僅能完成自身凈負荷功率平衡任務,還可以向其他子微網(wǎng)支援功率ΔPE(t)；當ΔPE(t)<0時,儲能裝置不能完全平衡自身凈負荷功率分量。

(3) 根據(jù)ΔPE(t)值對儲能裝置分類討論。

對于ΔPE(t)>0的儲能裝置,分別計算t時刻微網(wǎng)群所能提供的功率型和能量型最大支援功率分量PS,E(t),即：

(5)

式中：k為ΔPE(t)>0的儲能裝置總個數(shù)。

對于ΔPE(t)<0的儲能裝置,根據(jù)凈負荷功率分量Pi,E(t)可分為如下兩類：Pi,E(t)>0的儲能裝置,需要其他子微網(wǎng)支援功率-ΔPE(t)；Pi,E(t)<0的儲能裝置,需要向其他子微網(wǎng)釋放功率-ΔPE(t)。分別累加可得ΔPE+(t)和ΔPE-(t),并可得到兩總功率之差ΔPT,E(t),即：

ΔPT,E(t)=PE+(t)-PE-(t)

(6)

式中：ΔPT,E(t)為t時刻微網(wǎng)群的功率型和能量型儲能總差額功率分量；ΔPE+(t),ΔPE-(t)分別為微網(wǎng)群內(nèi)所需支援總功率和所需釋放總功率。

(4) 分別計算微網(wǎng)群通過聯(lián)絡線的功率型和能量型交換功率分量PL,E(t),并根據(jù)功率平衡約束制定切除負荷或棄風棄光策略。

若PS,E(t)>|ΔPT,E(t)|,則說明微電網(wǎng)群在t時刻能通過聯(lián)絡線互聯(lián)實現(xiàn)該功率分量的平衡,此時PL,E(t)=|ΔPT,E(t)|；

若PS,E(t)<|ΔPT,E(t)|,則說明微網(wǎng)群仍然不能在t時刻通過聯(lián)絡線互聯(lián)達到功率平衡,此時PL,E(t)=PS,E(t)。為了實現(xiàn)該功率分量平衡,需要根據(jù)此時總差額功率分量ΔPT,E(t)確定以下策略：若ΔPT,E(t)>0,直流微網(wǎng)群應切除負荷功率分量Pl1,E(t)值為ΔPT,E(t)-ΔPS,E(t)；若ΔPT,E(t)<0,直流微網(wǎng)群應棄風棄光,其功率分量Pl2,E(t)大小為-ΔPT,E(t)-ΔPS,E(t)。

(5) 分別計算出PL(t),Pl1(t)以及Pl2(t),即：

(7)

式中：PL(t),Pl1(t),Pl2(t)分別為t時刻直流微網(wǎng)群通過聯(lián)絡線的交換總功率、切除負荷總功率、總棄風棄光功率；PL,s(t),Pl1,s(t),Pl2,s(t)分別為t時刻直流微網(wǎng)群通過聯(lián)絡線的交換總功率高頻分量、切除負荷總功率高頻分量、總棄風棄光功率高頻分量；PL,b(t),Pl1,b(t),Pl2,b(t)分別為t時刻直流微網(wǎng)群通過聯(lián)絡線的交換總功率低頻分量、切除負荷總功率低頻分量、總棄風棄光功率低頻分量。

(6) 更新各子微網(wǎng)的混合儲能系統(tǒng)SOC值,得到下一時刻的SOC初始狀態(tài)。進入下一時刻,重復各步驟,直至循環(huán)結束。

3 獨立型直流微電網(wǎng)群混合儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置模型

文中建立了一種獨立型直流微電網(wǎng)群混合儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置模型,并利用改進型自適應粒子群算法對該模型進行優(yōu)化求解。

3.1 優(yōu)化變量

文中設定所有直流子微網(wǎng)的混合儲能系統(tǒng)均由超級電容器和鉛酸電池組成。假設一個直流微網(wǎng)群內(nèi)有n個子微網(wǎng),則模型決策變量分別為超級電容的額定容量Es,i(0

3.2 目標函數(shù)

文中綜合考慮直流微電網(wǎng)群的混合儲能系統(tǒng)投資運行成本,從而實現(xiàn)直流微電網(wǎng)群的經(jīng)濟效益最大化,由此可得模型目標函數(shù)為：

minC

(8)

式中：C為混合儲能系統(tǒng)的投資運行成本,可以分為超級電容器和鉛酸電池的購置成本、運行維護成本和更換成本。

由于超級電容器和鉛酸電池的壽命各不相同,為避免不同儲能裝置壽命周期差異性所帶來的影響,文中采用凈年值法將購置成本費用折算成等年值。則可以得到直流微電網(wǎng)群的混合儲能系統(tǒng)總年均投資運行成本為[17]：

(9)

式中：n為直流微網(wǎng)群內(nèi)子微網(wǎng)的數(shù)量；Cs,s,Cs,b分別為超級電容器和鉛酸電池的購置成本；Cr,s,Cr,b分別為超級電容器和鉛酸電池的更換成本；CO,s,CO,b分別為超級電容器和鉛酸電池的運行維護成本。

3.2.1 購置成本

超級電容器和鉛酸電池的購置成本Cs,s,Cs,b由其額定容量,額定功率以及必要的輔助設施成本來決定,其計算公式如下：

(10)

式中：CE,s,CE,b分別為超級電容和鉛酸電池的單位能量價格；ηs,ηb分別為超級電容和鉛酸電池的能量轉換效率；Cp,s,Cp,b分別為超級電容和鉛酸電池的單位功率價格；CB,b為輔助設施的單位能量成本；R為等年值折算系數(shù),等年值折算系數(shù)的計算公式如下：

(11)

式中：r為年利率；Y為項目壽命周期。

3.2.2 更換成本

當儲能設備的壽命周期小于項目的實際壽命周期時,就需要對儲能設備進行更換,超級電容和鉛酸電池的更換成本Cr,s,Cr,b計算如下：

(12)

式中：q為儲能裝置的壽命周期；β為儲能裝置的更換序數(shù)；ks,kb分別為超級電容和鉛酸電池的更換次數(shù)。

3.2.3 運維成本

超級電容和鉛酸電池的運維成本CO,s,CO,b包括人力和管理成本,主要與其額定功率有關,而與其運行過程無關,其計算公式為：

(13)

式中：Cf,s,Cf,b分別為超級電容和鉛酸電池在單位功率下的運行維護成本。

歷史是一門人文性較強的學科，在學習過程中幫助學生進行思考與體驗，對學生的人文觀念價值有著潛移默化的影響，因此在進行高中歷史教學過程中，教師需要重視對歷史文化的正確引導，科學講授。為學生培養(yǎng)正確的歷史價值觀與人文觀念，塑造學生優(yōu)秀的人文素養(yǎng)。

3.3 約束條件

3.3.1 功率平衡約束

對于任意時刻t,微電網(wǎng)群都必須保證功率平衡,需要滿足以下公式：

(14)

式中：PL,i(t),PP,i(t),PW,i(t),Pi,i(t)分別為在t時刻下,第i個子微網(wǎng)的負荷功率、太陽能電池組出力、風力發(fā)電機組出力、凈負荷功率。

3.3.2 儲能系統(tǒng)約束

在任意t時刻,超級電容器和鉛酸電池的充放電功率均不能超過其額定功率,可表示為：

(15)

式中：Ps,i(t),Pb,i(t)分別為t時刻第i個子微網(wǎng)的超級電容器、鉛酸電池的充放電功率；Ps,i,Pb,i分別為t時刻第i個子微網(wǎng)的超級電容器、鉛酸電池的額定功率。

為了確保儲能裝置的壽命和運行安全,防止其過充或過放,必須對超級電容器和鉛酸電池的SOC值進行約束,不能超過其最大值和最小值,表示為：

(16)

3.3.3 缺電概率約束

由于缺電概率(loss of load probability,LOLP)與微網(wǎng)群的運行可靠性有直接的關系,因此缺電概率不能超過一定限值,否則會影響到負荷的正常供電。缺電概率可表示為：

(17)

式中：n為子微網(wǎng)個數(shù)；Pl1(t)為t時刻的微網(wǎng)群總缺電功率；Lmax為微網(wǎng)群所允許的LOLP最大值；Z為時間周期,表示24 h,共96個點。

3.3.4 棄風棄光率約束

為了使風能和太陽能盡可能被利用,微網(wǎng)群的棄風棄光率ηL不能超過一定限值,可表示為：

(18)

式中：Pl2(t)為t時刻微網(wǎng)群的棄風棄光損失功率；ηL,max為微網(wǎng)群所允許的最大棄風棄光率值。

3.3.5 子微網(wǎng)間的聯(lián)絡線功率及交換能量約束

由于直流子微網(wǎng)是通過聯(lián)絡線實現(xiàn)功率互聯(lián),但是流經(jīng)變流器的功率不能超過其所允許的額定功率值,可表示為：

|PL(t)|≤Pc

(19)

式中：|PL(t)|為t時刻下通過聯(lián)絡線的交換功率絕對值；Pc為聯(lián)絡線最大功率限制。

為了保證每個子微網(wǎng)均具有一定的清潔能源就地消納能力,以及能夠應對聯(lián)絡線出現(xiàn)故障時的緊急情況,通過聯(lián)絡線的交換能量不能超過聯(lián)絡線兩端子微網(wǎng)的負荷需求能量之和,可表示為：

(20)

式中：EL(t)為聯(lián)絡線交換能量；Eld1(t),Eld2(t)分別為聯(lián)絡線兩端子微網(wǎng)的負荷需求能量；K為能量比例約束系數(shù)。

4 算例分析

4.1 約束條件

文中以含有2個子微網(wǎng)的獨立型直流微電網(wǎng)群項目為例進行混合儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置,以驗證模型的正確性和有效性,將2個子微網(wǎng)分別命名為子微網(wǎng)A和子微網(wǎng)B。子微網(wǎng)A最大負荷為460 kW,風力發(fā)電系統(tǒng)額定功率為300 kW,光伏發(fā)電系統(tǒng)額定功率為200 kW；子微網(wǎng)B最大負荷為441 kW,風電機組額定出力為400 kW,太陽能電池組額定出力為300 kW。2個子微網(wǎng)間的聯(lián)絡線最大功率限制為400 kW。每個子微網(wǎng)所允許的最大L為0.4%,最大棄風棄光率為10%。該算例選取直流微網(wǎng)群一個典型日的數(shù)據(jù),并設定采樣時間TS為1 s,采樣點數(shù)N為86 401。由于子微網(wǎng)A、B的分布式電源裝機容量以及負荷功率均不相同,因此兩者的凈負荷功率曲線存在一定差異,分別如圖3(a)、(b)所示。

圖3 微網(wǎng)群各子微網(wǎng)凈負荷功率Fig.3 Net load power of each sub-microgrid

該直流微電網(wǎng)群的混合儲能系統(tǒng)由超級電容和鉛酸電池組成,其相關參數(shù)如表1所示。該直流微網(wǎng)群項目壽命周期為20 a,年利率定為10%,則等年值折算系數(shù)R取0.117。

表1 混合儲能系統(tǒng)相關參數(shù)表Table 1 Parameters of HESS

4.2 算例方案設計

為了比較獨立型直流微電網(wǎng)聯(lián)結成群對于混合儲能優(yōu)化配置的影響,以及驗證文中所提混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置模型的有效性,分別設置了2種算例方案。

(1) 方案1。子微網(wǎng)A和子微網(wǎng)B聯(lián)結成群,子微網(wǎng)間功率可以互聯(lián)互濟,但必須滿足交換電能不得超過總負荷大小30%的約束。

(2) 方案2。子微網(wǎng)A和子微網(wǎng)B獨立運行,兩者之間功率不流通。采用改進的適應型PSO算法優(yōu)化求解后,2種方案的混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置結果如表2所示,表中A,B分別為子微網(wǎng)A和B。

表2 混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置結果對比Table 2 Comparison of optimization configuration results of HESS

4.3 算例結果分析

在方案1中,2個子微網(wǎng)的混合儲能系統(tǒng)SOC變化曲線分別如圖4(a)、(b)所示。

圖4 各子微網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)SOC變化曲線Fig.4 SOC curve of each sub-microgrid HESS

2個子微網(wǎng)通過聯(lián)絡線實現(xiàn)功率互聯(lián)互濟,其聯(lián)絡線功率變化如圖5所示。在圖5中,聯(lián)絡線功率大于0表示功率傳輸方向是從子微網(wǎng)A傳向子微網(wǎng)B,小于0則表示從子微網(wǎng)B傳向子微網(wǎng)A。

圖5 微電網(wǎng)群聯(lián)絡線功率Fig.5 Tie line power of microgrid cluster

根據(jù)表2中2種方案下的結果數(shù)據(jù)可知,采用方案1優(yōu)于方案2。采用方案1的直流微網(wǎng)群投資總成本為175.12萬元,比方案2減少約395.6萬元。此外,采用方案1的直流微電網(wǎng)群最大缺電率均比方案2更低,并且能夠滿足0.4%的約束條件。

由此可見,相比于獨立型直流子微網(wǎng)獨立運行,將多個獨立型直流子微網(wǎng)聯(lián)結成群不僅能大大減小直流微電網(wǎng)群的投資總成本,也能降低最大缺電率,提高微網(wǎng)群運行穩(wěn)定性。

5 結語

文中提出了一種適用于獨立型直流微電網(wǎng)群的混合儲能系統(tǒng)容量配置方法。該方法首先考慮到微網(wǎng)群功率互聯(lián)互濟這一特點,制定了一種適應獨立型直流微網(wǎng)群的運行策略,并通過低通濾波器算法實現(xiàn)凈負荷功率的分解以及混合儲能系統(tǒng)的功率分配。然后,根據(jù)運行策略建立以混合儲能系統(tǒng)投資總成本最小為目標函數(shù)的獨立型直流微電網(wǎng)群混合儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置模型,并利用改進型自適應PSO粒子群算法進行優(yōu)化求解。文中以某地由2個相鄰子微網(wǎng)組成的獨立型直流多微網(wǎng)群作為算例,并通過設計方案對比的結果說明了利用微網(wǎng)群功率互聯(lián)的特點能夠大大降低混合儲能系統(tǒng)投資成本,提高微網(wǎng)群運行穩(wěn)定性,從而證明了文中方法的有效性。