基于HOMER的微電網(wǎng)儲能初級配置及并網(wǎng)仿真研究

摘 要：要降低可再生能源功率波動給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來的影響，在微電網(wǎng)中引入復(fù)合儲能系統(tǒng)是一種行之有效的解決方案。利用可再生能源互補發(fā)電優(yōu)化建模軟件對微電網(wǎng)中的儲能組件進行初級配置，得到了經(jīng)濟條件最優(yōu)下的儲能電池容量，為后續(xù)詳細的儲能電池配置提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：可再生能源功率;HOMER;初級配置;儲能電池容量

0??? 引言

可再生能源發(fā)電具有波動性和間歇性的特點，所以高比例接入電網(wǎng)會引起電壓和頻率波動等電能質(zhì)量問題[1-2]。在微電網(wǎng)中接入儲能設(shè)備是一種行之有效的解決方案。目前，一種儲能介質(zhì)很難滿足電網(wǎng)對儲能的多維度和多尺度要求，而由磷酸鐵鋰電池和超級電容器組成的復(fù)合儲能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System，HESS）兼具高能量密度和高功率密度特性[3]，因此，研究基于能量型儲能和功率型儲能的復(fù)合儲能的微電網(wǎng)具有極其重要的意義。

可再生能源互補發(fā)電優(yōu)化建模軟件（Hybrid Optimiz-

ation Model for Electric Renewable，HOMER）是用于微電網(wǎng)組件容量初級配置研究的經(jīng)濟技術(shù)分析軟件[4]。HOMER可以對小時級數(shù)據(jù)進行仿真，時間尺度較大，因此，利用HOMER軟件對微電網(wǎng)中的復(fù)合儲能總體容量進行初級配置，就可以得到經(jīng)濟條件最優(yōu)下的儲能電池總體容量配置。

1??? 拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為一個典型的微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，該微電網(wǎng)主要包括：磷酸鐵鋰電池和變流器組成的儲能系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及各種交流負荷。

首先，根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計方案在HOMER軟件中搭建仿真模型，依次添加光伏電池（PV）、風(fēng)力發(fā)電機（Generic）、蓄電池（H3000）、交流負荷（Load）以及變流器（Converter）。該微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下仿真示意圖如圖2所示。

2??? 基本組件

微電網(wǎng)組件的容量優(yōu)化配置需要根據(jù)所在地的地理位置、氣象條件、電網(wǎng)資料等來確定各組件類型、功率和容量等參數(shù)。本文主要從經(jīng)濟性[5]考慮，相關(guān)經(jīng)濟參數(shù)設(shè)置如表1所示。

若微電網(wǎng)設(shè)計壽命為25年，由表1可知，在微電網(wǎng)壽命周期內(nèi)僅光伏電池不用置換。除表1所述參數(shù)外，其他參數(shù)如下：（1）光伏發(fā)電的占地面積約為每10 kW占地100 m2，由于工程土地資源限制，允許的光伏發(fā)電最大裝機容量為400 kW。仿真中光伏電池發(fā)電容量的決策變量設(shè)置為0/

50/100/150/200/250/300/350/400 kW。（2）每臺風(fēng)力發(fā)電機的額定容量為10 kW，風(fēng)力發(fā)電機臺數(shù)的決策變量設(shè)置為0、5、10、15、20。（3）所用電池單體標(biāo)稱電壓為2 V，標(biāo)稱容量為3 000 Ah（6 kW·h），SOC限值為30%～100%，但實際使用中電池最大SOC通常為85%。每10個電池單體串聯(lián)形成電池組，電池組間采用并聯(lián)形式，電池組設(shè)置為0、5、10、15、20。（4）設(shè)置變流器的整流效率和逆變效率均為95%，變流器容量的決策變量為50/100/150/200 kW。

3??? 可再生能源存量

根據(jù)地理位置坐標(biāo)，從美國宇航局（NASA）的相關(guān)網(wǎng)站（https：//power.larc.nasa.gov/）上獲取所需歷史氣象資料。某地區(qū)坐標(biāo)為東經(jīng)119°60′、北緯32°30′，這里獲取了該地2015—2019年的氣象數(shù)據(jù)并取月平均值。表2所示為按月統(tǒng)計所得平均太陽輻照度S、清晰度指數(shù)k（空氣的清濁程度）以及50 m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)，由統(tǒng)計結(jié)果可知該地太陽能和風(fēng)能資源較為豐富。

將統(tǒng)計得到的太陽能和風(fēng)能資源數(shù)據(jù)輸入到HOMER中相應(yīng)的Solar resource和Wind resource配置組件中。為了盡可能模擬得到較為準(zhǔn)確的出力曲線，在光伏組件中日輻照度敏感值（平均輻照度數(shù)值）分別取3.995、4.995和5.995，當(dāng)日輻照度敏感值取4.995時，太陽能資源分布情況如圖3所示。同理，在風(fēng)電組件中風(fēng)速的敏感值（平均風(fēng)速數(shù)值）分別取4.620、5.620和6.620，當(dāng)風(fēng)速敏感值取5.620時，風(fēng)能資源分布情況如圖4所示。

4??? 仿真分析

在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式下，按照全壽命周期凈現(xiàn)成本最低選擇微電網(wǎng)組件的配置方案，并以儲能容量最大值作為最終的儲能容量設(shè)定值。微電網(wǎng)組件配置中，要考慮以下幾個因素：（1）電價，包括購電電價和售電電價（上網(wǎng)電價）;（2）電量交互，包括微電網(wǎng)向大電網(wǎng)購售電電量和功率限制。

圖5（a）所示為并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率為10 kW時，風(fēng)/光/儲不同配置下總凈現(xiàn)成本與風(fēng)速及太陽輻照度的相關(guān)性;當(dāng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率為20 kW時，相關(guān)性保持一致，這里不再圖示。圖5（b）所示為當(dāng)示范區(qū)年平均太陽輻照度以及50 m高度風(fēng)速分別為5.99 m/s和6.62 m/s時，各組件具體配置情況及各成本組成。

該條件下的風(fēng)/光/儲等組件最優(yōu)配置結(jié)果如表3所示。該配置結(jié)果下，在微電網(wǎng)全壽命周期內(nèi)，當(dāng)聯(lián)絡(luò)線功率為10 kW時系統(tǒng)總凈現(xiàn)成本最低為491 960美元，電池容量選擇為50×6 kW·h。當(dāng)聯(lián)絡(luò)線功率為20 kW時，不需要電池儲能，所以本文不再分析討論。各組件經(jīng)濟參數(shù)分布如圖6所示。

圖7所示為12個月內(nèi)電池SOC平均每小時變化曲線，由曲線可知全年電池SOC變化范圍在本仿真模型所選電池SOC限值范圍30%～100%內(nèi)，所以可避免出現(xiàn)電池過充、過放現(xiàn)象，但SOC處于高限值的時間段相對較長。

綜合分析微電網(wǎng)孤島運行和并網(wǎng)運行各自得到的最佳儲能容量，取儲能容量最大值可知：當(dāng)微電網(wǎng)具有孤島和并網(wǎng)兩種運行模式時，得到儲能最佳容量為100×6 kW·h，系統(tǒng)總凈現(xiàn)成本為574 256美元。

5??? 結(jié)語

本文分析了影響微電網(wǎng)組件配置的主要因素，選取某地區(qū)含有風(fēng)/光/儲電源的微電網(wǎng)進行分析，得到了儲能容量的初級配置結(jié)果。根據(jù)所獲得的某地可再生能源存量的經(jīng)濟技術(shù)條件，設(shè)定微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置變量、系統(tǒng)性能以及聯(lián)絡(luò)線交互功率等約束條件，基于HOMER軟件進行全年8 760 h的小時級仿真，在微電網(wǎng)全壽命周期（25年）凈現(xiàn)成本最低的優(yōu)化指標(biāo)下，得到滿足設(shè)計微電網(wǎng)要求的風(fēng)/光/儲優(yōu)化配置組合，并得到了儲能容量的初級配置結(jié)果。

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收稿日期：2021-07-21

作者簡介：王曉晴（1989—），女，安徽蚌埠人，碩士，工程師，研究方向：設(shè)備運維、微電網(wǎng)控制。