基于風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置的研究

羅 希,沈奕萱

(1．華電江蘇能源有限公司新能源分公司，江蘇 楊州 225001；2．中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

1 引言

智能電網(wǎng)環(huán)境下，形式多樣的分布式電源大量并入配電網(wǎng)，一方面緩解了電力供需矛盾，另一方面積極促進(jìn)了環(huán)境保護(hù)[1]。但分布式電源在出力上隨機(jī)性較大(如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電嚴(yán)重依賴于天氣因素)，一般輔之以儲(chǔ)能裝置來平抑其發(fā)供波動(dòng)，亦即需組成所謂的微電網(wǎng)[2]。限于當(dāng)前技術(shù)條件，儲(chǔ)能裝置的成本尚居高不下，導(dǎo)致問題有二[3-4]：①若該類裝置配置過多，則抬升了微電網(wǎng)的發(fā)電成本，使微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性大打折扣，影響其推廣；②若該類裝置配置不足，則不能實(shí)現(xiàn)對(duì)各類負(fù)荷的高可靠供給，延緩了傳統(tǒng)配電網(wǎng)向主動(dòng)式配電網(wǎng)的有效轉(zhuǎn)變。因此，基于對(duì)包含風(fēng)、光等形式的分布式電源的微電網(wǎng)的運(yùn)作分析，構(gòu)建合理的數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)容量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[5]從能量管理的角度，借助混沌算法產(chǎn)生單一類型儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化的策略。文獻(xiàn)[6]依托粒子群算法，以一次性投資最小為目標(biāo)函數(shù)，嘗試對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)作容量配置。文獻(xiàn)[7]引入分時(shí)優(yōu)化思想，基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃，對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]設(shè)想超級(jí)電容器和蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能互補(bǔ)，并運(yùn)用HOM-ER軟件開展仿真。文獻(xiàn)[9]則著眼于微電網(wǎng)整體，構(gòu)造多目標(biāo)函數(shù)，用順序二次規(guī)劃法對(duì)DG和儲(chǔ)能系統(tǒng)作同步優(yōu)化。其他還有采用頻譜分析、傅里葉變換、遺傳算法等工具的優(yōu)化方法[10-13]，限于篇幅不再贅述。總起來說，以上研究對(duì)微電網(wǎng)儲(chǔ)能容量優(yōu)化均有所裨益，但也存在一些不足：①多數(shù)研究側(cè)重于尋優(yōu)算法的引進(jìn)，忽略對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)在機(jī)制的分析；②對(duì)不同儲(chǔ)能方式結(jié)合比對(duì)的關(guān)注度不夠。

事實(shí)上，一般常用的儲(chǔ)能方式為蓄電池、鋰電池和液流電池，但蓄電池因存在自放電特性，理論上不太適用于長期儲(chǔ)能[14]；另兩類則因成本高，難以推行于大容量儲(chǔ)能場(chǎng)景。含氫儲(chǔ)能是近年來興起的一種新型儲(chǔ)能方式[15]，它與蓄電池構(gòu)成微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的充放電需求。本文將基于此技術(shù)架構(gòu)，通過對(duì)風(fēng)/光/儲(chǔ)并網(wǎng)微電網(wǎng)各組成部分的模型解析，追求總凈現(xiàn)值成本最小，以此產(chǎn)生儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)容量配比。

2 關(guān)于微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前常見的分布式發(fā)電中，以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電應(yīng)用最為廣泛。圖1 所示為吸納氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。相關(guān)闡述：①微電網(wǎng)的主要電源來自兩個(gè)獨(dú)立板塊，即風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電。②放電優(yōu)先級(jí)層面，氫儲(chǔ)能高于蓄電池[16]。③在發(fā)電高峰期，電量首先以電解水形式生成氫氣作為儲(chǔ)存；若進(jìn)行該項(xiàng)反應(yīng)所需的電量小于分布式電源產(chǎn)出，則同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；若還有剩余，則上網(wǎng)輸出。④在負(fù)荷高峰期，若分布式電源的全部產(chǎn)出不能滿足需求，則根據(jù)電力缺口大小，按照“燃料電池發(fā)電→蓄電池輸出→從電網(wǎng)購電”的順序依次啟動(dòng)(不一定全部啟用)。

圖1 包含風(fēng)/光/儲(chǔ)的微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

3 微電網(wǎng)模型解析

根據(jù)圖1，包含風(fēng)/光/儲(chǔ)的微電網(wǎng)主要板塊為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，下面逐一作模型介紹。

(1) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

很顯然，風(fēng)力發(fā)電機(jī)WT 的輸出與風(fēng)速存在較大關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，二者之間可用式(1)進(jìn)行擬合。

式中：Pr表征額定功率，v表征計(jì)算期間的實(shí)時(shí)風(fēng)速，vci/vco/vr分別為切入/切出/額定風(fēng)速。

(2) 光伏發(fā)電系統(tǒng)

文獻(xiàn)[10]指出，光伏發(fā)電PV的輸出與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度極大相關(guān)，可用式(2)進(jìn)行擬合，式中各參量含義見圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電模型中各參數(shù)含義

(3) 氫儲(chǔ)能系統(tǒng)HESS

該系統(tǒng)包括燃料電池FC、氫罐HT 和電解槽El。對(duì)它們的描述一般采用通用模型[2，4，8，9]，分別見式(3)、式(4)和式(5)所示。限于篇幅，將式(3)～式(5)中相關(guān)參量的含義或解釋統(tǒng)一展示于圖3中。

圖3 氫儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型各參數(shù)含義

燃料電池以氫罐中儲(chǔ)存的氫氣作為燃料發(fā)生電能，響應(yīng)速度快，且功率輸出穩(wěn)定，可等視為柴油發(fā)電機(jī)。

(4) 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BESS

該系統(tǒng)一般基于恒功率儲(chǔ)能模式，荷電狀態(tài)見式(6)所示。

式中：SOC(t0)表征t0時(shí)刻電池容量；ηch、Pch分別表征電池的充電效率和充電功率，ηdis、Pdis則對(duì)應(yīng)為放電效率和放電功率；S表征電池額定容量；△t表征時(shí)間步長。

4 關(guān)于微電網(wǎng)優(yōu)化配置的建模

在電力市場(chǎng)環(huán)境下，任何活動(dòng)都需要考慮經(jīng)濟(jì)效益；微電網(wǎng)運(yùn)行有自身的物理制約；另外，進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化不能以犧牲微電網(wǎng)性能指標(biāo)為代價(jià)。綜合以上幾個(gè)方面考慮，構(gòu)建出如圖4所示的建模技術(shù)路線。在此技術(shù)路線指引下，基于上文對(duì)微電網(wǎng)各部分的解析，給出式(7)～式(13)的優(yōu)化模型。各參量說明見圖5所示。

圖4 微電網(wǎng)優(yōu)化配置建模的技術(shù)路線

圖5 微電網(wǎng)優(yōu)化配置模型的參量闡釋

最后定義分布式電源容量S(指完成優(yōu)化后)：①風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量SWT；②光伏發(fā)電系統(tǒng)容量SPV；③電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量SBESS；④氫儲(chǔ)能系統(tǒng)容量SHESS。并用式(14)表示。

5 算例檢驗(yàn)

以東部某地為算例背景，從氣象部門和電力部門分取主要的相關(guān)資料進(jìn)行曲線繪制，見圖6～圖8所示。限于篇幅，參與算例計(jì)算的其他數(shù)據(jù)(如組成微電網(wǎng)的各部分器件的成本)不再具體展示。

圖6 一年中按日離散后的風(fēng)速數(shù)據(jù)

圖7 一年中按日離散后的小時(shí)光照數(shù)據(jù)

圖8 典型日電力負(fù)荷曲線

為使仿真盡可能貼近實(shí)際，同時(shí)符合多方案優(yōu)劣分析，本文特選荷馬能源的HOMER Pro軟件。方案集設(shè)置：①單一蓄電池方案；②氫儲(chǔ)能-蓄電池混合儲(chǔ)能方案(即本文推薦方案)；③單一鋰電池方案；④單一液流電池方案。不同方案之間的比對(duì)參照項(xiàng)：總凈現(xiàn)值成本TNPC、經(jīng)營成本OPC、平均化能源成本LCOE、電力浪費(fèi)PW、可再生能源利用率REU和負(fù)載缺失率LOR。

表1 所示為各方案下的容量配置結(jié)果，表2 所示為各方案的指標(biāo)比對(duì)。

表1 各方案下的容量配置

表2 各方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比對(duì)

由表2 可知：方案3、4 雖然個(gè)別指標(biāo)較為優(yōu)秀，但經(jīng)濟(jì)性太差，不足以說明問題；方案1、2 經(jīng)濟(jì)性相近，可進(jìn)行逐項(xiàng)比對(duì)。

方案1、2比對(duì)結(jié)論：①方案2的TNPC優(yōu)于方案1約7．0%；②方案2 的OPC 優(yōu)于方案1 約48．0%；③方案2 的LCOE 優(yōu)于方案1 約6．71%；④方案2 的REU 劣于方案1 約1．40%；⑤方案2 的PW 優(yōu)于方案1 約96%；⑥方案2 的LOR 優(yōu)于方案1 約16．6%。顯然，以上“①”～“⑥”中，除了“④”略為遜色，方案2都要明顯好于方案1，而且一些指標(biāo)的領(lǐng)先幅度是比較可觀的。因此，本文所提方案兼具科學(xué)性和合理性，值得推廣。

6 結(jié)束語

針對(duì)風(fēng)/光/儲(chǔ)并網(wǎng)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性兼顧的問題，提出基于“氫儲(chǔ)能+蓄電池”的混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)予以應(yīng)對(duì)。在充分闡析微電網(wǎng)各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，從全壽命周期成本角度建立微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置的模型，并進(jìn)行了貼近工程實(shí)際的仿真計(jì)算。結(jié)果表明：本文所提方案能克服傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式的各種弊端，達(dá)成經(jīng)濟(jì)、可靠、清潔之多贏。