小區(qū)光儲充系統(tǒng)規(guī)模與配置優(yōu)化研究

方亮 匡薇 劉育恒

湖州電力設計院有限公司 浙江 湖州 313000

隨著能源危機日益嚴峻和環(huán)境問題的凸顯，光伏發(fā)電和儲能技術(shù)作為可再生能源的代表，受到越來越廣泛的關注。小區(qū)光儲充系統(tǒng)作為一種集光伏發(fā)電和儲能為一體的能源供給方案，具有減輕電網(wǎng)負荷、提高能源利用率和改善能源供應可靠性的潛力。但是，要實現(xiàn)小區(qū)光儲充系統(tǒng)的高效供能和經(jīng)濟可行性，需要深入研究系統(tǒng)規(guī)模與配置的優(yōu)化問題。本文旨在探討小區(qū)光儲充系統(tǒng)規(guī)模與配置優(yōu)化的關鍵問題。

1 系統(tǒng)組成與模型建立

1.1 光伏發(fā)電子系統(tǒng)特性及模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)特性方面，光伏電池作為轉(zhuǎn)換太陽輻射能為電能的關鍵元件，其特性直接影響系統(tǒng)的發(fā)電性能。不同類型的光伏電池（如多晶硅、單晶硅和薄膜等）具有不同的光電轉(zhuǎn)換效率和溫度特性。多晶硅光伏電池具有較高的成本效益和穩(wěn)定性，而單晶硅光伏電池則在高溫環(huán)境下具有更好的性能。薄膜光伏電池在柔性和低光條件下表現(xiàn)出色。深入了解各類型光伏電池的特性有助于合理選擇光伏電池組件，以最大程度地提高系統(tǒng)的發(fā)電效率[1]。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型方面，一般采用等效電路模型進行建模，該模型基于光伏電池的I-V曲線和P-V曲線。此外，還可以采用更復雜的光伏模型，如雙二次型模型和雙指數(shù)模型，來更準確地描述光伏電池的非線性特性。光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型還需要考慮溫度和輻照度等環(huán)境因素對發(fā)電效率的影響。模型建立過程中，可以借助實驗數(shù)據(jù)和仿真軟件進行驗證和優(yōu)化，確保模型的準確性和可靠性。

1.2 儲能技術(shù)與儲能系統(tǒng)特性

儲能技術(shù)在小區(qū)光儲充系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用，它能夠解決光伏發(fā)電系統(tǒng)的間歇性和波動性，提高系統(tǒng)的供能可靠性和經(jīng)濟性。常見的儲能技術(shù)包括鋰離子電池儲能系統(tǒng)、流電池儲能系統(tǒng)和液流電池儲能系統(tǒng)。鋰離子電池因其高能量密度、較長壽命和較低自放電率成為小區(qū)光儲充系統(tǒng)中最常用的儲能技術(shù)之一。流電池包括鈉硫電池、鋅流電池等，其特點為高功率密度和可擴展性。液流電池通過儲存電解液來存儲能量，具有高效能量轉(zhuǎn)換和較長的壽命。

儲能系統(tǒng)的特性，包括儲能容量、放電功率、充放電效率、循環(huán)壽命等。儲能容量是儲能系統(tǒng)能夠存儲的最大電能量，儲能容量的大小直接關系到系統(tǒng)的持續(xù)供電時長和穩(wěn)定性。放電功率是指儲能系統(tǒng)從儲能狀態(tài)向外部釋放電能的速率，放電功率的大小決定了系統(tǒng)在高負荷時段的供電能力[2]。充放電效率是衡量儲能系統(tǒng)能量損失的重要指標，高充放電效率可以降低系統(tǒng)運行成本和提高能量利用率。循環(huán)壽命是指儲能系統(tǒng)在特定條件下能夠完成充放電循環(huán)的次數(shù)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，儲能系統(tǒng)的性能逐漸衰減。

1.3 光儲充系統(tǒng)整體模型建立

光儲充系統(tǒng)是一種復雜的能源系統(tǒng)，涵蓋光伏發(fā)電子系統(tǒng)、儲能技術(shù)和用戶用電負荷等多個組成部分。

1.3.1 光伏發(fā)電子系統(tǒng)模型

在整體模型中，光伏發(fā)電子系統(tǒng)的建模是關鍵的一步。我們可以采用基于等效電路模型的方法來描述光伏電池的特性，并結(jié)合光伏發(fā)電的物理過程，如光照強度、溫度等因素，建立動態(tài)功率輸出模型。

設光伏電池的光照強度為G，溫度為T，光伏發(fā)電功率為Ppv，可以使用如下的等效電路模型：

其中，I為光伏電池的輸出電流，Iph為光生電流，I0為反向飽和電流，q為元電荷，V為光伏電池的電壓，Rs為串聯(lián)電阻，Rp為并聯(lián)電阻，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為光伏電池的溫度。結(jié)合天氣預報數(shù)據(jù)或?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)，我們可以根據(jù)環(huán)境因素來確定光照強度G和溫度T，并利用以上模型得到系統(tǒng)的實際發(fā)電功率Ppv。

1.3.2 儲能系統(tǒng)模型

儲能系統(tǒng)在光儲充系統(tǒng)中承擔著儲存和釋放能量的重要職責。在整體模型中，我們需要建立儲能系統(tǒng)的數(shù)學模型，描述其充電和放電的過程，以及儲能容量、放電功率和充放電效率等特性。

設儲能系統(tǒng)的電量為E，充電功率為Pc，放電功率為Pd，充電效率為ηc，放電效率為ηd，儲能容量為Eb，可以使用如下的動態(tài)模型：

在優(yōu)化配置中，我們可以根據(jù)系統(tǒng)的實際用電負荷需求來確定儲能系統(tǒng)的充電和放電功率，進而優(yōu)化系統(tǒng)的供能策略，以滿足用戶用電需求并最大程度地降低系統(tǒng)的運行成本。

1.3.3 用戶用電負荷模型

用戶用電負荷是光儲充系統(tǒng)供能的重要參考。我們需要建立用戶用電負荷的模型，分析用電負荷的季節(jié)性變化、日變化和負荷波動性，以確定系統(tǒng)的供能需求。

設用戶用電負荷為Pload，我們可以根據(jù)歷史用電數(shù)據(jù)或用電負荷曲線，建立用電負荷的概率模型，包括負荷的概率分布和負荷預測模型。通過對用戶用電負荷的預測，可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)的供能策略，以滿足用戶需求并提高系統(tǒng)的供能可靠性。

1.3.4 光儲充系統(tǒng)整體模型

在建立光儲充系統(tǒng)的整體模型時，我們將光伏發(fā)電子系統(tǒng)模型、儲能系統(tǒng)模型和用戶用電負荷模型進行耦合，形成系統(tǒng)的動態(tài)模擬?？梢允褂萌缦碌南到y(tǒng)模型來描述光儲充系統(tǒng)的整體運行：

其中，Ppv為光伏發(fā)電功率，Pd為儲能系統(tǒng)的放電功率，Pload為用戶用電負荷，Pc為儲能系統(tǒng)的充電功率。在不同時間尺度上（如分鐘級、小時級和日級），對系統(tǒng)的發(fā)電、儲能和供電進行動態(tài)模擬，以實現(xiàn)系統(tǒng)運行的全面評估。

2 規(guī)模優(yōu)化研究

2.1 影響光儲充系統(tǒng)規(guī)模的因素分析

在開始規(guī)模優(yōu)化研究之前，我們需要全面了解影響光儲充系統(tǒng)規(guī)模的因素。這些因素包括但不限于：

（1）小區(qū)的能源需求：小區(qū)的用電負荷情況直接關系到系統(tǒng)的供能能力，因此需要詳細分析小區(qū)的用電負荷曲線、用電負荷峰谷差異等特性。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能：光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量和發(fā)電效率會影響系統(tǒng)的發(fā)電能力，因此需要分析光伏電池組件的性能和布局。

（3）儲能系統(tǒng)的特性：儲能系統(tǒng)的容量和放電功率直接決定系統(tǒng)的供電能力，因此需要評估不同儲能技術(shù)的特性和配置方案。

（4）外部環(huán)境因素：外部環(huán)境因素如天氣變化、季節(jié)變化等也會影響光儲充系統(tǒng)的規(guī)模，因此需要考慮這些因素對系統(tǒng)運行的影響。

2.2 基于能源需求的光儲充系統(tǒng)規(guī)模優(yōu)化方法

基于能源需求的規(guī)模優(yōu)化方法是根據(jù)小區(qū)的用電負荷需求，合理確定光儲充系統(tǒng)的規(guī)模，以滿足小區(qū)的供電需求。需要對小區(qū)的用電負荷需求進行充分了解和分析。通過歷史用電數(shù)據(jù)和用電負荷曲線，可以得到不同時間段內(nèi)的用電負荷變化情況，包括峰谷負荷差、負荷波動等。在此基礎上，可以確定小區(qū)的負荷需求模式，為光儲充系統(tǒng)的規(guī)模配置提供參考依據(jù)。針對小區(qū)的用電負荷需求模式，建立光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)的動態(tài)模型?？紤]光伏發(fā)電的不確定性，如天氣條件的變化，通過概率模型預測光伏發(fā)電的功率輸出。同時，建立儲能系統(tǒng)的充放電模型，考慮儲能設備的充放電效率和容量等特性。通過與用電負荷需求模式相匹配，確定合適的光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)的規(guī)模配置，以滿足小區(qū)的用電負荷需求。

在規(guī)模優(yōu)化過程中，需要考慮不同規(guī)模配置下的系統(tǒng)性能指標，如供電可靠性和經(jīng)濟性。通過建立多目標優(yōu)化模型，將供電可靠性和經(jīng)濟性作為目標函數(shù)，采用合適的優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，找到最優(yōu)的系統(tǒng)規(guī)模配置方案。在優(yōu)化過程中，還可以設置約束條件，如設備容量上下限、投資成本限制等，以保證實際應用的可行性。

2.3 基于經(jīng)濟性的光儲充系統(tǒng)規(guī)模優(yōu)化方法

基于經(jīng)濟性的規(guī)模優(yōu)化方法是考慮光儲充系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性，以最大程度地降低系統(tǒng)投資和運行成本。需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的成本進行詳細分析，包括設備成本、安裝成本、運維成本等。同時，還需考慮不同儲能技術(shù)的充放電效率、循環(huán)壽命等特性，從而綜合評估儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。在得到光儲充系統(tǒng)的成本和性能數(shù)據(jù)后，可以建立經(jīng)濟優(yōu)化模型，通過最優(yōu)化算法（如線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃等）尋找最佳的系統(tǒng)規(guī)模配置方案。該方案可以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)經(jīng)濟效益，即在滿足用電負荷需求的前提下，最大程度地降低系統(tǒng)投資和運行成本。

3 配置優(yōu)化研究

3.1 不同光儲充系統(tǒng)配置方案比較

在光儲充系統(tǒng)中，不同的配置方案包括不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能技術(shù)和系統(tǒng)規(guī)模等。對不同配置方案進行比較，可以考慮以下幾方面：

對不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)進行比較。多晶硅、單晶硅和薄膜光伏電池是目前常見的光伏發(fā)電技術(shù)。多晶硅光伏電池因其生產(chǎn)成本較低，性能穩(wěn)定性較好，廣泛應用于大規(guī)模光伏電站。單晶硅光伏電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，適用于空間受限的場所。薄膜光伏電池則具有較低的制造成本和較好的高溫性能，適合一些特殊應用場景。通過比較這些不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)特性，可以選擇最適合小區(qū)光儲充系統(tǒng)的光伏電池類型。

儲能技術(shù)的選擇也對光儲充系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。鋰離子電池、流電池和液流電池是常用的儲能技術(shù)。鋰離子電池具有高能量密度和較長循環(huán)壽命，是目前最常見的儲能技術(shù)之一。流電池由于其高功率密度和可擴展性，適用于瞬時負荷需求較大的場景。液流電池通過儲存電解液來存儲能量，具有高效能量轉(zhuǎn)換和較長的壽命。在比較不同儲能技術(shù)的特性后，可以根據(jù)小區(qū)的用電負荷需求和經(jīng)濟性選擇最合適的儲能技術(shù)配置方案。

需要對不同系統(tǒng)規(guī)模進行比較。系統(tǒng)規(guī)模直接影響著光儲充系統(tǒng)的供能能力和經(jīng)濟性。較小規(guī)模的系統(tǒng)可能無法滿足小區(qū)的用電負荷需求，而過大規(guī)模的系統(tǒng)可能導致資源浪費和經(jīng)濟成本增加。因此，通過對不同規(guī)模系統(tǒng)的運行性能和經(jīng)濟性進行對比，可以找到最優(yōu)的系統(tǒng)規(guī)模配置方案。

表1 不同光伏發(fā)電系統(tǒng)類型的特性比較

表2 不同儲能技術(shù)的特性比較

3.2 考慮供能可靠性的光儲充系統(tǒng)配置優(yōu)化

供能可靠性是光儲充系統(tǒng)配置中一個至關重要的指標。為了考慮供能可靠性，需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)的不確定性進行建模。光伏發(fā)電受天氣條件影響，如云量、日照時數(shù)等變化會導致發(fā)電功率波動。可以采用概率模型來描述光伏發(fā)電的不確定性，并結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)或天氣預報數(shù)據(jù)，進行發(fā)電功率的概率分布預測。這樣，就能對不同天氣條件下的光伏發(fā)電能力有一個更準確的估計。

供能可靠性還與儲能系統(tǒng)的供能能力緊密相關。儲能系統(tǒng)的充放電效率、容量和放電功率等特性影響著其在供電時的穩(wěn)定性。在配置優(yōu)化中，可以通過建立儲能系統(tǒng)的動態(tài)模型，考慮其充放電過程以及與光伏發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，來評估儲能系統(tǒng)在不同負荷需求下的供能可靠性[3]。

接下來，還需要考慮用戶用電負荷的需求可靠性。用戶用電負荷可能會存在不確定性和波動性，因此我們可以通過分析歷史用電數(shù)據(jù)，建立用電負荷的概率模型，并結(jié)合未來用電負荷的預測，來評估用戶用電負荷的可靠性。

綜合考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和用戶用電負荷的供能可靠性，我們可以建立多目標優(yōu)化模型，以最大化系統(tǒng)的供能可靠性為目標。通過最優(yōu)化算法，如遺傳算法、蟻群算法等，找到最佳的系統(tǒng)配置方案，以實現(xiàn)系統(tǒng)在不同天氣條件和負荷波動下的高供能可靠性。

3.3 考慮經(jīng)濟性的光儲充系統(tǒng)配置優(yōu)化

在光儲充系統(tǒng)配置優(yōu)化中，經(jīng)濟性是一個重要的考慮因素。需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的成本進行詳細分析。光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本主要包括光伏電池組件的采購成本、安裝成本和運維成本等。而儲能系統(tǒng)的成本包括儲能設備的購置成本、安裝成本和維護成本等。在對成本進行全面分析的基礎上，可以建立光儲充系統(tǒng)的經(jīng)濟模型，考慮不同配置方案的總體投資成本。經(jīng)濟性還與光儲充系統(tǒng)的性能和效益緊密相關。需要評估不同配置方案下系統(tǒng)的發(fā)電效率、儲能效率和供電成本等指標。通過綜合考慮這些因素，可以得到各個配置方案的經(jīng)濟性評估結(jié)果。

在配置優(yōu)化中，可以建立多目標優(yōu)化模型，以最小化系統(tǒng)的總體投資和運行成本為目標。通過最優(yōu)化算法，如線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃等，找到最佳的系統(tǒng)配置方案，以實現(xiàn)系統(tǒng)的高經(jīng)濟性。還可以考慮不同投資回收期內(nèi)的經(jīng)濟性評估。在光儲充系統(tǒng)的設計和規(guī)劃中，我們可以對不同投資回收期進行經(jīng)濟性分析，比較不同方案在不同時間尺度內(nèi)的經(jīng)濟效益，以找到最優(yōu)的配置方案。

4 結(jié)語

本論文通過對小區(qū)光儲充系統(tǒng)規(guī)模與配置優(yōu)化的研究，深入探討了光伏發(fā)電子系統(tǒng)特性和儲能技術(shù)特性對系統(tǒng)性能的影響。通過規(guī)模優(yōu)化和配置優(yōu)化的方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高效供能和經(jīng)濟可行性。本文的研究成果將為小區(qū)光儲充系統(tǒng)的推廣和應用提供有力的理論支持和指導。