中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘要 提出考慮新能源出力的孤島微網(wǎng)儲(chǔ)能配置優(yōu)化方法?？紤]新能源出力及孤島微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，基于儲(chǔ)能設(shè)備的輸出功率，計(jì)算儲(chǔ)能配置優(yōu)化參數(shù)，并建立目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，計(jì)算多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)適應(yīng)度值，由此求得最優(yōu)配置方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提方法有利于提高孤島微網(wǎng)系統(tǒng)的能源利用效率，保證供電穩(wěn)定性。
1 孤島微網(wǎng)儲(chǔ)能配置優(yōu)化方法設(shè)計(jì)
本文選擇較大電池容量進(jìn)行研究，并考慮到在中電荷儲(chǔ)電設(shè)備中，電池組內(nèi)各單元間的功率交換不受影響，故計(jì)算儲(chǔ)能優(yōu)化配置參數(shù)時(shí)僅考慮鋰離子電池儲(chǔ)能設(shè)備，儲(chǔ)能容量根據(jù)功率大小可分為10 kW以下的小容量、10~20 kW的中容量和20 kW以上的大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)。為了避免鋰離子電池在使用過程中過熱現(xiàn)象的發(fā)生，可采用溫度控制方式對(duì)其進(jìn)行管理。在實(shí)際運(yùn)行過程中，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)鋰離子電池的充電、放電時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)充、放電過程中鋰離子電池溫度超過設(shè)定溫度值時(shí)，控制裝置將進(jìn)行溫度控制，以保證電池壽命和安全運(yùn)行。另外，由于鋰離子電池具有較強(qiáng)的記憶功能和儲(chǔ)能特性，故在實(shí)際運(yùn)行過程中可對(duì)鋰離子電池的充、放電時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。
為了保證在系統(tǒng)運(yùn)行過程中鋰離子電池具有良好的使用性能，需要對(duì)鋰離子電池容量進(jìn)行計(jì)算。由于儲(chǔ)能設(shè)備容量由儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)各單元能量總和確定，因此可將其轉(zhuǎn)化為該單元內(nèi)各單元能量總和。為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，將單位時(shí)間內(nèi)電池充放電功率視為時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)總能量由儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)各單元能量之和得出。在儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際輸出功率已知的情況下，累加各單元能量，即
式中：E(i)為微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)從初始時(shí)刻到第i個(gè)采樣時(shí)刻的能量變化，也就是累計(jì)的充放電量的代數(shù)和；P(i)為微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)第i個(gè)采樣時(shí)刻的輸出功率；D為放電深度；Ts為總能量?jī)?chǔ)存量。
在確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量后，考察儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中的荷電狀態(tài)，檢驗(yàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量能否滿足要求。以荷電狀態(tài)表征儲(chǔ)能系統(tǒng)的剩余電量水平，從而獲得各個(gè)時(shí)刻的荷電狀態(tài)，即
式中：S(0)為儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始荷電狀態(tài)值；S(i)為第i時(shí)刻的儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)值；Es為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量。
如果要求儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)刻滿足需求，則其荷電狀態(tài)必須在任意時(shí)刻都處于約束范圍內(nèi)。針對(duì)多個(gè)參數(shù)建立目標(biāo)函數(shù)，具體包括微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)各單元能量，儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量以及儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中的荷電狀態(tài)。由于一個(gè)參數(shù)的優(yōu)化可能會(huì)對(duì)其他參數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此在建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)時(shí)，對(duì)多個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行疊加，獲得單目標(biāo)函數(shù)。在運(yùn)行約束的作用下，根據(jù)單目標(biāo)函數(shù)確定最優(yōu)解，即
式中：m為目標(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)；x為在約束條件下，目標(biāo)函數(shù)解的范圍；αi為各個(gè)目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)；Smin、Smax分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)最小、最大值；f(x)為單目標(biāo)函數(shù)。
本文選取微網(wǎng)中功率和容量約束進(jìn)行考慮，在孤島微網(wǎng)中，不同的微源在不同的時(shí)間具有不同的出力，因此需要對(duì)微網(wǎng)中的功率和容量進(jìn)行控制。同時(shí)，還需要考慮系統(tǒng)中各個(gè)微電源的出力約束，保證孤島微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。由于本文約束較為常用，故不再列舉具體公式。
光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等可再生能源根據(jù)自身出力特性會(huì)在負(fù)荷用電高峰期間向電網(wǎng)提供電力。負(fù)荷用電高峰時(shí)段一般是在節(jié)假日或其他非用電高峰期，此時(shí)微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷處于不平衡狀態(tài)。為了保證微網(wǎng)內(nèi)各微電源之間能夠合理配置和協(xié)調(diào)控制，在滿足系統(tǒng)運(yùn)行約束條件的前提下，本文采用最小成本運(yùn)行方式，使系統(tǒng)內(nèi)各微電源可以實(shí)現(xiàn)功率和容量?jī)?yōu)化配置，保證孤島微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。
根據(jù)微網(wǎng)儲(chǔ)能充、放電時(shí)間響應(yīng)特性，在設(shè)計(jì)運(yùn)行約束時(shí)，將微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)分為功率型和能量型，前者容量比較小，但是響應(yīng)快；后者容量大，但是響應(yīng)較慢。為了確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量約束，引入新能源輸出功率的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，通過頻譜分析結(jié)果確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率變化時(shí)間尺度，得到不同頻率成分的能量分布。根據(jù)頻譜分析結(jié)果，可以確定儲(chǔ)能系統(tǒng)需要應(yīng)對(duì)的功率變化時(shí)間尺度。不同頻率成分代表著不同的功率變化速度，通過分析頻譜，可以得到系統(tǒng)中存在的主要功率波動(dòng)頻率和其占比。
由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電壽命受放電深度的影響，放電深度越深，充電壽命越短，因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)使用過程中需要約束放電深度，但是在優(yōu)化過程中，放電深度并不是越小越好，放電深度過小的情況下，儲(chǔ)備容量受到的限制越大。因此，動(dòng)態(tài)調(diào)整放電深度，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)荷需求和儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)，然后根據(jù)當(dāng)前情況調(diào)整放電深度。
儲(chǔ)能系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行過程中，在平抑新能源出力波動(dòng)的同時(shí)，還需要保證儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的荷電狀態(tài)在允許范圍內(nèi)，也就是在整個(gè)樣本周期內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行滿足凈充放電量為0。保證儲(chǔ)能系統(tǒng)在每個(gè)周期都能滿足上述約束條件，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)連續(xù)運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算儲(chǔ)能優(yōu)化配置參數(shù)。
本文采用遺傳算法求取孤島微網(wǎng)儲(chǔ)能配置的最優(yōu)解。
2 實(shí)驗(yàn)研究
本文以3機(jī)9母線的微網(wǎng)系統(tǒng)作為案例，并在系統(tǒng)的母線上安裝一個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)置線路參數(shù)如表1所示。
圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)
Fig.1 Simulation structure of microgrid systems
表1 微網(wǎng)系統(tǒng)線路參數(shù)
Table 1 Microgrid system line parameters
將微網(wǎng)儲(chǔ)能單元、用戶負(fù)荷作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬用戶用電規(guī)律，在保證微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，進(jìn)行儲(chǔ)能配置優(yōu)化效果的仿真分析。由于實(shí)驗(yàn)以對(duì)比分析為主，在實(shí)驗(yàn)中引入2種常見的儲(chǔ)能配置優(yōu)化方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比各個(gè)優(yōu)化方法的實(shí)際優(yōu)化效果。在能源利用率實(shí)驗(yàn)中，以負(fù)荷功率變化作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，利用計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)讀取微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，獲得負(fù)荷功率數(shù)據(jù)，在得到負(fù)荷功率預(yù)測(cè)曲線后，采用不同的儲(chǔ)能配置優(yōu)化方法優(yōu)化微網(wǎng)儲(chǔ)能配置，得到負(fù)荷預(yù)測(cè)優(yōu)化曲線，曲線的峰谷差越大說明能源消耗越大，峰谷差越小說明能源利用效率越高。根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線與負(fù)荷預(yù)測(cè)優(yōu)化曲線的變化分析各個(gè)儲(chǔ)能配置優(yōu)化方法的實(shí)際性能。各個(gè)優(yōu)化方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法的負(fù)荷預(yù)測(cè)優(yōu)化曲線與負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線變化的高峰和低谷比較類似，優(yōu)化效果并不理想。而提出的配置優(yōu)化方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，負(fù)荷預(yù)測(cè)優(yōu)化曲線相比負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線更加平滑，這是通過配置優(yōu)化起到了削峰填谷的作用，減小了曲線的峰谷差，能源利用效率更高，在實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本最低的情況下，保證了能源不間斷的供給，一定程度上提高了微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。這是因?yàn)樘岢龅呐渲脙?yōu)化方法考慮新能源的實(shí)際發(fā)電情況，通過約束孤島微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和功率，確保在優(yōu)化過程中充分利用新能源出力，避免了因未考慮新能源特性而導(dǎo)致的配置不理想問題。
圖2 能源利用率實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果
Fig.2 Comparison results of energy utilization efficiency experiments
考慮新能源出力，將微網(wǎng)置于孤島運(yùn)行狀態(tài)下，結(jié)合新能源出力情況和負(fù)荷變化情況，分析各個(gè)配置優(yōu)化方法是否能夠滿足負(fù)荷供電。由于孤島運(yùn)行狀態(tài)下，沒有電網(wǎng)供電，為了保證重要負(fù)荷的正常運(yùn)行，在新能源充足的情況下優(yōu)先考慮儲(chǔ)能充電，使其在沒有供電的情況下通過儲(chǔ)能放電滿足一部分負(fù)荷運(yùn)行。以新能源出力曲線與實(shí)際負(fù)荷曲線的匹配度作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
圖3 實(shí)際負(fù)荷曲線與新能源出力曲線對(duì)比結(jié)果
Fig.3 Comparison results of actual load curve and new energy output curve
考慮新能源出力的情況，如果孤島微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的負(fù)荷曲線與其變化一致，說明能源得到了充分利用，在一定程度上保證孤島運(yùn)行期間的供電穩(wěn)定。從圖3可以看出，所提方法的實(shí)際負(fù)荷曲線與新能源出力曲線最為接近，說明兩者之間匹配度高，孤島運(yùn)行狀態(tài)的新能源發(fā)電利用率得到了提高，其他2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示的實(shí)際負(fù)荷曲線與新能源出力曲線變化存在一定差距，說明兩者匹配度比較低。綜合圖2~3的結(jié)果可知，提出的考慮新能源出力的孤島微網(wǎng)儲(chǔ)能配置優(yōu)化方法能夠充分利用能源，保證孤島運(yùn)行期間供電穩(wěn)定，且經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于其他常見優(yōu)化方法。
通過評(píng)估系統(tǒng)平均中斷頻率指數(shù)（system average interruption frequency index，SAIFI）和系統(tǒng)平均中斷持續(xù)時(shí)間指數(shù)（system average interruption duration index，SAIDI）來驗(yàn)證不同方法的儲(chǔ)能配置效果，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，所提方法在2個(gè)指標(biāo)中均表現(xiàn)最佳，失電率僅為1.1次/年，平均停電持續(xù)時(shí)間為15 min/年，顯示出更好的供電可靠性，這表明提出的配置優(yōu)化方法對(duì)于提供穩(wěn)定的供電具有重要意義。
表2 可靠性對(duì)比結(jié)果
Table 2 Reliability comparison results
本文通過比較不同配置方案的總成本大小，確定最優(yōu)的儲(chǔ)能配置方法，結(jié)果如表3所示。從表3可知，所提出的配置優(yōu)化方法的總成本最低，為420萬元，購(gòu)買成本、安裝成本和能耗成本等均較低，意味著該方法的綜合成本較低，經(jīng)濟(jì)性最好。
表3 不同方法的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果
Table 3 Economic comparison results ofdifferent methods
3 結(jié)語
本文以孤島微網(wǎng)儲(chǔ)能配置優(yōu)化作為研究重點(diǎn)，在考慮新能源出力的情況下，提出了一種孤島微網(wǎng)中儲(chǔ)能配置優(yōu)化方法，通過多目標(biāo)聚合的形式建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)度離差值排序，確定了孤島微網(wǎng)儲(chǔ)能配置優(yōu)化的最優(yōu)條件。在方法設(shè)計(jì)完成后，通過大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方法展開分析與討論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了提出的孤島微網(wǎng)中儲(chǔ)能配置優(yōu)化方法具有更好的經(jīng)濟(jì)性。
