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摘要 提出考慮新能源出力的孤島微網(wǎng)儲能配置優(yōu)化方法?？紤]新能源出力及孤島微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的容量，基于儲能設備的輸出功率，計算儲能配置優(yōu)化參數(shù)，并建立目標優(yōu)化函數(shù)，計算多目標優(yōu)化函數(shù)適應度值，由此求得最優(yōu)配置方案。實驗結(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)儲能配置優(yōu)化方法設計
本文選擇較大電池容量進行研究，并考慮到在中電荷儲電設備中，電池組內(nèi)各單元間的功率交換不受影響，故計算儲能優(yōu)化配置參數(shù)時僅考慮鋰離子電池儲能設備，儲能容量根據(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以上的大容量儲能系統(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其進行管理。在實際運行過程中，可根據(jù)實際情況對鋰離子電池的充電、放電時間進行設定。當充、放電過程中鋰離子電池溫度超過設定溫度值時，控制裝置將進行溫度控制，以保證電池壽命和安全運行。另外，由于鋰離子電池具有較強的記憶功能和儲能特性，故在實際運行過程中可對鋰離子電池的充、放電時間進行設定。
為了保證在系統(tǒng)運行過程中鋰離子電池具有良好的使用性能，需要對鋰離子電池容量進行計算。由于儲能設備容量由儲能系統(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。為簡化計算過程，將單位時間內(nèi)電池充放電功率視為時間常數(shù)，系統(tǒng)總能量由儲能系統(tǒng)內(nèi)各單元能量之和得出。在儲能系統(tǒng)實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)儲能系統(tǒng)從初始時刻到第i個采樣時刻的能量變化，也就是累計的充放電量的代數(shù)和；P(i)為微網(wǎng)儲能系統(tǒng)第i個采樣時刻的輸出功率；D為放電深度；Ts為總能量儲存量。
在確定儲能系統(tǒng)的額定容量后，考察儲能系統(tǒng)運行過程中的荷電狀態(tài)，檢驗儲能系統(tǒng)容量能否滿足要求。以荷電狀態(tài)表征儲能系統(tǒng)的剩余電量水平，從而獲得各個時刻的荷電狀態(tài)，即
式中：S(0)為儲能系統(tǒng)的初始荷電狀態(tài)值；S(i)為第i時刻的儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)值；Es為儲能系統(tǒng)額定容量。
如果要求儲能系統(tǒng)時刻滿足需求，則其荷電狀態(tài)必須在任意時刻都處于約束范圍內(nèi)。針對多個參數(shù)建立目標函數(shù)，具體包括微網(wǎng)儲能系統(tǒng)各單元能量，儲能系統(tǒng)額定容量以及儲能系統(tǒng)運行過程中的荷電狀態(tài)。由于一個參數(shù)的優(yōu)化可能會對其他參數(shù)產(chǎn)生負面影響，因此在建立多目標優(yōu)化函數(shù)時，對多個目標函數(shù)進行疊加，獲得單目標函數(shù)。在運行約束的作用下，根據(jù)單目標函數(shù)確定最優(yōu)解，即
式中：m為目標函數(shù)的個數(shù)；x為在約束條件下，目標函數(shù)解的范圍；αi為各個目標函數(shù)的權(quán)重系數(shù)；Smin、Smax分別為儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)最小、最大值；f(x)為單目標函數(shù)。
本文選取微網(wǎng)中功率和容量約束進行考慮，在孤島微網(wǎng)中，不同的微源在不同的時間具有不同的出力，因此需要對微網(wǎng)中的功率和容量進行控制。同時，還需要考慮系統(tǒng)中各個微電源的出力約束，保證孤島微網(wǎng)穩(wěn)定運行。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)自身出力特性會在負荷用電高峰期間向電網(wǎng)提供電力。負荷用電高峰時段一般是在節(jié)假日或其他非用電高峰期，此時微電網(wǎng)內(nèi)的負荷處于不平衡狀態(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)運行約束條件的前提下，本文采用最小成本運行方式，使系統(tǒng)內(nèi)各微電源可以實現(xiàn)功率和容量優(yōu)化配置，保證孤島微網(wǎng)穩(wěn)定運行。
根據(jù)微網(wǎng)儲能充、放電時間響應特性，在設計運行約束時，將微網(wǎng)儲能系統(tǒng)分為功率型和能量型，前者容量比較小，但是響應快；后者容量大，但是響應較慢。為了確定儲能系統(tǒng)的容量約束，引入新能源輸出功率的樣本數(shù)據(jù)進行頻譜分析，通過頻譜分析結(jié)果確定儲能系統(tǒng)的功率變化時間尺度，得到不同頻率成分的能量分布。根據(jù)頻譜分析結(jié)果，可以確定儲能系統(tǒng)需要應對的功率變化時間尺度。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頻率和其占比。
由于儲能系統(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，儲備容量受到的限制越大。因此，動態(tài)調(diào)整放電深度，可以通過實時監(jiān)測系統(tǒng)負荷需求和儲能系統(tǒng)狀態(tài)，然后根據(jù)當前情況調(diào)整放電深度。
儲能系統(tǒng)在連續(xù)運行過程中，在平抑新能源出力波動的同時，還需要保證儲能系統(tǒng)自身的荷電狀態(tài)在允許范圍內(nèi)，也就是在整個樣本周期內(nèi)，儲能系統(tǒng)運行滿足凈充放電量為0。保證儲能系統(tǒng)在每個周期都能滿足上述約束條件，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)循環(huán)連續(xù)運行。在此基礎上，計算儲能優(yōu)化配置參數(shù)。
本文采用遺傳算法求取孤島微網(wǎng)儲能配置的最優(yōu)解。
2 實驗研究
本文以3機9母線的微網(wǎng)系統(tǒng)作為案例，并在系統(tǒng)的母線上安裝一個儲能設備。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。設置線路參數(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)儲能單元、用戶負荷作為實驗數(shù)據(jù)來源，利用計算機軟件模擬用戶用電規(guī)律，在保證微網(wǎng)穩(wěn)定運行的情況下，進行儲能配置優(yōu)化效果的仿真分析。由于實驗以對比分析為主，在實驗中引入2種常見的儲能配置優(yōu)化方法，根據(jù)實驗結(jié)果對比各個優(yōu)化方法的實際優(yōu)化效果。在能源利用率實驗中，以負荷功率變化作為實驗指標，利用計算機仿真平臺讀取微網(wǎng)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，獲得負荷功率數(shù)據(jù)，在得到負荷功率預測曲線后，采用不同的儲能配置優(yōu)化方法優(yōu)化微網(wǎng)儲能配置，得到負荷預測優(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)負荷預測曲線與負荷預測優(yōu)化曲線的變化分析各個儲能配置優(yōu)化方法的實際性能。各個優(yōu)化方法的實驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，3組實驗結(jié)果中，文獻[8]方法和文獻[9]方法的負荷預測優(yōu)化曲線與負荷預測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)化方法實驗結(jié)果中，負荷預測優(yōu)化曲線相比負荷預測曲線更加平滑，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，在實現(xiàn)運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)運行的經(jīng)濟性。這是因為提出的配置優(yōu)化方法考慮新能源的實際發(fā)電情況，通過約束孤島微網(wǎng)儲能系統(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致的配置不理想問題。
圖2 能源利用率實驗對比結(jié)果
Fig.2 Comparison results of energy utilization efficiency experiments
考慮新能源出力，將微網(wǎng)置于孤島運行狀態(tài)下，結(jié)合新能源出力情況和負荷變化情況，分析各個配置優(yōu)化方法是否能夠滿足負荷供電。由于孤島運行狀態(tài)下，沒有電網(wǎng)供電，為了保證重要負荷的正常運行，在新能源充足的情況下優(yōu)先考慮儲能充電，使其在沒有供電的情況下通過儲能放電滿足一部分負荷運行。以新能源出力曲線與實際負荷曲線的匹配度作為實驗指標，實驗結(jié)果如圖3所示。
圖3 實際負荷曲線與新能源出力曲線對比結(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)儲能系統(tǒng)輸出的負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行期間的供電穩(wěn)定。從圖3可以看出，所提方法的實際負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，孤島運行狀態(tài)的新能源發(fā)電利用率得到了提高，其他2組實驗結(jié)果顯示的實際負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)儲能配置優(yōu)化方法能夠充分利用能源，保證孤島運行期間供電穩(wěn)定，且經(jīng)濟性優(yōu)于其他常見優(yōu)化方法。
通過評估系統(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)時間指數(shù)（system average interruption duration index，SAIDI）來驗證不同方法的儲能配置效果，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，所提方法在2個指標中均表現(xiàn)最佳，失電率僅為1.1次/年，平均停電持續(xù)時間為15 min/年，顯示出更好的供電可靠性，這表明提出的配置優(yōu)化方法對于提供穩(wěn)定的供電具有重要意義。
表2 可靠性對比結(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)濟性最好。
表3 不同方法的經(jīng)濟性對比結(jié)果
Table 3 Economic comparison results ofdifferent methods
3 結(jié)語
本文以孤島微網(wǎng)儲能配置優(yōu)化作為研究重點，在考慮新能源出力的情況下，提出了一種孤島微網(wǎng)中儲能配置優(yōu)化方法，通過多目標聚合的形式建立優(yōu)化目標函數(shù)，通過對目標函數(shù)的適應度離差值排序，確定了孤島微網(wǎng)儲能配置優(yōu)化的最優(yōu)條件。在方法設計完成后，通過大量對比實驗對優(yōu)化方法展開分析與討論，實驗結(jié)果證明了提出的孤島微網(wǎng)中儲能配置優(yōu)化方法具有更好的經(jīng)濟性。
