風(fēng)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)合儲能的網(wǎng)格式優(yōu)化

田 德，陳忠雷

（新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

0 引 言

微電網(wǎng)是結(jié)合微電源、負(fù)荷和儲能系統(tǒng)的新型電網(wǎng)形式，其作為獨(dú)立的整體，可采用并網(wǎng)或孤島運(yùn)行模式[1]。儲能系統(tǒng)可以支撐微電網(wǎng)在孤島與并網(wǎng)運(yùn)行模式之間的平滑轉(zhuǎn)換、在不同模式下的電壓和頻率穩(wěn)定[2-14]。儲能系統(tǒng)可以在一定程度上平抑可再生能源的波動，將可再生能源發(fā)電變?yōu)榭烧{(diào)度的電源[3,14]。儲能系統(tǒng)可以進(jìn)行削峰填谷、改善負(fù)荷特性、平緩負(fù)荷曲線，為微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[4,14]。儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)黑啟動、電能質(zhì)量優(yōu)化、穩(wěn)定性優(yōu)化等方面具有重要作用[7]。

微電網(wǎng)可以綜合各種資源，提高可再生能源消納率，保障大網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。微電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定需要重點(diǎn)考慮資源分布特性、微電網(wǎng)運(yùn)行以及負(fù)荷特性等對儲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5-6,14]，混合儲能對實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)多時間尺度的潮流穩(wěn)定控制具有明顯的優(yōu)勢[7,14]。

針對微電網(wǎng)控制策略，文獻(xiàn)[8]提出基于多組儲能系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制策略，通過設(shè)計(jì)帶有電壓前饋補(bǔ)償?shù)哪：麓箍刂苿討B(tài)調(diào)整負(fù)荷功率分配，并可減小母線電壓波動[8]。文獻(xiàn)[9]提出了多儲能系統(tǒng)微電網(wǎng)的分布式控制策略，該控制策略在傳統(tǒng)V-I下垂控制策略的基礎(chǔ)上加入了平均電壓控制環(huán)節(jié)和功率協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)[9]。文獻(xiàn)[10]針對微電網(wǎng)中新能源不穩(wěn)定輸出導(dǎo)致的微網(wǎng)功率不平衡和直流母線電壓波動大等問題，提出了一種新型的微電網(wǎng)能量控制策略，根據(jù)母線電壓值將系統(tǒng)分為4 種工作模式、7 個運(yùn)行區(qū)間，系統(tǒng)的運(yùn)行方式可以自動判斷和自由切換。文獻(xiàn)[11]針對微電網(wǎng)中由于分布式發(fā)電單元輸出功率的不穩(wěn)定以及負(fù)載突變造成的直流母線電壓波動問題，提出了一種基于微電源模塊和混合儲能模塊的協(xié)同能量管理策略。文獻(xiàn)[12]針對電壓型下垂控制策略的不足，提出新型主從下垂控制策略，實(shí)現(xiàn)了分布式儲能系統(tǒng)線路阻抗的完全解耦，提高了系統(tǒng)并聯(lián)控制精度。文獻(xiàn)[13]針對微電網(wǎng)互聯(lián)變換器提出一種能根據(jù)兩端直流母線電壓判斷自身傳輸功率方向與大小的智能控制策略,能夠減小因不需要的功率流動所帶來的功率損耗及儲能的充放電次數(shù)。文獻(xiàn)[15]提出了基于遺傳算法的混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法。文獻(xiàn)[16]提出將改進(jìn)后的模擬退火粒子群優(yōu)化算法應(yīng)用到風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)混合儲能單元容量的優(yōu)化配置中。文獻(xiàn)[17]提出在滿足供電可靠性前提下，合理配置微電網(wǎng)中風(fēng)、光、儲各部分的容量。

隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)為表現(xiàn)形式的微電網(wǎng)正向多源的復(fù)雜型微電網(wǎng)的方向發(fā)展，上述提出各種控制策略多專注于分布式單一儲能技術(shù)的控制策略，對復(fù)合儲能的網(wǎng)格式優(yōu)化及其對微電網(wǎng)投資回報(bào)率的影響研究鮮有涉及。

本研究中，風(fēng)光儲微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)應(yīng)采用功率型和能量型儲能設(shè)備相組合的復(fù)合型儲能系統(tǒng)，為降低微電網(wǎng)的投資量，優(yōu)化微電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，需根據(jù)綜合能源系統(tǒng)中各區(qū)域風(fēng)電、光伏的特點(diǎn)和負(fù)載特性進(jìn)行區(qū)域性的網(wǎng)格劃分，優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并針對區(qū)域性的網(wǎng)格進(jìn)行復(fù)合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化，采用自適應(yīng)分層網(wǎng)格控制策略，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷的協(xié)調(diào)控制，平抑源側(cè)和用戶行為的隨機(jī)性，優(yōu)化系統(tǒng)電能質(zhì)量，并通過對符合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化提高項(xiàng)目的投資回報(bào)率。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與負(fù)荷特性

依托于綜合能源系統(tǒng)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)(圖1)具有如下特征：

1）微電網(wǎng)以母線為基礎(chǔ)與外部電網(wǎng)聯(lián)結(jié)；

2）微電網(wǎng)內(nèi)存在多種能源設(shè)備，如風(fēng)電、光伏、復(fù)合儲能系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)多種能源的橫向互補(bǔ)；

3）負(fù)荷種類繁多，（如圖2、圖3 所示）；隨機(jī)選取7 月某周7d 的日微電網(wǎng)總負(fù)荷（歸一化的值）變化曲線，如圖2 所示。圖3 為該周該微電網(wǎng)總負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)情況（歸一化的值）。

圖1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure of DC microgrid

圖2 7 月某周日負(fù)荷曲線 Fig.2 Daily load curve of a week in July

圖3 7 月某周日負(fù)荷統(tǒng)計(jì) Fig.3 Daily load statistics curve of a week in July

2 復(fù)合儲能系統(tǒng)的網(wǎng)格優(yōu)化

2.1 網(wǎng)格劃分

微電網(wǎng)具有多分布式能源接入的特點(diǎn)，以各分布式能源接入點(diǎn)為中心，將微電網(wǎng)劃分為若干個網(wǎng)格，將傳統(tǒng)的集中式儲能分布式建設(shè)于各網(wǎng)格中，并與分布式能源周邊的負(fù)荷形成子網(wǎng)。

合理進(jìn)行復(fù)合儲能系統(tǒng)的網(wǎng)格式優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)分布式能源的子網(wǎng)內(nèi)就地消納，降低各子網(wǎng)之間的功率流動形成的功率損耗，同時分布式儲能也可降低集中儲能造成的供電穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 容量優(yōu)化

1）功率平衡約束

式中PLoad(t)為t時刻的變化用電負(fù)荷，kW，該值可在系統(tǒng)運(yùn)行過程中通過計(jì)量、大數(shù)據(jù)分析和負(fù)荷預(yù)上報(bào)相結(jié)合的方式來確定；PWT(t)為t時刻風(fēng)電機(jī)組輸出功率，kW；PPV(t)為t時刻光伏輸出功率，kW；PBAT(t)為t 時刻磷酸鐵鋰電池組輸出功率，kW，大于0即為放電，小于0即為蓄電；PSC(t)為t 時刻超級電容輸出功率，kW，大于0即為放電，小于0即為蓄電；PGrid(t)為t 時刻微電網(wǎng)與外電網(wǎng)之間交換的功率，kW，當(dāng)用電時大于0，向電網(wǎng)送電小于0。

2）系統(tǒng)之間傳輸功率約束

式中PGrid,max為傳輸功率的上限，kW。

3）磷酸鐵鋰電池、超級電容運(yùn)行約束

式中Socmin,BAT、Socmin,SC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容容量的下限；Socmax,BAT、Socmax,SC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容容量的上限。

4）容量約束

在除用電高峰期的其他時間段，儲能滿充狀態(tài)，避免對儲能系統(tǒng)壽命的影響，同時避免過度投資影響項(xiàng)目投資收益率，即：

式中SocBAT、SocSC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容的容量，kWh；EWT、EPV、ELoad分別為風(fēng)電、光伏的發(fā)電量和負(fù)載的用電量，kWh。

3 自適應(yīng)分層控制網(wǎng)格控制模型

3.1 成本函數(shù)

磷酸鐵鋰電池是較為常見的用于建設(shè)儲能電站的化學(xué)儲能模式，近年來魯能海西州多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程50MW/100MWh 的磷酸鐵鋰電池儲能項(xiàng)目，湖南長沙電池儲能電站一期示范工程建設(shè)規(guī)模為60MW/120MWh 都是成功的案例。

而超級電容僅作為吸收沖擊負(fù)荷或突變的可再生能源發(fā)電，不需要進(jìn)行大容量配置，因此小容量的超級電容配置對磷酸鐵鋰電池、超級電容的組合的經(jīng)濟(jì)性影響不大。

1）儲能系統(tǒng)年平均運(yùn)行成本

磷酸鐵鋰電池、超級電容在t 時段的剩余電量與在t-1時段的剩余電量、t-1 時段到t 時段的充放電量的關(guān)系為

式中SocBAT(t)、SocSC(t)分別為t 時段磷酸鐵鋰電池、超級電容的剩余電量；PBAT(t)、PSC(t)分別為t 時段磷酸鐵鋰電池、超級電容的充放電功率，當(dāng)磷酸鐵鋰電池、超級電容放電時，PBAT(t)、PSC(t)大于0，當(dāng)磷酸鐵鋰電池、超級電容充電時PBAT(t)、PSC(t)小于0；BATη 、SCη 分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容的充放電效率。

2）儲能系統(tǒng)的壽命

其中磷酸鐵鋰電池、超級電容的壽命依賴于多種因素，側(cè)重于研究與充放電次數(shù)、充放電深度的關(guān)系。當(dāng)磷酸鐵鋰電池、超級電容充放電循環(huán)深度為RBAT、RSC時，最大循環(huán)充放電次數(shù)NBAT、NSC表示為

磷酸鐵鋰電池、超級電容年均充放電循環(huán)次數(shù)為NBAT＇、NSC＇，那么：

式中yBAT、ySC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容壽命，a。

3）儲能系統(tǒng)年平均硬件成本

磷酸鐵鋰電池、超級電容的年平均成本需要考慮在壽命周期內(nèi)磷酸鐵鋰電池、超級電容的運(yùn)維成本和購置成本

式中CBAT、CSC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容年平均成本，萬元；kOp,BAT、kOp,SC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容運(yùn)維成本系數(shù)，%；cBAT、cSC為磷酸鐵鋰電池、超級電容購置成本，萬元。

3.2 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

1）目標(biāo)函數(shù)

經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)準(zhǔn)則以微電網(wǎng)系統(tǒng)的年成本為目標(biāo)函數(shù)

式中f 為微電網(wǎng)系統(tǒng)年收益函數(shù)，元。f1為微電網(wǎng)系統(tǒng)的年成本函數(shù)，元； Cbuy為系統(tǒng)向主網(wǎng)購電成本，元；Csold為微電網(wǎng)向外電網(wǎng)賣電收益，元。

式中PGrid(t)為系統(tǒng)之間交換的功率，kW，當(dāng)購電時為正，反之為負(fù)；e(t)實(shí)時電價(jià)，元；T 為最終時刻。

2）磷酸鐵鋰電池、超級電容運(yùn)行約束

磷酸鐵鋰電池、超級電容運(yùn)行應(yīng)滿足60 s內(nèi)功率波動不超過額定功率的10%，10 min內(nèi)功率波動不找過額定功率的20%，即

式中PeBAT、PeSC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容額定輸出功率，kW。

3）功率平衡約束

4）并網(wǎng)傳輸功率約束

式中PGrid,max為傳輸功率的上限，kW。

3.3 求解方法

采用改進(jìn)粒子群算法（partical swarm optimization，PSO）求解自適應(yīng)非線性多目標(biāo)優(yōu)化問題。

設(shè)問題維度D，N個粒子組成的一個群落，第k次迭代第m個粒子的位置和速度分別表示為

第m個粒子截止到第k次迭代時最優(yōu)位置（即個體最優(yōu)極值）為

整個種群目前找到的最優(yōu)位置，即全局最優(yōu)解為

在找到這2個最優(yōu)解時，粒子根據(jù)式（19）和式（20）來更新自己的速度和位置。一般來說，粒子的位置和速度均是在連續(xù)的實(shí)數(shù)空間內(nèi)取值。

式中ω 為原來速度的慣性系數(shù)；c1、c2分別為加速系數(shù)；ε、η分別為[0,1]區(qū)間內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)，用于維護(hù)群體的多樣性；r為位置更新約束因子。

將釆用隨機(jī)權(quán)重法來進(jìn)行慣性系數(shù)的計(jì)算。將ω 設(shè)定為服從某種隨機(jī)分布的隨機(jī)數(shù)，在一定程度上克服其線性遞減的不足。

隨機(jī)權(quán)重法中ω 的計(jì)算公式如（23）所示

式中N（0,1）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；rand(0,1)為0到1之間的隨機(jī)數(shù)；η 為隨機(jī)權(quán)重的平均值；δ 為隨機(jī)權(quán)重的方差；minη 、maxη 分別為隨機(jī)權(quán)重的最小值和最大值。

4 算 例

以河北省北部某工業(yè)園區(qū)為例，該工業(yè)區(qū)具有幾十家工業(yè)企業(yè)，園區(qū)采用綜合能源系統(tǒng)的模式實(shí)現(xiàn)園區(qū)用能最大程度上的自給自足，不同的企業(yè)的符合狀態(tài)不同，但具有相同特點(diǎn)的是，各企業(yè)均有面積比較大的可用屋頂，可采用光伏發(fā)電對園區(qū)能源進(jìn)行供給；園區(qū)周圍的山上可以進(jìn)行分布式風(fēng)電或風(fēng)電場的建設(shè)。該微電網(wǎng)系統(tǒng)包含外電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)、風(fēng)電、光伏發(fā)電、混合儲能系統(tǒng)以及工業(yè)負(fù)荷。

4.1 初始條件

考慮到該算例中，微電網(wǎng)內(nèi)包含4 個分布式風(fēng)電/光伏發(fā)電系統(tǒng)，將微電網(wǎng)的4 個分布式風(fēng)電/光伏發(fā)電系統(tǒng)連同周邊負(fù)載分成4 個網(wǎng)格，定義為網(wǎng)格1~4，根據(jù)表1、表2所示網(wǎng)格參數(shù)采用改進(jìn)粒子群算法對符合儲能系統(tǒng)中，功率儲能和能量儲能的功率和容量匹配進(jìn)行優(yōu)化求解。圖4分別給出了網(wǎng)格1~4 的某日風(fēng)電出力、光伏出力和負(fù)荷功率波動范圍。

圖4 風(fēng)電、光伏出力和負(fù)荷功率 Fig. 4 Wind power, photovoltaic power output and load power

表1 風(fēng)電、光伏裝機(jī)和負(fù)載容量仿真參數(shù) Table 1 Wind power, photovoltaic and load capacity simulation parameters

表2 儲能系統(tǒng)、電價(jià)仿真參數(shù) Table 2 Storage system, electricity price simulation parameters

4.2 求解

1）數(shù)據(jù)處理

網(wǎng)格化子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電后，功率差額補(bǔ)足由復(fù)合儲能系統(tǒng)和外部電網(wǎng)完成。由以上邊界條件得到功率差額如圖5所示。

圖5 功率差額 Fig.5 Power error

當(dāng)功率偏差小于0時，風(fēng)電和光伏發(fā)電高于負(fù)載用電，網(wǎng)格1~4風(fēng)電和光伏發(fā)電功率應(yīng)向儲能系統(tǒng)和外電網(wǎng)輸送，對應(yīng)分別為1280、399、1284、957 kW；當(dāng)功率偏差小于0時，風(fēng)電和光伏發(fā)電功率不足以支撐負(fù)載用電，此時網(wǎng)格1~4功率差額應(yīng)由儲能系統(tǒng)和外電網(wǎng)提供，分別為1480、1459、1396、1247 kW。

若系統(tǒng)不對外送電，網(wǎng)格1~4應(yīng)分別具備6636、749.2、7514.8、2200 kWh的儲能能力。

2）數(shù)據(jù)優(yōu)化

為減少對周邊電網(wǎng)的影響，按全部風(fēng)電、光伏發(fā)電的就地消納為邊界條件進(jìn)行儲能優(yōu)化，設(shè)置邊界條件如表2所示。

為滿足系統(tǒng)運(yùn)行的需要，當(dāng)網(wǎng)格1~4復(fù)合儲能設(shè)備功率分別為1280、399、1284、957 kW時，磷酸鐵鋰電池配置為1126×5.9、344×2.2、1128×6.7、867×2.54 kWh；超級電容分別154 kW×10 s、55 kW×10 s、130 kW×10 s、90 kW×10 s。

在不改變磷酸鐵鋰電池的容量配置的前提下。當(dāng)增加超級電容功率容量配置時，系統(tǒng)投資回報(bào)率逐漸下降。

在不改變超級電容功率容量配置的前提下。維持充電小時數(shù)不變，當(dāng)增加磷酸鐵鋰電池的功率配置時，在網(wǎng)格1~4分別提高至1247、598、1185、903 kW時達(dá)到系統(tǒng)最大投資回報(bào)率，系統(tǒng)投資回報(bào)率逐步下降。

維持各網(wǎng)格磷酸鐵鋰電池充電功率不變的，增加充電小時數(shù)，系統(tǒng)投資回報(bào)率變化不明顯，分別達(dá)到6.53、2.76、7、2.54 h時，系統(tǒng)投資回報(bào)率開始下降。

因此，當(dāng)網(wǎng)格1~4的復(fù)合儲能系統(tǒng)中磷酸鐵鋰電池配置分別為1247×5.9、598×2.2、1185×6.7、903×2.54 kWh，超級電容分別配置為154 kW×10 s、55 kW×10 s、130 kW×10 s、90 kW×10 s時，系統(tǒng)具有最優(yōu)的投資回報(bào)。

從圖6仿真結(jié)果，微電網(wǎng)功率分布可得，網(wǎng)格1~4對外最大功率需求為79、661、81、253.8 kW；微電網(wǎng)對外最大功率需求為895.8 kW，僅為傳輸功率上限的6.40%；微電網(wǎng)不對外輸出功率。

圖6 微電網(wǎng)功率分布 Fig.6 Microgrid power distribution

5 結(jié) 論

通過對風(fēng)光儲微電網(wǎng)中采用的復(fù)合型儲能系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格式優(yōu)化的研究可以得出，當(dāng)完全滿足對為電網(wǎng)內(nèi)可再生能源發(fā)電消納能力之后，提高超級電容的配置將大幅度降低系統(tǒng)的投資回報(bào)率；適當(dāng)提高能量型儲能裝置的配置可在一定程度上提高投資回報(bào)率。

結(jié)果表明微電網(wǎng)對外最大功率需求為895.8 kW，僅為傳輸功率上限的6.40%，并且無對外電網(wǎng)的電力輸出，并且對外電網(wǎng)功率需求出現(xiàn)在00:00~5:00 和18:00~21:00 2 個時間段，該2 個時間段均為非工作時間，對外電網(wǎng)的影響不大，不會給外電網(wǎng)帶來沉重的壓力。通過復(fù)合儲能系統(tǒng)通過自適應(yīng)網(wǎng)格化分層控制策略，可以平抑源側(cè)和用戶行為的波動性，在用戶有大功率階躍前可提前向電網(wǎng)預(yù)報(bào)，降低對電網(wǎng)的沖擊。

研究結(jié)果的推廣，可以增加風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電的應(yīng)用場景，可以在條件允許的情況下，在全國15 000 座以上工業(yè)園區(qū)內(nèi)推廣實(shí)施微電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)工程。