并網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)儲能優(yōu)化調(diào)度研究

揚州大學電氣與能源動力工程學院 翁 訸 張建華 蔡炯暉 南京熊貓電子股份有限公司 王 健

近年來能源消耗不斷加劇，因為大量化學能源如煤炭、石油等的大量使用，造成的環(huán)境問題日益突出，全世界都把目光轉(zhuǎn)向了清潔能源，因此如何充分利用太陽能、風能等清潔能源對減少一次能源消耗及降低環(huán)境污染顯得尤為重要。然而風力和光伏發(fā)電容易受到天氣和氣候的影響，極不穩(wěn)定，這使得風光互補發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)過程中會對大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有較大影響。

并網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)間存在相融問題，為解決這一問題，建立風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)是主要研究方向，儲能裝置在系統(tǒng)中主要起到兩個作用：一是進行了能量的緩沖，風力發(fā)電和光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性導致了直接并網(wǎng)會對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，增加儲能可保證可靠性；二是具有削峰填谷的作用，當自然條件良好、系統(tǒng)所發(fā)電量足夠負荷消耗時，可將多余電量儲存起來，當自然條件不夠良好時又可為負荷提供一定的能量。當系統(tǒng)所發(fā)電量能滿足負載的最低要求時，為減少系統(tǒng)的發(fā)電成本，除考慮協(xié)調(diào)系統(tǒng)中分布式電源的出力配合，還應綜合考慮風光互補系統(tǒng)與大電網(wǎng)的電力能量交互和系統(tǒng)儲能裝置的工作運行狀態(tài)。

文獻[1]和[2]主要針對分布式電源的協(xié)調(diào)管理進行研究，文獻[1]根據(jù)系統(tǒng)并網(wǎng)效益和輸出功率的波動性，構(gòu)造目標函數(shù)，采用NSGA-Ⅱ算法優(yōu)化風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)的發(fā)電功率；文獻[2]提出了風電優(yōu)先、光電次之、蓄電池輔助的分配原則的供需動態(tài)平衡能量優(yōu)化管理策略，風電和光電子系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外層使用MPPT和LPTC算法來生成最佳功率點，內(nèi)層實現(xiàn)MPPT和LPTC之間的平滑切換，來協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)的工作狀態(tài)并維持動態(tài)平衡的能量供應和需求。

文獻[3]和[4]主要針對儲能系統(tǒng)的能量調(diào)度進行研究，文獻[3]提出了基于能量波動和功率能量約束控制條件的風光互補系統(tǒng)儲能協(xié)調(diào)控制管理策略，用加權(quán)移動平均自適應濾波算法來對儲能風光輸出功率進行平滑移動控制，通過對風光儲能系統(tǒng)充放電的控制，達到對輸出功率進行控制的目的；文獻[4]提出了將多類型儲能應用在儲能系統(tǒng)控制策略的研究中，充分利用不同類型儲能的優(yōu)點，減少能量型儲能的充放電次數(shù)，保持功率型儲能的充放電能力，通過模糊控制策略進行優(yōu)化儲能控制，來提高風電跟蹤計劃出力的能力。從研究現(xiàn)狀來看，目前的研究多以分布式電源的協(xié)調(diào)管理為主，并缺少對可控負荷的考慮。

1 風光儲系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略

1.1 并網(wǎng)型風光儲互補系統(tǒng)運行方式

風光互補發(fā)電系統(tǒng)可同時利用風能和太陽能提供能量，并能考慮到時間和氣候資源變化時風力機組和光伏電池不同的發(fā)電特性，控制系統(tǒng)正常運作和穩(wěn)定輸出功率。并網(wǎng)型風光互補系統(tǒng)主要由分布式電源部分、儲能系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變器等幾部分組成，分布式電源包括風力發(fā)電子系統(tǒng)和光伏發(fā)電子系統(tǒng)（圖1）。

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的原理是將風光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，通過并網(wǎng)逆變器，轉(zhuǎn)換后的交流電要滿足電網(wǎng)標準，且使用時不區(qū)分是哪一部分提供的能量。在負荷需求低于風光互補系統(tǒng)發(fā)電量的情況下，若儲能裝置還未滿電且荷電狀態(tài)未到上限，儲能開始吸收能量，處于充電狀態(tài)。若儲能的荷電狀態(tài)達到上限時，考慮到儲能裝置的壽命和安全性，停止充電。當風光互補系統(tǒng)的發(fā)電量不能滿足負荷需求時，儲能開始釋放存儲的能量，以補償所需的負荷差，儲能處于放電狀態(tài)。

1.2 負荷分類

根據(jù)對供電可靠性的要求，將斷電后對生活和生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響的用電設(shè)備進行分級，優(yōu)先保障停電影響較大的用電設(shè)備，將負荷分為一級負荷、二級負荷、三級負荷。當風光出力不滿足負荷需求時，按照用電優(yōu)先級從后向前依次切除負荷，這類負荷被稱為可切負荷，并將一些可轉(zhuǎn)移使用時間的負荷稱為可轉(zhuǎn)移負荷。

1.3 儲能優(yōu)化調(diào)度策略

風光儲互補系統(tǒng)的運行控制多分為三種：平滑功率輸出模式、跟蹤計劃出力模式和削峰填谷模式[5]，本文主要討論在削峰填谷模式運行條件下儲能的能量調(diào)度策略。儲能的優(yōu)化調(diào)度不僅需考慮分布式電源的出力配合，還需考慮系統(tǒng)與外部大電網(wǎng)間的能量交互。因此，系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略不僅與系統(tǒng)本身的能量協(xié)調(diào)相關(guān)，也與外部大電網(wǎng)的需求側(cè)政策緊密相連，本文提出了基于可控負荷并與峰谷電價相結(jié)合的優(yōu)化調(diào)度策略，具體的優(yōu)化調(diào)度策略如下：當風能和太陽能發(fā)電量不能滿足負荷需求儲能開始放電，若儲能的荷電狀態(tài)位于儲能約束的下限時對部分負荷進行切除，直到風力和光伏發(fā)電回到正常水平；當儲能能夠正常充放電時，對部分負荷進行時間上的轉(zhuǎn)移，由高電價期向低電價期轉(zhuǎn)移，也可由風光發(fā)電不足時期向風光發(fā)電充足時期轉(zhuǎn)移。

2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型

風力發(fā)電出力數(shù)學模型：風力發(fā)電機組的作用是將風能轉(zhuǎn)化為電能，風機的輸出功率是風能利用的一個重要指標，風力機組的結(jié)構(gòu)、風電場所在地的氣象條件及風電場的運行情況都會對風機的輸出功率產(chǎn)生影響，其中風速是最重要因素。風機功率的計算公式為式（1），式中Pwind額為額定功率，單位為kW；vt為當前風速，單位為m/s；v1為額定風速，單位為m/s；v2為切出風速，單位為m/s；v3為切入風速，單位為m/s。

光伏發(fā)電出力數(shù)學模型：光伏電池的作用是將光能轉(zhuǎn)化為電能輸出，光伏電池組本身的電氣屬性和溫度等外部自然環(huán)境都會對光伏輸出功率產(chǎn)生影響，輻照度和溫度是影響光伏功率的最主要因素，光伏功率的計算公式為式中Ppv額為標準條件下的額定功率，單位為kW；Tt為當前溫度，℃；TSTC為標準溫度，取25℃；Gt為當前光強；GSTC為標準光強，取1000W/m2；k為溫度系數(shù)。

儲能充放電數(shù)學模型：儲能出力模型中主要考慮儲能的電池荷電狀態(tài)（SOC），本文采用的模型主要考慮儲能的存儲容量約束和充放電功率約束，儲能出力控制模型見式（2），式中Ct為當前容量；CESS為系統(tǒng)容量；Pch為充電功率，單位為kW；ηch為充電效率，%；Pdis為放電功率，單位為kW；ηdis為放電效率，%；SOC(t)為蓄電池在t時刻的荷電狀態(tài)；SOC(t-1)為蓄電池在（t-1）時刻的荷電狀態(tài)。

3 目標規(guī)劃數(shù)學模型

3.1 目標函數(shù)

對于規(guī)劃目標函數(shù)，在保證供電可靠的前提下系統(tǒng)的運行成本最低，本文主要考慮了系統(tǒng)運行時包括與大電網(wǎng)能量交互時產(chǎn)生的交互成本、儲能老化成本及發(fā)電維修成本，其具體表達式為minC=C1+C2+C3，C1為系統(tǒng)與大電網(wǎng)能量交互時產(chǎn)生的交互成本，式中Pgrid為與大電網(wǎng)交互的功率，Price為實時電價；C2為儲能老化成本，式中ε1為儲能老化成本系數(shù)；PESS為充放電功率；C3為發(fā)電維修成本，式中ε2為發(fā)電維修成本系數(shù)，Ppv為光伏發(fā)電出力，Pwind為風力發(fā)電出力。

3.2 約束條件

功率平衡約束：在系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)中的風電、光伏、儲能和負荷必須滿足有功功率平衡，各機組的出力必須滿足Pload+PESS+Ppv+Pwind+Pgrid=0，其中Pload為系統(tǒng)的固定負荷；Pload=P剛+Pload-cut+Pload-轉(zhuǎn)移，式中P剛為剛性負荷，Pload-cut為可切負荷，Pload-轉(zhuǎn)移為可轉(zhuǎn)移負荷，PESS為儲能充放電功率，Ppv為光伏發(fā)電出力，Pwind為風力發(fā)電出力，Pgrid為與大電網(wǎng)交互的功率。

可控負荷約束：可切負荷指選擇切除一些其他不重要的負荷來維持系統(tǒng)正常的運行工作：0≤Pload-cut≤Pload-max，可轉(zhuǎn)移負荷是指在出力充足的情況下，能進行轉(zhuǎn)移其運行時間的負荷，并具有特定的運行周期。可轉(zhuǎn)移負荷時間約束t(Pload-轉(zhuǎn)移)∈t1,t2，t(Pload-轉(zhuǎn)移)為可轉(zhuǎn)移負荷的時間區(qū)間，t1為開始轉(zhuǎn)移時間，t2為結(jié)束轉(zhuǎn)移時間。

儲能電量約束：因為儲能的安全性和壽命與電池的荷電狀態(tài)緊密相關(guān)，所以需滿足荷電狀態(tài)約束和儲能功率約束，具體約束條件為：SOCmin≤SOCt≤SOCmax，式中SOCmin取0.1，SOCmax取0.9，SOCt為t時刻儲能的荷電狀態(tài)。

式中Pch為充電功率，Pdis為放電功率，Pch-max為最大充電功率，Pdis-max為最大放電功率。為保證每時每刻能充電或放電，所以Pch×Pdis=0。

4 仿真分析

算例中，光伏電池的容量為50kW，風電機組的容量為50kW，儲能的容量為50kW，選取揚州市一天的氣象數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)進行分析，具體氣象數(shù)據(jù)見圖2～4。

圖2 24h溫度變化曲線圖

圖3 24h風速變化曲線圖

圖4 24h光照強度變化曲線圖

在Matlab環(huán)境下采用遺傳算法對本文設(shè)計的儲能調(diào)度策略進行仿真。根據(jù)數(shù)學模型，得到這天的風力輸出和光伏輸出如圖5～6所示。在仿真過程中假設(shè)24小時的負荷情況如圖7所示。根據(jù)峰谷電價政策，不同時間段的電價有所區(qū)別，在用電高峰期價格較高，用電低谷期價格較低，具體電價分布如圖8。儲能的出力經(jīng)過優(yōu)化仿真后如圖9，儲能的SOC情況如圖10，SOC始終維持在0.1到0.9之間，儲能運行狀況良好。

圖5 風力發(fā)電輸出功率曲線圖

圖6 光伏發(fā)電輸出功率曲線圖

圖7 模擬負荷曲線圖

圖8 電價分布

圖9 儲能出力曲線圖

圖10 儲能SOC變化曲線圖

5 結(jié)論分析

圖11為優(yōu)化前后儲能與大電網(wǎng)的交互功率的對比圖，圖12為系統(tǒng)優(yōu)化仿真結(jié)果綜合圖，據(jù)圖11可得到如下結(jié)論：晚上20:00左右為用電高峰期，此時電價較高，夜晚光伏發(fā)電不工作，風機發(fā)電量不夠負荷使用，此時不足部分由儲能提供；據(jù)圖11可看出優(yōu)化前后的儲能與大電網(wǎng)交互功率的對比。優(yōu)化前，在20:00左右的用電高峰期系統(tǒng)的發(fā)電量不夠使用，傳統(tǒng)的交互策略導致需要向電網(wǎng)高價購電，而優(yōu)化后需購買的用電量大大減少，購電成本大幅降低，提高了全天的系統(tǒng)收益。

圖11 優(yōu)化前后與大電網(wǎng)交互對比圖

圖12 系統(tǒng)優(yōu)化仿真結(jié)果綜合圖

從整體的經(jīng)濟效益看，日優(yōu)化前所計算的收益為344.3711元，日優(yōu)化后則為369.1697元，且優(yōu)化時考慮了儲能的使用壽命，綜上所述，本策略合理地對儲能的出力進行了調(diào)度，并提高了系統(tǒng)的并網(wǎng)收益。