離網直流微網群混合儲能容量優化配置方法

阮綿暉,鄭建平,劉堯,廖毅,曹安瑛,張躍,甘德樹

(1. 廣東電網有限責任公司珠海供電局,廣東 珠海 519000；2. 廣東電網有限責任公司 電力調度控制中心,廣東 廣州 510000；3. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院 有限公司,廣東 廣州 510000；4. 廣東電網有限責任公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

儲能系統作為微電網[1—2]中必不可少的重要組成部分,承擔著平抑分布式電源功率波動以及削峰填谷等任務。隨著直流微電網[3]規模和數量的不斷增加,地理位置毗鄰的多個直流微電網可聯結成直流微網群,以增強微電網對小概率極端事件的緊急應對能力。

當前,國內外針對微電網儲能優化配置問題的研究已經取得了不少的成果。文獻[4]提出一種優化微網群聯絡線功率的混合儲能容量優化方法；文獻[5]建立以全生命周期費用理論為基礎的儲能容量優化配置模型;文獻[6]提出一種基于改進粒子群算法的儲能容量生命周期費用優化配置方法;文獻[7]提出一種基于機會約束規劃的混合儲能優化配置方法。文獻[4—7]均注重單一微電網的電源優化配置研究。當直流微網數目增多時,直流微網之間互聯的特性有利于進一步優化儲能的容量配置,降低直流微網群整體的建設投資成本。文獻[8]建立兩階段優化模型,考慮了多主體微電網中用戶的電價激勵需求響應,實現了微電網風-光-柴-儲的容量優化配置。文獻[9]以系統成本最小為優化目標函數,對風光蓄發電系統容量進行初級優化,從而獲得最優系統的容量優化配置。文獻[10]基于動態規劃方法求解儲能容量配置的雙層決策模型。此外,部分研究多著眼于多目標優化,如經濟效益最優、提高可再生資源利用率[11]、降低污染物排放[12]、提高供電可靠性[13]。

文中提出了一種離網運行條件下直流微網混合儲能容量優化配置方法。首先,考慮到微網群功率互聯互濟這一特點,制定了一種適用于獨立型直流微網群的運行策略,通過低通濾波器算法實現凈負荷功率的分解以及混合儲能系統的功率分配；然后,以混合儲能系統投資總成本最小為目標函數,建立獨立型直流微電網群混合儲能系統的容量優化配置模型,并利用改進型自適應粒子群優化算法(particle swarm optimization,PSO)對模型進行優化求解；最后,以某地的獨立型直流多微網群作為算例,通過對比設計方案的結果,分析驗證了文中所提方法的有效性。

1 直流微網群

1.1 直流微網群的拓撲結構

直流微電網通過公共連接點與配電網相連接,可根據運行模式分為并網型和獨立型,其中獨立型是指斷開與配電網的連接,通過自身分布式電源和儲能系統來實現功率平衡,并網型是指保持與配電網的連接,依靠大電網慣性來實現功率平衡。直流微電網一般由分布式電源(如風力發電機和太陽能電池等),混合儲能系統,能量轉換裝置以及本地負荷組成。

直流微網群則是通過直流聯絡線將地理位置上毗鄰的多個直流微電網互聯,通過群內子微網之間的能量調度和互濟,進一步增強微網群的供電可靠性和穩定性,提高分布式能源的利用率。常見的獨立型直流微網群聯結拓撲如圖1所示。

圖1 常見的獨立型直流微電網群拓撲Fig.1 Common topology of DC microgrid cluster

1.2 混合儲能系統

1.2.1 混合儲能系統簡介

在獨立型直流微電網中,由于風電和太陽能發電等分布式電源的輸出功率具有間歇性和隨機性的特點[14],且負荷變化存在波動性,因此須提供儲能系統以保證獨立型直流微電網可持續穩定運行。儲能系統可在風光出力不足時為負荷提供所需功率,在風光出力過剩時儲存多余能量。儲能裝置可分為功率型儲能和能量型儲能[15],功率型儲能的裝置常采用超級電容器,而能量型儲能可采用鉛酸電池。相對于單一儲能,采用混合儲能系統(hybrid energy storage system,HESS)可大幅提高系統的可靠性和經濟性,且可延長能量型儲能的使用壽命,避免頻繁充放電。

因此,文中針對超級電容器和鉛酸電池相結合的混合儲能系統容量優化配置問題進行研究。

1.2.2 混合儲能系統的功率分配

根據兩者不同的特性,超級電容器和鉛酸電池可分別提供混合儲能系統總功率的高頻和低頻分量,即功率型分量和能量型分量。文中采用低通濾波器算法進行混合儲能功率分配,其計算公式為：

(1)

式中：s為拉式變換的復變量；Ps,Pb分別為超級電容和鉛酸電池需提供的功率[16]；PH為混合儲能系統的輸出總功率；TL為低通濾波器的時間常數,TL的取值必須滿足采樣定理的約束條件,可表示為：

(2)

式中：fp為分解頻率；Ts為采樣時間。

2 獨立型直流微網群儲能系統控制策略

文中制定了一種獨立型直流微網群的運行控制策略,優化了微網群內各子微網混合儲能系統之間的能量調動和互濟,以維持微網群的功率平衡,實現微網群的穩定運行,策略流程如圖2所示。

圖2 微網群運行控制策略流程Fig.2 Microgrid cluster control strategy

首先假設一個獨立型直流微網群含有n個子微網,且已知第i個子微網的超級電容和鉛酸電池容量分別為Es,i和Eb,i,額定功率分別為Ps,i和Pb,i,各儲能裝置的電池剩余電量(state of charge,SOC)初始值均為50%。以下是運行控制策略的詳細步驟說明。

(1) 載入各子微網所在地的風力、光照強度數據以及負荷曲線數據,分別計算在t時刻各子微網的凈負荷功率Pi(t),其計算公式為：

Pi(t)=PL(t)-PP(t)-PW(t)

(3)

式中：PL(t),PP(t),PW(t)分別為t時刻的本地負荷需求功率、太陽能電池組輸出功率和風電機組輸出功率。當Pi(t)>0時,混合儲能系統放電為負荷提供能量；當Pi(t)<0時,混合儲能系統充電以存儲風光發電過剩能量。

(2) 分解凈負荷功率。各子微網的凈負荷功率將優先考慮由自身的混合儲能系統來補償,若存在功率缺額再考慮尋求微網群內其他子微網的功率援助。

利用1.2.2節所述方法先將各子微網的凈負荷功率分解為功率型分量Pi,s和能量型分量Pi,b,并由超級電容器和鉛酸電池分別負責平衡。計算t時刻各凈負荷功率分量的功率缺額ΔPs(t),ΔPb(t),為方便下文描述,文中將用E統一指代下標符號s或b,并用ΔPE(t)表示,如下式所示。

ΔPE(t)=PE(t)-|Pi,E(t)|

(4)

式中：PE(t),Pi,E(t)分別為t時刻超級電容或鉛酸電池提供的最大功率及其期望補償的凈負荷功率分量。當ΔPE(t)>0時,儲能裝置不僅能完成自身凈負荷功率平衡任務,還可以向其他子微網支援功率ΔPE(t)；當ΔPE(t)<0時,儲能裝置不能完全平衡自身凈負荷功率分量。

(3) 根據ΔPE(t)值對儲能裝置分類討論。

對于ΔPE(t)>0的儲能裝置,分別計算t時刻微網群所能提供的功率型和能量型最大支援功率分量PS,E(t),即：

(5)

式中：k為ΔPE(t)>0的儲能裝置總個數。

對于ΔPE(t)<0的儲能裝置,根據凈負荷功率分量Pi,E(t)可分為如下兩類：Pi,E(t)>0的儲能裝置,需要其他子微網支援功率-ΔPE(t)；Pi,E(t)<0的儲能裝置,需要向其他子微網釋放功率-ΔPE(t)。分別累加可得ΔPE+(t)和ΔPE-(t),并可得到兩總功率之差ΔPT,E(t),即：

ΔPT,E(t)=PE+(t)-PE-(t)

(6)

式中：ΔPT,E(t)為t時刻微網群的功率型和能量型儲能總差額功率分量；ΔPE+(t),ΔPE-(t)分別為微網群內所需支援總功率和所需釋放總功率。

(4) 分別計算微網群通過聯絡線的功率型和能量型交換功率分量PL,E(t),并根據功率平衡約束制定切除負荷或棄風棄光策略。

若PS,E(t)>|ΔPT,E(t)|,則說明微電網群在t時刻能通過聯絡線互聯實現該功率分量的平衡,此時PL,E(t)=|ΔPT,E(t)|；

若PS,E(t)<|ΔPT,E(t)|,則說明微網群仍然不能在t時刻通過聯絡線互聯達到功率平衡,此時PL,E(t)=PS,E(t)。為了實現該功率分量平衡,需要根據此時總差額功率分量ΔPT,E(t)確定以下策略：若ΔPT,E(t)>0,直流微網群應切除負荷功率分量Pl1,E(t)值為ΔPT,E(t)-ΔPS,E(t)；若ΔPT,E(t)<0,直流微網群應棄風棄光,其功率分量Pl2,E(t)大小為-ΔPT,E(t)-ΔPS,E(t)。

(5) 分別計算出PL(t),Pl1(t)以及Pl2(t),即：

(7)

式中：PL(t),Pl1(t),Pl2(t)分別為t時刻直流微網群通過聯絡線的交換總功率、切除負荷總功率、總棄風棄光功率；PL,s(t),Pl1,s(t),Pl2,s(t)分別為t時刻直流微網群通過聯絡線的交換總功率高頻分量、切除負荷總功率高頻分量、總棄風棄光功率高頻分量；PL,b(t),Pl1,b(t),Pl2,b(t)分別為t時刻直流微網群通過聯絡線的交換總功率低頻分量、切除負荷總功率低頻分量、總棄風棄光功率低頻分量。

(6) 更新各子微網的混合儲能系統SOC值,得到下一時刻的SOC初始狀態。進入下一時刻,重復各步驟,直至循環結束。

3 獨立型直流微電網群混合儲能系統的容量優化配置模型

文中建立了一種獨立型直流微電網群混合儲能系統的容量優化配置模型,并利用改進型自適應粒子群算法對該模型進行優化求解。

3.1 優化變量

文中設定所有直流子微網的混合儲能系統均由超級電容器和鉛酸電池組成。假設一個直流微網群內有n個子微網,則模型決策變量分別為超級電容的額定容量Es,i(0

3.2 目標函數

文中綜合考慮直流微電網群的混合儲能系統投資運行成本,從而實現直流微電網群的經濟效益最大化,由此可得模型目標函數為：

minC

(8)

式中：C為混合儲能系統的投資運行成本,可以分為超級電容器和鉛酸電池的購置成本、運行維護成本和更換成本。

由于超級電容器和鉛酸電池的壽命各不相同,為避免不同儲能裝置壽命周期差異性所帶來的影響,文中采用凈年值法將購置成本費用折算成等年值。則可以得到直流微電網群的混合儲能系統總年均投資運行成本為[17]：

(9)

式中：n為直流微網群內子微網的數量；Cs,s,Cs,b分別為超級電容器和鉛酸電池的購置成本；Cr,s,Cr,b分別為超級電容器和鉛酸電池的更換成本；CO,s,CO,b分別為超級電容器和鉛酸電池的運行維護成本。

3.2.1 購置成本

超級電容器和鉛酸電池的購置成本Cs,s,Cs,b由其額定容量,額定功率以及必要的輔助設施成本來決定,其計算公式如下：

(10)

式中：CE,s,CE,b分別為超級電容和鉛酸電池的單位能量價格；ηs,ηb分別為超級電容和鉛酸電池的能量轉換效率；Cp,s,Cp,b分別為超級電容和鉛酸電池的單位功率價格；CB,b為輔助設施的單位能量成本；R為等年值折算系數,等年值折算系數的計算公式如下：

(11)

式中：r為年利率；Y為項目壽命周期。

3.2.2 更換成本

當儲能設備的壽命周期小于項目的實際壽命周期時,就需要對儲能設備進行更換,超級電容和鉛酸電池的更換成本Cr,s,Cr,b計算如下：

(12)

式中：q為儲能裝置的壽命周期；β為儲能裝置的更換序數；ks,kb分別為超級電容和鉛酸電池的更換次數。

3.2.3 運維成本

超級電容和鉛酸電池的運維成本CO,s,CO,b包括人力和管理成本,主要與其額定功率有關,而與其運行過程無關,其計算公式為：

(13)

式中：Cf,s,Cf,b分別為超級電容和鉛酸電池在單位功率下的運行維護成本。

歷史是一門人文性較強的學科，在學習過程中幫助學生進行思考與體驗，對學生的人文觀念價值有著潛移默化的影響，因此在進行高中歷史教學過程中，教師需要重視對歷史文化的正確引導，科學講授。為學生培養正確的歷史價值觀與人文觀念，塑造學生優秀的人文素養。

3.3 約束條件

3.3.1 功率平衡約束

對于任意時刻t,微電網群都必須保證功率平衡,需要滿足以下公式：

(14)

式中：PL,i(t),PP,i(t),PW,i(t),Pi,i(t)分別為在t時刻下,第i個子微網的負荷功率、太陽能電池組出力、風力發電機組出力、凈負荷功率。

3.3.2 儲能系統約束

在任意t時刻,超級電容器和鉛酸電池的充放電功率均不能超過其額定功率,可表示為：

(15)

式中：Ps,i(t),Pb,i(t)分別為t時刻第i個子微網的超級電容器、鉛酸電池的充放電功率；Ps,i,Pb,i分別為t時刻第i個子微網的超級電容器、鉛酸電池的額定功率。

為了確保儲能裝置的壽命和運行安全,防止其過充或過放,必須對超級電容器和鉛酸電池的SOC值進行約束,不能超過其最大值和最小值,表示為：

(16)

3.3.3 缺電概率約束

由于缺電概率(loss of load probability,LOLP)與微網群的運行可靠性有直接的關系,因此缺電概率不能超過一定限值,否則會影響到負荷的正常供電。缺電概率可表示為：

(17)

式中：n為子微網個數；Pl1(t)為t時刻的微網群總缺電功率；Lmax為微網群所允許的LOLP最大值；Z為時間周期,表示24 h,共96個點。

3.3.4 棄風棄光率約束

為了使風能和太陽能盡可能被利用,微網群的棄風棄光率ηL不能超過一定限值,可表示為：

(18)

式中：Pl2(t)為t時刻微網群的棄風棄光損失功率；ηL,max為微網群所允許的最大棄風棄光率值。

3.3.5 子微網間的聯絡線功率及交換能量約束

由于直流子微網是通過聯絡線實現功率互聯,但是流經變流器的功率不能超過其所允許的額定功率值,可表示為：

|PL(t)|≤Pc

(19)

式中：|PL(t)|為t時刻下通過聯絡線的交換功率絕對值；Pc為聯絡線最大功率限制。

為了保證每個子微網均具有一定的清潔能源就地消納能力,以及能夠應對聯絡線出現故障時的緊急情況,通過聯絡線的交換能量不能超過聯絡線兩端子微網的負荷需求能量之和,可表示為：

(20)

式中：EL(t)為聯絡線交換能量；Eld1(t),Eld2(t)分別為聯絡線兩端子微網的負荷需求能量；K為能量比例約束系數。

4 算例分析

4.1 約束條件

文中以含有2個子微網的獨立型直流微電網群項目為例進行混合儲能系統的容量優化配置,以驗證模型的正確性和有效性,將2個子微網分別命名為子微網A和子微網B。子微網A最大負荷為460 kW,風力發電系統額定功率為300 kW,光伏發電系統額定功率為200 kW；子微網B最大負荷為441 kW,風電機組額定出力為400 kW,太陽能電池組額定出力為300 kW。2個子微網間的聯絡線最大功率限制為400 kW。每個子微網所允許的最大L為0.4%,最大棄風棄光率為10%。該算例選取直流微網群一個典型日的數據,并設定采樣時間TS為1 s,采樣點數N為86 401。由于子微網A、B的分布式電源裝機容量以及負荷功率均不相同,因此兩者的凈負荷功率曲線存在一定差異,分別如圖3(a)、(b)所示。

圖3 微網群各子微網凈負荷功率Fig.3 Net load power of each sub-microgrid

該直流微電網群的混合儲能系統由超級電容和鉛酸電池組成,其相關參數如表1所示。該直流微網群項目壽命周期為20 a,年利率定為10%,則等年值折算系數R取0.117。

表1 混合儲能系統相關參數表Table 1 Parameters of HESS

4.2 算例方案設計

為了比較獨立型直流微電網聯結成群對于混合儲能優化配置的影響,以及驗證文中所提混合儲能系統優化配置模型的有效性,分別設置了2種算例方案。

(1) 方案1。子微網A和子微網B聯結成群,子微網間功率可以互聯互濟,但必須滿足交換電能不得超過總負荷大小30%的約束。

(2) 方案2。子微網A和子微網B獨立運行,兩者之間功率不流通。采用改進的適應型PSO算法優化求解后,2種方案的混合儲能系統優化配置結果如表2所示,表中A,B分別為子微網A和B。

表2 混合儲能系統優化配置結果對比Table 2 Comparison of optimization configuration results of HESS

4.3 算例結果分析

在方案1中,2個子微網的混合儲能系統SOC變化曲線分別如圖4(a)、(b)所示。

圖4 各子微網混合儲能系統SOC變化曲線Fig.4 SOC curve of each sub-microgrid HESS

2個子微網通過聯絡線實現功率互聯互濟,其聯絡線功率變化如圖5所示。在圖5中,聯絡線功率大于0表示功率傳輸方向是從子微網A傳向子微網B,小于0則表示從子微網B傳向子微網A。

圖5 微電網群聯絡線功率Fig.5 Tie line power of microgrid cluster

根據表2中2種方案下的結果數據可知,采用方案1優于方案2。采用方案1的直流微網群投資總成本為175.12萬元,比方案2減少約395.6萬元。此外,采用方案1的直流微電網群最大缺電率均比方案2更低,并且能夠滿足0.4%的約束條件。

由此可見,相比于獨立型直流子微網獨立運行,將多個獨立型直流子微網聯結成群不僅能大大減小直流微電網群的投資總成本,也能降低最大缺電率,提高微網群運行穩定性。

5 結語

文中提出了一種適用于獨立型直流微電網群的混合儲能系統容量配置方法。該方法首先考慮到微網群功率互聯互濟這一特點,制定了一種適應獨立型直流微網群的運行策略,并通過低通濾波器算法實現凈負荷功率的分解以及混合儲能系統的功率分配。然后,根據運行策略建立以混合儲能系統投資總成本最小為目標函數的獨立型直流微電網群混合儲能系統的容量優化配置模型,并利用改進型自適應PSO粒子群算法進行優化求解。文中以某地由2個相鄰子微網組成的獨立型直流多微網群作為算例,并通過設計方案對比的結果說明了利用微網群功率互聯的特點能夠大大降低混合儲能系統投資成本,提高微網群運行穩定性,從而證明了文中方法的有效性。