光伏并網(wǎng)條件下儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置

國網(wǎng)江蘇省電力公司蘇州供電分公司 顧楊青 李荷婷 趙 燦 興勝利 何 平

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是指與電網(wǎng)直接相連，也就是輸出端輸出的電能直接進(jìn)入電網(wǎng)而不與負(fù)荷直接相連。換句話說，太陽能電池發(fā)出的電流在逆變器后進(jìn)行調(diào)整，輸出符合電網(wǎng)要求的交流電流。這種形式更加復(fù)雜、投入成本也更高，其在運(yùn)行過程中不僅要進(jìn)行逆變還要并網(wǎng)。近年來相關(guān)技術(shù)也取得了長足進(jìn)步，在結(jié)構(gòu)上也出現(xiàn)了更多的類型，包括單級(jí)、兩級(jí)、多級(jí)，其中前兩種具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用及粒子群算法

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用

確保電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。光伏出力的輸出功率曲線和電力系統(tǒng)的負(fù)荷曲線是不完全匹配的，兩者都是無法預(yù)測的。通過儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行多能量時(shí)充電、少能量時(shí)放電來平抑波動(dòng)，使其可運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的輸出狀態(tài)；后備能源。光伏發(fā)電有著一定的隨機(jī)性，會(huì)受到各種偶然因素的干擾，這時(shí)就需用到儲(chǔ)能系統(tǒng)以起到備份的作用。如，晚上電池陣列無法正常運(yùn)行，就可實(shí)現(xiàn)必要的補(bǔ)充，以確保整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行不受影響；提升電能的質(zhì)量。儲(chǔ)能系統(tǒng)在其應(yīng)用過程中，還可削弱電壓尖峰、調(diào)峰填谷和減弱外部干擾對(duì)系統(tǒng)負(fù)載造成的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)的現(xiàn)象，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

1.2 粒子群算法的概念

粒子群算法又稱為鳥群覓食算法。上個(gè)世紀(jì)九十年代，人們利用群體中個(gè)體共享的信息使整個(gè)群體的運(yùn)動(dòng)從無序到有序，在解決事物或問題的過程中進(jìn)化，即通過觀察動(dòng)物群體活動(dòng)獲得最佳解決方案的過程[1]。該算法在應(yīng)用過程中表現(xiàn)出了易實(shí)現(xiàn)、高精度等特點(diǎn)，特別是在很多問題的解決中凸顯出較大優(yōu)勢，經(jīng)過諸多學(xué)者的不斷改進(jìn)其性能更是變得更加優(yōu)化，目前已在多個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

1.3 粒子群算法基本原理

其原理并不復(fù)雜，每一個(gè)需要優(yōu)化問題的過程都是搜索空間中最適合的鳥的過程，這里的鳥就是所說的“粒子”，且它們都有一個(gè)目標(biāo)函數(shù)來獲得其最優(yōu)值，都有一個(gè)是矢量的速度來確定其“飛行”。設(shè)在一個(gè)D維搜索空間中一個(gè)群落由N個(gè)粒子構(gòu)成，其中第i個(gè)粒子表示為一個(gè)D維的向量：Xi=(xi1，xi2，Λ，xiD)，i=1，2，Λ，N (3，1)，第i個(gè) 粒子的速度表示為：Vi=(vi1，vi2，Λ，viD)，i=1，2，Λ，N (3，2)，同時(shí)還要保存相應(yīng)個(gè)體及整個(gè)群落找到的最優(yōu)解。

第i個(gè)粒子利用以下公式更新自己的速度和位 置：Vid=W×Vid+c1r1(pid-xid)+c2r2(pgdxid)、Xid=xid+vid，式中：C1和C2是學(xué)習(xí)因子，也就是加速常數(shù)；Pid是個(gè)體已知最優(yōu)解，Pgd是種群已知最優(yōu)解，w為慣性權(quán)重，r1和r2是[0，1]范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。以上2式由三部分組成：第一部分表示的是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，也稱為慣性；第二部分是認(rèn)知的部分，通過向歷史上最好的位置的粒子學(xué)習(xí)，使下一個(gè)決定都是通過不斷認(rèn)知和學(xué)習(xí)；第三部分是社會(huì)部分，也就是找到歷史上的方法最好的位置，也就是說整個(gè)群體中的粒子相互參照、相互學(xué)習(xí)。

2 基于粒子群算法的光伏電站儲(chǔ)能優(yōu)化配置

2.1 目標(biāo)函數(shù)建立

為找出并網(wǎng)光伏電站最優(yōu)儲(chǔ)能容量的配置，下面將以年為單位進(jìn)行分析，以鋰離子電池作為儲(chǔ)能電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析，以光照充足時(shí)棄光充入儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存和光伏出力較低時(shí)釋放能量作為控制策略狀態(tài)下進(jìn)行研究，這種方式能極大限度的延長鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命。本文以光伏企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)確立函數(shù)關(guān)系，即鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)年收入A與年支出B之差應(yīng)為正值，且越高越好，即：F=max（A-B）。

2.2 鋰離子電池光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)年收入A分析

鋰離子電池光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)年收入費(fèi)用，主要包括售電收入A1和政府補(bǔ)貼收入A2，還包括從環(huán)保角度考慮的減少碳排放的收入A3。

光伏售電收入A1=a1×E，式中：a1為上網(wǎng)電價(jià)、0.453kWh，E為全年發(fā)電電能、kWh；政府補(bǔ)貼收入A2=a2×E，式中：a2為度電補(bǔ)貼價(jià)格、0.42kWh；環(huán)保方面減少碳排放的收入A3=a3×E，式中：a3為排放成本系數(shù)、0.25kWh，即：總的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)年收入A=A1+A2+A3=(a1+a2+a3)×E。其中年發(fā)電量為E=W×H×ηg×ηf+m×Sc×ηc，式中：W為光伏電站總裝機(jī)容量kW，H為年有效利用小時(shí)數(shù)，ηg為光伏電站系統(tǒng)總效率，ηf為能裝置的利用效率，Sc為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，m為儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電次數(shù)。其中光伏電站總效率ηg由以下三部分組成。

光伏陣列效率η1：光伏陣列在1kW每平方米的太陽輻射下，實(shí)際的直流輸出功率與標(biāo)稱功率之比。在其運(yùn)行過程中會(huì)受到各種因素的干擾，進(jìn)而出現(xiàn)一定的能量損失，如組件不適配、表面蒙塵、溫度干擾等，取效率85%計(jì)算；逆變器轉(zhuǎn)換效率η2：逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比，取逆變器效率95%計(jì)算；交流并網(wǎng)效率η3：從逆變器輸出至高壓電網(wǎng)的傳輸效率，其中主要是升壓變壓器的效率，取變壓器效率95%計(jì)算。由上述分析可得ηg=η1×η2×η3=85%×95%×95%=77%，鋰離子電池光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)年收入化簡得：A=1.123 ×(W×H×ηg×ηf+750×Sc×ηc)。

2.3 鋰離子電池光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)年支出B分析

鋰離子電池光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)年支出費(fèi)用主要分為兩大模塊，一部分是光伏系統(tǒng)成本B1，包括光伏組件裝機(jī)費(fèi)用和光伏組件運(yùn)維費(fèi)兩部分；另一部分是儲(chǔ)能系統(tǒng)成本B2，分為初始投資費(fèi)和運(yùn)維費(fèi)兩部分。光伏系統(tǒng)成本B1=（b1/T）×W+b11×W，式中：b1為裝機(jī)成本、一般取900元/kW，b11為光伏組件持續(xù)運(yùn)行費(fèi)、30元/kW，T為壽命周期、取20年；儲(chǔ)能系統(tǒng)成本B2=（b2/T）×Sc+b22×b2×m×Sc×ηc，式中：b2為儲(chǔ)能系統(tǒng)單價(jià)、1000元/kWh，b22為諸能的單位容量年運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)、鋰離子電池取0.5%，即：總的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)年度支出B=B1+B2=75×W+50×Sc+0.5%×50×（750×Sc×ηc）。

2.4 綜合收益

總的目標(biāo)函數(shù)為鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)年收入A與儲(chǔ)能系統(tǒng)年支出費(fèi)用B之差，即：F=max(AB)=max{1.123×)W×H×77%×ηf+m×Sc×ηc)-[75×W+50×Sc+0.5%×50×(m×Sc×ηc)]}，由此方程可看出，總的經(jīng)濟(jì)性受總發(fā)電量E的影響，因此用公式E作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析，即可求得經(jīng)濟(jì)性最好狀態(tài)下最優(yōu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置，采用粒子群算法對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化配置。以此方程作為目標(biāo)函數(shù)，為確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，將約束條件分為兩大類，即功率平衡約束和蓄電池約束。

節(jié)點(diǎn)功率平衡約束如下：Ppv+Pe=Plond+Pgird，式中：Ppv為光伏輸出的功率；Pe為儲(chǔ)能電池的充放電功率，當(dāng)充電時(shí)為正值；Plond為負(fù)荷的消牦切平；Pgrid為光儲(chǔ)系統(tǒng)與電網(wǎng)的交互功率，當(dāng)光伏向電網(wǎng)輸送功率時(shí)為正。蓄電池約束如下：

式中：PC為儲(chǔ)能充放電功率；εc、εde是二進(jìn)制數(shù)，1為充放電、0為不充放電；ηc為充放電的效率；Ee為額定容量；Ssoc為荷電狀態(tài)；DOD為放電深度。

2.5 粒子群算法求解流程

基本步驟如下：對(duì)群體中的粒子進(jìn)行初始化；令學(xué)習(xí)因子C1和C2均為2，維度D為2，每個(gè)維度粒子數(shù)N為50，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)的范圍；進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)價(jià)，將當(dāng)前每個(gè)粒子的適應(yīng)度和位置都存儲(chǔ)并記錄，然后將其中適應(yīng)度值最佳的個(gè)體位置和適應(yīng)度值存儲(chǔ)并記錄；根據(jù)上述公式對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行矢量更新；重新計(jì)算每個(gè)粒子當(dāng)前的適應(yīng)度函數(shù)值，判斷是否要更新；如果達(dá)到迭代次數(shù)或者要求條件滿足，則搜索停止，輸出近似最優(yōu)解，否則返回搜索第三步繼續(xù)運(yùn)行。

綜上，近年來，國家為了支持光伏行業(yè)發(fā)展提出多方面國家政策，其目的就是通過國家出資幫助減小光伏企業(yè)的投資成本，從而促進(jìn)光伏行業(yè)越來越廣泛的發(fā)展。光伏的儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光照充足時(shí)多余電量充電儲(chǔ)存，光照不足電網(wǎng)需要電能時(shí)候?qū)?chǔ)存的電量釋放出來，大大的減小光伏出力的波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行影響，而如何選取最優(yōu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量是儲(chǔ)能系統(tǒng)的一大問題。本文以光伏企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最好建立目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算出了儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)置。