離網型微電網中混合儲能容量優化配置

摘" 要：在微電網中，光伏發電與風力發電均具有隨機性，為保證供電的可靠性，需要在系統中配置一定的儲能單元來維持實時功率的平衡，保證微電網供電的可靠性。該文結合工程實際，采用鋰電池和超級電容器混合儲能系統，建立基于儲能系統全壽命周期的目標函數，構建能量約束、功率約束和負荷約束，并用粒子群算法進行求解，驗證混合儲能系統的優越性。

關鍵詞：混合儲能系統；鋰電池；超級電容器；容量優化；微電網

中圖分類號：TM727" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0098-04

Abstract： In the micro-grid system， photovoltaic and wind power generation has a certain degree of randomness， in order to improve the reliability of electricity supply of micro-grid， it is necessary to configure a certain energy storage unit in the system to maintain the balance of real-time power and ensure the reliability of micro-grid power supply. In this paper， first of all a hybrid energy storage system by lithium battery and supercapacitor is proposed. And then an objective function based on the whole life cycle of the energy storage system is established， an energy constraint， a power constraint and a load constraint are constructed as well. Finally， the superiority of the hybrid energy storage system is verified by the particle swarm algorithm.

Keywords： hybrid energy storage; lithium battery; supercapacitor; capacity configuration; micro-grid system

在“雙碳”的政策引導下，越來越多的海島、工業園區、校園和景區等采用風光互補的微電網發電模式，在節能減排的同時，也為相關單位帶來了一定的經濟效益。但是由于風力發電和光伏發電具有隨機性、不可預測的特點，發電具有不穩定性，在微電網中配置一定的儲能單元，可以提高微電網的安全穩定性、供電可靠性，以及提高綠色能源的利用效率。

目前國內外學者針對并網型微電網混合儲能系統容量優化配置有較多的研究，但是離網型混合儲能系統的優化研究較少。羅希等在綜合考慮微電網的經濟性和實用性基礎上，針對風光儲并網型微電網，提出了基于“氫儲能+蓄電池”的混合儲能系統，在充分闡析微電網中分布式電源、儲能系統數學模型的基礎上，從全生命周期成本角度建立微電網混合儲能系統容量優化配置模型。鄧坤等采用蓄電池與超級電容構成混合儲能系統，采用經驗模態分解對儲能總出力進行分解，以配置綜合成本最小為目標，構建混合儲能容量優化配置模型。徐衍會等在綜合考慮電解槽、超級電容的工作特性基礎上，建立了基于超級電容荷電狀態的混合儲能系統協調控制策略，提出容量優化配置及運行控制策略，并以風電場2個典型日為例，混合儲能系統可對風電輸出功率進行功率平抑，有效平抑風電功率波動，減少上網功率對電網的擾動。本文結合工程實際選擇鋰電池和超級電容器組建混合儲能系統，綜合考慮儲能系統的全壽命周期成本、電量平衡、功率平衡及荷電狀態建立混合儲能系統的容量優化模型，并運用改進粒子群算法對某一海島離網型微電網實際案例進行容量的優化配置。

1 微電網典型結構

1.1 離網型微電網混合儲能系統結構

離網型微電網很好地解決了海島、邊防哨所、偏遠地區的用電問題。本項目采用光伏發電和風力發電組成聯合分布式發電系統，采用鋰電池和超級電容器混合儲能系統，實現離網型微電網內部實時負荷平衡。

本項目采用基于0.4 kV交流母線的微電網結構，其典型結構圖如圖1所示。微電網中光伏發電單元和風力發電單元通過控制器接入0.4 kV母線，鋰電池和超級電容器通過儲能變流器PCS與母線連接，實現雙向的充放電過程，負荷通過斷路器從0.4 kV母線取電，系統預留遠期與大電網連接的PCC接口。

圖1" 典型微電網結構圖

1.2" 分布式光伏發電單元建模

1.3" 分布式風力發電單元建模

1.4" 鋰電池儲能建模

1.5" 超級電容器建模

2" 混合儲能系統容量優化

2.1" 目標函數的確立

2.2" 約束條件的確定

2.2.1" 能量不足的約束

2.2.2" 能量盈余的約束

2.2.3" 功率約束

2.2.4" 荷電狀態的約束

3 遞減慣性權重粒子群優化算法

4" 算例分析

本文以國內某一海島離網型微電網為例，進行儲能配置。工程項目的基礎數據如下所示。

分布式光伏裝機容量110 kW（共計200塊550 Wp單晶硅光伏組件），風力發電機額定功率為100 kW，風機高度為24 m。負荷為計算機控制中心負荷功率10 kW、海水淡化裝置35 kW、照明動力等負荷為15 kW。其中計算機負荷及照明負荷24 h連續運行，負荷大小保持穩定。海水淡水裝置每天需要啟停1次，每次啟動時會出現30 s的脈沖，產生很大的峰值功率，為其額定功率的4倍。

鋰電池和超級電容器的主要參數見表1。

由于工程所在地氣象站無太陽輻射觀測數據，現階段采用水文氣象軟件meteonorm7.1中的輻射數據進行分析，海島各月太陽能輻射量見表2，得出海島年均太陽能輻射量為6 627.9 MJ/m²。

結合式（1）、海島的輻照度數據及光伏裝機容量，預測光伏系統全年的發電功率如圖1所示。

結合海島每月的風速，通過Weibull 函數得到離散化風速值，結合式（2）、式（3）和風力發電機的基本參數，得到風電輸出功率如圖2所示。

通過光伏發電功率預測、風力發電機發電功率預測與負荷分析可知，最大的功率缺額出現在1月份，連續3 d最大的功率缺額為228 kwh；最大的功率盈余出現在4月份，連續3 d最大的功率盈余為540 kwh。綜合考慮供電的連續可靠性、避免儲能配置過度，混合儲能系統的總容量應大于連續3 d最大的功率缺口，并小于連續3 d最大的功率盈余。經過計算，容量配置的結果見表3。

由表3可知，若采用單一儲能鋰電池作為儲能單元，投資成本較高，全壽命周期成本達206.5萬元，而采用混合儲能全壽命周期成本為144.7萬元，投資減少了30%。采用混合儲能將鋰電池的能量密度優勢與超級電容器的功率密度優勢相結合，在滿足電量供應的同時，可以及時地平抑沖擊負荷造成的功率突變，并能在一定程度上減少投資成本，提高工程的經濟性。

5" 結束語

本文針對離網型微電網，聯系工程實際，結合鋰電池能量密度大和超級電容器功率密度高的充放電特性，采用鋰電池和超級電容器作為混合儲能系統。建立了儲能系統全壽命周期的容量優化模型，充分考慮了儲能系統的能量約束、功率約束及荷電狀態約束，并采用粒子群優化算法對一離網型微電網進行了儲能的配置優化，證明了混合儲能系統的優越性，在滿足供電可靠性的前提下，減少了儲能系統全壽命周期的投資成本，對于實際工程儲能系統的配置具有參考意義。

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