基于多應(yīng)用場景獨(dú)立微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置

潘 華，鄧長虹，吳之奎，何 俊，郭 芳

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072；2.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510000)

基于多應(yīng)用場景獨(dú)立微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置

潘 華1，鄧長虹1，吳之奎1，何 俊1，郭 芳2

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072；2.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510000)

含風(fēng)、光、儲的獨(dú)立微電網(wǎng)，科學(xué)配置合理的儲能容量，能滿足負(fù)荷供電需求，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對三種具有代表性的應(yīng)用場景，分別提出了儲能系統(tǒng)配置評價(jià)指標(biāo)；以儲能系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行要求及蓄電池設(shè)備的特性約束，建立了孤網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)蓄電池儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型，并采用改進(jìn)的粒子群算法進(jìn)行求解；在容量配置的基礎(chǔ)上，探討了儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。編寫了優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件并進(jìn)行算例驗(yàn)證。

獨(dú)立微電網(wǎng)；蓄電池儲能系統(tǒng)；容量優(yōu)化配置；改進(jìn)粒子群算法；多應(yīng)用場景

可再生能源被大量應(yīng)用到微電網(wǎng)中，成為解決傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境等問題的重要方法。我國在風(fēng)、光資源豐富的地區(qū)以及遠(yuǎn)離大陸的海島建立了許多微電網(wǎng)系統(tǒng)，但是可再生能源具有的隨機(jī)性、波動性，對系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行造成了影響，特別是獨(dú)立微電網(wǎng)，更加需要儲能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。蓄電池作為發(fā)展最成熟的儲能設(shè)備而被廣泛應(yīng)用于儲能系統(tǒng)的建設(shè)。

本文針對現(xiàn)有研究的不足之處，提出了一種應(yīng)用于孤島模式下的微電網(wǎng)蓄電池儲能系統(tǒng) (BESS)容量優(yōu)化配置的模型，對不同的應(yīng)用場景提出不同的優(yōu)化評價(jià)指標(biāo)，采用改進(jìn)的粒子群算法，從儲能系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的角度出發(fā)，以保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行為前提，計(jì)及不同類型儲能蓄電池設(shè)備的諸多約束條件進(jìn)行容量配置求解。

1 含蓄電池的微電網(wǎng)系統(tǒng)建模

1.1 獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)主要由微電源(風(fēng)電、光伏)、儲能系統(tǒng)和負(fù)荷構(gòu)成，典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 BESS充放電建模

蓄電池儲能系統(tǒng)的剩余電量在充放電過程中不斷變化，其變化量與該時(shí)段內(nèi)的充、放電電量和自放電有關(guān)。

蓄電池充電時(shí)：

蓄電池放電時(shí)：

1.3 各種類型蓄電池特性

針對目前比較常用的、技術(shù)發(fā)展比較成熟的幾種蓄電池，對其性能特點(diǎn)總結(jié)如下：

(1)鉛酸電池是傳統(tǒng)電化學(xué)電池的代表，是目前備用電源領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模最大的電池類型，其技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展已非常成熟。鉛酸蓄電池優(yōu)點(diǎn)在于無記憶效應(yīng)，成本相對較低；缺電在于循環(huán)壽命短，比能量小，質(zhì)量和體積較大，自放電大且存在一定的污染。

(2)氫鎳電池優(yōu)點(diǎn)：具有較高的容量、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、充放循環(huán)次數(shù)多的特點(diǎn)；是密封免維護(hù)電池，正常使用過程中也不會產(chǎn)生任何有害物質(zhì)；具有較好的低溫放電特性，自放電率很小，可深度放電。缺點(diǎn)是有記憶效應(yīng)，能量密度低，充電速度較慢，原材料制造成本較高。

(3)鋰離子電池是新型綠色環(huán)保蓄電池，不僅具備高比能量、高比功率、高能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)，而且兼具長循環(huán)壽命；其缺點(diǎn)在于制造成本較高。

1.4 蓄電池串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蓄電池成組的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有十分重要的意義，既要使實(shí)際使用的蓄電池單體數(shù)盡量接近理論計(jì)算值，又要為最大限度保持各電池單體充放電電流均勻而遵循“多串少并”原則。本文提出了一種蓄電池成組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

(2)根據(jù)工程實(shí)際情況計(jì)劃采用的蓄電池用PCS型號；

2 基于多場景應(yīng)用的BESS容量優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以BESS綜合經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，以全生命周期費(fèi)用對經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行衡量。根據(jù)IEC60300-3-3的規(guī)定，儲能設(shè)備的全生命周期成本模型可定義為四大成本之和，即購置成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本以及處置成本。在傳統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)中，通常只考慮儲能設(shè)備的初始購置費(fèi)用，忽略了在整個(gè)工程運(yùn)行周期中蓄電池的運(yùn)行、維護(hù)以及置換處理費(fèi)用。如目前儲能用的鋰離子電池，雖然初始購置費(fèi)用很高，但由于其充放電循環(huán)次數(shù)多，儲能設(shè)備的折舊率很低，在較長時(shí)間的工程中，與需要相對頻繁維護(hù)、更換的傳統(tǒng)鉛酸蓄電池相比，反而會顯示出更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。

目標(biāo)函數(shù)的具體表達(dá)式為[2]：

為避免優(yōu)化模型過于復(fù)雜，本文引入折算系數(shù)來表示相應(yīng)的成本，將式(3)改寫為：

實(shí)際上，公共服務(wù)均等化供給受到的影響因素顯然不限于本文所列舉的幾個(gè)變量。從回歸結(jié)果中的擬合優(yōu)度R2值比較低可以看出，我們無法在建模過程中把所有解釋變量全部列出，因此三個(gè)模型不能排除因?yàn)檫z漏變量而產(chǎn)生的內(nèi)生性。

蓄電池的折舊率與其容量的損失直接相關(guān)，即當(dāng)蓄電池進(jìn)行深充深放時(shí)充放的電量低于一定值(本文取低于額定值的80%)時(shí)就需進(jìn)行置換。定義蓄電池的初始額定容量為，運(yùn)行一段時(shí)間后蓄電池的容量為，則此時(shí)蓄電池的折舊率為：

2.2 約束條件

在進(jìn)行BESS容量優(yōu)化時(shí)，一方面要考慮蓄電池設(shè)備本身的特性約束，另一方面要根據(jù)具體的應(yīng)用場景考慮系統(tǒng)的運(yùn)行約束。蓄電池的特性約束如式(6)所示：

系統(tǒng)運(yùn)行的約束條件和具體的應(yīng)用場景有關(guān)。

(1)BESS作微電網(wǎng)后備電源

作為后備電源，儲能系統(tǒng)應(yīng)能配合風(fēng)、光等新能源，滿足負(fù)荷供電需求，使微電網(wǎng)的負(fù)荷缺電率 (loss of power supply probability，LPSP)小于制定值：

在此應(yīng)用場景下以LPSP為衡量指標(biāo)表征微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性。

(2)BESS抑制風(fēng)、光輸出功率波動

由于風(fēng)、光自然資源的隨機(jī)性和間歇性，會導(dǎo)致風(fēng)電、光伏發(fā)電的輸出功率波動很大，隨著可再生能源的滲透率不斷增加，將給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大的挑戰(zhàn)。本文提出以新能源的輸出功率波動率(fluctuation of power supply probability，F(xiàn)PSP)來表征系統(tǒng)的輸出功率波動情況。

然后根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的要求和新能源滲透率的不同制定輸出功率波動率的目標(biāo)值BD。通過儲能系統(tǒng)的充放電調(diào)節(jié)，理想情況是使新能源的輸出功率保持在區(qū)間[內(nèi)。若通過蓄電池的調(diào)節(jié)，風(fēng)電、光伏的輸出功率仍超過了設(shè)定的功率波動范圍，即：

由式(12)得到FPSP的定義式：

故此場景下的新能源輸出功率波動率約束即衡量指標(biāo)FPSP小于制定值。

(3)儲能系統(tǒng)作重要負(fù)荷的全后備

微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，沒有大電網(wǎng)的支撐僅靠新能源發(fā)電，在資源條件不好時(shí)會導(dǎo)致負(fù)荷供電中斷。針對微電網(wǎng)中的重要負(fù)荷，如機(jī)房、醫(yī)院等，需要配置一定容量的儲能系統(tǒng)在極端條件下持續(xù)供電一段時(shí)間。

此應(yīng)用場景下，重要負(fù)荷在要求的保電時(shí)間內(nèi)，應(yīng)做到負(fù)荷缺電率為零：

2.3 改進(jìn)的粒子群算法

本文采用改進(jìn)的粒子群算法對優(yōu)化模型進(jìn)行求解。基本的粒子群算法思路見文獻(xiàn)[3]：將每個(gè)優(yōu)化問題的解看作是搜索空間內(nèi)的一個(gè)粒子，所有的粒子具有一個(gè)由優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)確定的適應(yīng)度，還具有一個(gè)決定飛翔方向和距離的二維速度量。在迭代過程中，粒子根據(jù)自身最優(yōu)解pbest和全局最優(yōu)解gbest對自己的速度和位置進(jìn)行更新。基本的粒子群算法收斂速度快，但容易陷入局部最優(yōu)而導(dǎo)致收斂“早熟”。因此本文引入慣性權(quán)重，得到每個(gè)粒子的速度更新公式為：

慣性權(quán)重對算法性能影響很大：較大的慣性權(quán)重有利于全局的探索，而較小的慣性權(quán)重有利于局部開發(fā)從而加快收斂。為解決這一問題，對ω采用如下的非線性動態(tài)慣性權(quán)重系數(shù)公式：

式中：ωmax、ωmin分別為ω的最大值和最小值；為粒子當(dāng)前的目標(biāo)函數(shù)值，和分別為當(dāng)前所有微粒的平均目標(biāo)值和最小目標(biāo)值。

引入慣性權(quán)重系數(shù)ω，并采用自適應(yīng)法確定其數(shù)值，可以針對算法初期目標(biāo)函數(shù)的不同取值情況對權(quán)重進(jìn)行不同處理，若趨于局部最優(yōu)則加重權(quán)重，反之若各微粒目標(biāo)值很分散則減小權(quán)重。對于取值不同的各微粒，將趨于最優(yōu)解的微粒的權(quán)重減小，將取值相對較差的微粒權(quán)重因子加重，最終達(dá)到粒子群平均取值趨于最優(yōu)的目的。除此之外，自適應(yīng)權(quán)重法還能夠根據(jù)目標(biāo)值的變化而做相應(yīng)的變化，從而使目標(biāo)函數(shù)加速優(yōu)化。

3 算例及分析

本文采用的算例為國內(nèi)某一海島的實(shí)際數(shù)據(jù)，為一典型的孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)系統(tǒng)，其中包含10臺260 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，17組50 kW的光伏電池板。所選用PCS的端口電壓上限值分別為150和50 V。該島的月平均風(fēng)速情況如表1所示。

該島的月平均光照強(qiáng)度如表2所示。

表1 算例風(fēng)速數(shù)據(jù)

表2 算例光照數(shù)據(jù)

本文選用氫鎳、鋰電、鉛酸等多種類型的儲能蓄電池，針對具體的微電網(wǎng)算例，應(yīng)用于不同的場景。其中，后備場景缺電率取值5%，抑制功率波動場景波動率取值10%，并在Matlab/Simulink下對優(yōu)化配置出來的儲能蓄電池容量進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。為了表現(xiàn)不同類型蓄電池的特性，所選用蓄電池的額定容量均為1 000 Ah、額定電壓均為2 V，SOC初始值為80%，蓄電池的具體參數(shù)見表3。

表3 蓄電池儲能系統(tǒng)參數(shù)

3.1 儲能系統(tǒng)作后備場景

缺電率取5%時(shí)儲能容量配置結(jié)果如表4所示。該場景下的仿真結(jié)果如圖2所示。

表4 儲能作后備場景配置結(jié)果

圖2 蓄電池作后備場景仿真結(jié)果

3.2 儲能系統(tǒng)抑制功率波動場景

取不同目標(biāo)波動率時(shí)儲能容量配置結(jié)果如表5所示。

該場景下的仿真結(jié)果如圖3所示。

表5 儲能抑制功率波動場景配置結(jié)果

圖3 蓄電池抑制功率波動場景仿真結(jié)果

3.3 儲能系統(tǒng)作重要負(fù)荷的全后備場景

針對不同的保電負(fù)荷、保電時(shí)間的要求，配置出相應(yīng)容量的蓄電池儲能系統(tǒng)，結(jié)果如表6所示。

表6 儲能作重要負(fù)荷的全后備場景配置結(jié)果

3.4 BESS全生命周期經(jīng)濟(jì)性效益

以不同類型的BESS的年平均費(fèi)用來評價(jià)全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性，其中年平均費(fèi)用包括購置、運(yùn)行、維護(hù)和處置等成本，以BESS作微電網(wǎng)后備電源為例，工程時(shí)間取10年，結(jié)果如圖4所示。

如圖4所示，鋰電池儲能系統(tǒng)相對其他兩種類型的BESS，初始購置成本較高，但由于鋰電池循環(huán)壽命較長，在長時(shí)間的工程運(yùn)行中，反而顯示出經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，而鉛酸蓄電池和氫鎳蓄電池由于需要進(jìn)行更換，使得年平均費(fèi)用在4年以后高于鋰電池儲能系統(tǒng)的年平均費(fèi)用。

4 結(jié)論

針對孤島運(yùn)行的風(fēng)、光、儲微電網(wǎng)系統(tǒng)，本文提出一種優(yōu)化配置儲能系統(tǒng)容量的方法。該方法以滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行為前提，以實(shí)現(xiàn)全生命周期內(nèi)綜合經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目的，計(jì)及儲能蓄電池的諸多約束條件，運(yùn)用改進(jìn)的粒子群算法對優(yōu)化配置模型進(jìn)行求解，同時(shí)對串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在不同的應(yīng)用場景下，根據(jù)不同的系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際要求，配置出不同的儲能容量，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，由粒子群算法得到滿足要求的最小容量。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化配置后的儲能系統(tǒng)，在作后備場景下能滿足負(fù)荷功率需求，在抑制功率波動場景下能明顯減小波動范圍，在作重要負(fù)荷全后備場景下能夠在要求的時(shí)間內(nèi)保證重要負(fù)荷的正常供電。算例的結(jié)果驗(yàn)證了該方法的合理性和有效性。

采用全生命周期作為經(jīng)濟(jì)性表征指標(biāo)，比只考慮初始購置成本的經(jīng)濟(jì)性考核方法更符合實(shí)際情況，具有現(xiàn)實(shí)意義。

[1]丁明，王波，趙波，等.獨(dú)立風(fēng)光柴儲微網(wǎng)系統(tǒng)容量優(yōu)化配置[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(3)：576-581.

[2]崔新奇，尹來賓，范春菊，等.變電站改造中變壓器全生命周期費(fèi)用(LCC)模型的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(7)：69-73.

[3]李愛國，覃征，鮑復(fù)民，等.粒子群優(yōu)化算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002，38(21)：1-3.

Optimal design of energy storage system for independent microgrid based on multi-application situation

For an independent microgrid containing wind power,photovoltaic power and energy storage system,it is of great importance to configure reasonably the capacity of energy storage system to meet the electric power need of load and to make the microgrid system function safely and stably.Aiming at three typical scenarios,different indexes were presented.An optimal sizing method based on the modified particle swarm optimization was proposed.The method solves the optimal design problem on the premise that microgrids function safely.Various restrictions of batteries were taken into account, and finally the best sets of batteries were selected to achieve the optimal economic.In addition,the optimal design of topological structure of energy storage system was discussed.And optimization software was programmed and verified by calculation examples.

independent microgrid;battery energy storage system;capacity optimization;modified particle swarm algorithm;multi-application situation

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1269-04

2015-12-09

國家科技支撐計(jì)劃(2013BAA02B02)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(207274006)

潘華(1990—)，男，湖北省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電中儲能容量優(yōu)化配置。