風光儲微電網系統(tǒng)復合儲能的網格式優(yōu)化

田 德，陳忠雷

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學），北京 102206）

0 引 言

微電網是結合微電源、負荷和儲能系統(tǒng)的新型電網形式，其作為獨立的整體，可采用并網或孤島運行模式[1]。儲能系統(tǒng)可以支撐微電網在孤島與并網運行模式之間的平滑轉換、在不同模式下的電壓和頻率穩(wěn)定[2-14]。儲能系統(tǒng)可以在一定程度上平抑可再生能源的波動，將可再生能源發(fā)電變?yōu)榭烧{度的電源[3,14]。儲能系統(tǒng)可以進行削峰填谷、改善負荷特性、平緩負荷曲線，為微電網系統(tǒng)穩(wěn)定運行[4,14]。儲能系統(tǒng)在微電網黑啟動、電能質量優(yōu)化、穩(wěn)定性優(yōu)化等方面具有重要作用[7]。

微電網可以綜合各種資源，提高可再生能源消納率，保障大網的可靠性和穩(wěn)定性。微電網運行穩(wěn)定需要重點考慮資源分布特性、微電網運行以及負荷特性等對儲能系統(tǒng)的設計[5-6,14]，混合儲能對實現(xiàn)微電網多時間尺度的潮流穩(wěn)定控制具有明顯的優(yōu)勢[7,14]。

針對微電網控制策略，文獻[8]提出基于多組儲能系統(tǒng)動態(tài)調節(jié)的協(xié)調控制策略，通過設計帶有電壓前饋補償?shù)哪：麓箍刂苿討B(tài)調整負荷功率分配，并可減小母線電壓波動[8]。文獻[9]提出了多儲能系統(tǒng)微電網的分布式控制策略，該控制策略在傳統(tǒng)V-I下垂控制策略的基礎上加入了平均電壓控制環(huán)節(jié)和功率協(xié)調控制環(huán)節(jié)[9]。文獻[10]針對微電網中新能源不穩(wěn)定輸出導致的微網功率不平衡和直流母線電壓波動大等問題，提出了一種新型的微電網能量控制策略，根據(jù)母線電壓值將系統(tǒng)分為4 種工作模式、7 個運行區(qū)間，系統(tǒng)的運行方式可以自動判斷和自由切換。文獻[11]針對微電網中由于分布式發(fā)電單元輸出功率的不穩(wěn)定以及負載突變造成的直流母線電壓波動問題，提出了一種基于微電源模塊和混合儲能模塊的協(xié)同能量管理策略。文獻[12]針對電壓型下垂控制策略的不足，提出新型主從下垂控制策略，實現(xiàn)了分布式儲能系統(tǒng)線路阻抗的完全解耦，提高了系統(tǒng)并聯(lián)控制精度。文獻[13]針對微電網互聯(lián)變換器提出一種能根據(jù)兩端直流母線電壓判斷自身傳輸功率方向與大小的智能控制策略,能夠減小因不需要的功率流動所帶來的功率損耗及儲能的充放電次數(shù)。文獻[15]提出了基于遺傳算法的混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法。文獻[16]提出將改進后的模擬退火粒子群優(yōu)化算法應用到風光互補發(fā)電系統(tǒng)混合儲能單元容量的優(yōu)化配置中。文獻[17]提出在滿足供電可靠性前提下，合理配置微電網中風、光、儲各部分的容量。

隨著微電網技術的發(fā)展，當前以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)為表現(xiàn)形式的微電網正向多源的復雜型微電網的方向發(fā)展，上述提出各種控制策略多專注于分布式單一儲能技術的控制策略，對復合儲能的網格式優(yōu)化及其對微電網投資回報率的影響研究鮮有涉及。

本研究中，風光儲微電網中儲能系統(tǒng)應采用功率型和能量型儲能設備相組合的復合型儲能系統(tǒng)，為降低微電網的投資量，優(yōu)化微電網運行穩(wěn)定性，需根據(jù)綜合能源系統(tǒng)中各區(qū)域風電、光伏的特點和負載特性進行區(qū)域性的網格劃分，優(yōu)化網架結構，并針對區(qū)域性的網格進行復合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化，采用自適應分層網格控制策略，實現(xiàn)源網荷的協(xié)調控制，平抑源側和用戶行為的隨機性，優(yōu)化系統(tǒng)電能質量，并通過對符合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化提高項目的投資回報率。

1 微電網結構與負荷特性

依托于綜合能源系統(tǒng)的微電網結構(圖1)具有如下特征：

1）微電網以母線為基礎與外部電網聯(lián)結；

2）微電網內存在多種能源設備，如風電、光伏、復合儲能系統(tǒng)等，實現(xiàn)多種能源的橫向互補；

3）負荷種類繁多，（如圖2、圖3 所示）；隨機選取7 月某周7d 的日微電網總負荷（歸一化的值）變化曲線，如圖2 所示。圖3 為該周該微電網總負荷的統(tǒng)計情況（歸一化的值）。

圖1 微電網的結構 Fig.1 Structure of DC microgrid

圖2 7 月某周日負荷曲線 Fig.2 Daily load curve of a week in July

圖3 7 月某周日負荷統(tǒng)計 Fig.3 Daily load statistics curve of a week in July

2 復合儲能系統(tǒng)的網格優(yōu)化

2.1 網格劃分

微電網具有多分布式能源接入的特點，以各分布式能源接入點為中心，將微電網劃分為若干個網格，將傳統(tǒng)的集中式儲能分布式建設于各網格中，并與分布式能源周邊的負荷形成子網。

合理進行復合儲能系統(tǒng)的網格式優(yōu)化，可以實現(xiàn)分布式能源的子網內就地消納，降低各子網之間的功率流動形成的功率損耗，同時分布式儲能也可降低集中儲能造成的供電穩(wěn)定性風險。

2.2 容量優(yōu)化

1）功率平衡約束

式中PLoad(t)為t時刻的變化用電負荷，kW，該值可在系統(tǒng)運行過程中通過計量、大數(shù)據(jù)分析和負荷預上報相結合的方式來確定；PWT(t)為t時刻風電機組輸出功率，kW；PPV(t)為t時刻光伏輸出功率，kW；PBAT(t)為t 時刻磷酸鐵鋰電池組輸出功率，kW，大于0即為放電，小于0即為蓄電；PSC(t)為t 時刻超級電容輸出功率，kW，大于0即為放電，小于0即為蓄電；PGrid(t)為t 時刻微電網與外電網之間交換的功率，kW，當用電時大于0，向電網送電小于0。

2）系統(tǒng)之間傳輸功率約束

式中PGrid,max為傳輸功率的上限，kW。

3）磷酸鐵鋰電池、超級電容運行約束

式中Socmin,BAT、Socmin,SC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容容量的下限；Socmax,BAT、Socmax,SC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容容量的上限。

4）容量約束

在除用電高峰期的其他時間段，儲能滿充狀態(tài)，避免對儲能系統(tǒng)壽命的影響，同時避免過度投資影響項目投資收益率，即：

式中SocBAT、SocSC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容的容量，kWh；EWT、EPV、ELoad分別為風電、光伏的發(fā)電量和負載的用電量，kWh。

3 自適應分層控制網格控制模型

3.1 成本函數(shù)

磷酸鐵鋰電池是較為常見的用于建設儲能電站的化學儲能模式，近年來魯能海西州多能互補集成優(yōu)化示范工程50MW/100MWh 的磷酸鐵鋰電池儲能項目，湖南長沙電池儲能電站一期示范工程建設規(guī)模為60MW/120MWh 都是成功的案例。

而超級電容僅作為吸收沖擊負荷或突變的可再生能源發(fā)電，不需要進行大容量配置，因此小容量的超級電容配置對磷酸鐵鋰電池、超級電容的組合的經濟性影響不大。

1）儲能系統(tǒng)年平均運行成本

磷酸鐵鋰電池、超級電容在t 時段的剩余電量與在t-1時段的剩余電量、t-1 時段到t 時段的充放電量的關系為

式中SocBAT(t)、SocSC(t)分別為t 時段磷酸鐵鋰電池、超級電容的剩余電量；PBAT(t)、PSC(t)分別為t 時段磷酸鐵鋰電池、超級電容的充放電功率，當磷酸鐵鋰電池、超級電容放電時，PBAT(t)、PSC(t)大于0，當磷酸鐵鋰電池、超級電容充電時PBAT(t)、PSC(t)小于0；BATη 、SCη 分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容的充放電效率。

2）儲能系統(tǒng)的壽命

其中磷酸鐵鋰電池、超級電容的壽命依賴于多種因素，側重于研究與充放電次數(shù)、充放電深度的關系。當磷酸鐵鋰電池、超級電容充放電循環(huán)深度為RBAT、RSC時，最大循環(huán)充放電次數(shù)NBAT、NSC表示為

磷酸鐵鋰電池、超級電容年均充放電循環(huán)次數(shù)為NBAT＇、NSC＇，那么：

式中yBAT、ySC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容壽命，a。

3）儲能系統(tǒng)年平均硬件成本

磷酸鐵鋰電池、超級電容的年平均成本需要考慮在壽命周期內磷酸鐵鋰電池、超級電容的運維成本和購置成本

式中CBAT、CSC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容年平均成本，萬元；kOp,BAT、kOp,SC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容運維成本系數(shù)，%；cBAT、cSC為磷酸鐵鋰電池、超級電容購置成本，萬元。

3.2 目標函數(shù)及約束條件

1）目標函數(shù)

經濟性最優(yōu)準則以微電網系統(tǒng)的年成本為目標函數(shù)

式中f 為微電網系統(tǒng)年收益函數(shù)，元。f1為微電網系統(tǒng)的年成本函數(shù)，元； Cbuy為系統(tǒng)向主網購電成本，元；Csold為微電網向外電網賣電收益，元。

式中PGrid(t)為系統(tǒng)之間交換的功率，kW，當購電時為正，反之為負；e(t)實時電價，元；T 為最終時刻。

2）磷酸鐵鋰電池、超級電容運行約束

磷酸鐵鋰電池、超級電容運行應滿足60 s內功率波動不超過額定功率的10%，10 min內功率波動不找過額定功率的20%，即

式中PeBAT、PeSC分別為磷酸鐵鋰電池、超級電容額定輸出功率，kW。

3）功率平衡約束

4）并網傳輸功率約束

式中PGrid,max為傳輸功率的上限，kW。

3.3 求解方法

采用改進粒子群算法（partical swarm optimization，PSO）求解自適應非線性多目標優(yōu)化問題。

設問題維度D，N個粒子組成的一個群落，第k次迭代第m個粒子的位置和速度分別表示為

第m個粒子截止到第k次迭代時最優(yōu)位置（即個體最優(yōu)極值）為

整個種群目前找到的最優(yōu)位置，即全局最優(yōu)解為

在找到這2個最優(yōu)解時，粒子根據(jù)式（19）和式（20）來更新自己的速度和位置。一般來說，粒子的位置和速度均是在連續(xù)的實數(shù)空間內取值。

式中ω 為原來速度的慣性系數(shù)；c1、c2分別為加速系數(shù)；ε、η分別為[0,1]區(qū)間內均勻分布的隨機數(shù)，用于維護群體的多樣性；r為位置更新約束因子。

將釆用隨機權重法來進行慣性系數(shù)的計算。將ω 設定為服從某種隨機分布的隨機數(shù)，在一定程度上克服其線性遞減的不足。

隨機權重法中ω 的計算公式如（23）所示

式中N（0,1）為標準正態(tài)分布的隨機數(shù)；rand(0,1)為0到1之間的隨機數(shù)；η 為隨機權重的平均值；δ 為隨機權重的方差；minη 、maxη 分別為隨機權重的最小值和最大值。

4 算 例

以河北省北部某工業(yè)園區(qū)為例，該工業(yè)區(qū)具有幾十家工業(yè)企業(yè)，園區(qū)采用綜合能源系統(tǒng)的模式實現(xiàn)園區(qū)用能最大程度上的自給自足，不同的企業(yè)的符合狀態(tài)不同，但具有相同特點的是，各企業(yè)均有面積比較大的可用屋頂，可采用光伏發(fā)電對園區(qū)能源進行供給；園區(qū)周圍的山上可以進行分布式風電或風電場的建設。該微電網系統(tǒng)包含外電網、區(qū)域電網、風電、光伏發(fā)電、混合儲能系統(tǒng)以及工業(yè)負荷。

4.1 初始條件

考慮到該算例中，微電網內包含4 個分布式風電/光伏發(fā)電系統(tǒng)，將微電網的4 個分布式風電/光伏發(fā)電系統(tǒng)連同周邊負載分成4 個網格，定義為網格1~4，根據(jù)表1、表2所示網格參數(shù)采用改進粒子群算法對符合儲能系統(tǒng)中，功率儲能和能量儲能的功率和容量匹配進行優(yōu)化求解。圖4分別給出了網格1~4 的某日風電出力、光伏出力和負荷功率波動范圍。

圖4 風電、光伏出力和負荷功率 Fig. 4 Wind power, photovoltaic power output and load power

表1 風電、光伏裝機和負載容量仿真參數(shù) Table 1 Wind power, photovoltaic and load capacity simulation parameters

表2 儲能系統(tǒng)、電價仿真參數(shù) Table 2 Storage system, electricity price simulation parameters

4.2 求解

1）數(shù)據(jù)處理

網格化子網實現(xiàn)風力發(fā)電和光伏發(fā)電后，功率差額補足由復合儲能系統(tǒng)和外部電網完成。由以上邊界條件得到功率差額如圖5所示。

圖5 功率差額 Fig.5 Power error

當功率偏差小于0時，風電和光伏發(fā)電高于負載用電，網格1~4風電和光伏發(fā)電功率應向儲能系統(tǒng)和外電網輸送，對應分別為1280、399、1284、957 kW；當功率偏差小于0時，風電和光伏發(fā)電功率不足以支撐負載用電，此時網格1~4功率差額應由儲能系統(tǒng)和外電網提供，分別為1480、1459、1396、1247 kW。

若系統(tǒng)不對外送電，網格1~4應分別具備6636、749.2、7514.8、2200 kWh的儲能能力。

2）數(shù)據(jù)優(yōu)化

為減少對周邊電網的影響，按全部風電、光伏發(fā)電的就地消納為邊界條件進行儲能優(yōu)化，設置邊界條件如表2所示。

為滿足系統(tǒng)運行的需要，當網格1~4復合儲能設備功率分別為1280、399、1284、957 kW時，磷酸鐵鋰電池配置為1126×5.9、344×2.2、1128×6.7、867×2.54 kWh；超級電容分別154 kW×10 s、55 kW×10 s、130 kW×10 s、90 kW×10 s。

在不改變磷酸鐵鋰電池的容量配置的前提下。當增加超級電容功率容量配置時，系統(tǒng)投資回報率逐漸下降。

在不改變超級電容功率容量配置的前提下。維持充電小時數(shù)不變，當增加磷酸鐵鋰電池的功率配置時，在網格1~4分別提高至1247、598、1185、903 kW時達到系統(tǒng)最大投資回報率，系統(tǒng)投資回報率逐步下降。

維持各網格磷酸鐵鋰電池充電功率不變的，增加充電小時數(shù)，系統(tǒng)投資回報率變化不明顯，分別達到6.53、2.76、7、2.54 h時，系統(tǒng)投資回報率開始下降。

因此，當網格1~4的復合儲能系統(tǒng)中磷酸鐵鋰電池配置分別為1247×5.9、598×2.2、1185×6.7、903×2.54 kWh，超級電容分別配置為154 kW×10 s、55 kW×10 s、130 kW×10 s、90 kW×10 s時，系統(tǒng)具有最優(yōu)的投資回報。

從圖6仿真結果，微電網功率分布可得，網格1~4對外最大功率需求為79、661、81、253.8 kW；微電網對外最大功率需求為895.8 kW，僅為傳輸功率上限的6.40%；微電網不對外輸出功率。

圖6 微電網功率分布 Fig.6 Microgrid power distribution

5 結 論

通過對風光儲微電網中采用的復合型儲能系統(tǒng)進行網格式優(yōu)化的研究可以得出，當完全滿足對為電網內可再生能源發(fā)電消納能力之后，提高超級電容的配置將大幅度降低系統(tǒng)的投資回報率；適當提高能量型儲能裝置的配置可在一定程度上提高投資回報率。

結果表明微電網對外最大功率需求為895.8 kW，僅為傳輸功率上限的6.40%，并且無對外電網的電力輸出，并且對外電網功率需求出現(xiàn)在00:00~5:00 和18:00~21:00 2 個時間段，該2 個時間段均為非工作時間，對外電網的影響不大，不會給外電網帶來沉重的壓力。通過復合儲能系統(tǒng)通過自適應網格化分層控制策略，可以平抑源側和用戶行為的波動性，在用戶有大功率階躍前可提前向電網預報，降低對電網的沖擊。

研究結果的推廣，可以增加風電、光伏等可再生能源發(fā)電的應用場景，可以在條件允許的情況下，在全國15 000 座以上工業(yè)園區(qū)內推廣實施微電網和綜合能源系統(tǒng)工程。