微電網中儲能系統的優化配置
——評《微電網儲能運行控制關鍵技術及應用》

孟垂懿, 鄒全平

(1.沈陽工程學院國際教育學院,遼寧沈陽 110136;2.沈陽工程學院電力學院,遼寧沈陽 110136)

近年來,新能源技術的興起促進了微電網儲能系統的快速發展,人們對儲能技術的研究逐漸深入。周金輝等著的《微電網儲能運行控制關鍵技術及應用》一書,聚焦于微電網中儲能系統的控制及關鍵技術研究,首先對各種電池儲能技術的發展及應用做了簡要介紹,并闡述微電網中儲能系統的重要性;繼而對儲能系統的建模進行了深入探討,給出穩態建模和暫態建模的方法;然后分析了獨立型和并網型兩類微電網模式的儲能優化配置方法,并制定相應的儲能運行策略;接著闡述儲能技術在微電網中的應用,設計了基于多代理系統(MAS)的能量管理系統和利用聯絡線進行功率控制的優化算法,并簡要介紹微電網中的并聯控制技術及混合儲能技術;最后列舉了幾個微電網儲能工程的實際應用案例。

1 儲能技術簡介

儲能技術是指將電能轉化為其他形式的能量存儲起來,應用時再釋放的技術。隨著科技的發展,各種儲能方式不斷出現,如電化學儲能,包括鉛酸電池、鋰離子電池和液流電池等;機械儲能,包括飛輪儲能、壓縮空氣儲能等;電磁儲能,包括超級電容器、超導磁儲能等。鉛酸電池的應用較廣泛,由于功率上限較低,價格便宜,在低功率等級的領域(照明、通信等)應用中經濟效益最高。在大功率應用方面,壓縮空氣儲能發展較為成熟,最高功率可達兆瓦級,適合大規模商用。微電網是由各種能量存儲、保護、轉換裝置及相關控制系統組成的分布式發電系統,儲能系統在微電網中發揮著重要的作用,可控制微電網中聯絡線的功率波動范圍,靈活地調節輸入輸出功率;還能在微電網處于孤島模式時,控制電壓和頻率的穩定,并提供暫態功率支撐。研究微電網中的儲能技術,顯得尤為重要。

2 微電網中儲能系統的建模分析

在微電網中,儲能系統占據了重要的位置,其中儲能變流器對儲能系統功能的正常發揮起著至關重要的作用。根據工作原理的差異,儲能變流器可分為單極式和雙極式兩種。單極式儲能變流器主要由交直流濾波器、逆變電路、直流側電路和預充回路等組成,直流電壓范圍相對較窄,體積較小,成本低,控制策略簡單易懂,且轉換效率較高,在鉛酸電池及鋰離子電池中應用較多。雙極式儲能變流器中增加了直流電(DC)/DC電路,用來控制電壓的升降,直流電壓范圍相對較寬,最低可達0 V,但體積略大,成本高昂,控制策略較復雜,轉換效率達不到主流應用的需求。目前來說,應用面較窄,在超級電容器等沒有初始電壓的元件中應用較多。

該書對幾種常見的儲能系統進行建模分析研究。首先,針對3種常見的儲能系統建立穩態分析模型:①在鋰離子電池系統中,建立了電池的充放電約束模型、荷電狀態(SOC)計算模型和重置周期的計算模型等;②在鉛酸電池系統中,建立了可用容量計算模型、SOC計算模型和剩余容量計算模型等;③在超級電容電池系統中,建立了數學模型、穩態計算模型等。其次,針對3種常見的儲能系統建立暫態分析模型:①在鋰離子電池系統中,為了達到最佳的電池瞬態穩定效果,建立了新一代汽車合作伙伴計劃(PNGV)及改進模型、大容量蓄電池系統(LCBS)模型等,為SOC的精確估算提供了極大的幫助;②在鉛酸電池系統中,建立了CIEMAT模型、KiBaM模型等,以實現負荷、能量、電壓和充放電功率等的精確計算;③在超級電容電池系統中,建立了物理結構模型、電氣模型和阻抗模型等,以提高容量、阻抗等的計算精度。

3 微電網中儲能優化配置

一般來說,微電網包括獨立型和并網型兩大類。獨立型微電網不與大電網連接,而是利用風力、光伏等方式發電,能起到保護環境、提高資源利用率的作用,常用于海島及偏遠地區。并網型微電網實際與大電網相互連接,儲能功能多樣,能減小電壓電流波動對電網的影響,還能提高微電網的利用率和供電質量,適用于城市內部。這兩類微電網中的電池儲能系統,以鋰離子電池和鉛酸電池為主,在微電網正常運行時,儲能系統和微電網之間會產生功率和能量的流動,因此,SOC、充放電功率、充放電電量和電池壽命周期等參數,能夠體現儲能系統的優劣?；诖?該書建立了微電網中儲能系統的模型,研究了上述參數的關系及精確計算方法。

儲能設備的容量對微電網的運行可靠性和經濟性影響很大。如果容量配置達不到完成任務的要求,會影響微電網的正常運行;如果容量配置過大,會增加經濟成本。優化儲能容量配置,并制定相應的儲能運行策略,可實現經濟和社會效益的共贏。目前,科研人員通常從經濟、技術和環保等方面來衡量微電網的性能。經濟性指標包括投資、安裝、運行、維護、使用壽命、燃料用量和殘值處理等,以評估微電網的經濟效益;技術性指標包括可再生能源的發電比、丟棄率和失負荷率等,以反映微電網運行性能的好壞;環保性指標包括CO、CO2等廢氣及固體廢棄物的排放量等,以衡量微電網的環保性能。在優化微電網的配置時,要考慮實際的需求,針對某個指標(通常是經濟性)或多個指標(經濟性+環保性/可靠性)進行優化。無論是哪種優化方式,都需要建立目標函數,再在獨立型微電網中設置安全約束(容量)、運行約束(功率)條件,或在并網型微電網中設置運行約束(功率)、配置約束條件,得到理想狀態下的優化結果。

除了優化儲能配置之外,良好的儲能運行策略也會對微電網的運行效果產生重要影響。通常,在獨立型微電網中,固定邏輯規則運行策略較為常見,即電源按照某種事先設計好的次序按部就班地工作。在并網型微電網中,優化運行策略則應用廣泛,該策略能夠全盤考慮全網的運行工況,選擇最合適的目標設計優化方案。

4 儲能在微電網優化控制中的應用

隨著科技的進步,光伏發電在西部地區的應用越來越多,但光伏發電只能在天氣晴好、陽光明媚的日間進行,不易控制。要在微電網中布置儲能裝置,以充分利用光轉電的能量,減少柴油機的運行時間,保障微電網系統的安全經濟運行。目前,在獨立型微電網中,人們建立了光儲水柴系統。在該系統中,電源在區域上分布范圍較廣,需要密切考慮區域電壓和頻率對電源間協調工作的影響;同時,該系統中的控制器是相互獨立、互不影響的,可實現分布式控制。基于此,針對獨立型微電網,該書設計了一種基于MAS的能量管理系統,該系統由分布式架構組成,包括預測層、調度層及控制層。預測層可實現系統功率預測,獲取各種電價信息及用戶信息等;調度層能根據電網的運行情況重新分配功率,以滿足實際需求;控制層可在微電網正常運行時調節電網電壓,在出現意外時切換控制策略,進行負荷切換和備用功率分配。

根據能量管理系統組成,該書設計了基于MAS的能量優化管理算法,在調度層中添加虛擬競價機制,使設備代理充分表達意愿,做出合理的決策。針對功率控制偏差的問題,優化算法將出現誤差的功率轉移到備用電源上,實現動態功率分配。為驗證優化算法的有效性,該書建立了PXIRTDS仿真系統,設置小水電輸出的最小功率為0.5 MW,柴油發電機輸出的最小功率為0.5 MW,并給出多種突發事件,以驗證算法效果。提出的算法可進行夜間調峰,充分利用了過剩的光伏發電電能,并提高了發電利用率,減小了功率誤差。

在并網型微電網中,該書提出一種利用聯絡線進行功率控制的優化算法。該算法通過滾動優化的方式調節充放電功率,并利用預測校正方式優化充放電狀態,使經濟效益最大化;同時,算法利用控制單元的協調工作實現充放電功率的二次分配,以延長儲能系統的使用壽命;最后,算法制定了聯絡線功率控制策略,對功率平滑、自平衡等進行優化控制。通過實際的風光儲微電網系統建立模型,驗證功率控制優化算法的有效性。結果表明,算法抑制功率波動的效果較好,并能根據電網的負荷情況重新分配功率。

5 微電網中的關鍵技術

在微電網中,儲能變流器以并聯的方式連接在一起,組成儲能系統,實現功能控制。常見的并聯控制技術包括:①集中控制,即所有的儲能變流器均由中央控制器控制,統一實現幅值、頻率和相位等的同步調節,操作簡單,可實現良好的均流效果,但如果中央控制器停止工作,會導致整個系統罷工,可靠性并不強;②主從控制,即在每個變流器中均導入同步信號,然后設置一定的邏輯規則確定主機,當主機出現故障時,重新選定新的主機,但是在主機切換的過程中,系統可能會出現斷電現象,導致可靠性降低;③分布式控制,即各個變流器之間只通過輸出負載線連接,每個變流器可以獨立工作,互不影響,可靠性最高。

由于不同的微電網結構各異,對于儲能系統的要求也有所不同。目前,微電網使用的儲能技術以混合儲能為主。根據接入方式的不同,混合儲能系統又可以劃分為集中式和分布式兩類。集中式混合儲能是在母線上放置若干個儲能元件以及DC/交流電(AC)變流器,實現電能的輸入和輸出,成本較低,簡單易控制;分布式混合儲能則根據實際應用場合,按照需求放置儲能元件,然后接入電網,靈活方便,容易擴容,但是維護成本較高,控制策略較復雜。

6 微電網儲能工程實際案例

目前,微電網儲能的相關研究成果在實際工程中展開了較為廣泛的應用。該書介紹了南麂島離網型、鹿西島并網型和西藏阿里光儲水等微電網應用工程的建設情況,并根據各個地區的水文、氣候、地勢等不同特點,建立符合當地實際發展需要的微電網工程,以實現資源、能源的合理利用。

7 結語

《微電網儲能運行控制關鍵技術及應用》一書融合了微電網理論知識和實際應用案例,詳細闡述了微電網的儲能系統建模、配置優化、能量管理和關鍵控制技術等相關內容,并給出了具有代表性的微電網儲能工程實際案例。該書理論聯系實際,邏輯清晰,目標明確,可供從事新能源發電、微電網儲能研究的工程技術人員及相關專業高校師生參考。

書名:微電網儲能運行控制關鍵技術及應用

作者:周金輝等 編著

ISBN:9787519846602

出版社:中國電力出版社

出版時間:2019-11-01

定價:￥66.00元